第9章 蛋白质的生物合成

1、第第9 9章章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成一 蛋白质生物合成的概述蛋白质生物合成的概述 1 1，翻译翻译：以：以mRNAmRNA为模板，按照为模板，按照mRNAmRNA分子上的三个核苷酸决定一分子上的三个核苷酸决定一种氨基酸的规则（三联体密码）合成具有特定氨基酸顺序的蛋种氨基酸的规则（三联体密码）合成具有特定氨基酸顺序的蛋白质。包括白质。包括翻译的起始、肽链的延伸、肽链的终止与释放翻译的起始、肽链的延伸、肽链的终止与释放。2 2，核糖体核糖体(rRNA+(rRNA+蛋白）是蛋白质合成的场所，蛋白）是蛋白质合成的场所，mRNAmRNA是蛋白质合是蛋白质合成的模板，成的模板，转移转移RNAR

2、NA（tRNAtRNA）是模板与氨基酸之间的接合体。是模板与氨基酸之间的接合体。3,蛋白质的生物合成是一个比蛋白质的生物合成是一个比DNADNA复制和转录更为复杂的过程。复制和转录更为复杂的过程。在合成的各个阶段还有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与。在合成的各个阶段还有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与。( (一一)mRNA)mRNA是蛋白质合成的模板是蛋白质合成的模板 传递传递DNADNA上的信息、是一种不稳定的物质、分子大小不等。上的信息、是一种不稳定的物质、分子大小不等。真核生物真核生物mRNA5 5帽子帽子3AUGUAA读码框架读码框架核糖体识别部位核糖体识别部位开放读码框开放读码框

3、: : 不管原核还是真核生物不管原核还是真核生物,mRNA,mRNA作为翻译的模作为翻译的模板，都需要具备至少含有一个由起始密码子开始，以终止板，都需要具备至少含有一个由起始密码子开始，以终止密码子结束的一段由连续的核苷酸序列构成的开放阅读框密码子结束的一段由连续的核苷酸序列构成的开放阅读框（Open reading frame,ORFOpen reading frame,ORF）。）。5,35,3端的非编码序列端的非编码序列叫非翻译区（叫非翻译区（Untranslated region,UTR) Untranslated region,UTR) 原核生物原核生物mRNA53AUGAUGUAA

4、UAA读码框架读码框架读码框架读码框架核糖体识别部位核糖体识别部位核糖体识别部位核糖体识别部位SDSD序列序列：在起始：在起始AUGAUG序列上游序列上游1010个碱基左右的位置，个碱基左右的位置，含有一段富含嘌呤碱基的序列，被称为含有一段富含嘌呤碱基的序列，被称为SD序列序列。它它能与细菌能与细菌16S16S核糖体核糖体RNA RNA 3端一段端一段ACCUCCUUA的的保守序列保守序列互补识别，以帮助从起始互补识别，以帮助从起始AUGAUG处开始翻译。处开始翻译。(二二) tRNA转运活化的氨基酸至转运活化的氨基酸至mRNA模板上模板上3553Phe1231 2 3与多肽合成有关的位点：与

5、多肽合成有关的位点：v3端端-CCA氨基酸接受位点氨基酸接受位点v识别氨酰识别氨酰-tRNA合成酶位点合成酶位点v识别核糖体的位点识别核糖体的位点v反密码子反密码子 (与密码子碱基互补与密码子碱基互补)书写：书写：tRNA Phe tRNA tRNA的的L L形三级结构形三级结构 酵母和大肠杆菌酵母和大肠杆菌tRNAtRNA的三级结构都呈的三级结构都呈L L形折叠式形折叠式。这种结构是。这种结构是靠靠氢键氢键来维持的，来维持的，tRNAtRNA的三级结构与的三级结构与AA- tRNAAA- tRNA合成酶的识别有关。合成酶的识别有关。 tRNAtRNA的功能的功能 1 1）识别）识别mRNAm

6、RNA链上的密码子链上的密码子 2 2）携带活化的氨基酸到生长肽链的正确位置，）携带活化的氨基酸到生长肽链的正确位置，起转移氨基酸作用。起转移氨基酸作用。氨基酸在合成蛋白质之前必须通过氨基酸在合成蛋白质之前必须通过AA-tRNAAA-tRNA合成合成酶活化，在消耗酶活化，在消耗ATPATP的情况下结合到的情况下结合到tRNAtRNA上，上，生成有蛋白质合成活性的生成有蛋白质合成活性的AA-tRNAAA-tRNA。 tRNAtRNA的种类的种类（1 1）起始）起始tRNAtRNA和延伸和延伸tRNAtRNA 能特异地识别能特异地识别mRNAmRNA模板上起始密码子的模板上起始密码子的tRNAtR

7、NA叫起始叫起始tRNAtRNA，其他其他tRNAtRNA统称为延伸统称为延伸tRNAtRNA。原核生物起始。原核生物起始tRNAtRNA携带甲酰携带甲酰甲硫氨酸（甲硫氨酸（tRNAftRNAfMetMet），真核生物起始），真核生物起始tRNAtRNA携带甲硫氨酸携带甲硫氨酸（tRNAtRNAMetMet/ tRNAi/ tRNAiMet Met ）。）。（2 2）同工）同工tRNAtRNA 携带同一种氨基酸的携带同一种氨基酸的tRNAtRNA称为同工称为同工tRNAtRNA，同工，同工tRNAtRNA既要既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码子，有不同的反密码子以识别该氨基酸的各

8、种同义密码子，又要有某种结构上的共同性，能被又要有某种结构上的共同性，能被AA-tRNAAA-tRNA合成酶识别。合成酶识别。所以也称为所以也称为第二遗传密码第二遗传密码。 核糖体像一个能沿核糖体像一个能沿mRNAmRNA模板移动的工厂，执模板移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。它是由几十种蛋白质行着蛋白质合成的功能。它是由几十种蛋白质和几种核糖体和几种核糖体RNARNA（ribosomal RNAribosomal RNA，rRNArRNA）组）组成的核糖核蛋白颗粒。成的核糖核蛋白颗粒。 一个细菌细胞内约有一个细菌细胞内约有2000020000个核糖体，而真个核糖体，而真核细胞内可达核细胞内

9、可达10106 6个，在未成熟的蟾蜍卵细胞内个，在未成熟的蟾蜍卵细胞内则高达则高达10101212。核糖体和它的辅助因子为蛋白质。核糖体和它的辅助因子为蛋白质合成提供了必要条件。合成提供了必要条件。 在生物细胞中，核糖体数量非常大。在生物细胞中，核糖体数量非常大。（三）核糖体（三）核糖体-肽链合成的肽链合成的“装配机装配机”1.1.核糖体的组成核糖体的组成 核糖体核糖体是一个是一个致密的核糖核蛋白颗粒，致密的核糖核蛋白颗粒，可以解可以解离为两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质离为两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质量较大的量较大的rRNArRNA和许多不同的蛋白质分子。和许多不同的蛋白质分

10、子。 原核生物核糖体由约原核生物核糖体由约2/32/3的的RNARNA及及1/31/3的蛋白质组的蛋白质组成。真核生物核糖体中成。真核生物核糖体中RNARNA占占3/53/5，蛋白质占，蛋白质占2/52/5。 原核生物核糖体原核生物核糖体小亚基小亚基有有2121种蛋白质，用种蛋白质，用S S1 1. .S S2121表示。原核生物表示。原核生物大亚基大亚基有有3636种蛋白质，分种蛋白质，分别用别用L L1 1L L3636表示。表示。 真核生物真核生物小亚基小亚基有大约有大约3030种蛋白质，真核生物核种蛋白质，真核生物核糖体糖体大亚基大亚基含有约含有约4949种蛋白质，种蛋白质， 核糖核蛋

11、白的核糖核蛋白的结构结构 核糖核蛋白的核糖核蛋白的种类种类 ( (胞质中胞质中) ) 由大小二亚基组成由大小二亚基组成 给位（给位（P P位，肽位）位，肽位）： 起始起始时，时， tRNAtRNAi/fi/fmetmet结合于核糖体的肽位结合于核糖体的肽位 延长延长成肽后，肽链转到此位。成肽后，肽链转到此位。 受位（受位（A A位，氨基酰位）：位，氨基酰位）： 延长延长成肽时，氨基酰成肽时，氨基酰tRNAtRNA就加入此位。就加入此位。 游离的核糖核蛋白游离的核糖核蛋白-合成合成细胞固有蛋白细胞固有蛋白 与粗面内质网结合的核糖核蛋白与粗面内质网结合的核糖核蛋白 -合成带有合成带有信号肽信号肽的

12、的分泌性蛋白质分泌性蛋白质2 2 核糖体的结构核糖体的结构3.3.核糖体的功能核糖体的功能 小亚基：结合小亚基：结合mRNAmRNA及及tRNAtRNA反密码区段反密码区段 功能功能 大亚基：结合大亚基：结合tRNAtRNA其它区段其它区段 A A位位氨酰氨酰tRNA tRNA 进入部位进入部位核糖体的活性中心核糖体的活性中心 P P位位与正在延伸的肽酰与正在延伸的肽酰 tRNAtRNA结合部位结合部位 核糖体包括至少核糖体包括至少5 5个活性中心：个活性中心： 1 1）mRNAmRNA结合部位，结合部位， 2 2）接受）接受AA- tRNAAA- tRNA部位（部位（A A位），位）， 3

13、3）接受肽基）接受肽基tRNAtRNA的部位（的部位（P P位），位）， 4 4）肽键形成的部位（转肽酶中心），）肽键形成的部位（转肽酶中心）， 5 5）还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。）还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。 小亚基上拥有小亚基上拥有mRNAmRNA结合位点结合位点，负责对序列特异的识别，负责对序列特异的识别过程，如起始位点的识别和密码子与反密码子的相互作过程，如起始位点的识别和密码子与反密码子的相互作用。用。 大亚基负责携带氨基酸及大亚基负责携带氨基酸及tRNAtRNA的功能的功能，如肽键的形成、，如肽键的形成、AA- tRNAAA- tRNA、肽基、肽基-

14、tRNA- tRNA的结合等。的结合等。A A位、位、P P位、转肽酶中位、转肽酶中心等主要在大亚基上。心等主要在大亚基上。“Large” 50S subunit“Small” 30S subunittRNA (3 bound)美国科学家文卡特拉曼美国科学家文卡特拉曼拉马克里希南、托马斯拉马克里希南、托马斯施泰茨和以色列科施泰茨和以色列科学家阿达学家阿达约纳特约纳特3 3人因为人因为“核糖体的结构和功能核糖体的结构和功能”的研究共同获得的研究共同获得20092009的诺贝尔化学奖的诺贝尔化学奖3 3名获奖者通过独立的研究工作名获奖者通过独立的研究工作, ,分别采用分别采用X X射线蛋白质晶体学

15、方法绘射线蛋白质晶体学方法绘制出制出3D3D模型来体现合成核糖体的成千上万个原子的位置模型来体现合成核糖体的成千上万个原子的位置, ,他们绘制的他们绘制的模型已被广泛应用于新抗生素的研制模型已被广泛应用于新抗生素的研制, ,以减少患者的病痛和拯救生命。以减少患者的病痛和拯救生命。 真核生物细胞中发现真核生物细胞中发现的多聚核糖体现象。的多聚核糖体现象。核糖体分子中至少可核糖体分子中至少可容纳两个容纳两个tRNA和约和约40bp长的长的mRNA。4）多聚核糖体）多聚核糖体二二 遗传密码遗传密码 mRNAmRNA上每上每3 3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这

16、的一个氨基酸，这3 3个核苷酸就称为个核苷酸就称为密码子密码子。也叫也叫三联子密码三联子密码。遗传密码：遗传密码： mRNAmRNA中核苷酸的排列顺序。中核苷酸的排列顺序。起始：起始：AUGAUG终止：终止：UAA UAG UGAUAA UAG UGA方向：方向：5 5 3 3（mRNAmRNA）SerTyr 553535（一）遗传密码的破译（一）遗传密码的破译 遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。码。 蛋白质中的氨基酸序列是由蛋白质中的氨基酸序列是由mRNAmRNA中的核苷酸序列中的核苷酸序列决定的。决定的。mRNAmRNA中只有中只有

17、4 4种核苷酸，而蛋白质中有种核苷酸，而蛋白质中有2020种氨基酸。种氨基酸。数学考虑数学考虑 ： 一种碱基一种碱基 一种一种 Aa 4Aa 41 1 = 4 = 4 2020 二种碱基二种碱基 一种一种 Aa 4Aa 42 2 = 16= 162020 三种碱基三种碱基 一种一种 Aa 4Aa 43 3 = 64= 6420201.实验证实三联子密码1 1、mRNAmRNA模板中插入、删除一个核苷酸后，该密码子后模板中插入、删除一个核苷酸后，该密码子后面的氨基酸序列全部改变。面的氨基酸序列全部改变。2 2、同时插入、删除一个不同核苷酸后，后续蛋白质不、同时插入、删除一个不同核苷酸后，后续蛋白

18、质不变。变。3 3、同时删除三个核苷酸后，翻译减少一个氨基酸，序、同时删除三个核苷酸后，翻译减少一个氨基酸，序列没有变化。列没有变化。 烟草花叶病毒外壳蛋白亚基由烟草花叶病毒外壳蛋白亚基由400400个氨基酸组成，而个氨基酸组成，而相应的相应的RNARNA片段长约片段长约12001200个核苷酸个核苷酸1）遗传学证据）遗传学证据A. 以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成板指导多肽的合成 制备大肠杆菌的无细胞合成体系：制备大肠杆菌的无细胞合成体系： （在含在含DNADNA、mRNAmRNA、tRNAtRNA、核糖体、核糖体、AA-t

19、RNAAA-tRNA合成酶及其他合成酶及其他酶类的抽提物中加入酶类的抽提物中加入DNaseDNase，降解体系中的，降解体系中的DNADNA，耗尽，耗尽mRNAmRNA时时，体系中的蛋白质合成即停止），体系中的蛋白质合成即停止） 当补充外源当补充外源mRNAmRNA或人工合成的各种均聚物或共聚或人工合成的各种均聚物或共聚物作为模板以及物作为模板以及ATPATP、GTPGTP、氨基酸等成分时又能合、氨基酸等成分时又能合成新的肽链，新生肽链的氨基酸顺序由外加的模板成新的肽链，新生肽链的氨基酸顺序由外加的模板所决定。所决定。因此，分析比较加入的模板和合成的肽链因此，分析比较加入的模板和合成的肽链即可

20、推知编码某些氨基酸的密码。即可推知编码某些氨基酸的密码。2）实验破译三联子密码Marshall Nirenberg (1961)In vitro Poly(U) poly(Phe) peptide Poly(C) poly(Pro) peptide Poly(A) poly(Lys) peptide Poly(G) poly(Gly) peptideButpoly(UCUCUC) poly(Ser-Leu-Ser-Leu) UCU/CUC Ser/Leu ? poly(Phe Phe Phe )?poly(UUCUUCUUC) poly(Ser Ser Ser)? poly(Leu Leu L

21、eu )?B B 核糖体结合技术核糖体结合技术 19641964年年NirenbergNirenberg又采用又采用三联体结合实验三联体结合实验 (1) tRNA,(1) tRNA,氨基酸氨基酸, ,三联三联体密码子及核糖体的结体密码子及核糖体的结合是特异的；合是特异的； (2) (2) 上述结合的复合体上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸大分子是不能通过硝酸纤 维 滤 膜 的 微 孔 ， 而纤 维 滤 膜 的 微 孔 ， 而tRNA-tRNA-氨基酸的复合体是氨基酸的复合体是可以通过的。可以通过的。 核糖体结合技术核糖体结合技术 以人工合成的以人工合成的三核苷酸为模板三核苷酸为模板+核糖体核

22、糖体+AA-tRNA硝酸纤维滤膜过滤硝酸纤维滤膜过滤分析留在滤膜上的核糖体分析留在滤膜上的核糖体-AAtRNA确定与核糖体结合的确定与核糖体结合的AA保温保温通过该方法，通过该方法，6161个个codonscodons被破译被破译( (仅剩仅剩UAA,UAG,UGAUAA,UAG,UGA），后经），后经证实是证实是Stop codonStop codon1. 密码子是连续排列的三联体密码子是连续排列的三联体 A B C D E F G H I J K H Aa1 Aa2 Aa3 Aa4 可读框可读框（Open reading frame, ORF)：是指从起始密码子起到终止：是指从起始密码子起

23、到终止密码子止的一段连续的密码子区域，或密码子止的一段连续的密码子区域，或DNA序列测定中，由计算机序列测定中，由计算机辨认出的可能的编码序列。即：可辨认出始于辨认出的可能的编码序列。即：可辨认出始于ATG，止于，止于TGA、TAA或或TAG的连续的密码子区域。当没有已知的蛋白质产物时，该区的连续的密码子区域。当没有已知的蛋白质产物时，该区域被称为可读框，而当确知该可读框编码某一确定蛋白质时，就被称域被称为可读框，而当确知该可读框编码某一确定蛋白质时，就被称为编码区。为编码区。可读框是潜在的编码区。可读框是潜在的编码区。三三. . 遗传密码的性质遗传密码的性质 AUG AUG：原核生物编码甲酰

24、甲硫氨酸起始密码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真核生物编码甲硫氨酸 同时也是肽链内部同时也是肽链内部MetMet的密码子的密码子 2. 2. 起始密码子和终止密码子起始密码子和终止密码子起始密码子起始密码子终止密码子根据无义突变的三种昵称，三个终止密码子：根据无义突变的三种昵称，三个终止密码子： UAAUAA叫赭石（叫赭石（ochreochre）密码子）密码子（相应于赭石突变）；（相应于赭石突变）； UAGUAG叫琥珀（叫琥珀（amber)amber)密码子密码子（相应于琥珀突变）；（相应于琥珀突变）； UGAUGA叫蛋白石（叫蛋白石（opalopal）密码子）密码子（

25、相应于蛋白石突变）（相应于蛋白石突变） 1 1个氨基酸有多个密码子的现象。个氨基酸有多个密码子的现象。 除色氨酸（除色氨酸（UGGUGG）和甲硫氨酸（）和甲硫氨酸（MetMet）只有一个密码子外，）只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子，其中其他氨基酸都有一个以上的密码子，其中9 9种氨基酸有种氨基酸有2 2个密个密码子，码子，1 1种氨基酸有种氨基酸有3 3个密码子，个密码子，5 5种氨基酸有种氨基酸有4 4个密码子，个密码子，3 3种种氨基酸有氨基酸有6 6个密码子。个密码子。同义密码子同义密码子: :编码同一种氨基酸的密码子编码同一种氨基酸的密码子. .简并密码的生物学意义：简

26、并密码的生物学意义： 减少变异对生物的影响减少变异对生物的影响3. 3. 密码子的简并性密码子的简并性同义密码子一般都不是随机分布的，因为其第一、第二位核苷同义密码子一般都不是随机分布的，因为其第一、第二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变并不一定影响所编码酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变并不一定影响所编码的氨基酸，这种安排减少了变异对生物的影响。一般说来，编的氨基酸，这种安排减少了变异对生物的影响。一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。也越高。4. 4. 密码子的变偶性摆动假说密码子的变偶性摆

27、动假说( (Wobble base) ) 变偶性：变偶性：密码子的第三位碱基比前两个碱基密码子的第三位碱基比前两个碱基具有较小的专一性。具有较小的专一性。 摆动假说：摆动假说：即在密码子与反密码子配对时，即在密码子与反密码子配对时，前面两对碱基严格按碱基配对原则，而第三前面两对碱基严格按碱基配对原则，而第三个碱基允许有一定的自由度，也叫变偶假说个碱基允许有一定的自由度，也叫变偶假说。 根据摆动假说，在根据摆动假说，在密码子与反密码子密码子与反密码子的配对中，前两对的配对中，前两对严格遵守碱基配对严格遵守碱基配对原则，原则，第三对碱基第三对碱基有一定的自由度有一定的自由度，可以可以“摆动摆动”，

28、因，因而使某些而使某些tRNAtRNA可以可以识别识别1 1个以上的密码个以上的密码子。子。反密码子第一位反密码子第一位密码子第三位密码子第三位AU UCG GGC,UC,UUA,GA,GIA,U,CA,U,C5. 5. 遗传密码的通用性和变异性遗传密码的通用性和变异性密码子具有通用性：密码子具有通用性：遗传密码无论在体内还是体外遗传密码无论在体内还是体外，也无论是对病毒、细菌、动物还是植物而言都，也无论是对病毒、细菌、动物还是植物而言都是适用的。是适用的。 密码子具有特殊性：密码子具有特殊性：线粒体与核线粒体与核DNADNA密码子使用情况的比较密码子使用情况的比较生物生物密码子密码子线粒体线

29、粒体DNADNA编码的氨基酸编码的氨基酸核核DNADNA编码的氨基酸编码的氨基酸所有所有UGAUGA色氨酸色氨酸终止子终止子酵母酵母CUACUA苏氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸果蝇果蝇AGAAGA丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸哺乳类哺乳类AGA/GAGA/G终止子终止子精氨酸精氨酸哺乳类哺乳类AUAAUA甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸异亮氨酸6. 6. 遗传密码的防错系统遗传密码的防错系统转换转换（Transition): Transition): 由一嘧啶突变为另一由一嘧啶突变为另一嘧啶；或由一嘌呤转变为另一嘌呤嘧啶；或由一嘌呤转变为另一嘌呤颠换颠换（Transversion):Transversion):由嘧

30、啶突变为嘌呤由嘧啶突变为嘌呤或由嘌呤转变为嘧啶的突变或由嘌呤转变为嘧啶的突变1.1.密码表的编排特点密码表的编排特点氨基酸的氨基酸的极性极性通常由密码子通常由密码子第二位碱基第二位碱基决定，决定，简并性简并性由由第三位第三位决定决定1）中间碱基是）中间碱基是U时编码非极性、疏水和支链氨基酸，时编码非极性、疏水和支链氨基酸，常在球蛋白的内部常在球蛋白的内部 2）中间碱基是）中间碱基是C时，相应的氨基酸是非极性的或具有不时，相应的氨基酸是非极性的或具有不带电荷的极性侧链；带电荷的极性侧链； 3）中间碱基是）中间碱基是A或或G时，其相应氨基酸常在球蛋时，其相应氨基酸常在球蛋白外周，具有亲水性；白外周

31、，具有亲水性； 4）第一位碱基是）第一位碱基是A或或C，第二位碱基是，第二位碱基是A或或G，第三位是，第三位是任意碱基时，其相应氨基酸具有可解离的亲水侧链并具任意碱基时，其相应氨基酸具有可解离的亲水侧链并具有碱性有碱性密码的防错系统密码的防错系统1）密码的编排方式使得密码子中一个碱基改变，其结果可能氨基酸不变或是为物化性质接近的同类氨基酸取代。第二位的转换将导致化学性质相似氨基酸间的互换第二位的转换将导致化学性质相似氨基酸间的互换第二位的颠换将改变氨基酸类型第二位的颠换将改变氨基酸类型第三位的转换通常不改变其编码的氨基酸第三位的转换通常不改变其编码的氨基酸第三位的颠换通常导致相似氨基酸间的互换

32、第三位的颠换通常导致相似氨基酸间的互换2）密码子具有变偶性，tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时可以在一定范围内变动。密码的防错系统：可使基因突变造成的危害降至最密码的防错系统：可使基因突变造成的危害降至最低程度。低程度。遗传密码的总结：遗传密码的总结： (1) (1) 遗传密码是遗传密码是三联体三联体密码。密码。 (2)(2)遗传密码遗传密码无逗号无逗号。 (3)(3)遗传密码是遗传密码是不重叠不重叠的。的。 (4)(4)遗传密码具有遗传密码具有通用性通用性。 (5)(5)遗传密码具有遗传密码具有简并性简并性(degeneracy )(degeneracy )。 (6) (6) 密码子

33、有密码子有起始密码子起始密码子和和终止密码子终止密码子。 (7) (7) 反密码子中的反密码子中的“ 摆动性摆动性”（wobblewobble）。）。三. 翻译的过程已证明核酸是生命体内最基本的物质，因为蛋已证明核酸是生命体内最基本的物质，因为蛋白质的合成和结构最终都取决于核酸，但蛋白白质的合成和结构最终都取决于核酸，但蛋白质仍是生物活性物质中最重要的大分子组分，质仍是生物活性物质中最重要的大分子组分，生物有机体的遗传学特性仍然要通过蛋白质来生物有机体的遗传学特性仍然要通过蛋白质来得到表达。得到表达。蛋白质的生物合成包括蛋白质的生物合成包括氨基酸活化、肽链的起氨基酸活化、肽链的起始、伸长、终止

34、始、伸长、终止。1. 氨酰 tRNA复合物的形成 氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶 绝对专一性绝对专一性 1 1个个AAAA有有1 1个氨酰个氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶 活化活化AA-AA-活化活化“-COOH”-COOH” 消耗消耗2 2个个ATPATP 活化活化AA+tRNA AA+tRNA 氨酰氨酰-tRNA-tRNA（一）翻译的起始（一）翻译的起始氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶（合成酶（aminoacyl tRNA synthetaseaminoacyl tRNA synthetase，通常简写，通常简写为为aaRSaaRS）是一类催化特定氨基酸或其前体与对应）是一类催化特定

35、氨基酸或其前体与对应tRNAtRNA发生发生酯化反应而形成氨酰酯化反应而形成氨酰tRNAtRNA的酶。的酶。每一种的氨基酸与每一种的氨基酸与tRNAtRNA的连接都需要专一性的氨酰的连接都需要专一性的氨酰tRNAtRNA合合成酶来催化，因此氨酰成酶来催化，因此氨酰tRNAtRNA合成酶的种类与标准氨基酸的合成酶的种类与标准氨基酸的数量一样都为数量一样都为2020种。种。氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶也是自然界中最古老的蛋白质之一。合成酶也是自然界中最古老的蛋白质之一。AA-tRNAAA-tRNA合成酶合成酶谷氨酰-tRNA合成酶类型类型I:I:含有两个高度保守的序列基序，这类酶所催化的氨含有两

36、个高度保守的序列基序，这类酶所催化的氨酰化发生在酰化发生在tRNAtRNA上腺苷的上腺苷的2-OH2-OH上，再通过酯交换反应转上，再通过酯交换反应转移到移到3-OH3-OH 上。酶分子通常的活性形式为单体或二聚体。上。酶分子通常的活性形式为单体或二聚体。 包括包括GluRSGluRS、GlnRSGlnRS、ArgRSArgRS、CysRSCysRS、MetRSMetRS、ValRSValRS、IleRSIleRS、LeuRSLeuRS、TyrRSTyrRS和和TrpRSTrpRS，类型类型II:II:含有三个高度保守的序列基序，这类酶所催化的氨含有三个高度保守的序列基序，这类酶所催化的氨酰化

37、发生在酰化发生在tRNAtRNA上同一个腺苷的上同一个腺苷的3-3-羟基上。酶分子通常羟基上。酶分子通常的活性形式为二聚体或四聚体。的活性形式为二聚体或四聚体。包括包括GlyRSGlyRS、AlaRSAlaRS、ProRSProRS、SerRSSerRS、ThrRSThrRS、HisRSHisRS、AspRSAspRS、AsnRSAsnRS、LysRSLysRS和和PheRSPheRS，（例外的是苯丙氨酰，（例外的是苯丙氨酰tRNAtRNA合成酶，合成酶，虽然被归类于类型虽然被归类于类型IIII，它催化的氨酰化发生，它催化的氨酰化发生2-2-羟基上）。羟基上）。 氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶

38、类型合成酶类型AA-tRNAAA-tRNA合成酶催化的反应合成酶催化的反应 AA- tRNAAA- tRNA合成酶是一类催化氨基酸与合成酶是一类催化氨基酸与tRNAtRNA结合的特异性酶结合的特异性酶，其反应式如下：它实际上包括两步反应：，其反应式如下：它实际上包括两步反应：第一步是氨基酸活化生成酶第一步是氨基酸活化生成酶- -氨酰氨酰- -腺苷酸复合物腺苷酸复合物。 AA+ATP+AA+ATP+酶（酶（E E）E-AA-AMP+PPiE-AA-AMP+PPi aaaa活化需要能量！活化需要能量！第二步是氨酰基转移到第二步是氨酰基转移到tRNA 3tRNA 3末端腺苷残基上，与其末端腺苷残基上

39、，与其2 2或或3 3- -羟基结合。羟基结合。 E-AA-AMP+ tRNAAA- tRNA +E+AMP E-AA-AMP+ tRNAAA- tRNA +E+AMP 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶氨酰tRNA合成酶有3个结合位点氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷酸氨基酰转移到tRNA上tRNA负载了氨基酸活化：活化： 转移：转移： 氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶具有高度专一性：合成酶具有高度专一性： 即识别即识别tRNAtRNA又识别特异性氨基酸，即活化特异又识别特异性氨基酸，即活化特异性氨基酸。（性氨基酸。（氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶合成酶识别识别- -tRNA

40、tRNA 的碱的碱基组成和空间结构，且基组成和空间结构，且对对同类同类氨基酸氨基酸具有具有特异性特异性亲和力。亲和力。）已有学者把已有学者把氨酰氨酰-tRNA-tRNA合成酶和与之对应的合成酶和与之对应的tRNAtRNA分子叫做分子叫做“第二遗传密码第二遗传密码”。 如：如：G3:U70G3:U70是决定是决定tRNAtRNA负载负载AlaAla的特异密码信息的特异密码信息氨酰氨酰-tRNA-tRNA合成酶还含有校正错误酰化的活性部合成酶还含有校正错误酰化的活性部位，能水解非正确结合的氨基酸和位，能水解非正确结合的氨基酸和tRNAtRNA间形成的间形成的共价键。共价键。经转移的氨酰化活性部位以

41、及校正活性部位的共经转移的氨酰化活性部位以及校正活性部位的共同作用，可使翻译过程的错误频率小于同作用，可使翻译过程的错误频率小于1/10000.1/10000.氨基酰氨基酰tRNA的表示方法的表示方法丙氨基酰丙氨基酰tRNAtRNA：ala-ala-tRNAtRNAalaala精氨基酰精氨基酰tRNAtRNA：arg-arg-tRNAtRNAargarg甲硫氨基酰甲硫氨基酰tRNAtRNA： met-met-tRNAtRNAmetmet 起始密码子起始密码子AUGAUG编码的编码的metmet由由tRNAitRNAimet met （真核），（真核），tRNAftRNAfmetmet （原核）

42、转运（原核）转运 在肽链延长中蛋氨酸由在肽链延长中蛋氨酸由tRNAemet转运转运2 2 肽链合成的起始肽链合成的起始 三种起始因子三种起始因子9.5kd95kd- 117kd20kd第一步，第一步，70S70S核糖体在核糖体在IF-1IF-1， IF-3 IF-3影响下解离成影响下解离成30S30S和和50S50S两个亚基。两个亚基。第二步，在第二步，在IF-1IF-1因子帮助下因子帮助下,30S,30S小亚基与翻译起始因小亚基与翻译起始因子子IF-3IF-3结合，再在结合，再在SDSD序列的帮助下与序列的帮助下与mRNAmRNA模板结合。模板结合。第三步，在第三步，在IF-2IF-2和和G

43、TPGTP的帮助下，的帮助下，fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet进入进入小亚基的小亚基的P P位，位，tRNAtRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNAmRNA上的起始密上的起始密码子配对。码子配对。第四步，第四步， GTPGTP水解，释放翻译起始因子，带有水解，释放翻译起始因子，带有tRNAtRNA，mRNAmRNA的小亚基复合物与的小亚基复合物与50S50S大亚基结合。大亚基结合。原核生物翻译起始原核生物翻译起始第一步，第一步，70S核糖体在核糖体在IF-1、 IF-3影影响下解离成响下解离成30S和和50S两个亚基两个亚基IF-3IF-3IF-1IF-1第一步，第一步

44、，70S核糖体在核糖体在IF-1 、 IF-3影响下解离成影响下解离成30S和和50S两个亚基两个亚基第二步，第二步，30S小亚基与翻译起始因子小亚基与翻译起始因子IF-3结合，结合，再在再在SD序列的帮助下与序列的帮助下与mRNA模板结合模板结合S-DSDSD序列序列( (shine-Dalgarnoshine-Dalgarno序列序列) ):-:-原核生物原核生物1.1.位于起始密码上游位于起始密码上游1010个核苷酸，个核苷酸，2.2.序列富含嘌呤序列富含嘌呤( (如如AGGA /GAGGAGGA /GAGG）的一段序列）的一段序列。3 3. .能和原核生物能和原核生物1616s rRN

45、As rRNA相应的富含嘧啶序列相应的富含嘧啶序列 互补。互补。起始密码起始密码SD序列序列Initiation codon 30S30S亚基具有专一性的识别和选择亚基具有专一性的识别和选择mRNAmRNA起始位点的性质起始位点的性质，而，而IF3IF3能协助该亚基完成这种选择。研究发现，能协助该亚基完成这种选择。研究发现，30S30S亚基通亚基通过其过其16S rRNA16S rRNA的的3 3末端与末端与mRNA5mRNA5端起始密码子上游碱基配对结端起始密码子上游碱基配对结合。合。ShineShine及及DalgarnoDalgarno等证明几乎所有原核生物等证明几乎所有原核生物mRNA

46、mRNA上都有一上都有一个个5 5-AGGAGGU-3-AGGAGGU-3序列，这个富含嘌呤区与序列，这个富含嘌呤区与30S30S亚基上亚基上16S rRNA 16S rRNA 3 3末端的富含嘧啶区序列末端的富含嘧啶区序列5 5-GAUCACCUCCUUA-3-GAUCACCUCCUUA-3相互补。相互补。第三步，在第三步，在IF-2和和GTP的帮助下，的帮助下，fMet-tRNAfMet 进入小亚基的进入小亚基的P位，位，tRNA上的反上的反密码子与密码子与mRNA上的起始密码子配对上的起始密码子配对SD第四步，第四步， GTP水解，释放翻译起始因子，带有水解，释放翻译起始因子，带有tRN

47、A，mRNA，三个翻译起始因子的小亚基复，三个翻译起始因子的小亚基复合物与合物与50S大亚基结合大亚基结合IF-2GDPPPiIF-3IF-3IF-1IF-1 原核生物的起始原核生物的起始tRNAtRNA是是fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet； 原核生物中原核生物中30S30S小亚基首先与小亚基首先与mRNAmRNA模板相结模板相结合，再与合，再与fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet结合，最后与结合，最后与50S50S大亚大亚基结合。基结合。 起始复合物的生成除了需要起始复合物的生成除了需要GTPGTP提供能量外提供能量外，还需要，还需要MgMg2+2+、NH

48、NH4 4+ +及及3 3个起始因子（个起始因子（IF-1IF-1、IF-2IF-2、IF-3IF-3）。）。总总 结结 真核生物蛋白质生物合成的起始机制与原核生物基真核生物蛋白质生物合成的起始机制与原核生物基本相同，其差异主要是：本相同，其差异主要是： 核糖体较大，有较多的起始因子参与；核糖体较大，有较多的起始因子参与； 其其mRNAmRNA具有具有m m7 7GpppNpGpppNp帽子结构，帽子结构， “帽子帽子”和和3 3 端的多聚端的多聚A A都参与形成翻译起始复合物；都参与形成翻译起始复合物； Met-tRNAMet-tRNAMetMet不甲酰化；不甲酰化；小亚基对小亚基对mRNA

49、mRNA上的起始密码子上的起始密码子AUGAUG的识别靠的识别靠“滑动滑动搜索模型搜索模型”真核生物翻译起始真核生物翻译起始eIF-1 15kd 促使促使mRNA 与与40S亚基结合亚基结合eIF-1A/ eIF4C 19kd 稳定稳定Met-tRNAi, 与与40S核糖体结合核糖体结合 eIF-2 3种亚基种亚基 形成形成3元起始复合体（元起始复合体（eIF2, GTP, tRNA) eIF-2B 65kd 促使促使eIF2-GDP 与细胞质中与细胞质中GTP交换交换eIF3 500kd 促使促使mRNA 与与40S亚基结合亚基结合eIF4A 50kd 促使与促使与mRNA ,GTP结合结合

50、eIF4B 80kd 促使促使mRNA 与与40S亚基结合亚基结合 eIF4G 19kd 可同时与可同时与eIF4E 和和PABP结合结合 eIF5 150kd 释放释放eIF2, eIF3 eIF4E (eIF4f 的亚基的亚基) 与与5端帽子结合端帽子结合真核生物的起始因子真核生物的起始因子 有实验说明帽子结构能有实验说明帽子结构能促进起始反应促进起始反应，因为核糖体，因为核糖体上有专一位点或因子识别上有专一位点或因子识别mRNAmRNA的帽子，使的帽子，使mRNAmRNA与核糖与核糖体结合。帽子在体结合。帽子在mRNAmRNA与与40S40S亚基结合过程中还起稳定作亚基结合过程中还起稳定

51、作用。实验表明，有些带帽子用。实验表明，有些带帽子的的mRNA 5mRNA 5 端存在端存在一个共同一个共同序列（序列（5 5-CCRCCAUGG-)-CCRCCAUGG-)与与18S 18S rRNArRNA的的3 3 端序列之间存在碱端序列之间存在碱基配对作用。基配对作用。eIF4EeIF4E是帽子是帽子结合蛋白，是结合蛋白，是eIF4FeIF4F复合物复合物的一个部分的一个部分 。 除了帽子结构以外，除了帽子结构以外，40S40S小亚基还能识别小亚基还能识别mRNAmRNA上上的起始密码子的起始密码子AUGAUG。 KozakKozak等提出了一个等提出了一个“滑动搜索模型滑动搜索模型”

52、来解释来解释40S40S亚基对亚基对mRNAmRNA起始密码子的识别作用。按照这个起始密码子的识别作用。按照这个模型，模型，40S40S小亚基先结合在小亚基先结合在mRNA5mRNA5 端的序列上，然端的序列上，然后沿后沿mRNAmRNA移动直至遇到移动直至遇到AUGAUG发生较为稳定的相互作发生较为稳定的相互作用，最后与用，最后与60S60S亚基一道生成亚基一道生成80S80S起始复合物。起始复合物。 40S40S小亚基之所以能在小亚基之所以能在AUGAUG处停下，可能是由于处停下，可能是由于Met-tRNAiMet-tRNAiMetMet的反密码子与的反密码子与AUGAUG配对的结果。配对

53、的结果。真核生物翻译起真核生物翻译起始复合物形成始复合物形成真核生物中，任何一个多肽合成都是从生成甲硫真核生物中，任何一个多肽合成都是从生成甲硫氨酰氨酰-tRNAi-tRNAiMetMet开始的，因为甲硫氨酸的特殊性，开始的，因为甲硫氨酸的特殊性，所以体内存在两种所以体内存在两种tRNAtRNAMetMet。只有甲硫氨酰。只有甲硫氨酰- -tRNAitRNAiMetMet才能与才能与40S40S小亚基相结合，起始肽链合成小亚基相结合，起始肽链合成，普通，普通tRNAtRNAMet中携带的甲硫氨酸只能被掺入正在中携带的甲硫氨酸只能被掺入正在延伸的肽链中。延伸的肽链中。 在真核生物中，在真核生物中

54、，40S40S小亚基首先与小亚基首先与Met-tRNAiMet-tRNAiMetMet相相结合，再与模板结合，再与模板mRNAmRNA结合，最后与结合，最后与60S60S大亚基结合大亚基结合生成生成80S80SmRNAmRNAMet-tRNAiMet-tRNAiMetMet起始复合物。起始复合物。总总 结结原核生物和真核生物翻译起始过程的比较：原核生物和真核生物翻译起始过程的比较：共同点：共同点：1 1）核糖体小亚基结合荷载的起始）核糖体小亚基结合荷载的起始tRNAtRNA；2 2）在）在mRNAmRNA上必须找到合适的起始密码子；上必须找到合适的起始密码子；3 3）大亚基必须与已经形成复合物

55、的小亚基、起）大亚基必须与已经形成复合物的小亚基、起始始tRNAtRNA、mRNAmRNA结合。这些过程中都需要非核糖结合。这些过程中都需要非核糖体的可溶性起始因子参与。体的可溶性起始因子参与。 不同点：不同点：（除前面的（除前面的3 3点外，第点外，第4 4点可分成下述两点）点可分成下述两点） 1 1）在原核细胞中，）在原核细胞中，mRNAmRNA首先与小亚基结合，首先与小亚基结合，才有起始才有起始tRNAtRNA加入形成起始复合物；而真核细加入形成起始复合物；而真核细胞中，起始胞中，起始tRNAtRNA首先结合于小亚基，形成复合首先结合于小亚基，形成复合物后，再在多种因子参与下结合物后，再

56、在多种因子参与下结合mRNAmRNA，才形成，才形成大的起始复合物；大的起始复合物； 2 2）小亚基起始复合物在）小亚基起始复合物在mRNAmRNA上寻找起始密码上寻找起始密码子的方式不同。原核细胞内，依靠小亚基内子的方式不同。原核细胞内，依靠小亚基内16S rRNA 316S rRNA 3端序列与端序列与SDSD序列互补结合，才定序列互补结合，才定位于位于mRNAmRNA。而真核细胞内，依靠。而真核细胞内，依靠5 5帽子结构的帽子结构的起始因子结合小亚基，然后以滑动搜索机制寻起始因子结合小亚基，然后以滑动搜索机制寻找起始找起始AUGAUG。 生成起始复合物，第一个氨基酸（生成起始复合物，第一

57、个氨基酸（fMet/Met-fMet/Met-tRNAtRNA）与核糖体结合以后，肽链开始伸长。按照）与核糖体结合以后，肽链开始伸长。按照mRNAmRNA模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。肽链延伸由许多循环组成，每加一个序地结合上去。肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，氨基酸就是一个循环，每个循环包括每个循环包括AA-tRNAAA-tRNA与核糖与核糖体结合（进位）、肽键的生成和移位。体结合（进位）、肽键的生成和移位。3 3 翻译的延伸翻译的延伸 起始复合物形成以后，起始复合物形成以后， 1 1）第二个）第

58、二个AA-tRNAAA-tRNA在延伸因子在延伸因子EF-TuEF-Tu及及GTPGTP的作的作用下，生成用下，生成AA-tRNAAA-tRNAEF-TuEF-TuGTPGTP复合物，然后结合复合物，然后结合到核糖体的到核糖体的A A位上。位上。 2 2）这时）这时GTPGTP被水解释放，通过延伸因子被水解释放，通过延伸因子EF-TsEF-Ts再再生生GTPGTP，形成，形成EF-TuEF-TuGTPGTP复合物，进入新一轮循环。复合物，进入新一轮循环。 1 1）后续）后续AA-tRNAAA-tRNA与核糖体结合（与核糖体结合（）进位进位TuTsGTP是指根据是指根据mRNA下一组遗传密码指导

59、，使氨基酰下一组遗传密码指导，使氨基酰tRNA进入核蛋白体进入核蛋白体A位位fMetGTPTuGDPTsGTPfMetfMet模板上的密码子决定了哪种模板上的密码子决定了哪种AA-tRNAAA-tRNA能被结合到能被结合到A A位上。由于位上。由于EF-TuEF-Tu只能与只能与fMet-tRNAfMet-tRNA以外的其他以外的其他AA-AA-tRNAtRNA起反应，所以起始起反应，所以起始tRNAtRNA不会被结合到不会被结合到A A位上，位上，这就是这就是mRNAmRNA内部的内部的AUGAUG不会被起始不会被起始tRNAtRNA读出，读出，肽链肽链中间不会出现甲酰甲硫氨酸中间不会出现甲

60、酰甲硫氨酸的原因。的原因。在真核系统中，进位需在真核系统中，进位需EF-1EF-1因子因子，该因子可与结，该因子可与结合有氨酰合有氨酰-tRNA-tRNA和和GTPGTP的核糖体形成延伸四元复合的核糖体形成延伸四元复合物，同时偶联物，同时偶联GTPGTP的水解。的水解。EF-1EF-1是多亚基蛋白质，是多亚基蛋白质，分为分为EF-1, EF-1,EF-1EF-1, EF-1,EF-1，具备了，具备了EF-TuEF-Tu及及EF-EF-TsTs的性质。的性质。经过上一步反应后，在核糖经过上一步反应后，在核糖体体mRNAmRNAAA-tRNAAA-tRNA复合物中，复合物中，AA-tRNAAA-t