生物化学课件：第十一章 蛋白质的生物合成

1、翻翻 译译 (translation)(translation) 以以mRNAmRNA为直接模板，为直接模板，tRNAtRNA为氨基酸为氨基酸运载体运载体, ,核糖体核糖体为装配场所，共同协调为装配场所，共同协调完成蛋白质生物合成的过程。完成蛋白质生物合成的过程。 也就是把也就是把mRNAmRNA的碱基排列顺序转译的碱基排列顺序转译成多肽链中氨基酸的排列顺序。成多肽链中氨基酸的排列顺序。 主主 要要 内内 容容 掌握三种掌握三种RNARNA在蛋白质生物合成中的在蛋白质生物合成中的 作用作用（第一节）（第一节） 熟悉各种辅助因子的作用熟悉各种辅助因子的作用（第二节）（第二节） 熟悉蛋白质生物合成

2、过程熟悉蛋白质生物合成过程（第二节）（第二节）第一节第一节 RNARNA在蛋白质生物合成中的重要在蛋白质生物合成中的重要 功能功能一、一、mRNAmRNA mRNA mRNA上四种碱基上四种碱基蛋白质蛋白质组成组成2020种种aaaa碱基与氨基酸对应关系？碱基与氨基酸对应关系？ 3 3个相邻的碱基个相邻的碱基11个个aaaa， 有有4 43 3种排列种排列6464种密码子种密码子 UAAUAUUAGUAC19661966破译了破译了6464种密码子种密码子 密码子（密码子（codon)codon) mRNA mRNA中每三个相邻的碱基决中每三个相邻的碱基决定一个定一个AAAA，这三个相邻的碱基

3、称为，这三个相邻的碱基称为一个密码子或者三联体密码。一个密码子或者三联体密码。 密码子如何决定氨基酸？密码子如何决定氨基酸？遗传密码子的主要特点遗传密码子的主要特点1. 1. 连续性连续性：密码子是不重叠、无标点的、：密码子是不重叠、无标点的、 不间断。不间断。 Insertion or deletion Frame shift Frame shift mutation2. 2. 简并性：简并性：degeneracydegeneracy 几个不同密码子表示同一种氨基酸。几个不同密码子表示同一种氨基酸。 6161种密码子种密码子2020种种aaaa，同种，同种aa aa 可由可由2-62-6种种

4、密码子编码。密码子编码。 同义密码子同义密码子 (synonymous codon)(synonymous codon) 编码同一个氨基酸的一组密码子称为编码同一个氨基酸的一组密码子称为3. 3. 摆动性：摆动性：密码子与反密码子配对时出现密码子与反密码子配对时出现不遵从碱基配对规律的情况。不遵从碱基配对规律的情况。tRNAtRNA反密反密码子碱基码子碱基 I U GI U G（第一（第一位）位）mRNAmRNA密密码子碱基码子碱基 A, C, U A, G C, UA, C, U A, G C, U （第三位）（第三位） 密码子与反密码子配对的摇摆现象密码子与反密码子配对的摇摆现象密码的简并

5、性有什么生物学意义密码的简并性有什么生物学意义4. 4. 通用性通用性: : 病毒、原核细胞、真核细胞都病毒、原核细胞、真核细胞都用同一套遗传密码子表。用同一套遗传密码子表。 终止密码子终止密码子UAAUAA、UAG UAG 、UGA, UGA, 起始密起始密码子码子AUGAUG二、二、tRNAtRNA和氨基酰和氨基酰- tRNA- tRNA tRNA tRNA 的结构的结构 tRNA tRNA 应具备的功能应具备的功能 氨基酸活化过程氨基酸活化过程 氨基酰氨基酰-tRNA -tRNA 的表示方法的表示方法同功受体同功受体tRNAtRNA: : IsoacceptorIsoacceptor 能

6、够运输同一种氨基酸的多种能够运输同一种氨基酸的多种tRNAtRNA分分子称为氨基酸的同功受体子称为氨基酸的同功受体tRNAtRNA mRNAmRNA 通过密码子与反密码子配对决通过密码子与反密码子配对决定氨基酸，定氨基酸，tRNAtRNA上的反密码子如何上的反密码子如何决定氨基酸？决定氨基酸？氨酰氨酰tRNA 合成酶合成酶tRNAtRNA须具备的功能：须具备的功能：（1 1）与氨基酸结合（）与氨基酸结合（33末端）末端）（2 2）识别特异的氨基酰）识别特异的氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶（3 3）识别）识别mRNAmRNA链上密码子链上密码子（4 4）与核糖体结合）与核糖体结合 根据根

7、据tRNAtRNA在合成蛋白质中的作用，在合成蛋白质中的作用，试推想试推想tRNAtRNA须具备什么功能须具备什么功能 D D环可被氨酰环可被氨酰tRNA tRNA 酶酶识别识别TCTC环可与环可与核糖体结合核糖体结合活化的活化的CCACCA末末端可连接端可连接AAAA反密码环含反密码环含反密码子反密码子氨基酸的活化和氨酰氨基酸的活化和氨酰tRNAtRNA生成生成 一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基失水缩合成为肽键，从热力学上氨基失水缩合成为肽键，从热力学上是极端困难的。是极端困难的。 但是若将氨基酸转移到但是若将氨基酸转移到tRNA tRNA 分子上，分子上

8、，则能使氨基酸的羧基活化，就能较容则能使氨基酸的羧基活化，就能较容易地与氨基酸失水缩合了。易地与氨基酸失水缩合了。 1. 氨基酸的活化氨基酸的活化 AA+ATP+AA+ATP+酶酶 AA AA AMP AMP酶酶 +ppi +ppi2. 2. 氨酰氨酰tRNA tRNA 的形成的形成 AA AA AMP AMP酶酶+tRNA AMP + +tRNA AMP + AA-tRNAAA-tRNA+ +酶酶 v 氨酰氨酰tRNA tRNA 合成酶对氨基酸、合成酶对氨基酸、tRNA tRNA 高高度度特异地识别特异地识别；水解酯键水解酯键的催化作用，的催化作用，发挥酶的校正活性。发挥酶的校正活性。 第二

9、套遗传密码第二套遗传密码 氨酰氨酰tRNA tRNA 合成酶既能识别相应的氨合成酶既能识别相应的氨基酸，又能识别与此氨基酸相对应的一基酸，又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个个或多个tRNAtRNA分子。因此把这种分子。因此把这种氨酰氨酰tRNA tRNA 合成酶与合成酶与tRNAtRNA分子间的相互作用分子间的相互作用称为第二套遗传密码。称为第二套遗传密码。 副密码子副密码子 tRNAtRNA分子上决定其携带氨基酸的区域称分子上决定其携带氨基酸的区域称为副密码子为副密码子氨基酰氨基酰- -tRNA tRNA 的表示方法的表示方法 tRNA tRNA AlaAla ；Ala-tRNAAla-t

10、RNA ; Ala -tRNA ; Ala -tRNA AlaAla Met-tRNAMet-tRNAmm ; ; fMet -tRNA fMet -tRNA f f三、三、rRNArRNA核糖体核糖体 rRNA rRNA 与蛋白质结合构成核蛋白体，分为大与蛋白质结合构成核蛋白体，分为大小亚基小亚基(50S,30S)(50S,30S)原核生物原核生物 70S 70S 真核生物真核生物80S80S小亚基小亚基rRNArRNA蛋白质蛋白质16S- rRNA 18 S-rRNA 16S- rRNA 18 S-rRNA 21 21种种 3333种种 大亚基大亚基rRNArRNA蛋白质蛋白质5S- rR

11、NA 5S- rRNA 5S- rRNA 5S- rRNA 23S- rRNA 28S- rRNA 23S- rRNA 28S- rRNA 5.8S- rRNA 5.8S- rRNA 34 34种种 4949种种 核糖体特点核糖体特点 小亚基可与小亚基可与mRNA mRNA 结合结合 大亚基在没有小亚基存在时不能与大亚基在没有小亚基存在时不能与 mRNAmRNA结合，但可与结合，但可与tRNA tRNA 非特异结合非特异结合30S50S 核糖体的活性位点核糖体的活性位点在在50S50S亚基上亚基上 二位点模型二位点模型 三位点模型三位点模型 A A部位部位：氨酰基部位氨酰基部位，接受氨酰基，接

12、受氨酰基tRNAtRNA P P部位部位：肽酰基部位肽酰基部位，起始氨酰，起始氨酰 tRNAtRNA或或 延伸的肽基延伸的肽基 tRNAtRNA结合的部位，及结合的部位，及 tRNAtRNA被被 释放的部位释放的部位 E E部位部位：出口位出口位，特异结合无负载的，特异结合无负载的 tRNAtRNA及无负载的及无负载的tRNAtRNA离开的位点离开的位点E 蛋白质的合成过程，就是蛋白质的合成过程，就是以以mRNAmRNA为为模板模板，在，在辅助因子辅助因子和和GTP GTP 等的作用下，等的作用下，核糖体从核糖体从mRNA mRNA 的的5 5端向端向3 3端移动，端移动，不同的不同的氨酰氨酰

13、-tRNA-tRNA 按照按照mRNA mRNA 上密码上密码子所决定的顺序子所决定的顺序进入核糖体进入核糖体，对号入，对号入座，在不断生长着的肽链上由座，在不断生长着的肽链上由氨基端氨基端逐个加上氨基酸的过程。逐个加上氨基酸的过程。第二节第二节 蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程 原料原料： 2020种种L-L-氨基酸氨基酸 3 3种种RNA RNA 酶酶：氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶、转肽酶转肽酶 两种高能核苷酸两种高能核苷酸： ATPATP、 GTPGTP 金属离子金属离子：K K+ + ，MgMg2+2+（促进肽键形成（促进肽键形成) ) 多种蛋白质因子多种蛋白质因子:

14、: 起始因子起始因子: :IFIF (initiation factors) (initiation factors) 延长因子：延长因子：EF EF (elongation factors)(elongation factors) 释放因子：释放因子：RF/TF RF/TF (release factors)(release factors) 方向方向: :氨基端氨基端-羧基端羧基端 mRNAmRNA是一条长链分子。因此，在进行是一条长链分子。因此，在进行蛋白质合成时，可同时被多个核糖体翻蛋白质合成时，可同时被多个核糖体翻译。这样，在显微镜下便可见到多个核译。这样，在显微镜下便可见到多个核糖

15、体排列成一串。这种结构就称为多聚糖体排列成一串。这种结构就称为多聚核糖体（核糖体（polyribosomepolyribosome或或polysomepolysome）。）。翻翻 译译 过过 程程 mRNA 5 3 mRNA 5 3 5 AUG 5 AUG 3 UAA 3 UAA 肽链延长方向肽链延长方向 N C N C 氨基酸活化氨基酸活化 起始阶段起始阶段 进入进入/ /进位进位 过程过程 延长阶段延长阶段 成肽成肽 终止阶段终止阶段 转位转位 一、 氨基酸的活化氨基酸的活化 AA+ATP+AA+ATP+酶酶 氨酰氨酰 AMP AMP 酶酶 + ppi + ppi 氨酰氨酰 AMPAMP酶

16、酶+tRNA AMP + +tRNA AMP + 氨酰氨酰tRNA+tRNA+酶酶 氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶， 合成部位合成部位，水解部位水解部位-保证准确性保证准确性氨酰氨酰 AMP AMP氨酰氨酰tRNAtRNA二、翻译的起始二、翻译的起始PA53MetAUG fMet-tRNAfMet-tRNAmfMet 翻翻译译的的起起始始S-D S-D 序列（序列（Shine-Dalgarno Shine-Dalgarno 序列）：序列）：又称核糖体结合位点（又称核糖体结合位点（RBSRBS）, , 在翻译起始在翻译起始密码密码 AUG AUG 的上游，相距的上游，相距8-13 8-13

17、 个核苷酸处，个核苷酸处，有一段富含嘌呤的核苷酸序列，可以与有一段富含嘌呤的核苷酸序列，可以与核蛋白体小亚基核蛋白体小亚基16S-rRNA 16S-rRNA 互补配对，使互补配对，使核糖体与核糖体与mRNAmRNA在特定位置上结合。这在特定位置上结合。这种结合能协助辨认起始密码子，这一段种结合能协助辨认起始密码子，这一段1. mRNA 1. mRNA 链上起始信号的辨认链上起始信号的辨认 几种基因几种基因mRNA mRNA 上的上的S-D S-D 序列序列 Met-tRNAMet-tRNAf f + N+ N1010甲酰四氢叶酸甲酰四氢叶酸 fMet-tRNAfMet-tRNAf f + +

18、四氢叶酸四氢叶酸Met-tRNAMet-tRNAm m 只能用于延伸只能用于延伸2. 2. 起始氨酰起始氨酰tRNA tRNA 的形成的形成转甲酰酶转甲酰酶3. 3. 起始因子起始因子 (IF)(IF) ： 参与蛋白质生物合成起始的可溶性参与蛋白质生物合成起始的可溶性蛋白质因子蛋白质因子 IF-1IF-1: : 无专一功能，增加无专一功能，增加IF-2,IF-3IF-2,IF-3活性活性 IF-2IF-2: : 使使fMet- tRNAfMet- tRNAf f 选择性地与选择性地与30S30S亚亚基结合。结合并水解基结合。结合并水解GTPGTP IF-3IF-3: : 具有具有解离活性解离活

19、性，使亚基保持为解，使亚基保持为解离态；使离态；使30S30S与与mRNA mRNA 起始部位连接起始部位连接4. 4. 起始复合物的生成过程起始复合物的生成过程mRNA. IF-3 . 30sIF-2.GTP.fMet-tRNAfmRNA.30s . fMet-tRNAf . IF-3. GTP . IF-1 . IF-2 IF-3mRNA.70s . fMet-tRNAf50SIF-1IF-2. GDPIF-1三、肽链的延长三、肽链的延长翻译过程中的肽链延长翻译过程中的肽链延长, ,又称核糖体循环又称核糖体循环（ribosomal cycleribosomal cycle）。）。分三步骤：

20、分三步骤： 进入进入 ( (进位）进位）核糖体循环核糖体循环 转肽转肽（转肽酶）（转肽酶） 移位移位3PA5fMetAUG23PA5MetAUG2进入进入ffMetfMet成肽成肽移位移位f3PA5metAUG23PA35AUG2fMetfMetPA35AUGMet23PA35AUGMet234 进位进位转肽转肽fffMetfMetPA35AUGMet234PA35AUGMet234fffMetfMet 肽链的延伸肽链的延伸延伸因子（延伸因子（EF)EF): : 参与肽链延伸的蛋白质因子参与肽链延伸的蛋白质因子EF-TEF-TU U, EF-T, EF-TS S: : 共同促使氨酰共同促使氨酰

21、-tRNA -tRNA 进入核糖体的进入核糖体的A A位位 具有具有GTPGTP酶活性酶活性EF-G: EF-G: 具有具有GTPGTP酶活性酶活性 促使肽酰促使肽酰-tRNA -tRNA 位移至位移至P P位及空的位及空的tRNA tRNA 离开核糖体离开核糖体（1 1）进入）进入 EF-Tu EF-Tu. .GTPGTP. .氨酰氨酰-tRNA -tRNA 进入进入A A位位 消耗消耗1 1个个GTPGTP EF-TsEF-Ts功能是保护功能是保护EF-TuEF-Tu，并使，并使EF-TuEF-Tu. .GDPGDP再生为再生为EF-TuEF-Tu. .GTP,GTP,继续参与肽链延伸继续

22、参与肽链延伸EF-Tu 能不能与能不能与fMet- tRNAf 结合？结合？（2 2） 转肽（形成肽键）转肽（形成肽键） 肽酰转移酶：转肽酶，肽酰转移酶：转肽酶， P P位点位点 A A位点位点 形成肽键：形成肽键：P P位点的位点的fMet-tRNAfMet-tRNAf f（或肽酰（或肽酰- - tRNAtRNA）的羧基与）的羧基与A A位点的位点的AA- tRNA AA- tRNA 的氨基结的氨基结合合 形成肽键不消耗形成肽键不消耗GTPGTP，可能来自，可能来自AA tRNAAA tRNA（或肽酰（或肽酰tRNAtRNA）间的酯键水解）间的酯键水解（3 3） 移位移位 肽酰基肽酰基-tR

23、NA -tRNA 从核糖体的从核糖体的A A位移到位移到P P位的位的过程过程 核糖体沿核糖体沿mRNA mRNA 的的5 5-3-3方向移动与移方向移动与移位过程相偶联（每次移动距离是位过程相偶联（每次移动距离是1 1个密码个密码子）子） 移位酶移位酶 ，EF-GEF-G（G G因子）因子） 消耗消耗1 1个个GTPGTP3PA5fMetAUG23PA5MetAUG2进入进入ffMetfMet成肽成肽移位移位f3PA5metAUG23PA35AUG2fMetfMetPA35AUGMet23PA35AUGMet234 进位进位转肽转肽fffMetfMetPA35AUGMet234PA35AUGMet234fffMetfMet释放因子释放因子(RF)(RF)：终止肽链合成并将其从：终止肽链合成并将其从核糖体上释放出来的一类蛋白质因子核糖体上释放出来的一类蛋白质因子终止密码子：终止密码子：UAAUAA、UAGUAG、UGAUGARF-1: UAA,UAGRF-1: UAA,UAGRF-2: UAA,UGARF-2: UAA,UGARF-3: RF-3: 本身无识别密码子性质，但可增强本身无识别密码子性质，但可增强RF-1RF-1， RF-2RF-2的活性。