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第十四章 蛋白质的生物合成

第十四章 蛋白质的生物合成. 中心法则 指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以 mRNA 上所携带的遗传信息 , 到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以 mRNA 为模板的蛋白质合成过程为 翻译 (translation) 。 翻译过程十分复杂，需要 mRNA 、 tRNA 、 rRNA 和多种蛋白因子参与。在此过程中 mRNA 为合成的模板， tRNA 为运输氨基酸工具， rRNA 和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为 N—C 端。.

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第十四章 蛋白质的生物合成

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  1. 第十四章 蛋白质的生物合成 中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息,到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译(translation)。 翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为N—C端。

  2. 遗传信息流动示意图 DNA mRNA 核糖体 tRNA

  3. 第一节 蛋白质合成体系 第二节 蛋白质合成的机理 第三节 肽链合成后的折叠与加工 第四节 蛋白质定位

  4. 蛋白质合成体系的组分 第一节 蛋白质合成体系 一、mRNA和遗传密码 二、t RNA 三、核糖体 四、辅助因子

  5. m R N A mRNA (messenger RNA)是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。 原核生物和真核生物mRNA的比较

  6. 遗 传 密 码 遗传密码: DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。 密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。 遗传密码字典 三联体密码的破译 遗传密码的性质

  7. 三联体密码的破译 1954年Gamov确认核酸分子中三个碱基决定一个氨基酸 1961年Crick 等用遗传学方法也证实三联体密码子学说是正确的  Nirenberg以均聚物共聚物为模板指导多肽的合成,寻找到了破译遗传密码的途径 Khorana以共聚物指导多肽的合成，加快了破译遗传密码的步伐

  8. 缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变 CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAC ATC ATC ATC ATC CAT CAC AXT CAT CAT CAT CAX TXC ATX CAT CAT CAT -1 -1, +1 +3

  9. 以均聚物为模板指导多肽的合成 Poly U 为模板，产生的多肽链为Poly Phe Poly C 为模板，产生的多肽链为Poly Pro Poly A 为模板，产生的多肽链为Poly Lys

  10. 以特定的共聚物为模板指导多肽的合成 （1）以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽 ,如以Poly UG 为模板，合成产物为Poly Lys-Val。 （2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨 基酸组成的多肽。

  11. 核糖体结合技术 技术要点： 以人工合成的三核苷酸为模板+核糖体+AA-tRNA 保温 硝酸纤维滤膜过滤 分析留在滤膜上的核糖体-AAtRNA 确定与核糖体结合的AA

  12. 遗传密码字典 第二位 第一位（5ˊ） 第三位（3ˊ） U C A G UCAG U UCAG C UCAG A UCAG G

  13. 64种密码中，61种是Aa的密码子，AUG和 GUG的特殊性 • 肽链内部Met的密码子 • AUG 原核生物编码甲酰甲硫氨酸 • 起始密码 • 真核生物编码甲硫氨酸

  14. 另有三种是终止密码（标点密码子、无意义密码子），另有三种是终止密码（标点密码子、无意义密码子）， • UAA（琥珀密码子） • UAG （乳石密码子） • UGA （赭石密码子）

  15. 遗传密码的性质 1、密码是无标点符号的且相邻密码子互不重叠。 2、密码的简并性：由一种以上密码子编码同一个 氨基酸的现象称为简并性（ dogeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(Synonymous codon)。密码的简并性可以减少有害突变 。 3、密码的摆动性（变偶性）：密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定，tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时，密码子的第一、二位碱基是严格的，第三位碱基可以有一定的变动。Crick称这一为变偶性（wobble）. 4、密码的通用性和变异性 5、 64组密码子中，AUG既是Met的密码，又是起始密 码；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子：UAG、UAA、UGA。

  16. 密码子是不重叠的并且无标点： • A B C D E F G H I J K H • Aa1 Aa2 Aa3 Aa4

  17. 反密码子与密码子之间的碱基配对 反密码子第一位碱基 密码子第三位碱基 A U C G U C G A G U U C A I

  18. 1966年Crick根据立体化学原理提出： （1）mRNA上的密码子的第一、第二个碱基 与tRNA上 的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一 性主要是由这两个碱基对的 作用。 （2）有些反密码子的第一个碱基（按5-3 ）决定了该tRNA识别密码子的数目。 （3）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他们的第一 和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的tRNA 来识别。

  19. 人线粒体中变异的密码子 密码子 正常情况下编码 线粒体DNA编码 UGA 终止信号 Trp AUA Ile Met AGA Arg 终止信号 AGG Arg 终止信号

  20. 顺反子 顺反子 顺反子 插入顺序 插入顺序 末端顺序 原核细胞mRNA的结构特点 SD区 5´ 3´ AGGAGGU 先导区 • 特点 • 半衰期短 • 许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在 • AUG作为起始密码；AUG上游7～12个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区， 16S rRNA3’- 端反向互补而使mRNA与核糖体结合。

  21. 顺反子 5´“帽子” PolyA3´ 真核细胞mRNA的结构特点 • Poly(A)尾巴的功能 • 是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式 • 它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性 m7G-5´ppp-N-3 ´ p • 帽子结构功能 • 使mRNA免遭核酸酶的破坏 • 使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质 • 被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。 AAAAAAA-OH

  22. t RNA tRNA （transfer ribonucleic asid）在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将活化的氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。 1、tRNA的结构特征 2、tRNA的功能 （1）tRNA的接头(adaptor)作用 3´-端上的氨基酸接受位点  识别氨酰- tRNA合成酶的位点 核糖体识别位点 反密码子位点 （2）tRNA的突变与校正基因 (回复突变，reverse mutation)

  23. 3 密码子与反密码子的配对关系 5 tRNA 反密码子 mRNA 3 5 A U C 1 2 3 密码子

  24. 第二个突变： tRNA Tyr的反密码子GUA突变成CUA 突变tRNATyr可以将终止密码 UAG读作Tyr Tyr H2N COOH 3-A-U-C- 5 5-U-A-G- 3 突变tRNA Tyr的反密码子（正常时应为3-A-U-G- 5） 此终止密码被读作Tyr Glu H2N COOH 基因间的校正突变 GAG(Glu) UAG（终止密码） 第一个突变：由于DNA突变使mRNA分子中GAG变为UAG COOH H2N

  25. 核糖体 核 糖 体 是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。 1、核糖体的结构和组成 2、核糖体的功能

  26. 原核生物核糖体的组成 50S subunit 23S RNA 5S RNA 34 protein 50S subunit 30S subunit 70S ribosome 16S RNA 原核生物核糖体结构示意图 30S subunit 21 protein 核糖体的组成

  27. 核糖体的功能 • 小亚基：结合mRNA及tRNA反密码区段 • 功能 • 大亚基：结合tRNA其它区段 • A位—氨酰tRNA 进入部位 • 核糖体的活性中心 • P位—与正在延伸的肽酰 • tRNA结合部位

  28. P位（结合或接受肽基的部位） A位（结合或接受AA- tRNA的部位） 50S 5 3 mRNA 30S 与mRNA结合部位 原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图

  29. 多聚核糖体 • 在一个mRNA分子中结合一定数目的单位核糖体称为多聚核糖体。

  30. 真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子 阶段　原核真核 功 能 IF1 IF2eIF2 参与起始复合物的形成　 IF3eIF3、eIF4C 起始　　　　　CBP I 与mRNA帽子结合 eIF4A B F 参与寻找第一个AUG eIF5 协助eIF2 、 eIF3、eIF4C的释放 eIF6 协助60S亚基从无活性的核糖体上解离 EF-TueEF1 协助氨酰-tRNA进入核糖体 延长　EF-TseEF1  帮助EF-Tu 、 eEF1周转 EF-GeEF2 移位因子 RF-1 终止　 eRF 释放完整的肽链 RF-2

  31. 第二节 蛋白质合成的机理 一、氨基酸的活化 二、原核生物多肽链的合成过程 三、多核糖体与核糖体循环 四、真核生物多肽链的合成

  32. 氨基酸 第一步：氨酰－tRNA合成酶识别它所催 化的氨基酸以及另一分子ATP，在该酶的 催化下，氨基酸的羧基与AMP上的磷酸基 团之间形成一个酯键，同时释放一个PPi 分子．这时氨酰－AMP仍然紧密地与酶结 合． 第二步：氨酰－tRNA合成酶将氨基酸连 接到tRNA3,端的核糖上． 　　 氨酰－tRNA合成酶之间在识别 tRNA的部位上有所不同．一些特异形成 3,形式的酯，有的形成2,形式的酯，有 的还可能形成混合物．一旦结合到最末 端的核糖上后，氨酰基团还能在2，或3， 的羟基之间进行交换，但只有形tRNA3, 形式的酯，才能参于在核糖体催化下的 转肽反应． 氨基酸的活化 ATP + 氨基酸的活化 第一步 PPi E-AMP 氨酰腺苷酸 第二步 AMP E 3-氨酰-tRNA

  33. +H2N-CH-COO-tRNA CH2 CH2 S COO- CHO-HN-CH-COO-tRNA CH2 CH2 S COO- N-甲酰甲硫氨酰-tRNAiMet的形成 转甲酰酶 N10-CHO-FH4 FH4 Met-tRNAiMet fMet-tRNAtMet

  34. 氨酰- tRNA合成酶特点 a、专一性： 对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。 对tRNA 具有极高专一性。 b、校对作用：许多氨酰- tRNA合成酶似乎含有第二个活性部位，用于的水解错误活化的氨基酸。例如，对于偶尔生成的Val-tRNAIle： Val-tRNAIle+H2O Val+tRNAIle

  35. 氨酰-tRNA合成酶识别氨基酸与tRNA 　　尽管不同氨酰-tRNA合成酶之间在分子大小、亚基组成上有所差异，但它们都有一些共同特征．酪氨酰－tRNA合成酶与反应中间物酪氨酰－腺苷酸复合物晶体结构的解析表明：反应中间物结合在酶分子的一个深沟里，二者之间形成11个氢键．6个氢键涉及AMP部分，5个涉及酪氨酰部分． 　　每一种氨酰－tRNA合成酶既能够识别相应的氨基酸，又能够识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA分子．

  36. 原核生物多肽链的合成过程 原核生物多肽链的合成分为三个阶段：肽链合成的起始、肽链的延伸、肽链合成的终止和释放。 1、肽链合成的起始 2、肽链的延长 3、肽链合成的终止及释放

  37. IF1 IF2-GTP-fMet-tRNA IF3 50S亚基 IF2+ IF1+GDP+Pi 肽链合成的起始 mRNA+30S亚基-IF3 30S亚基• mRNA IF3- IF1复合物 IF-3的功能是使前面已结束蛋白质合成的核糖体 的30S和50S亚基分开，而IF-1和IF-2的功能则是促 进fMet-tRNAifMet及mRNA与30S小亚基的结合． 当30S小亚基结合上fMet-tRNAifMet及mRNA形成 复合物后，IF-3就解离下来，以便50S大亚基与复 合物结合．这一结合使得IF-1及IF-2离开核糖体， 同时使结合在IF-2上的GTP发生水解． 30S• mRNA • GTP- fMet –tRNA- IF2- IF1复合物 70S起始复合物

  38. mRNR上的SD序列可与小亚基上16S rRNA的3，进行碱基配对，起始密码子AUG可与起始tRNA上的反密码子进行配对．

  39. 1 1 2 2 1 5´ GTP GTP N-端 C-端 2 3 2 3 2 3 5´ 3´ 肽链的延长 进位 肽键形成 3´ (Tu\Ts) 移位 （EF-G） 进位 肽键形成

  40. 进位：由mRNA所决定的新的氨基酸-tRNA进入A位；进位：由mRNA所决定的新的氨基酸-tRNA进入A位； • 转肽：转肽酶作用下转肽（GTP供能）； • 1992，Holler认为由23SrRNA催化； • 脱落：新肽合成后，P位上tRNA脱落； • 移位：核糖体向mRNA3，端移位，带有肽链的tRNA进入P位，空出A位再接受下一个氨基酸-tRNA（GTP供能）； • 上述过程重复进行，直到终止密码为止。

  41. 氨基酸-tRNA的结合由氨酰-tRNA结合因子催化，在细菌中写为EF-Tu，在真核系统中为EF-1．这个因子可与结合有氨酰-tRNA和GTP的核糖体形成四元复合物，同时偶联上GTP的水解．氨基酸-tRNA的结合由氨酰-tRNA结合因子催化，在细菌中写为EF-Tu，在真核系统中为EF-1．这个因子可与结合有氨酰-tRNA和GTP的核糖体形成四元复合物，同时偶联上GTP的水解． 第二个延长因子EF-Ts则负责催化EF-Tu-GTP复合物的再生成，为结合下一个氨酰-tRNA作准备． EF-1是一个多亚基的蛋白，同时具备了EF-Tu及EF-Ts的性质．

  42. Tu\Ts循环 Ts-GDP Ts

  43. 肽键的形成 肽键的形成不需要任何蛋白因子的参与，而是依靠核糖自身催化完成的，它也是蛋白质合成过程中，核糖参与催化的唯一反应，实质上是使一个酯键变成了一个肽键． 嘌呤霉素对蛋白质合成的抑制作用就发生在这一步上．嘌呤霉素的结构 与氨酰-tRNA3，端上的确AMP残基的结构十分相似．肽酰转移酶也能促使氨基酸与嘌呤霉素结合，形成肽酰嘌呤霉素，但其连接不是酯键，而是酰氨键．肽酰-嘌呤霉素复合物很容易从核糖体上脱落，从而使蛋白质合成过程中断．

  44. 　　延长过程的最后一步叫做移位，由移位因子催化（原核生物和真核　　延长过程的最后一步叫做移位，由移位因子催化（原核生物和真核 生物中分别为EF-G和EF-2），此过程有GTP的水解．移位大目的是 使核糖体沿mRNA移动，使下一个密码子暴露出来以供继续翻译．

  45. UAG 5 3 tRNA 30S亚基 50S亚基 UAG 5 3 肽链合成的终止及释放 RF （1）释放因子RF1（UAA,UAG）或RF2（UAA,UGA）进入核糖体A位。 （2）多肽链的释放 （3）70S核糖体解离

  46. 当释放因子识别在A位点上的终止密码子后，将改变在大亚基上当释放因子识别在A位点上的终止密码子后，将改变在大亚基上 的肽酰转移酶的专一性，使其能结合水用于亲核进攻，而不是识别通 常的底物氨酰-tRNA．也就是说，终止反应就是将肽酰转移酶的活性 转变为酯酶活性．

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