《生物化学(第2版)》教学课件15蛋白质的生物合成

第十五章蛋白质的生物合成核酸与遗传信息的传递成熟的mRNA氨基酸链翻译运输到细胞质转录RNA加工第一节遗传密码一、三联体密码

1.概念

DNA编码链或mRNA中对应于氨基酸的核苷酸序列称为遗传密码。实验证明，在mRNA链上每三个相邻核苷酸为一组，称为密码子或三联体密码，起着编码一种氨基酸的作用。2.遗传密码的破译方法第一个用实验给遗产密码以确切解答是德国出生的美国生物化学家尼伦贝格（M.W.Nirenberg）1961年，他和另一位德国科学家马太（Matthaei）发现了苯丙氨酸的密码是RNA上的尿嘧啶（UUU）。采用的是大肠杆菌的无细胞提取液进行实验。

体外均聚核苷酸的合成：多核苷酸磷酸化酶利用核苷二磷酸（NDP）为底物，可合成多聚核糖核苷酸，同时释放无机磷酸。无细胞蛋白质合成体系（去掉mRNA）+人工合成的简单的均聚核苷酸（代替天然的mRNA）+20种放射性标记的氨基酸，保温，分析多肽链的组成。如UUU对应Phe（1）实验第一阶段：合成均聚核苷酸链。为此，需要多核苷酸磷酸化酶。1955年美国科学家奥乔亚（OchoaSevero,1905-）发现的此酶帮助了尼伦贝格。（奥乔亚因发现此酶而获得1959年诺奖。）多聚U作为模板加入无细胞体系中时，合成多聚苯丙氨酸，确定UUU是苯丙氨酸的密码子；用同样方法，以其他多聚核苷酸作为模板，又测出CCC是脯氨酸的密码子，AAA是赖氨酸的密码子。…（2）实验第二阶段，用2种或3种不同核苷酸制备mRNA模板，无细胞蛋白质合成体系，也得出一些三联体相对应的氨基酸。（3）尼伦贝格第三阶段实验-利用核糖体结合技术

无细胞蛋白质合成体系（去mRNA）+人工合成的三核苷酸（代替天然的mRNA）+20种带放射性标记氨基酸，保温：可以形成核糖体-三核苷酸-氨酰tRNA三元复合物。此反应物通过硝酸纤维素滤膜时，三元复合物滞留在上面。分析放射性氨基酸种类，即可找到三核苷酸与氨基酸的对应关系。尽管密码子破译采用的是无细胞体系，但后续一系列实验均证明生物体内也是适用的，特别是20世纪70年代兴起的基因克隆和快速测序技术，充分证明了遗传密码表的正确。完整的密码子表，到1963年基本确定。并获1968年诺奖。

3.遗传密码表：阅读方向为5′→3′苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸丝氨酸脯氨酸苏氨酸丙氨酸酪氨酸组氨酸谷酰胺天冬酰胺赖氨酸天冬氨酸谷氨酸半胱氨酸终止密码终止密码色氨酸精氨酸丝氨酸精氨酸甘氨酸第一个碱基第二个碱基第三个碱基二、遗传密码的基本特性2.密码子的连续性（读码）（无标点、无重叠）3′起始密码子5′在mRNA分子上插入或删去一个碱基，会使该点以后的读码发生错误，称为移码，由这种情况引起的突变称为移码突变。1.起始密码子和终止密码子起始密码子：AUG，又是甲硫氨酸的密码子。终止密码子：UAA，UAG，UGA，不编码任何氨

基酸,而成为肽链合成的终止部位（无义密码子）。3.密码子的方向性mRNA及三联体密码的阅读方向皆为5′→3′一个氨基酸可以有几个不同的密码子，编码同一个氨基酸的一组密码子称为同义密码子；

由几个密码子同时编码同一种氨基酸的现象称为密码子的简并性。甲硫氨酸、色氨酸只有一个密码子。

异亮氨酸3个，其余的2,4或6个密码子，它们第1,2位核苷酸是相同的，决定密码子的专一性。4.密码子的简并性密码子的简并性对保持生物物种的遗传稳定性有重要意义。

5.密码子的摆动性（变偶性）

tRNA上反密码子与mRNA上密码子反向配对时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定变动，这种现象称为密码子的摆动性或变偶性。反密码子的第一位碱基I可与A、U、C配对，U与A、G配对，G与C、U配对。A或C碱基配对是专一的。6.密码子的基本通用性（近于完全通用）

对于高等、低等生物包括病毒都适用同一套遗传密码。只有一个例外：真核生物线粒体DNA。

由于摆动性原则的存在，细胞内只需要32种tRNA,就能识别61个编码氨基酸的密码子。7.密码的防错系统在密码表中，氨基酸的极性通常由密码子的第二位碱基决定，简并性由第三位碱基决定。例如：（1）中间碱基是U，它编码的氨基酸是非极性、疏水的和支链的，常在球蛋白的内部；（2）中间碱基是C，相应的氨基酸是非极性的或具有不带电荷的极性侧链；（3）中间碱基是A或G，其相应氨基酸常在球蛋白外围，具有亲水性；（4）第一位是A或C，第二位碱基是A或G，第三位可以是任意碱基，其相应氨基酸具有可解离的亲水性侧链并具有碱性；这种分布使得密码子中一个碱基被置换，其结果可能仍然编码相同的氨基酸，或者被物理化学性质最接近的氨基酸取代，从而使基因突变造成的危害降为最低。第二节核糖体与RNA（一）核糖体是蛋白质合成的场所真核生物：游离核糖体或与内质网结合原核生物：游离核糖体或与mRNA结合成串状多核糖体原核生物中，由一定数目的单个核糖体与一个mRNA分子结合而成的念珠状结构。每个核糖体可独立完成一条肽链的合成，提高了翻译的效率。多核糖体：1.原核细胞和真核细胞核糖体组成差异原核细胞真核细胞70S30S亚基16SrRNA80S40S亚基18SrRNA21种蛋白质30多种蛋白质50S亚基5SrRNA60S亚基5SrRNA23SrRNA28SrRNA34种蛋白质约50种蛋白质个别有5.8SrRNA30S亚基：能单独与mRNA（SD序列）结合成30S核糖体-mRNA复合体，然后与tRNA专一性结合。2.核糖体的结构模型5′3′aa30S5′3′PA50S亚基:不能单独与mRNA结合，但可以非专一地与tRNA结合，50S亚基上有两个tRNA结合位点：起始氨酰基或肽酰基位点-P；氨酰基位点-A。P位和A位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。P：结合起始的氨酰-tRNA和肽酰基-tRNA，A：结合新掺入的氨酰-tRNA。P位上肽酰-tRNA上的羧基与进入A位的氨酰-tRNA上的氨基形成新的肽键。5′3′aa30S（二）RNA在蛋白质合成中的作用1.rRNA（核糖体RNA）组建核糖体；其中16SrRNA为mRNA与核糖体结合提供识别位点。还有23SrRNA转肽时起催化作用。2.mRNA（信使RNA）mRNA以核苷酸序列的方式携带遗传信息，通过这些信息来指导蛋白质合成。3.tRNA（转运RNA）按照mRNA中密码子的指导，tRNA将氨基酸携带进入核糖体，用以合成多肽链。书写举例：tRNAPhe、tRNASer、tRNAfMet（起始tRNA）大多数氨基酸具有几种用来转运的tRNA。注意：一种tRNA可携带几种不同的氨基酸。（错）第三节蛋白质生物合成过程

（大肠杆菌）

氨基酸的活化肽链合成的起始肽链的延伸肽链合成的终止与释放多肽链合成后的加工修饰（一）氨基酸的活化氨基酸在掺入肽链前必须活化，在胞液中进行。氨基酸的活化是指各种参加蛋白质合成的氨基酸与携带它的相应的tRNA结合成氨酰-tRNA的过程。活化反应在氨酰-tRNA合成酶的催化下进行。活化反应分两步进行：1.活化：AA-AMP-E复合物的形成OOH-O腺嘌呤OHOHE.R-C-C-O~P-O-CH2=ONH2AA+ATP+EAA-AMP-E+PPiMg2+Mn2+2.转移AA-AMP-E+tRNA氨酰-tRNA+AMP+EPPPCCAOHOO

C-C-RNH2H每个氨基酸的活化消耗两个高能键（~）氨基酸活化的总反应式：

氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨酰-tRNA+AMP+PPi氨酰-tRNA合成酶氨酰-tRNA合成酶和之相对应的tRNA分子被称为第二遗传密码氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性，它既能识别相应的氨基酸（L-构型），又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA分子；这种高度的专一性保证了氨基酸与其特定的tRNA准确匹配，从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。tRNA与多肽合成的有关位点3′端-CCA上氨基酸接受位点识别氨酰-TRNA合成酶位点(D环)核糖体识别位点(TΨC环)反密码子位点（识别mRNA上的密码子）PA5′3′aa30S（二)肽链合成的起始1.起始密码子的识别：（30S复合物形成）

原核生物核糖体30S小亚基上的16SrRNA3′端富含嘧啶的序列能与mRNA5′端SD序列互补配对，这样30S亚基能与mRNA结合(IF3,IF1参加，识别起始密码子AUG，大亚基离开），在

IF2-GTP参与下，30S-mRNA-IF3进一步与fMet-tRNAf结合，并释放IF3，形成30S复合物：30s小亚基-mRNA-fMet-tRNAf

5′3′AUGAUGAUG30S复合物形成：AUGIF3IF3AUGIF3IF1、IF2-GTP、fMet-tRNAf小亚基大亚基++5′3′5

AUGIF1、IF2-GTPfMetUAC5′3′5′3′原核生物：起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸（fMet）。在大肠杆菌中,起始密码子AUG所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸。N10-甲酰基-FH42.fMet-tRNAf的形成甲酰化酶真核生物：起始氨基酸是Met,起始tRNA为Met-tRNAMetMetCH3-S-CH2CH2-CH-COOHNHC=O-H甲酰甲硫氨酸（fMet）fMet-tRNAf+AMP+PPifMet+tRNAf+ATP+H2O70S复合物的形成：IF1、IF2-GTPAUGfMetUAC5

+50S核糖体AUGA位点IF1、IF2-GDP+Pi大亚基结合时，GTP水解供能。5

fMetUACP位点5

3

5

3

动画起始过程小结：1.识别起始密码AUG：依靠mRNA5′SD序列识别16srRNA3′富含嘧啶的区域,核糖体准确定位于mRNA，准确起始肽链合成。2.原核生物起始氨基酸fMet，真核生物Met3.起始因子IF1

、IF2、IF3促进fMet-tRNAf及mRNA与30S小亚基结合，形成30S复合物。4.起始过程消耗一个GTP，即大亚基与30S复合体结合时需要IF2-GTP水解供能。AUGfMet5′3′GCGA进位EF-TU-GTPEF-TU-GDPEF-TS-GDPEF-TS-GTPGCG5′3′AUGfMetaa2转位转肽酶水解酯键，形成肽键(三)肽链的延伸（进位，转位，移位）转肽酶由大亚基中的23SrRNA及其它核酶所催化。GCG5′3′AUGaa2fMet核糖体移位UUU5′3′GCGaa2AUGfMetAEF-G-GTP

EF-G-GDP+Pi

转位不需要另外供给能量，所需能量来自肽链和tRNA之间高能酯键的水解。延伸过程小结1.延伸因子EF-Tu促进氨酰-tRNA与核糖体A位结合，并由GTP水解供能；EF-Ts负责催化EF-Tu-GTP复合物的再形成。2.转肽酶的两种功能：水解酯键，形成肽键。

转肽酶的化学本质是什么？3.移位因子（移位酶EF-G）：依赖GTP水解供能，使核糖体沿mRNA5′

3′方向移动一个密码子的位置，肽链合成从N→C延伸。例题：在蛋白质生物合成中，所有的氨酰tRNA都是首先进入核糖体的A位，对吗？（错，起始氨酰-tRNA在P位。）（四)肽链合成的终止与释放当终止密码子出现在A位时，终止因子结合在A位，肽链合成终止。所以终止因子（释放因子）的作用是识别mRNA上的终止密码子。UUU5′3′GCGAUGAUAAaa2fMetaa3...aan

终止过程小结1.终止密码子的识别不是tRNA，而是终止因子（释放因子）：RF1：识别终止密码子UAA和UAGRF2：识别终止密码子UAA和UGARF3：具GTP酶活性，激活RF1和RF2活性，协助肽链的释放2.终止因子的结合(消耗1GTP)使肽酰转移酶行使水解酶活性，把已合成的多肽链从核糖体和tRNA上释放出来，无负荷的tRNA从核糖体脱落，该核糖体立即离开mRNA，在IF3存在下,

解离为30S和50S非功能性亚基。再重复下一轮过程。动画蛋白质的合成是一个高耗能过程氨基酸活化2个高能磷酸键（计2ATP）肽链起始1个（70S复合物形成，GTP）进位1个（GTP）移位1个（GTP）释放1个（GTP）第一个氨基酸掺入需消耗3个高能键（活化2+起始1）,以后每掺入一个氨基酸需要消耗4个高能键（活化2+进位1个+移位1个）。最后释放因子RF识别终止密码子，并结合到A位使肽链从核糖体脱落下来消耗1GTP。相当于每掺入一个氨基酸需要消耗4个高能键。例题：考虑单一顺反子mRNA，其编码区含有936个碱基，包括一个起始密码子和两个终止密码子，请回答以下问题：（1）此mRNA最初翻译的产物有多少个氨基酸？（2）计算