14蛋白质合成

1、第十四单元 蛋白质的生物合成一、遗传密码DNA编码链或mRNAb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勺三 联体密码是连续排列的，因此，mRNA勺核苷酸序列可以决 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

2、典，认 为 64 种组合中的 44 种是 “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，

3、 Crick 绘制 了密码表，提出了摆动学说( wobble concept，) 及时收回 了“同义词 ”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

4、读下去，直到出现终止密码为止。mRNAt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

5、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。

6、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. 佃57年Hoagland, M.B.发现一类稳定的 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，

7、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

8、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半C, A半U,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(pept

9、idyl-tRNA) 所占据。3 E 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 + 氨基酰-AMP-E + PPi ,氨基酰-AMP-E + tRNA f aa - tRNA+AMP +E 总反应为：氨基酸 tRNA ATP = 氨酰 -tRNA AMP PPi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 ）

10、 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 处有一段富含嘌吟的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 tRNAMet和tRNAet,它们有相同的反密码子5 -CAU3,但 有不同的专一性，当甲硫氨酸与tRNAMet反应生成 Met- tRNAMet 后, 可进一 步甲 酰化生成 甲 酰甲 硫氨酰 - tRNAMfet ， 即 fMet- tRNAMet。这种甲酰化反应不会在甲硫氨酸或Met-tRNAT上发生。因为在mRN艇始密码子的上游区（5端） 有一段富含嘌吟的Shine-Dalgarno序列（简称SD

11、序列）, 它能与核糖体30S小亚基16SrRNA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mRN的 5端。 SD序列允许fMet- tRNAMet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-tRNAMet都 不能与EF-Tu和GTP形成复合物，也保证了只有 Met- tRNAT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 结

12、 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）mRNAt核糖体小亚基上就位：mRNAf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 mRNAl核 糖体，需要IF-2 参与。IF-2 先与 GTP结合，再结合 fmet- tRNAMet,生成 fmet-tRNA-IF2-GTP 复合物。这一复合物 的就位，还可推动 mRNAfe 30S亚基上前移，使起始tRNA 到达 P 位。

13、这是一个消耗能的过程， IF-1 也促进这一结合 作用。（4）核糖体大亚基的结合：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口起始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

14、 的肽酰基R-CO与A位上氨酰-tRNA氨基酸-NH成肽，肽 链延长一个氨基酸残基。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mRNAt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- tRNAMet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

15、复合物中释放出 来，再与另一分子的 GTP结合，重新形成EF-Tu - GTP活 性形式。EF-G（即移位酶）在GTP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，mRN从核糖体分离及大小亚基解聚。(1) 当翻译至A位出现mRNA勺终止密码时，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 激活大亚基上勺转肽酶，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tR

16、NA mRNAl 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 )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口氨酰-tRNA结合到核糖体的小亚 基上；(5) mRN/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

17、酰-tRNA是met- tRNA（不需甲酰化）， mRNA没有SD序列；mRNAt小亚基上就位需5端帽子结 构和帽结合蛋白以及 elF2 ; mRN先于met-tRNA结合到小 亚基上。（ 2）原核生物核糖体是 70S（ 30S+50S）； lF 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

18、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， 蛋白质在内质网和高尔基体经进一步修饰 （如糖基化）后，即可被分选到细胞的不同部位。信号肽是指存在与新生肽链N端的，能够引导新生肽 链进入内质网的肽段。信号肽一般含有约 20 个氨基酸残 基，中间集中了较多的疏水性残基，两端是一些极性的残 基。信号肽识别颗粒（SRP是7SRNA和6条不同相对分 子质量的肽链组成的复合物。除了与信号肽结合外，识别 颗粒

19、还可以与其他一些帮助新生肽穿越内质网膜的蛋白 质（或复合物）如停靠蛋白和核糖体受体等结合。一些线粒体和叶绿体的蛋白质是翻译完成后被运输 的。由核基因编码的线粒体外膜蛋白质的 N端有线粒体定 向肽，起信号肽的作用， 可以与外膜上的相应位点相识别， 定向肽富含带正电荷的氨基酸及丝氨酸和苏氨酸， 氨基酸 序列为：MLKTSSLFTRRUQPSLFRNILRLQS 细胞色素 cl 前体蛋白的N端有两个信号肽序列，第一个信号肽序列识 别线粒体外膜上的受体蛋白，引导肽链进入线粒体基质， 随后被切除。 第二个信号肽序列用相似的方式引导肽链穿 过内膜，折叠成天然构象，并与血红素分子结合。核基因 编码的叶绿体蛋白 N 端有叶绿体转移肽， 肽链转移的方式 与线粒体相似。七、肽链折叠的途径肽链的折叠有三条途径。(a) 分子伴侣非依赖性折叠， 折叠在肽链合成过程中， 或肽链被截短后进行；(b) 依赖于 Hsp70 的折叠；(c) 依赖于 Hsp70 和分子伴侣复合体的折叠，原核生 物的分子伴侣复合体为 GroES-GroEL真核生物的分子伴 侣复合体为 TR1C(TCP1ring complex) ，或 CCT(cytosolic chaperonin containing TCP1) 。八、蛋白质合成后的加工修饰蛋白质合成后的加工修饰内容有：(1)肽链的剪切：如切