第5章蛋白质的生物合成翻译

1、第5章蛋白质的生物合成翻译主要内容第一节 蛋白质合成体系的组成 第三节 氨基酸及功能蛋白质合成后的修饰第二节 蛋白质生物合成的机理第四节蛋白质的运输和降解第一节 蛋白质合成体系的组成 一.基因与基因表达的一般概念基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生理学功能以蛋白质形式得到表达。DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成mRNA，翻译生成蛋白质的过程控制所有生命现象。编码链（coding strand）又称sense strand，是指与mRNA序列相同的那条链。非编码链（anticoding strand），又称antisense strand，是指那条根据

2、碱基互补原则指导mRNA生物合成的DNA链。Genetic information is perpetuated by replication（复制）in which a double- stranded nucleic acid is duplicated to give identical copies.基因表达包括转录（transcription）和翻译（translation）两个阶段。转录是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同（除了TU之外）的RNA单链的过程，是基因表达的核心步骤。翻译是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联子遗传密码翻译成氨基酸序列、合成蛋白质多肽链的过程，是基因表

3、达的最终目的。 只有mRNA所携带的遗传信息才被用来指导蛋白质生物合成，所以人们一般用U、C、A、G这4种核苷酸而不是T、C、A、G的组合来表示遗传性状。所谓翻译是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每3个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。二. 遗传密码三联子 mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为一个密码，也叫三联子密码。翻译时从起始密码子AUG开始，沿mRNA53的方向连续阅读直到终止密码子，生成一条具有特定序列的多肽链。 mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸，若以一种核苷酸代表一种氨基酸，只能代表4种(

4、41=4)。若以两种核苷酸作为一个密码（二联子），能代表42=16种氨基酸。而假定以3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有43=64种密码，满足了编码20种氨基酸的需要。 50-60年代破译遗传密码方面的三项重要成果： （1）Paul Zamecnik等人证实细胞中蛋白质合成的场所。他们把放射性标记的氨基酸注射到大鼠体内，经过一段时间后收获其肝脏，进行蔗糖梯度沉淀并分析各种细胞成份中的放射性蛋白质。 如果注射后经数小时（或数天）收获肝脏，所有细胞成份中都带有放射性标记的蛋白质; 如果注射后几分钟内即收获肝脏，那么，放射性标记只存在于含有核糖体颗粒的细胞质成份中。2）Francis Crick等人第

5、一次证实只有用三联子密码的形式才能把包含在由AUGC四个字母组成遗传信息（核酸）准确无误地翻译成由20种不同氨基酸组成的蛋白质序列，实现遗传信息的表达。实验1: 用吖啶类试剂（诱导核苷酸插入或丢失）处理T4噬菌体rII位点上的两个基因，使之发生移码突变（frame-shift），就生成完全不同的、没有功能的蛋白质。实验2: 研究烟草坏死卫星病毒发现，其外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，相应的RNA片段长1200个核苷酸，与密码三联子体系正好相吻合。 实验3: 以均聚物为模板指导多肽的合成。 在含有tRNA、核糖体、AA-tRNA合成酶及其它蛋白质因子的细胞抽提物中加入mRNA或人工合成的均聚物

6、作为模板以及ATP、GTP、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来决定。 1961年，Nirenberg等以poly（U）作模板时发现合成了多聚苯丙氨酸，从而推出UUU代表苯丙氨酸（Phe）。以poly（C）及poly（A）做模板分别得到多聚脯氨酸和多聚赖氨酸。实验4: 以特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成。以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽，5UGU GUG UGU GUG UGU GUG3,不管读码从U开始还是从G开始，都只能有UGU（Cys）及GUG（Val）两种密码子。实验5: 以共聚三核苷酸作为模板可得到有3种氨基酸组成的多肽。如以多聚（U

7、UC）为模板，可能有3种起读方式：5UUC UUC UUC UUC UUC3或 5UCU UCU UCU UCU UCU3或 5CUU CUU CUU CUU CUU3分别产生UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu）. 多聚三核苷酸为模板时也可能只合成2种多肽：5GUA GUA GUA GUA GUA3或5UAG UAG UAG UAG UAG3或5AGU AGU AGU AGU AGU3由第二种读码方式产生的密码子UAG是终止密码，不编码任何氨基酸，因此，只产生GUA（Val）或AGU（Ser）。实验6: 以随机多聚物指导多肽合成。Nirenberg等及Ochoa等又用各种随机的

8、多聚物作模板合成多肽。例如，以只含A、C的多聚核苷酸作模板，任意排列时可出现8种三联子，即CCC、CCA、CAC、ACC、CAA、ACA、AAC、AAA，获得由Asn、His、Pro、Gln、Thr、Lys等6种氨基酸组成的多肽。（3）氨基酸的“活化”与核糖体结合技术。 如果把氨基酸与ATP和肝脏细胞质共培养，氨基酸就会被固定在某些热稳定且可溶性RNA分子（transfer RNA，tRNA）上。现将氨基酸活化后的产物称为氨基酰-tRNA（aminoacyl-tRNA），并把催化该过程的酶称为氨基酰合成酶（aminoacyl-tRNA Synthetase）。 以人工合成的三核苷酸如UUU、U

9、CU、UGU等为模板，在含核糖体、AA-tRNA的反应液中保温后通过硝酸纤维素滤膜，只有游离的AA-tRNA因相对分子质量小而通过滤膜，而核糖体或与核糖体结合的AA-tRNA则留在滤膜上，这样可把已结合与未结合的AA-tRNA分开。 当体系中带有多聚核苷酸模板时，从大肠杆菌中提取的核糖体经常与特异性氨基酰-tRNA相结合。如果把核糖体与poly（U）和Phe-tRNAPhe共温育，核糖体就能同时与poly（U）和Phe-tRNAPhe相结合。 4种核苷酸组成61个编码氨基酸的密码子和3个终止密码子，它们不能与tRNA的反密码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。由一种以上密码子

10、编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymous codon）。 一个氨基酸可以有几个不同的密码子的特性。同义密码子：编码同一个氨基酸的一组密码子。注意：Trp 和 Met只有一个密码子。Leu、Arg、Ser 均有6个密码子。ATG CGG三.遗传密码的特点AAA TGG CCG AAT GAT三.遗传密码的特点（1） 密码的无标点性、无重叠性 （2）密码子的简并性 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通用密码有所区别。所以说遗传密码基本通用，但非绝对通用。 （3）密码子的

11、通用性和例外( 4 ) 起始密码子和终止密子 在64个密码子中，有3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义密码子，它们是UAA、UAG、UGA。其余的61个密码子均编码不同的氨基酸，其中AUG既是Met的密码子，又是肽链合成的起始信号，称为起始密码子。（5）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，而第三位碱基有较大的灵活性。四、参与蛋白质合成的三类RNA及核糖体1.rRNA 与蛋白质一起构成核糖体蛋白质合成“工厂” 核糖体结构组成 核糖体的基本功能结合mRNA，在mRNA上选择适当的区域开始翻译密码子（mRNA）和反密码子（tRNA）的正确配

12、对肽键的形成 存在 核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中，与mRNA形成串状多核糖体原核生物核糖体组成真核生物核糖体组成2. tRNA 结合氨基酸：一种氨基酸有几种tRNA携带，结合需要ATP供能,氨基酸结合在tRNA3-CCA的位置。 反密码子：每种tRNA的反密码子，决定了所带氨基酸能准确的在mRNA上对号入座 。 反密码子与mRNA的第三个核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则 3. mRNA 携带着DNA的遗传信息，是多肽链的合成模板 在原核细胞内，存在时间短，在转录的同时翻译 在真核细胞内，较稳定 蛋白质合成时，mRNA结合于核糖体小亚基上，大亚 基结合

13、带氨基酸的tRNA，tRNA的反密码子与mRNA密码子配对，ATP供能，合成蛋白质。四. 核糖体核糖体像一个能沿mRNA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和几种核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）组成的亚细胞颗粒。一个细菌细胞内约有20000个核糖体，而真核细胞内可达106个，在未成熟的蟾蜍卵细胞内则高达1012。核糖体和它的辅助因子为蛋白质合成提供了必要条件。 1.核糖体的组成 原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。真核生物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为两个亚基，每个亚基都含有一个相

14、对分子质量较大的rRNA和许多不同的蛋白质分子。 大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成，分别用S1S21表示，大亚基由33种蛋白质组成，分别用L1L33表示。真核生物细胞核糖体大亚基含有49种蛋白质，小亚基有33种蛋白质。2.核糖体的功能 核糖体包括至少5个活性中心，即mRNA结合部位、结合或接受AA- tRNA部位（A位）、结合或接受肽基tRNA的部位、肽基转移部位（P位）及形成肽键的部位（转肽酶中心），此外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mRNA结合位点，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用。大亚基负责氨基酸及tRNA携带的功能，如

15、肽键的形成、AA- tRNA、肽基- tRNA的结合等。A位、P位、转肽酶中心等主要在大亚基上。 核糖体可解离为亚基或结合成70S/80S颗粒。翻译的起始阶段需要游离的亚基，随后才结合成70S/80S颗粒，继续翻译进程。体外反应体系中，核糖体的解离或结合取决于Mg2+离子浓度。在大肠杆菌内，Mg2+浓度在10-3mol/L以下时，70S解离为亚基，浓度达10-2mol/L时则形成稳定的70S颗粒。细胞中大多数核糖体处于非活性的稳定状态，单独存在，只有少数与mRNA一起形成多聚核糖体。它从mRNA的5末端向3末端阅读密码子，至终止子时合成一条完整的多肽链。mRNA上核糖体的多少视mRNA的长短而

16、定，一般40个核苷酸有一个核糖体。 多肽链合成的起始 多肽链的延伸 多肽链终止和释放一、原核生物蛋白质合成的分子机制第二节、蛋白质生物合成的机理（1）、70S核糖体的解聚（2）、30S核糖体IF1.3复合物的形成（3）、 30S核糖体起始复合物的形成（4）、 70S核糖体起始复合物的形成（一）原核生物中多肽链的起始1、起始事件2、多肽链起始事件的顺序过程起始RNA甲酰甲硫氨酸-tRNA转移酶以N10-甲酰基四氢叶酸为甲基供体催化甲酰甲硫氨酸-tRNA的甲酰化可被E.coli 核糖体识别的不同S-D序列mRNA识别与对准（1）、氨基酸的进位（2）、转肽（3）、移位3、多肽链的延伸（1）、氨基酸的

17、进位E.coli 核糖体中多肽链延伸事情的循环图解(2)、肽基转移使70S核糖体与mRNA复合物返回到延伸循环起点的三个骤：脱酰基tRNA自P位点的脱离肽基-tRNA从A位点移到P位点（3）、移位23SRNA是实质的肽基移位酶23SRNA的肽基转移中心核糖体向后移动，使下一密子进 入A位点该过程需要EFG的帮助结合状态模型肽基转移与移位中核糖体两tRNA分子相对位置模型GTP水解刺激核糖体构象的改变进而实施其功能蛋白质合成的能量消耗为每个氨基酸至少需四个高能磷酸键，此外还需两个GTP，运于氨酰-tRNA合成中氨基酸的活化4、肽链的终止肽链终止事件核糖体的生活周期多聚核糖体是蛋白质合成的活跃结构

18、多核糖体的电子显微图E.coli色氨酸操纵子原核生物中转录与转译间的关系真核mRNA的特征结构二、真核细胞的蛋白质合成 43S前起始复合物的形成 43S起始复合物与mRNA的结合及40S核糖体亚基迁移至正确的起始密码子AUG 80S起始复合物的形成1、真核蛋白质起始的过程 真核生物中，延伸循环与原核生物中非常相似。三个真核延伸因子称作eIF1、eIF、eIF2,它们具有与相应的细菌延伸因子EF-Tu、EF-Ts、EF-G类似的功能。2、真核生物中肽链的延伸真核生物中一个称为eIF的释放因子识别所有的三个终止密码子3、真核肽链的终止真核细胞中转译起始的三个步骤示意图 6、蛋白质合成的抑制剂 抗菌

19、素对蛋白质合成的作用可能是阻止mRNA与核糖体结合（氯霉素），或阻止AA-tRNA与核糖体结合（四环素类），或干扰AA-tRNA与核糖体结合而产生错读（链霉素、新霉素、卡那霉素等），或作为竞争性抑制剂抑制蛋白质合成。 链霉素是一种碱性三糖，干扰fMet-tRNA与核糖体的结合，从而阻止蛋白质合成的正确起始，并导致mRNA的错读。若以poly（U）作模板，则除苯丙氨酸（UUU）外，异亮氨酸（AUU）也会掺入。对链霉素敏感位点在30S亚基上。 嘌呤霉素是AA-tRNA的结构类似物，能结合在核糖体的A位上，抑制AA-tRNA的进入。它所带的氨基与AA- tRNA上的氨基一样，能与生长中肽链上的羧基生

20、成肽键，这个反应的产物是一条3羧基端挂了一嘌呤霉素。 青霉素、四环素和红霉素只与原核细胞核糖体发生作用，从而阻遏原核生物蛋白质的合成，抑制细菌生长。氯霉素和嘌呤霉素既能与原核细胞核糖体结合，又能与真核生物核糖体结合，妨碍细胞内蛋白质合成，影响细胞生长。因此，前3种抗生素被广泛用于人类医学，后两种则很少在医学上使用。 第三节、氨基酸及功能蛋白质合成后的修饰 1.蛋白质刚刚被合成时，都以fMet（原核）或Met（真核）开始，多肽合成后，N端的formyl group、Met残基，有时还包括N揣多个残基或C端的残基都会被切除。50%的真核蛋白中，N-端残基的氨基酸会被N-乙基化。2.切除信号肽。许多

21、蛋白质都带有15-30个残基的signal peptides，负责指导蛋白质在细胞中的精确定位。3.特定氨基酸的修饰。4.氨基酸的糖苷化5.氨基酸的异戊烯化（Addition of Isoprenyl Groups）6.有些蛋白质还要与辅基(prosthetic groups)相结合； Cytochrome C只有与血红素（heme）相结合才有功能。此外，Acetyl-CoA羧化酶常与Biotin分子相结合。有些蛋白质必须经蛋白酶切割后才有功能。有些蛋白质只有在形成二硫键之后才有功能。第四节、蛋白质的运输和降解 1、绝大部分被运入ER内腔的蛋白质都带有一个Signal peptide。该序列常常位于蛋白质的氨基末端，长度一般在13-36个残基之间，有三个特点： （1）一般带有10-15个疏水氨基酸； （2）常常在靠近该序列N-端疏水氨基酸区上游带有1个或数个带正电荷的氨基酸； （3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸，离切割位点最近的那