生物化学第十三章蛋白质的生物合成

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1、 第十三章第十三章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成翻翻译翻翻译(translation)：根据：根据mRNA链上的上的遗传信息信息合成蛋白合成蛋白质的的过程。程。 翻翻译的的过程十分复程十分复杂，几乎涉及到，几乎涉及到细胞内所胞内所有种有种类的的RNA和几十种蛋白和几十种蛋白质因子。因子。v原料原料：20种种L-氨基酸；氨基酸； 3种种RNA：mRNA, tRNA, rRNAv酶：氨基：氨基酰tRNA合成合成酶、转肽酶v两种高能核苷酸两种高能核苷酸： ATP、 GTPv金属离子金属离子：K+ 、Mg2+（促（促进肽键形成形成)v多种蛋白多种蛋白质因子因子: 起始因子起始因子: IF或或eIF

2、 延延长因子：因子：EF或或eEF 释放因子：放因子：RF或或eRF 方向方向：氨基端：氨基端 羧基端基端第一节第一节 RNA在蛋白质生物合成中的在蛋白质生物合成中的重要功能重要功能一、一、mRNA和和遗传密密码 真核真核mRNA在核在核质内合成内合成时是一种大分子量的是一种大分子量的mRNA前体，叫前体，叫核内不均一核内不均一RNA（hnRNA）。hnRNA经过细胞内加工胞内加工为成熟的成熟的mRNA，转移到移到细胞胞质行使其功能。行使其功能。 mRNA 是蛋白是蛋白质合成的直接模板，其核苷酸排合成的直接模板，其核苷酸排列列顺序取决于相序取决于相应DNA 的碱基排列的碱基排列顺序，它又决序，

3、它又决定了所形成的蛋白定了所形成的蛋白质多多肽链中的氨基酸的排列中的氨基酸的排列顺序。序。 原核生物原核生物mRNA分子分子结构构:真核生物真核生物mRNA分子分子结构：构：SD序列序列 SD序列序列富含富含嘌呤碱基，可与呤碱基，可与16s rRNA的的3末端末端富富含含嘧啶碱基的序列互碱基的序列互补，这与与mRNA对核糖体的核糖体的快快速速识别有关。有关。、遗传密密码的破的破译 mRNA都是由都是由4种核苷酸构成，而种核苷酸构成，而组成多成多肽的的氨基酸有氨基酸有20种种；4 4种核苷酸与种核苷酸与2020种氨基酸怎样对种氨基酸怎样对应起来应起来？ 显然，必然，必须是几个核苷酸的是几个核苷酸

4、的组合合编码一个氨基酸一个氨基酸才能才能应付局面。用数学方法很容易算出：付局面。用数学方法很容易算出：3 3个相邻的核苷酸个相邻的核苷酸 1 1种氨基酸，种氨基酸，有有4 43 3种排列种排列 64 64种密码子种密码子 在在mRNA链上以相上以相邻的三个核苷酸的三个核苷酸为一一组，起，起编码多多肽链中一种氨基酸的作用，叫中一种氨基酸的作用，叫密密码子子 (codon) 。由于它是相。由于它是相邻的三个核苷酸又称的三个核苷酸又称三三联体密体密码 (triplet code)。 早在早在1961年，年，Nirenberg等人在大等人在大肠杆菌的无杆菌的无细胞体系中外加胞体系中外加poly(U)模

5、板、模板、20种种标记的氨基酸，的氨基酸，经保温后得到了多聚保温后得到了多聚phe-phe-phe，于是推，于是推测UUU编码phe。利用同。利用同样的方法得到的方法得到CCC编码pro，GGG编码gly，AAA编码lys。 如果利用如果利用poly(UC)，则得到多聚得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推推测UCU编码Ser，CUC编码Leu，因，因为poly(UC)有有两种两种读码方式：方式：UCUCUC和和CUCUCU。Established thechemicalstructure oftRNAEstablished the in vitro system for revealin

6、g the genetic codesDevised methodsto synthesizewell definednucleic acids 在在64个个密密码子子中中有有61个个编码氨氨基基酸酸，3个个不不编码任任何何氨氨基基酸酸而而起起肽链合合成成的的终止止作作用用，称称为终止止密密码子子，它它们是是UAA、UAG、UGA，密密码子子AUG（编码Met）又称）又称起始密起始密码子子。、遗传密密码的特性的特性 1. 密密码的无的无标点性、无重叠性点性、无重叠性 编码一个一个肽链的所有既不重叠也不的所有既不重叠也不间隔，从起始密隔，从起始密码子到子到终止密止密码子构成一个完整的子构成一个完

7、整的读码框架框架（不包括（不包括终止子）。止子）。那么如果在那么如果在阅读框中插入或框中插入或删除一个碱基就会使其后的除一个碱基就会使其后的读码发生移位性生移位性错误，称，称为移移码突突变。 几种密几种密码子子编码一种氨基酸的一种氨基酸的现象称象称为密密码子的子的简并并性性。编码同一个氨基酸的一同一个氨基酸的一组密密码子称子称为同同义密密码子子。如如GGN（GGA、GGU、GGG、GGC）都）都编码Gly，那么，那么这4种密种密码子就称子就称为Gly的的简并密并密码，一般情况下密，一般情况下密码子的子的简并性只涉及第三位碱基。并性只涉及第三位碱基。 只有只有Met和和Trp没有没有简并密并密码

8、。 2. 密密码子的子的简并性并性问：密码子简并性的生物学意义？问：密码子简并性的生物学意义？ 密密码子的子的专一性主要由前两位碱基决定的，而第三位碱一性主要由前两位碱基决定的，而第三位碱基有基有较大的灵活性，大的灵活性，Click将第三位碱基的将第三位碱基的这一特性称一特性称为摆动性性（wobble）。）。 密密码子第三位碱基与反密子第三位碱基与反密码子第子第一位碱基不一位碱基不严格互格互补，但不影响翻，但不影响翻译正确。正确。 3. 密密码子的子的摆动性性问：细胞内有几种问：细胞内有几种tRNAtRNA？ 当当遗传密密码破破译后，由于有后，由于有61个密个密码子子编码氨基酸，于是氨基酸，于

9、是人人们预测细胞内有胞内有61种，但事种，但事实上上绝大多数大多数细胞内只有胞内只有50种左右，种左右，Crick也正是在也正是在这种情况下提出了种情况下提出了摇摆假假说并合理并合理解解释了了这种情况。种情况。 根据根据摇摆性和性和61个密个密码子，子，经过仔仔细计算，要翻算，要翻译61个个密密码子至少需要子至少需要31种种tRNA，外加，外加1个起始个起始tRNA，共需，共需32种。但是，在叶种。但是，在叶绿体和体和线粒体内，由于基因粒体内，由于基因组很小用到的很小用到的密密码子少，因此，叶子少，因此，叶绿体内只有体内只有30种左右种左右tRNAs，线粒体粒体只有只有24种。种。 病毒、原核

10、病毒、原核细胞、真核胞、真核细胞都用同一套胞都用同一套遗传密密码子表，叫子表，叫密密码的通用性的通用性。 目前只目前只发现线粒体和叶粒体和叶绿体内有例外情况，体内有例外情况，这也也是如火如荼的是如火如荼的转基因的前提。基因的前提。 4. 密密码子的通用性子的通用性二、二、tRNA tRNA 起运起运载氨基酸的作用氨基酸的作用，将氨基酸按照，将氨基酸按照mRNA链上的密上的密码子所决定的氨基酸子所决定的氨基酸顺序搬运到序搬运到蛋白蛋白质合成的合成的场所（即核糖体）的特定部位。所（即核糖体）的特定部位。 每一种氨基酸可以有一种以上每一种氨基酸可以有一种以上tRNA 作作为运运载工工具，人具，人们把

11、携把携带相同氨基酸而反密相同氨基酸而反密码子不同的一子不同的一组tRNA 称称为同功受体同功受体tRNA (isoaccepting tRNAs)tRNA的二、三的二、三级结构构tRNA的功能的功能、3端接受氨基酸端接受氨基酸氨基酸氨基酸tRNA氨氨酰tRNA、识别mRNA链上的密上的密码子子反密反密码子子密密码子子 反密反密码子与子与mRNA链上密上密码子反向互子反向互补配配对，保，保证了了氨基酸按照密氨基酸按照密码子所子所规定的定的顺序序进入入肽链。一种一种tRNA经常能常能识别一种以上的一种以上的同同义密密码子子、连接多接多肽链和核糖体和核糖体核糖体核糖体多肽链多肽链tRNA 在多在多肽

12、链合合成成过程中，多程中，多肽链通通过tRNA暂时结合在核糖体合在核糖体的正确位置，直的正确位置，直到多到多肽合成合成终止止才从核糖体上脱才从核糖体上脱落下来。落下来。可以可以说tRNA是一个万能接是一个万能接头： 对氨氨酰- tRNA合成合成酶的的识别位点（接位点（接头合成合成酶） 3端端-CCA上的氨基酸运上的氨基酸运载位点（接位点（接头氨基酸，装氨基酸，装载） 对核糖体的核糖体的识别位点（将氨基酸运送到目的地）位点（将氨基酸运送到目的地） 反密反密码子位点（接子位点（接头mRNA，验货并卸并卸载）三、三、rRNA及核糖体及核糖体 核糖体是蛋白核糖体是蛋白质合成的合成的场所。由所。由rRN

13、A和几和几十种十种蛋白蛋白质分子分子组成的一个巨大的复合体。不成的一个巨大的复合体。不同同类型生物中核糖体的型生物中核糖体的结构高度保守，尽管其构高度保守，尽管其rRNA和核糖体蛋白的一和核糖体蛋白的一级结构有所不同，但其构有所不同，但其三三级结构却惊人的相似。构却惊人的相似。核糖体核糖体 大亚基大亚基 小亚基小亚基原核生物原核生物 70S50S 5S rRNA 23S rRNA L1L34 蛋白蛋白30S 16S rRNA S1S21 蛋白蛋白真核生物真核生物80S60S 5S rRNA 5.8S rRNA 28S rRNA L1L49 蛋白蛋白40S 18S rRNA S1S33 蛋白蛋白

14、 每个核糖体是由大小每个核糖体是由大小两个两个亚基基组成，每个成，每个亚基基都有自己不同的都有自己不同的rRNA和蛋白和蛋白质分子。分子。原原核核生生物物真真核核生生物物原核生物核糖体原核生物核糖体核糖体的有两个重要的功能部位：核糖体的有两个重要的功能部位：A部位部位：氨氨酰基部位基部位，接受氨接受氨酰基基tRNAP部位部位：肽酰基部位基部位，起始氨起始氨酰 tRNA或延伸的或延伸的肽基基 tRNA结合的部位，及合的部位，及tRNA被被释放的部位。放的部位。A位位P位位氨氨酰基基tRNA肽酰基基tRNA第二节第二节 原核生物蛋白质的合成过程原核生物蛋白质的合成过程 氨基酸活化氨基酸活化 起始起

15、始阶段段 进位位过程程 延延长阶段段 成成肽 终止止阶段段 转位位 翻翻译从从 mRNA 5 3 5 AUG 3 UAA、UAG、UGA 肽链延延长方向方向 N端端 C端端 一、氨基酸的活化一、氨基酸的活化 氨氨基酸的活化和氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白的合成是蛋白质生物合成的第一步，由生物合成的第一步，由氨氨酰tRNA合成合成酶催化。催化。氨氨酰tRNA合成合成酶既能既能识别氨基酸，又能氨基酸，又能识别tRNA。ATP氨基酸氨基酸氨氨酰AMPtRNA氨氨酰tRNA 氨基酸氨基酸+ATP+E 氨氨酰-AMP-E + ppi 氨氨酰-AMP-E+tRNA 氨氨酰-tRNA+AMP+EtR

16、NAGlnGln-tRNA synthetaseAmino acidarmAnticodonarmATP3 3个结合位点个结合位点氨氨酰tRNA合成合成酶氨氨酰AMP氨氨酰tRNA 氨氨酰tRNA 合成合成酶既能既能识别相相应的氨基酸，又的氨基酸，又能能识别与此氨基酸相与此氨基酸相对应的一个或多个的一个或多个tRNA分分子。因此把子。因此把这种氨种氨酰tRNA 合成合成酶与与tRNA分子分子间的相互作用称的相互作用称为第二套第二套遗传密密码（second genetic codon）。二、合成起始二、合成起始内部密内部密码子子：tRNAMet Met-tRNAMet起始密起始密码子子：tRNA

17、fMet fMet-tRNAfMet AUG既是既是起始密起始密码子子，又是，又是肽链内部内部甲硫氨酸甲硫氨酸密密码子子。如何区分：。如何区分： 起始起始AUG处于于mRNA的特的特殊部位，比如原核生物殊部位，比如原核生物5有有SD序列；序列；携携带甲硫甲硫氨酸的氨酸的tRNA不同，分不同，分别是是tRNAfMet 、tRNAMet 。甲甲酰甲硫氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸+ tRNAf +ATP Met-tRNAf +AMP+PPiN10甲甲酰四四氢叶酸叶酸四四氢叶酸叶酸1. 甲甲酰甲硫氨酸的形成甲硫氨酸的形成 N10甲甲酰四四氢叶酸叶酸+ Met-tRNAf 四四氢叶酸叶酸+ fMet-

18、tRNAf转甲甲酰酶2. 蛋白蛋白质合成起始需要合成起始需要:30S核糖体核糖体亚基；基；50S核糖体核糖体亚基；基；mRNA；fMet-tRNAfMet； 3个起始因子（个起始因子（IF1、IF2、IF3）； Mg2+等。等。3个起始因子个起始因子的功能的功能：IF1：无无专一功能，增加一功能，增加IF-2，IF-3活性。活性。IF2：促促进fMet- tRNAf 与与30S亚基基结合。合。IF3：与与30S亚基基结合，阻止合，阻止30S亚基与基与50S亚基基过早早结合。合。3. 蛋白蛋白质合成起始合成起始过程程30s.IF1 .IF3 . mRNAIF2.GTP.fMet-tRNAfmRN

19、A.30s . fMet-tRNAf . IF2 . GTP . IF1 . IF3IF-3mRNA.70s . fMet-tRNAf50SIF-1IF-2. GDP三、三、肽链的延伸的延伸 肽链的延伸需要：的延伸需要：70S起始复合体起始复合体、第二个氨、第二个氨酰tRNA、3种延伸因子（种延伸因子（EF-Tu、EF-Ts、EF-G）、GTP等。等。EF-TU, EF-TS: 共同促使氨共同促使氨酰-tRNA 进入核糖体入核糖体的的A位，具有位，具有GTP酶活性。活性。EF-G: 具有具有GTP酶活性，促使活性，促使肽酰-tRNA 位移至位移至P位及空的位及空的tRNA 离开核糖体离开核糖体

20、。1. 进入入 氨氨酰-tRNA 与核糖体与核糖体A位位结合。消耗合。消耗1分子分子GTP。2. 转肽 核糖体核糖体A位和位和P位上的氨基酸位上的氨基酸间形成形成肽键。3. 移位移位 核糖体延核糖体延mRNA的的5 3方向移方向移动一个一个密密码子。子。移位移位酶肽链的延伸的延伸进入入转肽移位移位3. 移位移位 核糖体延核糖体延mRNA的的5 3方向移方向移动一个一个密密码子。子。移位移位酶四、四、肽链的的终止止释放因子放因子(RF)：终止止肽链合成并将其从核糖体上合成并将其从核糖体上释放出来的一放出来的一类蛋白蛋白质因子。因子。终止密止密码子：子：UAA、UAG、UGARF1: UAA、UA

21、GRF2: UAA、UGARF3: 与与GTP结合，并促合，并促进RF1和和RF2与与A位点位点结合。合。肽链的的终止止五、蛋白五、蛋白质合成中合成中GTP的作用的作用氨基酸活化氨基酸活化 2ATP /AA起始起始 1GTP延延长 2GTP /cycle终止止 1GTP思考题：合成思考题：合成100100个氨基酸的多肽需要消耗多少个氨基酸的多肽需要消耗多少个高能磷酸键？个高能磷酸键？(400)(400)1.名词解释名词解释 2. 遗传密码如何编码？有哪些基本特性？遗传密码如何编码？有哪些基本特性？中心法则中心法则 密码子密码子 同义密码子同义密码子 摆动假说摆动假说3.简述三种简述三种RNA在蛋白质生物合成中的作用。在蛋白质生物合成中的作用。4.简述蛋白质的生物合成过程。简述蛋白质的生物合成过程。某一原核基因的核酸序列为某一原核基因的核酸序列为5-TTACTGCAATGCGCGATGGTACAT-3，其转录产物，其转录产物mRNA的核苷酸排列顺序是的核苷酸排列顺序是_，此此mRNA编码的多肽链编码的多肽链N端第一个氨基酸为端第一个氨基酸为 _，此多肽，此多肽含含_ 个肽键。个肽键。