第十三章+蛋白质合成

主讲教师：季祥jixiang@

第十三章蛋白质生物合成本章主要内容一、蛋白质合成简介二、遗传密码及其破译、遗传密码基本特性三、蛋白质的生物合成机制四、蛋白质合成后的定向运输五、多肽链的切割与修饰一、蛋白质合成简介蛋白质的合成是一个十分复杂的过程，蛋白质的合成要求100多种大分子物质参与和相互协作，这些大分子物质包括mRNA、tRNA、核糖体、多种活化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，更重要的在于安排氨基酸的排列顺序，以形成千差万别的蛋白质。

在细胞分裂过程中，通过DNA的复制把遗传信息由亲代传递给子代；在子代的个体发育过程中，遗传信息由DNA传递到RNA，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，称为中心法则。DNARNA蛋白质转录翻译复制狭义的中心法则在细胞分裂过程中，通过DNA的复制把遗传信息由亲代传递给子代；

在某些情况下，RNA也是重要的遗传物质，如RNA病毒中RNA具有自我复制的能力，并同时作为mRNA指导蛋白质的生物合成。在致癌RNA病毒中，RNA还以逆转录的方式将遗传信息传递给DNA分子。中心法则RNADNA蛋白质转录翻译复制反转录RNA复制中心法则参与蛋白质生物合成的物质包括三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）

20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF

ATP、GTP、无机离子蛋白质合成的场所（工厂）是核糖体；运输氨基酸到模板上的是tＲＮＡ—适配器；模板是mＲＮＡ；氨基酸变为活化态与tＲＮＡ共价结合形成氨酰tＲＮＡ，催化这个过程的酶叫氨酰tＲＮＡ合成酶。二、遗传密码的破译及其基本特性（一）、遗传密码的破译1、遗传密码（geneticcode）mRNA是蛋白质合成过程中直接指令氨基酸参入的模板。那么mRNA上的遗传信息是如何传递给蛋白质的？即mRNA的核苷酸序列是如何对应于蛋白质中的氨基酸序列的？

遗传密码（mRNA(或DNA)中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系）。mRNA(或DNA)中三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（tripletcodons）。2、遗传密码的破译过程

1954年物理学家G.Gamov首先对遗传密码进行探讨。蛋白质由20种基本氨基酸组成，而mRNA只含有4种核苷酸，由4种核苷酸构成的序列是如何决定多肽链中多至20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一对一的对应关系。2个核苷酸决定一个氨基酸也只能编码16种氨基酸，如果用3个核苷酸决定一个氨基酸，43=64，就足以编码20种氨基酸了，这说明可能需要3个或更多个核苷酸编码一个氨基酸。（1）、三联体学说证明：1961年FrancisCrick及其同事的遗传实验进一步肯定3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T4噬菌体

Ⅱ位点A和B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

株有关。他们的研究发现：a、在上述位点缺失/插入一个核苷酸产生的突变体，不能感染大肠杆菌

株。b、两个缺失型突变体重组得到的重组体，不能感染大肠杆菌

株。或两个插入型突变体重组得到的重组体，不能感染大肠杆菌

株。c、一个缺失突变体和一个插入突变体重组得到的重组体，却能回复感染活性。d、缺失三个核苷酸或插入三个核苷酸，突变体表现正常。e、缺失四个核苷酸或插入四个核苷酸，突变体是严重缺陷。

碱基序列CATCATCATCATCATCAT－1CATCA＾CATCATCATCATC－1＋1CATCA＾CAXTCATCATCAT＋2CATXCAXTCATCATCAT＋3CAX

TXCATX

CAT

CAT

CAT

（2）、遗传密码的解读

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。然而在20世纪60年代，此方法不可行，因为当时分离mRNA并测定其序列的方法尚未建立。1961年Nirenberg等用大肠杆菌无细胞体系，外加20种氨基酸的混合物（其中有一种氨基酸被同位素标记）及polyU，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polyU起了信使RNA的作用，UUU是编码苯丙氨酸的密码子。用同样的方法证明AAA编码赖氨酸，CCC编码脯氨酸。这样，这三个密码子最早被解译出来了。

Nirenberg和Ochoa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，用U和G随机排列组成的共聚物可以出现8种不同的三联体，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率相符合1964年Nirenberg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tRNA与核糖体结合。将结合的氨酰-tRNA-三核苷酸-核糖体吸附在硝酸纤维素滤膜上，这样，凡是结合在核糖体上的tRNA分子（带特定氨基酸）在通过硝酸纤维素滤膜时被截留下来，而未结合的tRNA则可通过。由于三核苷酸模板只能与一定的tRNA对应，而一定的tRNA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截留，就可以测出三联体对应氨基酸的密码子。利用此系统，通过合成所有64种可能的三联体，测定每种三联体对20种氨基酸相应的tRNA与核糖体结合的影响，已使50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译。

与此同时，Khorana应用合成的具有重复序列的多核苷酸如UCUCUCUC…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：Ser

Leu

Ser

Leu…，说明UCU编码丝氨酸，而CUC编码亮氨酸。当用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同的均聚多肽：多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸和多聚亮氨酸，说明UUC编码苯丙氨酸、UCU编码丝氨酸、CUU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肽，确认了许多密码子的一致性并填补了遗漏的遗传密码。（二）遗传密码的基本特性1、密码的连续性2、密码的简并性3、密码的变偶性（摆动性）4、密码的通用性和变异型5、密码的防错性1、密码的连续性密码子的阅读方向是5‘-3’密码为不重叠，无标点的三联连体密码翻译时须从起始密码AUG开始确定阅读框架移码突变（frame-shift-mutation）是最严重的突变2.简并性(degeneracy)遗传密码共有64个，其中61个密码子对应20种氨基酸，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。Leu、Arg、Ser均有6个密码子。密码的简并性同义密码子：编码同一个氨基酸的一组密码子。3、密码的变偶性（摆动性）（wobble）AUCU摆动配对tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG密码子、反密码子配对的摆动现象4、密码的通用性和变异性蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

三、蛋白质合成的五个阶段(大肠杆菌)tRNA(一)氨基酸的活化氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

原核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：真核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：甲酰甲硫氨酸fMet-tRNAfMet甲硫氨酸Met-tRNAMet第一步反应氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E＋AMP＋PPi

第二步反应氨基酰-AMP-E＋tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP＋EtRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP(二)翻译的起始原核生物（细菌）为例：所需成分：30S小亚基、50S大亚基、模板mRNA、fMet-tRNAfMet、GTP、Mg2+翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3、IF-3IF-1翻译起始(翻译起始复合物形成)又可被分成4步：1.核蛋白体大小亚基分离2、30S小亚基通过SD序列与mRNA模板相结合。AUG5'3'IF-3IF-1S-D序列IF-3IF-1IF-2GTP3.在IF-2和GTP的帮助下，fMet-tRNAfMet进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4、带有tRNA、mRNA和3个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放翻译起始因子。AUG5'3'IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi真核生物翻译起始的特点

●核糖体较大,为８０Ｓ；●起始因子比较多；●mRNA5′端具有m7Gppp帽子结构●Met-tRNAMet

●mRNA的5′端帽子结构和3′端polyA都参与形成翻译起始复合物；真核生物翻译起始复合物形成(区别原核生物)原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合。而在真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始复合物。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAMet-elF-2

-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，每个循环包括：AA-tRNA与核糖体结合、肽键的生成和移位。

延伸因子(elongationfactor,EF)：

原核生物：E