【生物学】第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰道.doc

第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰 第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰 The Biosynthesis and transport of protein 在不同的蛋白质分子中，氨基酸有着特定的排列顺序，这种特定的排列顺序不是随机的，而是严格按照蛋白质的编码基因中的碱基排列顺序决定的。基因的遗传信息在转录过程中从 DNA 转移到 mRNA，再由 mRNA 将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。翻译的过程也就是蛋白质分子生物合成的过程，在此过程中需要 200 多种生物大分子参加，其中包括核糖体、mRNA、tRNA 及多种鞍字室蜃印?第一节 参与蛋白质生物合成的物质一、合成原料 自然界由 mRNA 编码的氨基酸共有 20 种，只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料。某些蛋白质分子还含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、-羧基谷氨酸等，这些特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的。 下图给出部分特殊氨基酸分子式：二、mRNA 是合成蛋白质的直接模板 蛋白质是在胞质中合成的，而编码蛋白质的信息载体 DNA 却在细胞核内，所以必定有一种中间物质用来传递 DNA 上的信息，实验证明：mRNA 是遗传信息的传递者，是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，因此得名信使 RNA。 原核细胞中每种 mRNA 分子常带有多个功能相关蛋白质的编码信息，以一种多顺反子的形式排列，在翻译过程中可同时合成几种蛋白质；而真核细胞中，每种 mRNA 一般只带有一种蛋白质编码信息，是单顺反子的形式。mRNA 以它分子中的核苷酸排列顺序携带从 DNA 传递来的遗传信息， 作为蛋白质生物合成的直接模板，决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。不同的蛋白质有各自不同的 mRNA，mRNA 除含有编码区外，两端还有非编码区。非编码区对于 mRNA 的模板活性是必需的，特别是 5端非编码区在蛋白质合成中被认为是与核糖体结合的部位。 1 第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰 mRNA 特点：短命 原核：半衰期几秒-几分钟 真核：半衰期数小时。 功能是蛋白质合成的模板，多肽链氨基酸排列顺序就取决于 mRNA 的核苷酸的排列顺序。 蛋白质由 20 种氨基酸构成的，mRNA 却只有 4 种碱基，如果由一种碱基编码氨基酸，那么 4 种碱基只能决定 4 种氨基酸；如果 2 个碱基编码一种氨基酸 也只能编码 42 种氨基酸；若由 3 个碱基作为一组，可以有 4364 种排列，那么就满足了编码 20 种氨基酸的需要，实验证明：确实是 3 个碱基编码一种氨基酸。 三联体密码：3 个连续的碱基编码一种氨基酸，即每 3 个核苷酸组成的 1个密码子，称为三联体密码子，简称密码子。 1、遗传密码的破译 破译遗传密码的突破性工作主要包括三个方面：一是体外翻译系统的建立；二是核酸的人工合成；三是核糖体结合技术。 1966 完全确定了编码 20 种氨基酸的遗传密码， 编排出了遗传密码字典： 阐明蛋白质生物合成的基础。 为分子遗传学的中心法则的确立提供了有力证据。是生命科学史上的又一重大突破。 mRNA 分子上以 53方向，从 AUG 开始每三个连续的核苷酸组成一个密码子，mRNA 中的四种碱基可以组成 64 种密码子。 这些密码不仅代表了 20种氨基酸，还决定了翻译过程的起始与终止位置。每种氨基酸至少有一种密码子，最多的有 6 种密码子。 在 1966 年编排出了遗传密码字典。见下表： 2 第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰 遗传密码字典 第二位 第一位 第三位 （5） U C A G （3） U C U A G U C C A G U A C A G U C G A G 位于 mRNA 起动部位 AUG 为氨基酸合成肽链的起动信号。以哺乳动物为代表的真核生物，此密码子代表蛋氨酸；以微生物为代表的原核生物则代表甲酰蛋氨酸。 密码子 UAA、UAG、UGA 是肽链成的终止密码，不代表任何氨基酸，它们单独或共同存在于 mRNA3末端。人们赋予这三个密码子特殊的名字：UAA（赭石密码子） 、UAG（蛋白石密码子） 、UGA（琥珀密码子）。 2.遗传密码具有以下特点： 按 53方向编码（方向性： 与 阅读方向 53， mRNA 合成方向一致）、不重叠、无标点、连续的 从起始码 AUG 开始，三个碱基代有一个氨基酸，这就构成了一个连续不断的读框，直至终止码。如果在读框中间插入或缺失一个碱基就会造成移码突变，引起突变位点下游氨基排列的错误。 密码子的简并性（摆动性、变偶性） 一种氨基酸可有两个或更多个密码子的现象为简并性。密码子的前两个碱基决定其专一性，第三位碱基可有变异，如 A 、G 、C 、U。 （即密码子和反密码子的第一、第二两个碱基的配对是标准配对，而第三个碱基则可以随意配对。） 这种简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的，也就是说密码子的专一性主要由前两个碱基决定，即使第三个碱基发生突变也能翻译出正确的氨基酸。 同一种氨基酸共用不同密码子称为同义密码子。只有色氨酸Trp和甲硫 3 第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰氨酸Met仅有一个密码子。 生物意义：可以减少有害的突变，简并增加了密码子中碱基改变仍然编码原来氨基酸的可能性。 .起始码与终止码（Initiation codon and termination codon） 密码子 AUG 是起始密码，代表合成肽链的第一个氨基酸的位置，它们位于 mRNA5末端，同时也是蛋氨酸的密码子，因此原核生物和真核生物多肽链合成的第一个氨基酸都是蛋氨酸（原核：甲酰蛋氨酸） 。 当然少数细菌中也用 GUG 做为起始码。在真核生物 CUG 偶尔也用作起始蛋氨酸的密码。 密码子 UAA，UAG，UGA 是肽链成的终止密码子或无意义密码子，不代表任何氨基酸，它们单独或共同存在于 mRNA3末端。因此翻译是沿着mRNA 分子 53方向进行的。 密码的通用性 大量的事实证明生命世界从低等到高等，都使用一套密码，也就是说遗传密码在很长的进化时期中保持不变。因此这张密码表是生物界通用的。 ： 然而，真核生物线粒体的密码子有许多不同于通用密码，例如（P514） 人线粒体中，UGA 不是终止码，而是色氨酸的密码子；AGA，AGG 不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，加上通用密码中的 UAA 和 UAG，线粒体中共有 4 个终止码子；内部甲硫氨酸密码子有两个，即 AUG 和 AUA；而起始甲硫氨酸密码子有四组，即 AUN。 例外：线粒体 AUA、AUU起始信号，而非 Ile ；UGATrp ，而非终止子。密码子结构与氨基酸侧链极性之间也有一定关系：氨基酸侧链极性性质在多数情况下由密码子的第二个碱基决定。第二个碱基为嘧啶（Y）时，氨基酸侧链为非极性，第二个碱基为嘌呤时，氨基酸侧链则有极性。当第一个碱基为 U 或 A，第二个碱基为 C，第三个碱基无特异性时，所决定的氨基酸侧链为极性，不带电。当第一个碱基不是 U，第二个碱基是 P 时，氨基酸侧链则带电。在此前提下，若是一个是 C 或A 时，表示带正电的氨基酸，第一、二个碱基分别是 G、A 时，此种氨基酸带负电，但上述关系也有个别例外。 许多实验证实，在原核生物和高等真核生物中同一组密码子的使用频率是不相同的。高频密码子多出现在那些表达量高的蛋白质基因中，例如，核糖体蛋白质基因、RecA 蛋白质基因等。这种使用频率与细胞内一组 tRNA 含量不同有关。 4 第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰三、tRNA 是活化氨基酸的运载工具 tRNA 在蛋白质生物合成过程中起关键作用。 mRNA 推带的遗传信息被翻译成蛋白质一级结构，但是 mRNA 分子与氨基酸分子之间并无直接的对应关系。这就需要经过第三者“介绍” ，而 tRNA 分子就充当这个角色。 tRNA 分子的二级结构呈三叶草型，三级结构呈倒L 型。 tRNA 是类小分子 RNA，长度为 73-94 个核苷酸，tRNA 分子中富含稀有碱基和修饰碱基，tRNA 分子 3端均为 CCA 序列，氨基酸分子通过共价键与氨基酸结合，此处的结构也叫氨基酸臂。每种氨基酸都有 2-6 种各自特异的tRNA，它们之间的特异性是靠氨酰 tRNA 合成酶来识别的。这样，携带相同氨基酸而反密码子不同的一组 tRNA 称为同功 tRNA，它们在细胞内合成量上有多和少的差别， 分别称为主要 tRNA 和次要tRNA。 主要 tRNA 中反密码子识别 tRNA 中的高频密码子，而次要 tRNA 中反密码子识别mRNA 中的低频密码子。每种氨基酸都只有一种氨酰 tRNA 合成酶。因此细胞内有 20 种氨酰 tRNA 合成酶。 tRNA 分子中还有一个反密码环，此环上的三个反密码子的作用是与 mRNA 分子中的密码子靠碱基配对而形成氢键， 达到相互识别的目的。 但在密码子与反密码子结合时具有一定摆动性， 即密码子的第 3 位碱基与反密码子的第 1 位碱基配对时并不严格，见右图。 配对摆动性完全是由 tRNA 反密码子的空间结构所决定的。 反密码的第 1 位碱基常出现次黄嘌呤 I（见下图） ，与 A、C、U 之间皆可形成氢键而结合，这是最常见的摆动现象。 这种摆动现象使得一个 tRNA 所携带的氨基酸可排列在 2-3 个不同的密码子上，因此当密码子的第 3 位碱基发生一定程度的突变时，并不影响 tRNA 带入正确的氨基酸。 在蛋白质生物合成过程中，特异识别 mRNA 上起始密码子的 tRNA 被称为起始 tRNA，它们参加多肽链合成的起始，其它在多肽链延伸中运载氨基酸的 tRNA，统称为延伸 tRNA。 5 第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰 tRNA 的表示方法： tRNACys： 右上角标上所转运的氨基酸 虽然蛋氨酸仅一组密码子（AUG） ，却至少有两种 tRNA： Met 原核 :tRNA m将 Met 运到肽链中间。 tRNAfMetf携带甲酰蛋氨酰参于蛋白质合成的起始。 真核: tRNAMet将 Met 运到肽链中间。 tRNAMetI携带 Met 参于蛋白质合成的起始。四、核糖体（一）核糖体的组成与结构 1.概念 核糖体是由几十种蛋白质（一般均为单拷贝）和 rRNA 组成的亚细胞颗粒，由一个大亚基和小亚基构成，是蛋白质合成的场所。 2. 组成 任何生物的核糖体都是由大、小两个亚基组成。核糖体是高度复杂的体系，它的任何个别组分或局部组分都不能起整体的作用，因此必须研究核糖体中蛋白质和 RNA 的空间结构和位置，才能更完全地了解蛋白质合成的具体过程。 过去一直认为 rRNA 主要起着结构上的作用，蛋白质发挥催化功能， 但现在认为 rRNA 与蛋白质共墓钩傻暮颂翘骞芮呛颂翘灞硐止艿闹匾课唬?GTP 酶功能区，转肽酶功能区以及 mRNA 功能区等等。 大亚基：像一把特殊的椅子，三边带突起（中间一个最明显），中间凹下去形成一个大空穴。 小亚基：像动物的胚胎，长轴上有一凹下去的颈部。 小亚基水平的横摆在大亚基上，腹面与大亚基之空穴相抱，两亚基接合面上留有相当大的空隙，是蛋白质生物合成的场所。 核糖体种类 亚基 rRNA 分子量 蛋白质分子数目 30S 16S 21 原核 70S 23S 50S 5S 34 40S 18S 30 真核 80S 28S 60S 5.8S 50 5S 6 第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰 50S subunit 30S subunit 原核生物核糖体结构示意图 3.分布 核糖体位于胞浆内，可分为两类，一类附着于粗面内质网，主要参与白蛋白、胰岛素等分泌性蛋白质的合成；另一类游离于胞浆，主要参与细胞固有蛋白质的合成。核糖体是细胞中的主要成分之一，在一个生长旺盛的细菌中大约不 20000 个核糖体，其中蛋白质占细胞总蛋白质的 10，RNA 占细胞总 RNA 的 80。 （二）核糖体的功能 核糖体作为蛋白质的合成场所具有以下结构特点和作用： （1）具有 mRNA 结合位点 位于 30S 小亚基头部，此处有几种蛋白质构成一个以上的结构域，负责与 mRNA 的结合，特别是 16SrRNA3端与 mRNA AUG 之前的一段序列互补是这种结合必不可少的。 （2）具有 P 位点（peptidyl tRNA site） 又叫做肽酰基-tRNA 位或 P 位。它大部分位于小亚基，小部分位于大亚基，它是结合起始 tRNA 并向 A 位给出氨基酸的位置。 （3）具有 A 位点（Aminoacyl-tRNA site） 又叫做氨酰-tRNA 位或受位。它大部分位于大亚基而小部分位于小亚基，它是结合一个新进入的氨酰 tRNA 的位置。 （4）具有转肽酶活性部位 转肽酶活性部位位于 P 位和 A 位的连接处，催化肽键的形成。 7 第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰 （5）结合参与蛋白质合成的因子 如起始因子（Initiation FactorIF）、延长因子Elengation FactorEF和终止因子或释放因子Release FactorRF。 原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图 P位（结合或接受 位（ A位（结合或接受 位（ 肽基的部位） AA- tRNA的部位） 50S 50S 5 3 mRNA 30S 与mRNA结合部位 （三）多核糖体 每个核糖体独立完成一条多肽链的合成，多个核糖体可以同时在一个mRNA 分子上进行多条多肽链的合成，大大提高了翻译效率，象这样由一个mRNA 分子与一定数目的单核糖体形成的念珠状结构称为多核糖体。 多核糖体处于工作状态，游离的单个核糖体则是贮备状态，核糖体亚基无疑是刚从 mRNA 上释放的，它们通常很快结合成非活性状态单体或很快参与下一轮蛋白质合成。核糖体在这三种状态之间的转换称为核糖体循环。四、翻译辅助因子 除 ATP、GTP、Mg2外，还有一些蛋白质因子。 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 IF2 eIF2 参与起始复合物的形成 IF3 eIF3、eIF4C CBP I 与 mRNA 帽子结合 起始 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 eIF6 协助 60S 亚基从无活性的核糖体上解离 EF-Tu eEF1a 协助氨酰-tRNA 进入核糖体 延长 EF-Ts eEF1 gb 帮助 EF-Tu、eEF1a 周转 EF-G eEF2 移位因子 RF-1移位因子 eRF 释放完整的肽链 RF-2 8 第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰 第二节 蛋白质生物合成过程 翻译是把 mRNA 分子中碱基排列顺序转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序过程，也是基因表达的第二步，产生基因产物-蛋白质的最后阶段。不同的组织、细胞具有不同的生理功能，是因为它们表达不同的基因，产生具有特殊功能的蛋白质，参与蛋白质生物合成的成分至少有 200 种，其主要体系主要由 mRNA、tRNA、核糖核蛋白体以及有关的酶和蛋白质因子共同组成。 原核生物与真核生物的蛋白质合成过程中有很多的区别，真核生物过程更复杂。下面着重介绍原核生物蛋白质合成的过程，并指出真核生物与其不同这处。 蛋白质生物合成可分为 5 个阶段：氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。一、氨基酸的活化 在进行合成多肽链之前，必须先经过活化，