第九章蛋白质生物合成

1、第九章蛋白质生物合成第九章蛋白质生物合成 引引 言言 引引 言言 中心法则的补充与完善中心法则的补充与完善 在细胞分裂过程中，通过在细胞分裂过程中，通过DNADNA的复制把遗传信息由亲的复制把遗传信息由亲代传递给子代；代传递给子代； 在子代的个体发育过程中，遗传信息由在子代的个体发育过程中，遗传信息由DNADNA传递到传递到RNARNA，然后翻译成特异的蛋白质，表现出与亲代相似的然后翻译成特异的蛋白质，表现出与亲代相似的遗传性状。这种遗传信息的流向，称为遗传性状。这种遗传信息的流向，称为中心法则中心法则。 中心法则中心法则 引引 言言DNARNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译复制复制狭义的中心法

2、则狭义的中心法则 在某些情况下，在某些情况下，RNARNA也是重要的遗传物质，如也是重要的遗传物质，如RNARNA病毒中病毒中RNARNA具有自我复制的能力，并同时作为具有自我复制的能力，并同时作为mRNAmRNA指导指导蛋白质的生物合成。蛋白质的生物合成。 在致癌在致癌RNARNA病毒中，病毒中，RNARNA还以逆转录的方式将遗传信还以逆转录的方式将遗传信息传递给息传递给DNADNA分子。分子。 中心法则的补充与完善中心法则的补充与完善 引引 言言 中心法则中心法则RNADNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译复制复制反转录反转录RNA复制复制复制：以亲代复制：以亲代DNADNA分子的双链为模板，

3、按照碱基配对的分子的双链为模板，按照碱基配对的原则，合成出与亲代原则，合成出与亲代DNADNA分子相同的双链分子相同的双链DNADNA的过的过程。程。 引引 言言转录：以转录：以DNADNA分子中一条链的部分片段为模板，按照碱分子中一条链的部分片段为模板，按照碱基配对原则，合成出一条与模板基配对原则，合成出一条与模板DNADNA链互补的链互补的RNARNA分子的过程。分子的过程。翻译：把翻译：把mRNAmRNA上的遗传信息按照遗传密码转换成蛋白质上的遗传信息按照遗传密码转换成蛋白质中特定的氨基酸序列的过程。中特定的氨基酸序列的过程。“翻译翻译”又叫又叫“转转译译”。 中心法则的补充与完善中心法

4、则的补充与完善几个基本重要的概念几个基本重要的概念第一节第一节 蛋白质合成体系的组分蛋白质合成体系的组分 蛋白质的合成是一个十分复杂的过程，蛋白质的合成是一个十分复杂的过程，蛋白质蛋白质的合成要求的合成要求100100多种大分子物质参与和相互协作，这多种大分子物质参与和相互协作，这些大分子物质包括些大分子物质包括rnRNArnRNA、tRNAtRNA、核糖体、多种活化核糖体、多种活化酶及各种蛋白质因子。酶及各种蛋白质因子。 蛋白质的合成不只是氨基酸之间形成肽键的问题蛋白质的合成不只是氨基酸之间形成肽键的问题，更重要的在于安排氨基酸的排列顺序，以形成千差，更重要的在于安排氨基酸的排列顺序，以形成

5、千差万别的蛋白质。万别的蛋白质。 一、遗传密码一、遗传密码 mRNA是蛋白质合成过程中直接指令氨基酸参是蛋白质合成过程中直接指令氨基酸参入的模板。那么入的模板。那么mRNA上的遗传信息是如何传递给上的遗传信息是如何传递给蛋白质的？即蛋白质的？即mRNA的核苷酸序列是如何对应于蛋的核苷酸序列是如何对应于蛋白质中的氨基酸序列的？其对应关系来自遗传密码白质中的氨基酸序列的？其对应关系来自遗传密码。 mRNA(或或DNA)中的核苷酸序列与蛋白质中氨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。基酸序列之间的对应关系，称为遗传密码。 mRNA(或或DNA)中三个连续的核苷酸可编码一中三

6、个连续的核苷酸可编码一种氨基酸，这种核苷酸三联体称为密码子。种氨基酸，这种核苷酸三联体称为密码子。 一、遗传密码一、遗传密码 19541954年物理学家年物理学家G. GamovG. Gamov首先对遗传密码进行首先对遗传密码进行探讨。蛋白质由探讨。蛋白质由2020种基本氨基酸组成，而种基本氨基酸组成，而mRNAmRNA只含只含有有4 4种核苷酸，由种核苷酸，由4 4种核苷酸构成的序列是如何决定种核苷酸构成的序列是如何决定多肽链中多至多肽链中多至2020种氨基酸的序列的呢？显然，在核种氨基酸的序列的呢？显然，在核苷酸和氨基酸之间不能采取简单的一对一的对应关苷酸和氨基酸之间不能采取简单的一对一的

7、对应关系。系。2 2个核苷酸决定一个氨基酸也只能编码个核苷酸决定一个氨基酸也只能编码1616种氨基种氨基酸，如果用酸，如果用3 3个核苷酸决定一个氨基酸，个核苷酸决定一个氨基酸，4 43 3=64=64，就，就足以编码足以编码2020种氨基酸了，这说明可能需要种氨基酸了，这说明可能需要3 3个或更多个或更多个核苷酸编码一个氨基酸。个核苷酸编码一个氨基酸。 一、遗传密码一、遗传密码 1961年年Francis Crick及其同事的遗传实验进一步及其同事的遗传实验进一步肯定肯定3个碱基编码一个氨基酸，此三联体碱基即称为密个碱基编码一个氨基酸，此三联体碱基即称为密码子。他们研究码子。他们研究T4噬菌

8、体噬菌体 位点位点A和和B两个顺反子变异两个顺反子变异的影响，这两个基因与噬菌体能否感染大肠杆菌的影响，这两个基因与噬菌体能否感染大肠杆菌 株有株有关。关。 他们的研究发现，在上述位点缺失一个核苷酸产生他们的研究发现，在上述位点缺失一个核苷酸产生的突变体，不能感染大肠杆菌的突变体，不能感染大肠杆菌 株。株。 一、遗传密码一、遗传密码 缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变 一、遗传密码一、遗传密码 在理论上，遗传密码可以通过简单的比较在理论上，遗传密码可以通过简单的比较 mRNA的碱基序列及其所编码的多肽的氨基酸序列进行确定的碱基序列及其所编码的多肽的氨基酸序

9、列进行确定，然而在，然而在 20 世纪世纪 60 年代，此方法不可行，因为当年代，此方法不可行，因为当时分离时分离 mRNA 并测定其序列的方法尚未建立。并测定其序列的方法尚未建立。 2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传密码 1961年年 Nirenberg 等用大肠杆菌无细胞体系，等用大肠杆菌无细胞体系，外加外加 20 种氨基酸的混合物（其中有一种氨基酸被种氨基酸的混合物（其中有一种氨基酸被同位素标记）及同位素标记）及 poly U，经保温反应后，得到了被经保温反应后，得到了被标记的苯丙氨酸的多聚体，从而证明标记的苯丙氨酸的多聚体，从而证明 poly U起了信起了信使使

10、 RNA 的作用，的作用， UUU是编码苯丙氨酸的密码子。是编码苯丙氨酸的密码子。用同样的方法证明用同样的方法证明 CCC 编码脯氨酸，编码脯氨酸，AAA 编码赖编码赖氨酸。这样，这三个密码子最早被解译出来了。氨酸。这样，这三个密码子最早被解译出来了。 2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传密码 Nirenberg 和和 Ochoa 等又进一步用两种核苷酸等又进一步用两种核苷酸或三种核苷酸的共聚物作模板，重复上述实验。例如或三种核苷酸的共聚物作模板，重复上述实验。例如，用，用U和和G 随机排列组成的共聚物可以出现随机排列组成的共聚物可以出现 8 种不种不同的三联体，即同的三

11、联体，即GGG，GGU，GUG，UGG，UUG，UGU，GUU，UUU。 酶促合成共聚核苷酸时，根据加入核苷酸底物的酶促合成共聚核苷酸时，根据加入核苷酸底物的比例可以计算出各种三联体出现的频率，而标记氨基比例可以计算出各种三联体出现的频率，而标记氨基酸掺入新合成的肽链的相对量与三联体密码出现的频酸掺入新合成的肽链的相对量与三联体密码出现的频率相符合率相符合 2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传密码2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传密码UUUUUUGUUGUUGGUGGU2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传密码UUUUUUGUU

12、GUUGGUGGU 1964年年Nirenberg等发现在无蛋白质合成的情况下等发现在无蛋白质合成的情况下，三联核苷酸能促进特异的，三联核苷酸能促进特异的tRNA与核糖体结合。例如与核糖体结合。例如，加入，加入pUpUpU促进脯氨酸促进脯氨酸tRNA与之结合，与之结合，pApApA促进赖氨酸促进赖氨酸tRNA与之结合。与之结合。 进一步要解决的问题是密码子中三个碱基的排列顺序进一步要解决的问题是密码子中三个碱基的排列顺序2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传密码UUUUUUGUUGUUGGUGGU 将结合的氨酰将结合的氨酰- - tRNA-三核苷酸三核苷酸-核糖体吸附在硝核

13、糖体吸附在硝酸纤维素滤膜上，这样，凡是结合在核糖体（带特定氨酸纤维素滤膜上，这样，凡是结合在核糖体（带特定氨基酸）上的基酸）上的tRNA分子在通过硝酸纤维素滤膜时被截留分子在通过硝酸纤维素滤膜时被截留下来，而未结合的下来，而未结合的tRNA则可通过。由于三核苷酸模板则可通过。由于三核苷酸模板只能与一定的只能与一定的tRNA对应，而一定的对应，而一定的tRNA又只与特定又只与特定的氨基酸结合，所以只要带标记的氨基酸被滤膜，就可的氨基酸结合，所以只要带标记的氨基酸被滤膜，就可以测出三联体对应氨基酸的密码子。以测出三联体对应氨基酸的密码子。 2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传

14、密码UUUUUUGUUGUUGGUGGU 利用此系统，通过合成所有利用此系统，通过合成所有64种可能的三联体，种可能的三联体，测定每种三联体对测定每种三联体对20种氨基酸相应的种氨基酸相应的tRNA与核糖体结与核糖体结合的影响，已使合的影响，已使50多种密码子被解译出来。但还有一多种密码子被解译出来。但还有一些三联体编码的氨基酸不能肯定，需要用其他方法来破些三联体编码的氨基酸不能肯定，需要用其他方法来破译。译。 2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传密码UUUUUUGUUGUUGGUGGU 与此同时，与此同时，Khorana 应用合成的具有重复序列的应用合成的具有重复序列的

15、多核苷酸如多核苷酸如UCUCUCUC进行体外蛋白质人工合成，发进行体外蛋白质人工合成，发现产物为丝氨酸与亮氨酸交替出现的多肽：现产物为丝氨酸与亮氨酸交替出现的多肽：Ser Leu Ser Leu，说明说明UCU编码丝氨酸，而编码丝氨酸，而CUC编编码亮氨酸。码亮氨酸。 2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传密码UUUUUUGUUGUUGGUGGU 当一合成的三联核苷酸重复序列，如当一合成的三联核苷酸重复序列，如 poly（UUC）作模板时，由于阅读框架不同，得到的产物是三种不作模板时，由于阅读框架不同，得到的产物是三种不同的均聚多肽：多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸和多聚亮氨同的均

16、聚多肽：多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸和多聚亮氨酸，说明酸，说明UUC编码苯丙氨酸、编码苯丙氨酸、 UCU编码丝氨酸、编码丝氨酸、 CUU编码亮氨酸。编码亮氨酸。 通过分析各种两个和三个核苷酸重复序列编码的多通过分析各种两个和三个核苷酸重复序列编码的多肽，确认了许多密码子的一致性并填补了遗漏的遗传密肽，确认了许多密码子的一致性并填补了遗漏的遗传密码码。 蛋白质的合成是从氨基端到羧基端还是从羧基端到氨基端蛋白质的合成是从氨基端到羧基端还是从羧基端到氨基端 UUUUUUGUUGUUGGUGGU 1961年年Dintzis等人用等人用3H-亮氨酸作标记分析了兔网亮氨酸作标记分析了兔网织红细胞无细胞体系中血

17、红蛋白生物合成的过程。血红织红细胞无细胞体系中血红蛋白生物合成的过程。血红蛋白分子含有较多的亮氨酸，而且其氨基酸顺序是已知蛋白分子含有较多的亮氨酸，而且其氨基酸顺序是已知的。他们将活跃进行血红蛋白合成的网织红细胞（不成的。他们将活跃进行血红蛋白合成的网织红细胞（不成熟的红细胞）与熟的红细胞）与3H 亮氨酸较低温度亮氨酸较低温度(15)保温，以降保温，以降低合成速度。在低合成速度。在4 60分钟内，按不同时间间隔取网织红分钟内，按不同时间间隔取网织红细胞样品，将其中带有标记的蛋白质分离出来，将细胞样品，将其中带有标记的蛋白质分离出来，将 和和 链分开，并用胰蛋白酶水解肽链，生成的肽段再用纸层链分

18、开，并用胰蛋白酶水解肽链，生成的肽段再用纸层析分离，并测定所含的放射性强度。析分离，并测定所含的放射性强度。 UUUUUUGUUGUUGGUGGU 进一步证明进一步证明蛋白质的合成的方向问题？蛋白质的合成的方向问题？ 图图14-7 14-7 标记氨基酸掺入血红蛋白标记氨基酸掺入血红蛋白 - -链羧基末端的图解链羧基末端的图解2.2.遗传密码的解读遗传密码的解读 一、遗传密码一、遗传密码UUUUUUGUUGUUGGUGGUv 密码的无标点性、无重叠性密码的无标点性、无重叠性 v 密码子的简并性密码子的简并性一个氨基酸可以有几个不同的密码子的特性一个氨基酸可以有几个不同的密码子的特性。同义密码子：

19、编码同一个氨基酸的一组密码子。同义密码子：编码同一个氨基酸的一组密码子。注意：注意：Trp Trp 和和 MetMet只有一个密码子。只有一个密码子。LeuLeu、ArgArg、Ser Ser 均有均有6 6个密码子。个密码子。ATG CGG AAA TGG CCG AAT GAT 一、遗传密码一、遗传密码v 密码子的通用性和例外密码子的通用性和例外 密码子的通用性是指生物细胞共同使用同一套遗密码子的通用性是指生物细胞共同使用同一套遗传密码字典。只有在一些线粒体中使用的遗传密码与传密码字典。只有在一些线粒体中使用的遗传密码与通用密码有所区别。所以说遗传密码基本通用，但非通用密码有所区别。所以说

20、遗传密码基本通用，但非绝对通用。绝对通用。 一、遗传密码一、遗传密码 v 起始密码子和终止密码子起始密码子和终止密码子 在在6464个密码子中，有个密码子中，有3 3个密码子不编码任何氨基酸，个密码子不编码任何氨基酸，从而成为肽链合成的终止信号，称为终止密码子或无从而成为肽链合成的终止信号，称为终止密码子或无义密码子，它们是义密码子，它们是UAAUAA、UAGUAG、UGAUGA。其余的其余的6161个密码子均个密码子均编码不同的氨基酸，其中编码不同的氨基酸，其中AUGAUG既是既是MetMet的密码子，又是肽链的密码子，又是肽链合成的起始信号，称为起始密码子。合成的起始信号，称为起始密码子。

21、 一、遗传密码一、遗传密码v 密码子的摆动性密码子的摆动性 密码子的专一性主要是由前两位的碱基决定，而第三密码子的专一性主要是由前两位的碱基决定，而第三位碱基有较大的灵活性。位碱基有较大的灵活性。二、二、 mRNAmRNA mRNAmRNA的功能结构的功能结构 mRNAmRNA上能够编码一条多肽链合成的区段叫做编码区。上能够编码一条多肽链合成的区段叫做编码区。原核生物原核生物 mRNAmRNA：其一条其一条mRNAmRNA链可编码多个多肽链，称为多顺反子的链可编码多个多肽链，称为多顺反子的mRNAmRNA。 编码区的第一个密码子必定是编码区的第一个密码子必定是AUGAUG，最后一个密最后一个密

22、码子必定是码子必定是UAAUAA或或UAGUAG或或UGAUGA，从第一个密码子到最后从第一个密码子到最后一个密码子之间间隔一个密码子之间间隔3 3n n个核苷酸。个核苷酸。3非编码非编码区区5非编码区非编码区编码区编码区非编码区非编码区编码区编码区非编码区非编码区编码区编码区二、二、 mRNAmRNA真核生物真核生物mRNAmRNA：其一条其一条mRNAmRNA链只能编码一个多肽链，称为单顺反子的链只能编码一个多肽链，称为单顺反子的mRNAmRNA。编编 码码 区区5非编码区非编码区帽子帽子PolyA尾巴尾巴3非编码区非编码区 mRNAmRNA的功能结构的功能结构 三、三、 核糖体核糖体 1

23、955年，年，Paul Zamecnik通过实验确认核糖体是通过实验确认核糖体是蛋白合成的场所。他将放射性同位素标记的氨基酸注蛋白合成的场所。他将放射性同位素标记的氨基酸注射到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离射到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离心后分成细胞核、线粒体、微粒体和可溶部分。发现心后分成细胞核、线粒体、微粒体和可溶部分。发现微粒体中的放射性强度最高，若将微粒体部分进一步微粒体中的放射性强度最高，若将微粒体部分进一步分级分离，可在核糖体中大量回收到所掺入的放射性分级分离，可在核糖体中大量回收到所掺入的放射性，这说明核糖体是合成蛋白质的部位。，这说明核糖体是合成蛋白质

24、的部位。 1. 1. 核糖体的存在部位核糖体的存在部位 三、三、 核糖体核糖体 真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，另一部分与内质网结合，形成粗面内质网。此外，另一部分与内质网结合，形成粗面内质网。此外在其线粒体和叶绿体中也有核糖体。在其线粒体和叶绿体中也有核糖体。原核生物的核糖体存在于细胞质中；原核生物的核糖体存在于细胞质中；核糖体是一个巨大的核糖核蛋白体核糖体是一个巨大的核糖核蛋白体 2. 2. 核糖体的组成核糖体的组成核糖体核糖体rRNArRNA蛋白质蛋白质原核生原核生物物7070S S3030S S1616S S2121种种5050S

25、S2323S S、5S5S3434种种真核生真核生物物8080S S4040S S1818S S30-3230-32种种6060S S2828S S、5S5S、5.8S5.8S36-5036-50种种 三、三、 核糖体核糖体2. 2. 核糖体的组成核糖体的组成 三、三、 核糖体核糖体A three-dimensional model for the ribosomemRNAmRNA结合部位：结合部位： 大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳mRNAmRNA； 此外，小亚基的此外，小亚基的1616S rRNAS rRNA可以与可以与mRNAmRNA相互作用相互作用，

26、从而参与，从而参与mRNAmRNA与核糖体的结合。与核糖体的结合。 3. 3. 核糖体上的活性部位核糖体上的活性部位(1) (1) 结合部位结合部位 三、三、 核糖体核糖体3. 3. 核糖体上的活性部位核糖体上的活性部位tRNAtRNA结合部位：有结合部位：有2 2个个 氨酰基部位（氨酰基部位（A A位）位） 氨酰氨酰tRNAtRNA的结合部位；的结合部位； 肽基部位肽基部位 （P P位）位） 正在延长的多肽基正在延长的多肽基tRNAtRNA的结合部位；的结合部位； tRNAtRNA的这两个结合部位有一小部分在的这两个结合部位有一小部分在3030S S亚基亚基内，大部分在内，大部分在5050S

27、 S亚基内。亚基内。 三、三、 核糖体核糖体催化肽键形成的部位：催化肽键形成的部位： 称为肽基转移酶，又叫转肽酶。位于大亚基上。称为肽基转移酶，又叫转肽酶。位于大亚基上。 1992 1992年发现该活性是由年发现该活性是由2323S rRNAS rRNA提供的。提供的。 3. 3. 核糖体上的活性部位核糖体上的活性部位(2) (2) 催化部位催化部位催化催化GTPGTP水解的部位：水解的部位： 位于大亚基上，在核糖体移位期间将位于大亚基上，在核糖体移位期间将GTPGTP水解成水解成GDPGDP和和PiPi。(1) (1) 结合部位结合部位 三、三、 核糖体核糖体 四、四、tRNAtRNAThe general structure of tRNA mol