《14蛋白质合成》由会员分享，可在线阅读，更多相关《14蛋白质合成（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十四单元 蛋白质的生物合成一、遗传密码DNA编码链或mRNA上的核苷酸，以3个为一组（三联体）决定1个氨基酸的种类，称为三联体密码。mRNA的三联体密码是连续排列的，因此，mRNA的核苷酸序列可以决定蛋白质的一级结构。（一）遗传密码的破译1953年 Dounce假设DNA通过RNA将信息传给蛋白质，RNA上每三个核苷酸形成一个“ 空洞”，正好将一个氨基酸装进去。该假说允许三联体的重叠。1954年 物理学家Gamow与Teller等人合作，提出三联体不可重复。1957年 Crick也提出了三联体的假说，提出要解决“天书”的“词法” 和“句法”，必须要有一本标准词典，认为64种组合中的44种是
2、“简并密码”。1961年 Nirenberg, Matthaei & Ochoa开始用生物化学手段破译密码，得到20种氨基酸的密码子的核苷酸序列。1964年 Khorana合成了U和G交替的多聚核苷酸，合成的肽为VCVCVC，后来合成了UUGUUUGUUG产生了poly(L), poly(C)和poly(V)，由此确定了一些密码子的核苷酸序列。1964年 Nirenberg用合成的三联体与tNRA进行密码子反密码子的碱基配对，并与核糖体结合，使密码破译的速度大大加快。1966年 遗传密码的破译工作基本结束，Crick绘制了密码表，提出了摆动学说（wobble concept)，及时收回了“同义
3、词”不存在的假设。 （二）遗传密码的特点（1）遗传密码为三联体：模板从mRNA5端的起始密码子开始，到3端的终止密码称为开放读码框架。在框架内每3个碱基组成1个密码子，决定1个氨基酸。（2）遗传密码的种类：遗传密码共64个，其中61个密码子分别代表各种氨基酸。3个为肽链合成的终止信号。位于5端的AUG，除了代表甲硫蛋氨酸外，还是肽链合成的起始信号。（3）遗传密码的连续性：对mRNA分子上密码子的阅读方法叫读码。正确读码是每3个相邻碱基一组，不间断地连续读下去，直到出现终止密码为止。mRNA上碱基的插入和缺失，可导致框移突变。（4）遗传密码的简并性：有61个密码子代表20种氨基酸，每个密码子只代
4、表一种氨基酸，而多数氨基酸都有24个密码子，这种由几个密码子编码同一氨基酸的现象称为简并性。从密码表上可看出密码子的第3位碱基通常是简并的。（5）遗传密码的摆动性：指密码子与反密码子配对不遵从碱基配对规律，此不严格的配对关系称为摆动性。如丙氨酰- tRNA反密码子的第1位碱基I可以与密码子第3位的A、C或U配对。遗传密码的摆动性使一种tRNA可以识别几种代表同一种氨基酸的密码子。（6）遗传密码的通用性：从细菌到人的遗传密码都市通用的，但近年发现哺乳类动物线粒体的蛋白质合成体系中有个别例外。如UAG不代表终止密码子，而代表色氨酸；CUA不代表亮氨酸，而代表苏氨酸。（7）遗传密码的防错系统：由于遗
5、传密码的简并性，有4个密码的氨基酸，其第三位的碱基被替换，仍编码同一种氨基酸，从遗传密码表可以看出，只要遗传密码的第二位是U，则第一位和第三位不论怎么变化，其编码的氨基酸总是疏水性的，如第二位是C，则其编码的氨基酸是非极性的或极性不带电荷的，若第二位为A或G，则编码的氨基酸R基是亲水性的，第一位是A或C，第二位是A或G，则编码的氨基酸R基是碱性的，若前两位是AG则编码的氨基酸R基是酸性的。这些规律使某些核苷酸的替换可以不引起肽链中氨基酸的变化，或被替换的氨基酸理化性质相似。这便是密码的防错系统。二、tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上 1.1957年Hoagland, M.B.发现一类稳定
6、的RNA小分子，不与核糖体结合，因而不同于mRNA和rRNA。2.Crick, F.比较了核酸和氨基酸的大小和形状后，认为不可能在空间上互补，因此预测：(1) 存在一类分子转换器，使信息从核酸序列转换成氨基酸序列；(2) 这种分子很可能是核酸；(3) 它不论以何种方式进入蛋白质翻译系统的模板，都必须与模板形成氢键（即配对）；(4) 有20种分子转换器，每种氨基酸一个；(5) 每种氨基酸必定还有一个对应的酶，催化与特定的分子转换器结合。3.1963年，Ehrenstein等人用实验证明了Hoagland发现的分子就是Crick预言的分子转换器，即tRNA。4.1965年Holley经过7年的努力
7、测出酵母Ala-tRNA序列。三、核糖体是蛋白质合成的工厂1.早在本世纪30年代后期就发现细胞质和细胞核中都有核酸存在，不过用1924年福尔根发明的染色法只能使细胞核中的核酸染色。但两种核酸在260nm的吸收非常相似。2.1941年，细胞学家J.Brachet和T.Caspersor注意到细胞质中的核酸与蛋白质的合成有密切的关系。3.50年代有人用电子显微镜和物理化学手段发现大肠杆菌细胞质的RNA常常存在于蛋白质合成相关的颗粒中（20nm,用35S进行脉冲式标记的实验证明该颗粒是蛋白质合成的所在地），简称核糖体。4.核糖体得到分离后，发现含有RNA，即称rRNA。Watson等发现rRNA的G
8、C，AU，断定是一单链分子。核糖体有三个重要的作用为点A位点（或称 acceptor site）可以进入氨基酰-tRNA(aminoacyl-tRNA)。 P位点(或称供位，donor site) 是被肽基酰-tRNA(peptidyl-tRNA)所占据。 3E位点(Exit site) 脱酰tRNA(deacylated-tRNA)短暂地占据。四、原核生物蛋白质合成的步骤(一) 氨酰-tRNA合成酶使氨基酸结合到特定的tRNA上 aa + ATP + E氨基酰-AMP-E + PPi，氨基酰-AMP-E + tRNA aa - tRNA+AMP +E总反应为：氨基酸tRNAATP = 氨酰-
9、tRNAAMPPPi此酶专一性很高，只作用于L-氨基酸，每种氨基酸有一个专一的酶。酶有校对机制，一方面对转运RNA有专一性，另一方面还有水解位点，可水解错误酰化的氨基酸。(二) 肽链合成的起始起始信号：起始密码子是AUG，其上游约10个核苷酸处有一段富含嘌呤的SD序列，可与16S rRNA的3端互补，与起始有关。甲硫氨酸的单一的密码子有两种tRNA去识别，即和tRNAMet，它们有相同的反密码子5-CAU-3，但有不同的专一性，当甲硫氨酸与反应生成Met-后,可进一步甲酰化生成甲酰甲硫氨酰-，即fMet-。这种甲酰化反应不会在甲硫氨酸或Met- tRNAMet上发生。因为在mRNA起始密码子的
10、上游区（5端）有一段富含嘌呤的Shine-Dalgarno序列（简称SD序列），它能与核糖体30S小亚基16S rRNA的3端一段富含嘧啶的序列互补结合，使30S小亚基正确定位在mRNA的5端。SD序列允许fMet-正确结合在30S小亚基P位的起始密码子上。此外，无论是甲酰化或非甲酰化的Met-都不能与EF-Tu和GTP形成复合物，也保证了只有Met- tRNAMet能够进入核糖体的A位，使甲硫氨酸能参入肽链的内部。(三)起始复合物的形成原核生物翻译起始复合物的形成过程需要3种起始因子参加，即IF-1、IF-2和IF-3。起始过程可分为4个步骤：（1）核糖体大小亚基的分离：翻译起始时，IF-3
11、结合到核糖体30S亚基靠近50S亚基的边界，使大、小亚基分离。IF-1协助IF-3的结合，单独的30S亚基易于与mRNA及起始tRNA结合。（2）mRNA在核糖体小亚基上就位：mRNA与核糖体小亚基的结合是靠前者的SD序列与后者的16SrRNA互补及rps-1与其识别序列的相互辩认。（3）fmet-tRNA的结合：fmet- tRNA结合mRNA及核糖体，需要IF-2参与。IF-2先与GTP结合，再结合fmet-,生成fmet-tRNA-IF2-GTP复合物。这一复合物的就位，还可推动mRNA在30S亚基上前移，使起始tRNA到达P位。这是一个消耗能的过程，IF-1也促进这一结合作用。（4）核
12、糖体大亚基的结合：mRNA和起始tRNA都与30S亚基结合后，IF-3先脱落，接着，IF-2和IF-1相继脱落，在已有mRNA和起始tRNA的30S亚基上，加入核糖体的大亚基，形成以70S核糖体为主体的翻译起始复合物。（四）肽链的延伸肽链的延伸可分三步描述：（1）注册（或称进位），即在延长因子EF-Tu、EF-Ts和GTP参与下，氨酰-tRNA进入核糖体A位，进位完成后，核糖体P位有起始者- tRNA（第二轮以后则为肽酰tRNA）。A位有下一位的氨酰-tRNA；（2）成肽：在转肽酶催化下，P位上的肽酰- tRNA的肽酰基R-CO-与A位上氨酰- tRNA氨基酸-NH2成肽，肽链延长一个氨基酸残
13、基。P位上的tRNA脱落；（3）转位，新生成的肽酰-tRNA从A位移至P位，此过程由转位酶（EFG）催化。转位后A位留空，回复到可注册的状态，继续下一位氨基酸的加入。原核生物肽链的延长反应需要三种延长因子，即EF-Tu、EF-Ts和EF-G。EF-Tu先与GTP结合成活性状态，然后携带一个由mRNA上的密码子指导的氨酰- tRNA进入到核糖体的A部位。EF-Tu具有高度的选择性，它能识别除fMet-外的所有氨酰- tRNA。EF-Ts的作用是把EF-Tu从因GTP水解而形成的EF-TuGDP复合物中释放出来，再与另一分子的GTP结合，重新形成EF-TuGTP活性形式。EF-G（即移位酶）在GT
14、P的参与下，使肽基-tRNA从A部位移到P部位，使A部位空出来以便开始下一轮延长反应。（五）肽链合成的的终止终止包括：终止密码的辩认，肽链从肽酰-tRNA水解释出，mRNA从核糖体分离及大小亚基解聚。（1）当翻译至A位出现mRNA的终止密码时，任何氨酰- tRNA不能与之识别，只有RF-1或RF-2能识别之，并进入A位。（2）RF-3激活大亚基上的转肽酶，使之变构后表现酯酶的水解活性，将P位上的多肽链从tRNA分解下来。（3）在RR的作用下，GTP供能使tRNA、mRNA及RF均从核糖体脱落。在IF的作用下大小亚基解聚。五、真核生物的蛋白质合成（一）原核生物和真核生物蛋白质合成的相同之处（1）
15、都需生成翻译起始复合物；（2）都需多种起始因子参加；（3）翻译起始的第一步都需核糖体的大、小亚基先分开；（4）都需要mRNA和氨酰- tRNA结合到核糖体的小亚基上；（5）mRNA在小亚基上就位都需一定的结构成分协助。（6）小亚基结合mRNA和起始者tRNA后，才能与大亚基结合。（7）都需要消耗能量。（二）原核生物和真核生物蛋白质合成的不同之处（1）真核生物核糖体是80S（40S+60S）；eIF种类多（10多种）；起始氨酰- tRNA是met- tRNA（不需甲酰化），mRNA没有SD序列；mRNA在小亚基上就位需5端帽子结构和帽结合蛋白以及eIF2；mRNA先于met-tRNA结合到小亚基
16、上。（2）原核生物核糖体是70S（30S+50S）；IF种类少（3种）；起始氨酰- tRNA是fmet- tRNA（需甲酰化）；需SD序列与16S-tRNA配对结合，rps-1辩认识别序列；小亚基与起始氨酰-tRNA结合后，才与mRNA结合。六、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质合成后的靶向输送原理，有几种不同的学说，信号肽假说是目前被普遍接受的学说之一。分泌性蛋白质的初级产物N-端多有信号肽结构，信号肽一旦合成（蛋白质合成未终止），即被胞浆的信号肽识别蛋白（SRP）结合，SRP与内质网膜的内侧面的受体即对接蛋白（DP）结合，组成一个输送系统，促使膜通道开放，信号肽带动合成中的蛋白质沿通道穿过膜，信号肽在沿通道折回时被膜上的信号肽酶切除，蛋白质在
