酶工程 第二章 酶生物合成的基本理论 2013-3

3' AAA……An
5'非翻译区
3'非翻译区
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遗传密码的特点
① 连续性 commaless：三联体密码连续阅读，既无间 断也无交叉
② 简并性 degeneracy：一个氨基酸有1或几个密码子 ③ 通用性 universal：从原核生物到人类都通用（例外：
动物线粒体、叶绿体） ④ 方向性 direction：只能沿5’→3’方向进行 ⑤ 摆动性 wobble ：反密码与密码之间常常不严格遵守
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常见tRNA中的修饰核苷酸
Xo5U
(5-羟基尿苷)
m7G
Cmnm5U (5-羧甲基氨甲基尿苷) m5C
mCm5U （5-甲氧基羰甲基尿苷） m6A
Xm5s2U （5-甲基-2硫代尿苷） s2C
K2C
（2-赖氨酸胞苷）
ψ
Com5U （5(2)-羟羧甲基尿苷） Um
I
（Inosine次黄嘌呤） Q
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（3）mRNA的3′-端加polyA尾(tailing)
poly(A)聚合酶--Poly(A) polymerase(PAP)
poly(A)＋ ：大部分真核mRNA有poly(A)尾巴
poly(A)－ ：无poly(A)尾巴，如组蛋白的mRNA
作用： （1）稳定mRNA
Polyadenylation聚腺苷酸化
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转录过程 转录的起始 Initiation RNA链的延伸 Elongation RNA链合成的终止 Termination
RNA前体的加工
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（一）转录的起始 Initiation
起始—启动子promoter是基因转录的起点
1. σ因子识别DNA的启动子 -35序列附近，具有TTGACA－识别区 σ因子识别该部位
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA
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1. 非依赖ρ因子的转录终止
在模板链终止点前有4-6个dA，即poly dA结构； polyA上游有一段GC富集区，并形成回文序列。
合成出终止子对 应的GC区时， RNA形成发夹结 构，核心酶停止 转录。
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2. 依赖ρ因子的转录终止
在终止部位，ρ因 子沿新生RNA链 到达依赖ρ的终止 点（无寡聚U和 GC区），ρ因子 与RNA聚合酶结 合，使三元复合 体解体.
E. coli 7个rRNA转录单位分散在基因组中；转录单位由
16S、23S、5SrRNA以及tRNA基因组成，rrnA~rrnG.
tRNAIle tRNAAla
tRNAAsp tRNATrp
16S RNaseIII
RNaseIII
23S
5S RNaseIII
RNaseIII
RNaseR
RNaseR
所获得的遗传信息，在转录作用后又发生了变化。
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1、剪切 反应cleavage
从RNA前体的末端切去一定大小的RNA片段，而得到成 熟RNA分子的加工过程。
3′端、5′端都可以进行 自我剪切酶、RNA剪切酶、3′-内切核酸酶、3′-外切核酸
酶、5′-内切核酸酶、5′-外切核酸酶、
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20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、IF、
EF、RF 起始因子（initiation factor, IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF） 供能物质（ATP、GTP）、无机离子
RNA internal methylation tRNAhis的 5′-端比其他tRNA多一个鸟苷酸
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4、核苷酸修饰 （Nucleotide modification）
在RNA前体的一些专一部位的碱基需要通过甲基化酶， 硫醇酶，假尿嘧啶核苷化酶等的作用进行修饰成为特殊的 碱基。
修饰位置: 碱基或核糖 核糖 2-OH上甲基化（methylation） tRNA中的核苷酸修饰（various） 二氢尿嘧啶、假尿嘧啶、4-硫尿嘧啶、1-甲基鸟嘌呤
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5、RNA编辑 （editing）
是指在mRNA水平上改变遗传信息的过程。 是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插
入、删除或取代一些核苷酸残基（包括U→C，A→U；U 的插入或缺失、多个G或C的插入等），因为经过编辑的 mRNA序列发生了不同于模板DNA的变化，导致DNA所 编码的遗传信息的改变。
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DNA
5 3
RNA
RNA聚合酶 核糖体
原核生物转录过程中的羽毛状现象
（三）RNA链合成的终止 Termination
转录的终止—RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来，转录 产物RNA链从转录复合物上脱落下来。
转录终止的两种机制： 1. 非依赖ρ因子的转录终止 终止子(terminator):为RNA转录提供终止信号的一 段DNA序列。 2. 依赖ρ因子的转录终止 终止因子(termination factor ):协助RNA聚合酶识 别终止子信号的辅助因子。
碱基配对规律，称为摆动配对
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蛋白质合成过程
（一）氨基酸活化 （二）肽链合成的起始 （三）肽链的延伸 （四）肽链合成的终止 （五）蛋白质前体的加工
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（一）氨基酸活生成氨基酰-tRNA
氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase） 催化氨基酸与tRNA结合生成氨基酰-tRNA
41/50ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
mRNA是翻译的直接模板
遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生
成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子 （polycistron）。
真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。
第二节 蛋白质的生物合成——翻译
Protein Biosynthesis ——Translation 以mRNA为模板，以各种氨基酸为底物，在核糖核蛋白
体上通过各种tRNA、酶和辅助因子的作用，合成多肽链 的过程称为翻译。
central dogma
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蛋白质合成体系
三种RNA mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA）
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tRNA前体的切断和剪接加工
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3、 末端连接反应
在RNA分子的3′-端或5′-端连接上特定的寡核苷酸，而形 成成熟RNA分子的加工过程。 （1）tRNA的3′-端加上CCA-OH （2）mRNA的5′-端加“帽子”（capping） （3）mRNA的3′-端加polyA尾巴 ( tailing ) （4）tRNA的5′-端加上甲基鸟苷酸
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遗传密码 genetic code
mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸 为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、 终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。 数量：64（43） 起始密码(initiation coden): AUG 终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA
RNaseR
RNaseR RNaseR
rRNA的加工 图 13- rRNA 的加工
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2、剪接 反应splicing
将RNA前体中间的间插序列除去，并把两端的外显子连接 起来，形成成熟RNA分子的加工过程。
真核生物RNA前体有外显子、内含子 自我剪接酶、内切核酸酶+RNA连接酶
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E.coli 的RNA聚合酶
核心酶（α2ββ’ω） core enzyme
起始因子
全酶（ α2ββ’ω ） holoenzyme
β’：和模板DNA结合 β：与NTP结合并催化聚合反应 α：二聚体参与RNA聚合酶的组装 ω：？
：起始因子，识别启动子
RNA聚合酶没有3’-5’外 切酶活性，缺少校对功能， 可被利福平和利福霉素抑制
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开放阅读框架 open reading frame (ORF)
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，各个三联体密码连续排列编码一条多肽链， 称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。
5' m7Gppp
AUG
编码区
UAA
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σ识别部位
结合部位 RNA转录开始+1 （GTP，ATP)
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（二）RNA链的延伸 Elongation
1. 核心酶沿模板移动方向：3’→5’ 2. RNA延长方向：5’→3’（+1→+n） 3. 当5’端RNA离开DNA后，DNA重新恢复双螺旋，RNA以自由单链
形式被释放。
酶工程 Enzyme Engineering
林范学fanxuelin@
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第二章 酶生物合成的基本理论 ——酶的生物合成及其调节
transcription
translation
DNA
RNA
Protein
加工、组装 完整酶分子
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第一节 RNA的生物合成——转录 第二节 蛋白质的生物合成——翻译 第三节 酶生物合成的调节
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（1）在tRNA的3′-端加上CCA-OH
RNaseP是tRNA的5‘端成熟酶； RNaseD是tRNA的3‘端成熟酶；