动物生物化学课件：蛋白质的生物合成

第二节 蛋白质生物合成过程
翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按 mRNA 模 板 三 联 体 密 码 的 顺 序 延 长 肽 链 ， 直 至终止密码出现。
整个翻译过程可分为 ： • 翻译的起始(initiation) • 翻译的延长(elongation) • 翻译的终止(termination )
对应同一种氨基酸的不同密码子，称 为同义密码子。同义密码子使用频率不同.
在蛋白质中出现频率越多的氨基酸， 其密码子的数量越多。
4.密码子使用频率不同
• 在蛋白质合成时，对简并密码子的使用频率是 不同的。
• 如UUU和UUC都为苯丙氨酸编码，但在高表 达的蛋白质中使用UUC的频率明显高于UUU。
5. 密码子与反密码子配对的不严格性
➢ 第二个实验：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（图B）。
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个蛋白质多肽链， 称为开放阅读框架(ORF)。
遗传密码的特点
1.密码子无标点符号
方向5 ‵ 3 ‵
2.密码子的不重叠
编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体 密码从起始密码子开始，连续阅读至终止 密码子，密码子间既无间隔也不重叠。
证明三联体密码的三个著名实验
➢ 第一个实验：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 (图A)
摆 动 配 对
6. 通用性
• 地球上的一切生物都通用这套密码子表。 • 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、
植物细胞的叶绿体。 • 密码的通用性进一步证明各种生物进化自
同一祖先。
7.防错性
• 氨基酸的极性通常由密码子第二位碱基决 定，简并性由第三位碱基决定。
• DNA突变时，保障编码的氨基酸不变，或 编码氨基酸的理化性质不变。
Met f
-mRNA-核糖体
(1). 核糖体大小亚基分离
IF-1 IF-3
(2). mRNA在小亚基定位结合
mRNA
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
•mRNA与小亚基的结合依赖于：
1. SD序列与16S rRNA 3’端部分序列的互补 2. rps-1与mRNA上SD序列后的一段序列识别结合
S-D序列 (Shine-Dalgarno sequence ) mRNA起始密码AUG5′端约8~13个核苷
多聚核蛋白体（polysome）
ຫໍສະໝຸດ Baidu 原核生物翻译过程中核糖体结构模式
P位：肽酰位 （给位）
A位：氨酰位 （受位）
E位：排出位 （出位）
核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：
1．小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2．大亚基： （1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右）可与 新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）可与延伸中的 肽酰基tRNA结合。 （2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位 上的氨基酰tRNA，形成肽键。 （3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。 （4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。
•第2位碱基U：非极性、支链氨基酸
•第2位碱基C：非极性或不带电荷的极性 氨基酸
•第2位碱基A、G：除Trp外，均为极性氨 基酸
•第2位碱基A，第1位碱基G：酸性氨基酸
•第2位碱基A、 G，第1位碱基C 、A ：碱 性氨基酸和不带电荷的极性氨基酸
二、肽链合成的场所 ---rRNA和核糖体
• 核糖体（核蛋白体）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 的多核糖体(提高翻译效率)。
• 在蛋白质生物合成过程中，常常由若干 核糖体结合在同一mRNA分子上，同时 进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存 在一定的间隔，形成念球状结构。
• 由若干核糖体结合在一条mRNA上同时 进行多肽链的翻译所形成的念球状结构 称为多核糖体。
➢ 第三个实验：由Jones,Khorana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（图C）。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。
tRNA 上 的 反 密 码 子 通 过 碱 基 互 补 与 mRNA上的密码子反向配对结合，反密码子 第一位碱基与密码子第三位碱基间不严格遵 守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。
密码子、反密码子配对的摆动现象
tRNA反密码子 第1位碱基
I
U G AC
mRNA密码子 第3位碱基
U, C, A A, G U, C U G
– 起始因子（initiation factor, IF） – 延长因子（elongation factor，EF） – 释放因子（release factor，RF）
• 其他：酶类、ATP、GTP、无机离子等
一、翻译的模板 ---mRNA及遗传密码
• mRNA是遗传信息的携带者、传递者
❖ 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子。
16S rRNA 5S rRNA 23S rRNA
18S rRNA 5.8S rRNA 5S rRNA 28S rRNA
蛋白质
21种 34种
～33种 ～ 49种
核 糖 体 的 组 成
核糖体的存在形式：
核糖体的存在形态有三种：核糖体亚基、单 核糖体和多核糖体。 核糖体亚基可在10mmol/L浓度的 Mg2+溶液中 聚合，在0.1mmol/L 浓度的Mg2+溶液中解聚。
促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基 促进核蛋白体分离成大、小亚基
1. 原核翻译起始复合物形成
(1). 核糖体大小亚基分离（IF3，IF1） (2). mRNA在小亚基上定位结合 (3). fMet-tRNAffMet的结合（IF2，GTP） (4). 核糖体大亚基结合
起始复合物
fmet-tRNA
三、氨基酸的运载 ---tRNA与氨基酸活化
tRNA是将mRNA的核苷酸顺序转换成蛋白 质多肽链顺序的适配器：
➢ 在蛋白质合成中， tRNA起着运载氨基酸的作用， tRNA的3′末端结合特定的氨基酸。
➢ tRNA分子上三个特定的碱基组成一个反密码子， 位于反密码子环上,这是tRNA与mRNA的识别部位。
真核生物翻译起始特点
• 基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发 生插入或缺失，可能导致移码突变。
3.密码子的简并性
遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有 一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个， 或多至6个三联体为其编码。
密码子简并性可以减少有害突变。
遗传密码的简并性
同一个氨基酸有两个或更多密码子 的现象，称为密码子的简并性。
➢ tRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码 子相识别，按照mRNA链上的密码子所决定的氨 基酸顺序将所带氨基酸转运到核糖体的特定部位。
一种氨基酸可以有一种以上tRNA作为 运载工具。通常把携带相同氨基酸而反密 码子不同的一组tRNA称为同功tRNA.
氨基酰tRNA----氨基酸的活化形式。 表示为： tRNAPhe
❖ 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。
❖ 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子。
mRNA上存在遗传密码
mRNA上每三个连续核苷酸对应一个氨基 酸，这三个相邻核苷酸就称为一个密码子， 或三联体密码。
阅读与书写方向：5′→3′ 数量：64（43）,编码氨基酸 61 起始密码子：AUG（GUG） 终止密码子：UAA、UAG、UGA
生物功能
占据A位防止结合其他tRNA 促进起始tRNA与小亚基结合 促进大、小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA的 敏感性 促进起始tRNA与小亚基结合 最先结合小亚基促进大、小亚基分离 eIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA 结合小亚基 结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始tRNA eIF-4F复合物成分，结合mRNA5`-帽子 eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PAB
40S
elF-3
②
Met Met Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP
ATP
mRNA
③
elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB
ADP+Pi
60S
①
eIF-2B、eIF-3、 eIF-6
40S
60S
Met
elF-5
④
各种elF释放 GDP+Pi
真核生物翻译起始
Met
复合物形成过程
第二步反应
氨基酰-AMP-E ＋
tRNA
↓
氨基酰-tRNA ＋
AMP ＋ E
tRNA与酶 结合的模型
tRNA
ATP 氨基酰-tRNA合成酶
2、起始肽链合成的氨基酰-tRNA
真核生物：Met-tRNAiMet 原核生物：fMet-tRNAffMet
• tRNAiMet：进入核糖体P位点（真核） • tRNAMet：进入核糖体A位点，肽链延长中。 • tRNAffMet：进入核糖体P位点， Met N-甲酰化（原核）
氨基酸的活化 ---形成氨基酰-tRNA的过程
1、氨基酰-tRNA合成酶催化
• 催化氨基酸与tRNA结合生成氨基酰-tRNA • 具有绝对专一性：
对氨基酸及tRNA都能高度特异识别 • 具有校正活性(proofreading activity)
第一步反应
氨基酸 ＋ATP-E —→ 氨基酰-AMP-E ＋ AMP ＋ PPi
第十二章
蛋白质的生物合成
将mRNA分子中 4 种核苷酸序列 编码的遗传信息，通过遗传密码破译的 方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基 酸的排列顺序过程，称为蛋白质的生物 合成或翻译。
参与蛋白质生物合成的物质 蛋白质生物合成的过程
第一节 参与蛋白质生物合成的物质
参与蛋白质合成的物质
• 原料：20种氨基酸 • 模板：mRNA • 运载体：tRNA • 场所：核蛋白体（rRNA与蛋白质构成） • 蛋白质因子：
• 大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球 体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三 角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住， 两亚基的结合面进行蛋白质合成。
• 核糖体的组成
核糖体
原核生物 (70S)
亚单位
小亚基(30S) 大亚基(50S)
真核生物 (80S)
小亚基(40S) 大亚基(60S)
rRNA
50S
mRNA
5'
IF-3
IF-3
IF-2 GTP
AUG IF-1
GDP＋Pi
3'
IF-1
IF-2
mmRRNNAA
55' '
50S 5500SS
IF-2 GTP
AAUUGG IF-1
IF-3
IF-3
GDP＋Pi
33' '
IF-1
2. 真核生物翻译起始复合物形成
• 核蛋白体大小亚基分离； • Met-tRNAiMet结合； • mRNA在核蛋白体小亚基就位； • 核蛋白体大亚基结合。
酸处，有4~9个核苷酸组成的富含嘌呤的一致 序列，以…AGGA…为核心，也叫做核糖体 结合位点(ribosomal binding site, RBS)
(3). fMet-tRNAffmet 结合到小亚基
IF-2 GTP
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
(4). 核糖体大亚基结合，起始复合物形成
IF-2
一、翻译的起始
指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖 体结合而形成翻译起始复合物 的过程。有多种 称为起始因子（IF）的蛋白质参与这一过程。
原核、真核生物各种起始因子的生物功能
原核 生物
真核 生物
起始因子
IF-1 IF-2 IF-3
eIF-2 eIF-2B，eIF-3
IF-4A
IF-4B IF-4E IF-4G eIF-5 eIF-6