第21章蛋白质生物合成

第21章蛋白质生物合成一、信使RNA和遗传密码二、转译相关的生物大分子三、蛋白质合成步骤四、抗生素作用与蛋白质生物合成的关系学习要求1.

理解三种RNA在蛋白质合成中的作用。2.了解遗传密码的破译方法。3.

掌握遗传密码的特性。4.

了解蛋白质的合成过程。5.

了解多肽链的折叠与加工过程。概述基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。一、信使RNA和遗传密码(一）mRNA与遗传信息的传递

(二)遗传密码的破译(三)遗传密码的特性(一）mRNA与遗传信息的传递

蛋白质合成的信息来自于DNA，合成的模板是mRNA

蛋白质的合成是在核糖体上进行的，而遗传信息载体DNA存在于核中，必然有一种中间物来传递DNA上的信息。推测这种中间物极不稳定，在蛋白质合成时产生，合成结束后又分解，半寿期很短。后来科学家用实验证明这种中间物就是mRNA。(一）mRNA与遗传信息的传递1954年,物理学家GamouvG首先对遗传密码进行探讨。他认为核酸分子中只有四种碱基，显然碱基与氨基酸的关系不是一对一的关系。若两个碱基决定一个氨基酸只能编码16种氨基酸，也是不够的；而三个碱基对一个氨基酸，四个碱基可产生64个密码，足以编码20种氨基酸，所以编码氨基酸的最低碱基数是3，即密码子可能是三联体。mRNA上的三个核苷酸决定一个氨基酸(一）mRNA与遗传信息的传递

生物化学上的证据烟草坏死卫星病毒中有一分子RNA可编码外壳蛋白的一个亚基，此RNA由1200个核苷酸组成，而此亚基由400个氨基酸组成，也由此证明三个核苷酸决定一个氨基酸(一）mRNA与遗传信息的传递

1961年，CrickFHC等人用遗传学的方法证明了三联密码子的学说是正确的。在E.coli的T4噬菌体DNA上的一个基因缺失（或增加）一个或二个核苷酸会造成缺失（或增加）部位以后的全部氨基酸误译。若同时缺失（或增加）三个核苷酸，前后核苷酸表达仍和正常一样。必须假设密码子是三联体才能完满地解释以上这些实验结果。(二)遗传密码的破译

遗传密码的概念：mRNA上的核苷酸顺序与蛋白质中的氨基酸之间的对应关系称为遗传密码。mRNA上每三个连续核苷酸对应一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子，或三联体密码（tripletcodons）。

以下是三个不同的证明遗传密码是mRNA上3个连续的核苷酸残基构成的实验。

1961年，Nirenberg等人用大肠杆菌的无细胞体系在各种RNA的人工模板下合成多肽，从而推断出各氨基酸的密码子。(二)遗传密码破译的三个实验

第一个实验是1961年由美国的M.Nirenberg等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链,用它作模板,利用大肠杆菌蛋白提取液和GTP在体外合成蛋白质。发现多聚(U)导致多聚Phe的合成,表明多聚(U)编码多聚Phe；类似的实验表明,多聚(A)编码多聚Lys；多聚(C)编码多聚Pro(下图A)。

第二个实验（核糖体结合技术）是1964年也是由美国的M.Nirenberg等人完成的。他们首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接的是那一种氨基酸。该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据。

第三个实验是由Jones等人完成的。他们利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可以生成三种重复的多肽链。若从A翻译，则合成出多聚Ile，即AUC对应Ile；若从U翻译，则合成出多聚Ser，即UCA对应Ser；若从C翻译，则合成出多聚His，即CAU对应His。这是因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从A、或U、或C翻译，所以有三种重复的多肽链生成。遗传密码表1968年诺贝尔生理学奖方向性：基本单位是按5’3’方向编码、不重叠、无标点的三联体的三联体密码。通用性和变异性：无论是病毒、原核细胞，还是真核细胞，使用的都是同一套氨基酸编码方法。简并性和防错：同一种氨基酸可以由两种或两种以上的密码子所决定，这几种密码子称为同义密码子。多数情况下同义密码子的第一第二个碱基相同，第三个碱基不同，说明密码的专一性主要是由第一第二个碱基决定不重叠：三核苷酸密码子中的核苷酸并不重复使用。无逗号：密码间无标点，顺着核苷酸5‘

3’的方向一个接一个地阅读。终止密码非兼职性

UAG，UAA，UGA

起始密码兼职性：AUG

起始codon—Metcodon及链内Metcodon(tRNA不同)GUGValcodon有时兼起始codon编码N-甲酰Met(三)遗传密码的特性密码识别的变偶性（摆动性）

如Glycodon：GGU，GGC，GGA，GGGAlacodon：GCU，GCC，GCA，GCG

它们的前两位碱基都相同，有些氨基酸只有两个密码子，通常第三位碱基都是嘧啶或嘌呤，进而发现tRNA上的反密码子与密码子配对时，密码子的第一、第二位碱基是严格配对的，第三位碱基可以有一定的变动。Crick称此现象为变偶性（wobble)。32种tRNA61氨基酸密子1.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。二、参与蛋白质合成的三类RNA及核糖体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。

在反密码臂和TψC臂之间，大约由3到21个核苷酸组成。

在三维空间（tRNA的三级结构），tRNA分子折叠成倒L型（右图），氨基酸臂位于L型分子的一端，反密码环则处于相反的一端。这样的结构更为紧凑、稳定。tRNA分子中的大多数核苷酸都处于两个成直角的、堆积的螺旋中。碱基之间堆积的相互作用就象稳定DNA双螺旋那样对tRNA的稳定性具有重要的贡献。aa－tRNA是在蛋白质因子的作用下，通过T

CG环与核糖体rRNA分子的互补关系而进入核糖体的。但某一特定aa－tRNA的进入与否取决于aa－tRNA的反密码子与mRNA密码子是否能相互识别。反密码子与密码子的配对并不十分严格，由于同一种氨基酸与不同tRNA结合的现象，所以只是密码子的前两个碱基必需准确配对，而第三个碱基可以错配（摇摆），这就是摇摆学说所要说明的现象。密码子与反密码子的识别“

摆动”性当密码与反密码相互作用时，形成的三个碱基对只有两个要求Watson-Crick碱基配对，即密码与反密码的3ˊ和中间的碱基形成Watson-Crick碱基配对，而反密码的5ˊ位容许其它类型的碱基配对。这一可替换的配对表明从构象看5ˊ位具有一定的变通性（或称之柔性）。Crick将这种变通性称之“摆动”（wobble）。因此反密码的5ˊ位有时也称为摆动位置

次黄嘌呤核苷酸（I）碱基配对，I常常出现在tRNA的5ˊ（摆动）位，I可以与U，C和A形成氢键

摆动位置处的碱基配对示意图，带有反密码子IGC的tRNAAla分子可以与特异编码Ala的三个密码（GCU，GCC，GCA）中的任一个结合32种tRNA61氨基酸密子3.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:蛋白质和rRNA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所有的核糖体都是由大小不同的两个亚基组成的原核生物中核糖体与mRNA形成多聚核糖体翻译方向延长的多肽链核糖体亚基的引入E.coli的小亚基能单独与mRNA结合成为30s核糖体－mRNA复合体，后者可以与tRNA专一性结合，而大亚基则不能。核糖体上可区分出4个功能部位：（1）A部位：也称氨基部位或受位，主要位于大亚基上，是接受氨酰基一tRNA的部位。（2）P部位：也称肽酰基部位或供位，主要在小亚基上，是肽酰基一tRNA移交肽链后，tRNA释放的部位。（3）肽基转移酶部位：肽基转移酶也称肽合成酶，简称T因子，位于大亚基上，其作用是在肽链合成过程中催化氨基酸与氨基酸间形成肽键。（4）GTP酶部位：GTP酶也称转位酶，简称G因子，能分解GTP分子，并将肽酰基一tRNA由A部位移到P部位。蛋白质因子

蛋白质的合成过程可分为起始、延伸和终止三个过程，每个过程部有许多蛋白质因子参加。1.起始因子：蛋白质合成的起始过程是形成［核糖体·mRNA·tRNA］三元复合物的过程，必须在蛋白因子的帮助下进行。与起始复合物形成有关的所有蛋白质因子统称为起始因子。2.延伸因子：蛋白质合成的延伸过程包括”aa-tRNA进入核糖体、肽链形成和移位等过程。在真核细跑中这一过程需要EF－1和EF一2等延伸因子的作用。蛋白质因子3.释放因子：当mRNA分子上密码子阅读进入终止密码（UAA，UAG，UGA）时，aa-tRNA不再与核糖体结合，此时释放因子与终止密码子结合，阻止mRNA的进一步阅读。三、蛋白质合成步骤Pro的生物合成是从氨基端到羧基端逐个加上AA的过程,既快又复杂,需要多种成分(200)的参与.AA的活化与搬运—氨基酰tRNA的合成肽链合成的起始—起始复合物的形成（70S-mRNA-fMet-tRNA肽链的延伸—包括进位,转肽,移位肽键的终止—终止codon1.tRNA的活化

即氨基酰-tRNA合成酶催化tRNA与特定氨基酸结合氨基酸+tRNA

氨基酰-tRNA

tRNA分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA合成酶所识别。1.tRNA的活化在第一步反应中，在氨酰-tRNA合成酶作用下AA先与酶形成中间复合物，再接到tRNA的AA臂(3‘末端CCA-OH)上。

第一步反应：氨基酸＋ATP＝氨基酸-AMP＋PPi

第二步反应：氨酰基从中间产物转移到tRNA上生成氨酰-tRNA。

总反应为：氨基酸＋tRNA＋ATP→氨酰-tRNA＋AMP＋PPi

氨酰tRNA合成酶的性质a.具有高度的专一性识别AA

识别特异的tRNA每一种氨基酸至少有一种对应的氨酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA合成酶只能识别一种相应的tRNA。b.该酶还有校正功能避免携带错误的AAPhe-tRNAphe

不水解Ile-tRNAphe水解概念：专一性识别起始密码子（AUG）tRNA特点：只识别起始密码子；形成氨酰—tRNA后只结合于核糖体的P位原因：结构与识别编码区中间AUG的tRNA不同

起始tRNA真核细胞：tRNA携带的是甲硫氨酸（Met）表示：tRNAiMet原核细胞：tRNA携带的是甲酰甲硫氨酸（fMet）表示：tRNAfMettRNA2.肽链合成的起始mRNA有两个位点被核糖体识别：

AUG和GUG（甲硫氨酸、缬氨酸）

起始结构：原核生物：mRNA的SD序列真核生物：5‘－帽子SD(Shine-Dalgasrno)序列：位于起始密码上游（5′—端方向）10个核苷酸左右，可与16SrRNA3′—端富含嘧啶的核苷酸序列互补SD序列mRNAhastwofeaturesrecognizedbyribosome：－fMet-tRNA、mRNA、30S亚基三者结合时还需要三种蛋白质因子(IF1、IF2、IF3）和提供能量的GTP参与。

一旦70S核糖体－mRNA-fMet-tRNA复合体形成，则fmet-tRNA占据P位，空出A位准备接受一个氨酰tRNA，起始即告完成。

Initiationrequiresfactorsandfreesubunits

ribosomesubunitsrecycle肽基转移酶位点肽酰基位点（P位）氨酰基位点（A位）mRNA结合位点小亚基大亚基UAC氨酰-tRNA肽酰-tRNAAAC肽酰-tRNA氨酰-tRNA肽基转移酶催化机理肽酰-tRNA3.肽链合成的延伸结合（或称进位）对应于mRNA上第二个密码子的氨基酰-tRNA（aa-tRNA）进入A位与核糖体结合，这是一个需能的反应，GTP是直接能源。此外还需要两个蛋白质因子Tu和Ts。Ts、Tu和移位酶G统称为肽链延伸因子。peptidebondsynthesistransferapolypeptidetoaa-tRNAtRNAmovesthroughthreeribosomesites转肽结合过程一旦完成立即进行转肽。通过肽基转移酶的催化使P位上的fmet-tRNA（肽基－tRNA）转到A位上的aa-tRNA的游离氨基上，形成肽键，并释放出原来在P位上的tRNA。这个反应不需能量。肽基转移酶是50S核糖体亚基上的一个蛋白质组分。肽链合成移位核糖体从mRNA的5‘向3’方向移动一个三联体的距离，于是携带着肽基的tRNA连同mRNA从核糖体的A位移到P位：这个过程称为移位，由移位酶（或称G因子）催化，并须有供能的GTP参与。原来在A位上的肽基一tRNA已经移到P位，于是第三个密码于进入A位，等待着第三个aa-tRNA进入。进位转肽移位4.终止终止因子(RF1,RF2,RF3)识别终止codon,RF因子促进P位上肽链水解释放及tRNA的释放,离开rRNA,亚基解聚,30S,50S又用于新肽链的合成terminationrequiresseveralproteinfactorsAA的活化与搬运—氨基酰tRNA的合成肽链合成的起始—起始复合物的形成（70S-mRNA-fMet-tRNA肽链的延伸—包括进位,转肽,移位肽键的终止—终止codon蛋白质合成过程小结蛋白质合成过程小结肽链合成方向NC以mRNA的5’-3’方向阅读遗传密码mRNA与读码框(readingframe)该合成过程是一个耗能过程 氨基酸活化：2个~P ATP

起始：1个GTP

延长：2个GTP

终止：1个GTP真核细胞蛋白质合成真核细胞蛋白质合成与原核细胞有一定的差别①

合成场所核蛋白体大(80S-60S,40S)②

起始AA为Met③起始codon只有AUG，5′端帽子

五、抗生素作用与蛋白质生物合成的关系蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。如：链霉素、卡那霉素、新霉素、四环素、氯霉素、放线菌酮等、四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线菌酮一、导肽类

对于像细胞核、线粒体、叶绿体等细胞器的蛋白质，他们的肽链中都有一段或几段叫“导肽”的肽段，通过这些导肽，可以将蛋白质定向运输。二、信号肽类

对于像溶酶体、脂膜和细胞外运输的蛋白质，它们N—端有一段有信号作用的肽段，叫“信号肽(signalpeptide)”，它的作用是将肽链引导进内质网。然后蛋白质运至高尔基器，在高尔基器中进行定向分拣，接着定向运输第四节.合成肽链的输送和加工蛋白质运输与信号肽

(signalorleadersequance)①

信号肽序列；需要运输的新合成蛋白N端含有的一段特殊的氨基酸序列。转运的过程中该序列被信号肽酶切除。②

信号肽的结构特征；含10－40个氨基酸残基，氨基端至少含有一个带正电的氨基酸，中部有长度为10-15高度疏水的氨基酸（丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸）③信号肽的功能；携带蛋白质通过脂膜，达到一定的位置。信号肽的结构特征信号肽的跨膜作用SRP;Signalrecognitionparticle信号肽的作用

许多刚合成好的多肽，并不是最终产物，须经一系列加工过程，才能成为有功能的蛋白多肽。第五节合成肽链的加工1、新生多肽N端氨基酸的除去(Met或fMet）2、切除新生肽中不必需的肽段3、蛋白质中二硫键的形成4、多肽中氨基酸侧链的修饰5、泛素化作用与不正常多肽