《蛋白质生物合成》PPT课件

1、第一节遗传编码一、遗传编码二、密码子与反密码子的相互作用三、第二套密码系统的概念与特征第二节tRNA的功能一、戊tRNA合成酶第三节核糖体的结构一、核糖体的结构二、核糖体的结构三、核糖体的活性部位、第七章蛋白质的生物合成、塔塔tRNA的功能是运输氨基酸，rRNA以由多种蛋白质组成的核糖体作为翻译的进行场所，mRNA作为翻译的模板。 经过3种RNA与多种蛋白质的相互作用，将来自DNA的遗传信息正确地传递给蛋白质。 第一节遗传编码、一、遗传编码遗传编码(genetic code )是连接核酸碱基序列和蛋白质氨基酸序列的途径。 mRNA中有3个碱基表示氨基酸，被称为密码子(codon )。 生物体内

2、存在多个密码子有时表示一个氨基酸。 物理学家George Gamov在1954年发现DNA中存在4种核苷酸，蛋白质中存在20种氨基酸的对应关系，因此提出3个核苷酸作为一个氨基酸编码最为理想。 在有4种核苷酸的条件下，64 (43=64 )是能满足20种氨基酸编码的最小数量，这也是生物在亿万年进化过程中形成的，符合其所遵循的经济原则。 密码子的解读是分子生物学发展史上的大事。 主要采用两种技术，一种是1961年Nirenberg等人报道的人工合成多核苷酸体外翻译技术，另一种是1964年Nirenberg和Leder发明的核糖体结合技术。 这两种技术的出现为密码子的解读奠定了基础。 密码破解的研究

3、从3个实验室发展了4种破解方法，于1965年完成。 1 )在体外无细胞蛋白质合成系统中加入人工合成的poly，开辟了遗传编码解读的先河。 1961年，美国NIH的Nirenberg和Mathaei首次确认了UUU是Phe (苯丙氨酸)的密码子。 之后，确认了AAA是Lys (赖氨酸)的密码子，CCC是Pro (脯氨酸)的密码子。 2 )用混合共聚物(mixed copolymers )实验测定密码子中的碱组成： 1963年，Speyer和Ochoa等人开发了用2碱的共聚物解密的方法。 例如，用a和c的原料合成polyAC。 但是，该方法不能确定碱的排列方式，只能显示密码子中的碱组成和组成比例。

4、 另外，反复改变共聚物成分的比例的方法也非常麻烦，很费时间。 3 )确定为aa-tRNA的三核苷酸序列(密码子)结合(核糖体结合技术) Nirenberg和Leder在1964年确立了破译密码子的新方法，即trna和确定密码子结合实验：在蛋白质合成所需要的因子不足的条件下，进行特异性的研究然而，一些三核苷酸序列与核糖体结合并不像UUU、GUU等那样有效。 (4)用重复共聚物(repeating copolymers )解密： Jones、Khorana等应用有机化学和酶学技术，制作了已知的核苷酸重复序列。 蛋白质在核糖体上的合成可以从这些规则共聚物的任一点开始，并且特异氨基酸可以被捕获到肽链中

5、。 例如，重复序列CUCUCUCUCU.是多肽Leu-Ser-Leu-Ser.或多肽Ser-Leu-Ser.的信使分子。 色氨酸、蛋氨酸、蛋氨酸和色氨酸以外的氨基酸有2种以上的密码子。 多个密码子编码一个氨基酸的现象称为简并(degeneracy )，表示相同氨基酸的密码子称为同义密码子(synonyms )。 氨基酸的密码子数与蛋白质中出现的频率没有明显的正相关性。、异亮氨酸、丙氨酸缬氨酸苏氨酸脯氨酸、亮氨酸丝氨酸、蛋氨酸色氨酸、谷氨酸赖氨酸残奥酸谷氨酸残奥藻酸、苯丙氨酸酪氨酸、氨基酸几种密码子的差异通常终止密码子、嘌呤、线粒体的遗传密码子有很多例外，其中最常见的变化之一是UGA从终止密码子

6、变为色氨酸的密码子，这可能是进化上最早的变化。 二、密码子与反密码子的相互作用密码子决定氨基酸是通过mRNA与tRNA的相互作用实现的，该作用实质上是碱基之间的配对。 密码子和反密码子之间的正确识别是遗传信息正确传递的保证。 通常，生物体内tRNA的种类比编码氨基酸的密码子少。 密码子的前2个碱基在与反密码子配对时遵循Watson-Crick的原则，前3个碱基具有一定的灵活性，这就是摆动假说(wobble hypothesis )。 根据生物体内的不同，有几种使少数的tRNA识别编码61种氨基酸的密码子的方法，因生物而采用的路径也不同。 tRNA分子中含有很多修饰碱基。 反密码子中和其他位置的

7、修饰碱会影响密码子和反密码子的作用。 在tRNA的转码子中，除了a、u、g、c 4种碱以外，肌苷(I )也经常出现。 次黄苷的特点是能够与u、a、c三者形成配对，具有I碱基的反密码子具有阅读mRNA上密码子的非凡能力，降低了遗传编码突变引起的误差。 酵母tRNAA/a的反密码子是IGC，可以读取GCU、GCC、GCA的几种密码子。 在tRNA的转码子中，除了a、u、g、c 4种碱以外，肌苷(I )也经常出现。 次黄苷的特点是能够与u、a、c三者形成配对，具有I碱基的反密码子具有阅读mRNA上密码子的非凡能力，降低了遗传编码突变引起的误差。 酵母tRNAA/a的反密码子是IGC，可以读取GCU、

8、GCC、GCA的几种密码子。第三、二套密码系统的概念和特征，1988年，Christian deDuve基于Hou和Schimmel等人的研究，提出了第二套密码系统的概念或学说。 该说法认为，在： tRNA氨基酸受体中有一次加密区域(paracodon region )，被氨基酰基tRNA合成酶(aaRS )识别，能够决定tRNA的负荷特性。 他认为第二套加密系统包含在aaRS结构中。 与经典的加密系统不同。 所述第二密码子密码系统或者所述第二加密系统集是非退化的。 虽然可能只有20种aaRS，但每种aaRS都能识别一种氨基酸特异的所有tRNA，这种识别与这种特异tRNA的不同特征有关。 与经

9、典的密码系统相比，第二组密码系统对氨基酸更为确定，这与辅助密码子和对应的氨基酸之间的立体化学相互反应有关。 Christian deDuve认为，第二套加密系统只是与aaRS-aa-AMP或aa-aaRS复合体的简单反应，tRNA用于消除错误的氨基酰基。 aaRS上部分区域含有的残基与辅助密码子的核苷酸反应，但不能使所有氨基酸侧链与tRNA的核苷酸一致。 因此，一些科学家提出第二个密码系统存在于tRNA分子本身，而不存在于aaRS结构中。 中的组合图层性质变更选项。 第二个密码系统比传统密码系统更原始。 有些作者推测tRNA来源于具有氨基糖苷的寡核苷酸，其原始形式可与氨基酸直接反应。 解读第二

10、密码系统的意义不仅在于tRNA分子自身生物学功能的认识，重要的是对生化、生物起源、分子生物学及遗传学产生重大影响。 第二节tRNA的功能是，所有的tRNA都具有相同的二级(三叶草型)和三级结构(倒l型)。 这种构造上的一致性对于其功能是必要的。因为不同的tRNA分子都具有相同的功能特征。 tRNA在翻译中起着输送氨基酸的作用，将氨基酸经过密码子与密码子的相互识别定位于肽链上。 从这一点来看，tRNA是起到具体翻译作用的分子。腺苷、一、氨基酰基tRNA合成酶、氨基酰基tRNA合成酶催化氨基酸与tRNA的反应。 具有相同氨基酸的tRNA有多种，被称为同伴tRNA(iso-accepting tRN

11、A )。 tRNA可分为20个同伴tRNA组。 一组同伴tRNA在特定的合成酶催化下与对应的氨基酸结合。 氨基酰基tRNA合成酶有3个结合位点，分别为氨基酸结合位点、ATP结合位点、tRNA结合位点。 其催化反应分为两个阶段：第一阶段氨基酸和ATP形成腺苷氧化氨基酰，释放焦磷酸的第二阶段活化型氨基酸转移到tRNA，释放AMP。 氨基酰基tRNA合成酶催化的反应具有特异性，可以选择相应的tRNA和氨基酸。 一个合成酶只能识别一个氨基酸及其氨基酸的几个同伴tRNA。 词源、同类、同类、腺苷酸化、缬草、tRNA沿l型的一面与合成酶结合。 所有的tRNA在两个端点都与合成酶结合，几乎所有的序列都不被合

12、成酶识别。 第一类和第二类合成酶与tRNA的相互作用存在差异。 经晶体结构分析，两种酶与tRNA接触的取向正相反，所形成的复合体相互呈镜像结构。 谷氨酰胺Gln、谷氨酸Glu、海藻酸、第三节核糖体的结构，也称为核糖体(ribosome )、核酶粒子(ribonucleoprotein particle )，是在细胞内进行蛋白质合成的场所，蛋白质合成一、核糖体的组成、原核生物、真核生物和细胞器的核糖体组成差异很大，但其三维结构非常相似。 任何来源的核糖体都由大小两个亚基组成。 两亚基均由RNA和一定数量的蛋白质组成，其共同特点是RNA含量高于蛋白质。 核糖体RNA(rRNA )的纯化比较容易，可

13、以通过用苯酚提取核糖体除去蛋白质而得到。 rRNA的大小可以由超速离心决定。 核糖体蛋白是一种非常复杂的混合物，其纯化和分子量大小只能用更细微的方法决定。 1970年，E. Kaldschmidt和H. G. Wittman采用双向电泳(twodimensionalgelelectrophoresis )方法对构成两个亚基的蛋白基本完全进行了分析。 大肠杆菌70S核糖体由30S小亚基和50S大亚基两部分组成。 30S小子单元由16S rRNA和21种核糖体蛋白组成，50S大子单元包括2个rRNA(5S和23S )和31种核糖体蛋白。 真核生物细胞质核糖体更为复杂，沉降系数为80S，由40S小亚

14、基和60S大亚基组成。 40S小亚基由18S rRNA和33种蛋白组成，60S大亚基含有3个rRNA分子(5S，5.8S和28S )和50种核糖体蛋白。 构成核糖体的RNA和蛋白质通常只有一个拷贝。 RNA与蛋白质相互作用，形成复杂有序的结合体。 核糖体的数量与生物合成蛋白的活性密切相关。 二、核糖体的结构，核糖体的直径只有可见光波长的十分之一。 因此，各个核糖体不能反射可见光，也不能在光学显微镜下看到核糖体。 20世纪70年代，James Lake(1976 )利用负染色电子显微技术，不仅观察了核糖体的两个子单元的形状，而且获得了它们在完整的核糖体内如何结合的信息。 另外，30 S核糖体子单

15、元结构包括磁头(head )、基本(base )、平台(platform )及间隙(cleft )等。 50 S核糖体子单元的结构包括中央突起、茎、丘陵和谷等。 核糖体30S小亚单元的平台进入50S大亚单元的谷中嵌合。 游离状态和蛋白质合成过程中核糖体结构存在差异，说明核糖体的结构在蛋白质合成过程中有一定的灵活性。Joachim Frank等人(1995 )利用更高分辨率的技术冷冻电子显微镜技术，对大肠菌70S的核糖体进行了更详细的记述。 他们利用计算机将4300张图像组合起来，形成核糖体的三维立体图。 他们还可以观察核糖体的一些新特征，并且还可以看到从30S子单元上的一个距离(spur )、

16、30S子单元首部的一个信道、以及两个子单元边界峡谷开始的隧道分支点mRNA通过30S子单元网络的通路形成u型回转，并且该回转与两个子单元之间的a点和p点上的tRNA交互，最后mRNA通过30S子单元的平台和头之间的间隙远离核糖体。 分支隧道的作用可能为新生的多肽链选择性地提供远离核糖体的路径。 最近，核糖体晶体衍射结构领域的研究取得了迅速进展。 不仅大大提高了两个亚基和整体核糖体上出现的晶体衍射分辨率，而且克服了许多晶体衍射图像的难点。 发表了2个亚基的原子分辨率水平的结晶衍射图和整体核糖体的5.0分辨率的分子模型。 大多数核糖体蛋白，特别是那些大亚单位核糖体蛋白，手指状的突起伸长到rRNA核

17、内，使rRNA的结构稳定。 核糖体蛋白起着修饰亚基rRNA核的作用。 核糖体的功能中心富含RNA，亚单元相互作用的主要部位也由RNA构成，但核糖体蛋白质小则只能作用于更外周的部位形成。 解码部位和肽门酰转移酶中心都没有蛋白成分。 现已证实，离肽门酰转移酶中心最近的核糖体蛋白无催化作用，它们的功能主要是维持活性位点的构象。 核糖体的解码和肽酰转移酶的中心以RNA为主，而核糖体蛋白也起着非常重要的作用。 没有蛋白成分，核糖体即使组装也不发挥功能。 现已发现，rRNA参与翻译各阶段，rRNA的正确结构是蛋白质发挥催化功能所必需的。 在翻译开始过程中，rRNA的3端直接作用于mRNA，16S rRNA在a和p位直接作用于反密码子的23S rRNA与肽-tRNA的CCA端直接作用的大小