第十二章 蛋白质生物合成

第二步反应
氨基酰-AMP-E ＋ tRNA
氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E
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。 绝对专一性： 1个A.A对应1个氨基酰tRNA合成酶 催化反应： 活化A.A-活化“-COOH”，消耗2个ATP， 产 物—氨酰tRNA 酶的两个位点： 结合位点-结合正确的A.A，活化 水解位点-保证A.A序列的正确性(校正活性)
摆动配对情况
反密码的第1位碱基
密码的第3位碱基
G
U或 C
C
G
A
U
U
A或 G
I
A 、 U 或C
通过摆动配对，使得携带有同种氨基 酸的不同tRNA分子可分别结合在几种同义 密码上。如反密码为IGC的丙氨酰-tRNA， 可分别结合到同义密码GCU、GCC、GCA上 （GCU、GCC、GCA均为编码丙氨酸的密码）。 摆动配对的存在对于保持生物物种的稳定 具有重要意义。
tRNA是氨基酸与遗传密码间的适配器
2.氨酰-tRNA 各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成 的氨基酰-tRNA表示为： 氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写 例如： • 丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla • 精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg • 甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet • 起始者甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAiMet • 延长甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAeMet
背景环境分析
遗传密码表
密码的第1 位碱基(5’ 端）
U
密
U
码
C
的
C
A
UUU苯丙氨酸 UUC苯丙氨酸 UUA亮氨酸 UUG亮氨酸 CUU 亮氨酸 CUC 亮氨酸 CUA 亮氨酸 CUG 亮氨酸 AUU异亮氨酸 AUC异亮氨酸 AUA异亮氨酸 AUG甲硫氨酸
（兼起始密码 ）
UCU 丝氨酸 UCC 丝氨酸 UGA 丝氨酸 UCG 丝氨酸 CCU 脯氨酸 CCC 脯氨酸 CCA 脯氨酸 CCG 脯氨酸 ACU 苏氨酸 ACC 苏氨酸 ACA 苏氨酸 ACG 苏氨酸
一、氨基酸的活化与转运
氨基酸的活化是指氨基酸与tRNA结合为氨 基酰-tRNA的过程，称为氨基酸的活化。 在胞质中进行。 氨基酸与tRNA的结合需要氨酰tRNA合成酶 催化，并需要消耗ATP。
氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸 + tRNA ATP AMP＋PPi 氨基酰- tRNA
第一步反应
氨基酸 ＋ATP-E 氨基酰-AMP-E ＋ PPi
第一节 三种RNA在蛋白质生物合成中的作用 一、mRNA的模板作用
• mRNA是蛋白质多肽链合成的直接模板。 • mRNA将DNA的遗传信息传递给蛋白质， 是基因表达时的中介，所以又称信使 RNA。 • 每一种mRNA至少能指导合成一条多肽 链。
• 遗传密码（又称密码子，简称密码）： mRNA分子中含有AGCU四种不同的 碱基所代表的核苷酸。从5'→3'方向 每3个相邻的核苷酸组成一个三联密 码即遗传密码。 • 可组成64种不同的密码。包含：20种 氨基酸，起始密码，终止密码。
背景环境分析
基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基 发生插入或缺失，可能导致框移突变。
缬
丙
酪
甘
缬
丙
丝
精
缬
脯
苏
天冬
背景环境分析
2. 方向性
翻译时遗传密码的阅读方向是5’→3’，即读 码从mRNA的起始密码子AUG开始，按5’→3’的方
向逐一阅读，直至终止密码子。
5′
读码方向
3′
N 背景环境分析
肽链延伸方向
肽链合成延长(核蛋白体循环)过程
进 位
成肽
移 位
四、肽链终止阶段
指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后， 多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出， mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。 终止阶段需要释放因子RF-1、 RF-2和 RF-3参与。
释放因子的功能：
识别终止密码子 RF-1特异识别UAA、UAG； RF-2特异识别UAA、UGA。 诱导转肽酶转变为酯酶活性 催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的 酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。 RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性， 能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。
原核生物mRNA的S-D序列及其与16SrRNA的结合
三、蛋白质生物合成过程
蛋白质的生物合成过程包括：
①氨基酸的活化与转运
②活化氨基酸在核糖体上形成多肽链。后者 是蛋白质生物合成的中心环节，又称核糖 体循环。
③翻译后加工
第二节 蛋白质生物合成的基本过程
• • • • • 氨基酸的活化与转运（准备阶段） 肽链合成的起始 肽链的延长 肽链的终止 翻译后的加工修饰
3
蛋白质 非编码序列 编码序列
背景环境分析
核蛋白体结合位点 起始密码子 终止密码子
遗传密码的特点：
1．连续性
编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密 码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间 既无间隔也无交叉。
5’…….A U G G C A G U A C A U …… U A A 3’
Met Ala Val His 终止密码
tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA
的α-氨基结合形成肽键的过程。
3. 移位
转位是在转位酶（延长因子EF-G）的催
化下，核蛋白体向mRNA的3´-端移动一个密
码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子 进入核蛋白体的A位、而占据A位的肽酰tRNA移入P位的过程。 移位需要延长因子EF-G参与。
反密码与密码结合时方向相反。即反密码的第 1 、 2、 3位碱基分别与密码的第 3、 2、 1位碱基配 对。
背景环境分析
反密码与密码配对时，反密码的第2、3位碱基分 别与密码的第2、1位碱基配对时严格遵循碱基配对规 则（即A与U、G与C配对），而反密码的第1位碱基与 密码的第3位碱基配对时不严格遵循碱基配对规则， 后者成为摆动配对或不稳定配对（wobble base pair）。
rpS 21种
18S-rRNA
rpS 33种
在核糖体上，与蛋白质生物合成有关的主要 结构有： 1．有容纳mRNA的部位； 2 ．有结合氨酰 -tRNA 的部位，称为氨酰基部位，简 称A位;有结合肽酰-tRNA的部位，称为肽酰基部位， 简称P位； 3.有结合蛋白质因子的部位； 4．有转肽基酶（transpeptidase）存在，可催化肽 键的形成； 5.具有延长因子依赖的GTP酶活性。 A位和P位呈紧密相邻，每个部位的宽度正好 相当于mRNA上一个遗传密码的宽度。
第
二
位
碱
基
GUU 缬氨酸 GUC 缬氨酸 G GUA 缬氨酸 背景环境分析GUG 缬氨酸
GAU天冬氨酸 GAC天冬氨酸 GAA谷氨酸 GAG 谷氨酸
GGU GGC GGA GGG
甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸
U C A G
mRNA的基本结构
Start of genetic message Cap End Tail
mRNA来源、生物遗传信息储存于DNA mRNA分子中的碱基排列序列决定了蛋白 质分子中的氨基酸排列顺序。 mRNA中相邻的3个碱基代表一个氨基酸，三个相 邻的碱基称为一组密码，或称三联体密码。 64组密码组成遗传密码表： 起始密码：1组（AUG），兼作Met的密码 终止密码：3组（UAA、UGA、UAG） 61组密码编码20种α-氨基酸
在生物体内，一种 tRNA 只能与一种氨 基酸结合（即一种 tRNA 只能搬运一种氨基 酸），而一种氨基酸可与一种以上的 tRNA 分子结合，所以， tRNA的种类(80种以上） 比氨基酸（20种）多。
(三)核糖体是蛋白质生物合成的场所
核糖体是肽链合成的“装配机”。 胞质中核糖体种类： • 游离的核糖体---合成细胞固有蛋白 • 与粗面内质网结合的核糖体 ---合成带有信号肽的分泌性蛋白质 核糖体由大、小亚基组成，其组成成份 包括rRNA和蛋白质。
第十二章
蛋白质生物合成
体内蛋白质合成的过程称为蛋白质生 物合成。 将mRNA分子中核苷酸（或碱基）的 顺序转变蛋白质分子中氨基酸残基的 顺序的过程称为翻译。相当于，把核 酸中的A、G、C、U/ T 4种碱基组成 的遗传信息，破译为蛋白质分子中的 20种氨基酸排列顺序。 翻译的过程有三个阶段：起始，延长， 终止。
C
3．简并性 在 遗 传 密 码 表 中 ， 共 有 64 组 密 码 （ 43 ）。其中， 3 组作为翻译的终止密码 （ UAA 、 UAG 和 UGA ）； AUG 兼作翻译的起始 密码（AUG是蛋氨酸的密码），其余 61组密 码（包括AUG作为亮氨酸的密码）共同编码 20种α-氨基酸。因此，必然有一种氨基酸 由多组密码编码的现象，称为密码的简并 性。实际上，除色氨酸与蛋氨酸（由一个 密码编码）外，其余氨基酸均由两个或两 个以上的密码编码（2～6个）。
mRNA与核糖体的结合
原核生物核糖体的小亚基的rRNA（16S） 的3′末端有一富含嘧啶的区段，可与mRNA 分子的起始部位的一段富含嘌呤的区段互 补结合，使mRNA结合至核糖体上。mRNA分 子中的这段富含嘌呤的区段称为S-D序列 (通常为GGAGGU)。S-D序列位于mRNA的5′ 端紧接起始信号的上游。
5
3
5’-端非翻译区
开放阅读框架
3’-端非翻译区
从mRNA 5-端起始密码子AUG到3-端终止密 码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。
背景环境分析
原核生物的多顺wk.baidu.com子
5 PPP 3
蛋白质
真核生物的单顺反子
5 mG - PPP
AAA …
二、肽链起始阶段
是指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核 蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。 基本过程： 1. 核蛋白体大小亚基分离； 2. mRNA在小亚基定位结合；
3. 起始氨基酰-tRNA的结合；
4. 核蛋白体大亚基结合。
三、肽链延长阶段
• 指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进 入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。 肽链延长在核蛋白体上连续循环式进 行，包括以下三步：
不同细胞核蛋白体的组成
原核生物 核蛋白 体 S值 70S 小亚基 30S 大亚基 50S 23S-rRNA 5S-rRNA rpL 36种 核蛋 白体 80S 真核生物 小亚基 40S 大亚基 60S 28S-rRNA 5.8S-rRNA 5S-rRNA rpL 49种
rRNA
蛋白 质
16S-rRNA
背景环境分析
各种氨基酸的密码子数目
背景环境分析
4．通用性: 无论原核生物如病毒、细菌等和真核 生物包括人类都共用一套遗传密码即三联 体密码。只是不同生物对密码子具有偏爱 性。
背景环境分析
（二）tRNA是搬运氨基酸的工具
1. tRNA的结构
背景环境分析
tRNA分子中与蛋白质合成有关的位点： 1）氨基酸结合位点； 2）氨酰-tRNA合成酶识别位点； 3）核糖体识别位点； 4）反密码位点：
背景环境分析
• • • • •
蛋白质生物合成体系
基本原料：20种编码氨基酸 模板：mRNA 适配器：tRNA 装配机：核蛋白体 主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、 转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子 等 • 能源物质：ATP、GTP • 无机离子：Mg2+、 K+
背景环境分析
（一）mRNA是遗传信息的携带者
GCU GCC GCA GCG 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸
密码的 第3位碱 A G 基(3’端) U UAU 酪氨酸 UGU半胱氨酸 C UAC 酪氨酸 UGC半胱氨酸 A UAA终止密码 UGA终止密码 G UAG终止密码 UGG 色氨酸 U CAU 组氨酸 CGU 精氨酸 C CAC 组氨酸 CGC 精氨酸 A CAA谷胺酰胺 CGA 精氨酸 G CAG谷胺酰胺 CGG 精氨酸 U AAU天冬酰胺 AGU 丝氨酸 C AAC天冬酰胺 AGC 丝氨酸 A AAA赖氨酸 AGA 精氨酸 G AAG 赖氨酸 AGG 精氨酸
1. 进位/注册 2. 转肽
3. 移位 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。
1. 进位
又称注册，
是指一个氨基酰-tRNA按照
mRNA模板的指令进入并结合
到核蛋白体A位的过程。
进位需要延长因子 EF-Tu与EF-Ts参与。
2.转肽
转肽是在转肽酶的催化下，核蛋白体P位上
起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-