06 第六章 蛋白质的生物合成

氨酰-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又要能 识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性。 氨酰-tRNA合成酶因反应的第二步而可分两类： 第一类酶：先将氨酰基转移至tRNA3’ A的2’-OH 上，然后通过转酯作用转移至3’-OH上； 第二类酶：则直接将氨酰基转移至3’-OH上。
第三节 核糖体
3. tRNA的种类 1) 起始tRNA和延伸tRNA： 起始tRNA：能特异地识别mRNA模板上起 始密码子的tRNA。 延伸tRNA：除起始tRNA外的其他tRNA。
原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸（fMet）， 真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸（Met）。
2) 同工tRNA： 几个携带相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。
S 为沉降系数。S 的
物理意义是单位离心 力作用下的沉降速度
图14-12 通过超速离心沉淀分离各个核糖体亚基和整个核糖体
真核生物核糖体的组成
• ribosomes(80S) • small subunit 40S 18S rRNA + 约30 proteins
• large subunit 60S 28S rRNA + 5.8S rRNA +5S + 约40 proteins
同工tRNA均专一于相同的氨酰-tRNA-合成酶。
3)
校正tRNA：其反密码子上发生某种突变，
以"代偿"或校正原有突变所产生的不良后 果，这样的tRNA称为校正tRNA。
如无义突变或错义突变的校正tRNA可通过改变 反密码子区校正基因突变。
• 在tRNA校正系统中，第一次突变是发生在mRNA上， 改变了某个密码子，使有义密码子变成了无义密码 子，合成的产物是截短的，一般是没有功能的。
在线粒体中，或在几个原核基因组和某些 真核生物的核基因组中，密码子也存在例 外情况。
线粒体遗传密码的特殊性
某些核基因组遗传密码的特殊性
3. 密码子与反密码子的相互作用： 在蛋白质合成过程中，tRNA的反密码子在核 糖体内是通过碱基的反向配对与mRNA上的密码 子相互作用的。
mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子反向配对
1. 遗传密码的简并性 简并性（degeneracy）：由一种以上密码 子编码同一个氨基酸的现象。 同义密码子（synonymous codon）：对 应于同一种氨基酸的密码子。 同义密码子一般都不是随机分布的，其 第一、第二核苷酸往往是相同的。
61种密码子中，除色氨酸、甲硫氨酸有一个密码子外， 其他氨基酸都有一个以上密码子。
第一节 mRNA与遗传密码
一、mRNA
mRNA分子上的核苷酸序列会全部被翻译吗？
mRNA分子上只有部分序列会被翻译成多肽链
可读框（open-reading frame，ORF）： 是mRNA分子上的蛋白质编码区，由连续的、不交 叉的密码子串联组成。可读框的5’端密码子为起 始密码子（start codon），3’端为终止密码子 （stop codon）。
二、氨酰-tRNA合成酶：
氨酰-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA 结合的特异性酶 其催化的总反应式：
AA + tRNA + ATP → AA-tRNA + AMP + PPi 总反应包括两步：
AA + ATP + 酶（E）→ E-AA-AMP + PPi E-AA-AMP + tRNA → AA-tRNA + E + AMP
小亚基上的codon of mRNA配对
--- TΨ C loop & DHU loop 位于“L”两臂的交界处， 利于“L”结构的稳定 ---“L”结构中碱基堆积力大 使其拓扑结构趋于稳定
wobble base
位于“L”结构末端 堆积力小 自由度大 使碱基配对摇摆
2. tRNA的功能：
tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为 每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体， 还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上 提供了运送载体。即在遗传信息从mRNA分子 向蛋白质分子传递的过程中，tRNA起到了遗 传信息的解码功能。
3’端的poly-A尾，这一结构可通过提高核糖 体的有效循环来加强翻译的水平。
真核mRNA的环化模型
二、遗传密码：
（一）遗传密码的定义
定义： mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上
的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为遗传密码，
也叫三联子密码。
遗传密码的阅读：
从起始密码子AUG开始，沿着mRNA 5’-3’的方
核糖体循环
2. 核糖体的功能：
核糖体包括至少5个活性中心，mRNA结合部 位、结合或接受AA-tRNA部位、结合或接受肽 基tRNA的部位、肽基转移部位、形成肽键的 部位。此外，还有负责肽链延伸的各种延伸因 子的结合部位等。
核糖体有3个tRNA结合位点：
真核生物mRNA
在某些mRNA中，起始密码子的第三个上 游碱基为嘌呤，第一个下游碱基为鸟嘌呤 （5’-G/ANNAUGG-3’），这一序列首先由 Marilyn Kozak发现，故命名Kozak序列。 该序列可以通过与起始tRNA相互作用而提 高翻译的效率。
真核生物mRNA
• 识别序列“ A/GNNAUGG -3嘌呤和+4G重要 • AUG周围的序列重要，有时发生错误启动， 但若序列短可以重新开始，mRNA5’端的二级 结构影响起始：紧连于AUG后的二级结构促 进翻译；帽子和AUG之间稳定的二级结构抑 制起始 • 无帽子的mRNA：如picornaviruses （微小RNA 病毒）中的 poliovirus（脊髓灰质炎病毒） 具 有内部核糖体进入序列(internal ribosome entry sequences, IRESs)，直接吸引核糖体结合到 AUG
• 而第二次发生的抑制突变或校正突变是改变tRNA上 的反密码子，这样它仍可识别突变密码子，插入了 一个氨基酸，使蛋白质的功能得到恢复。此抑制称 为依赖于原来突变特点的无义抑制（nonsense suppressor）或错义抑制（missense suppressor）。 • 翻译系统这种新的能力使完整的蛋白质得以合成。 如果抑制tRNA所携带的氨基酸和野生型蛋白氨基酸 不同的话，此蛋白质的活性可能会降低。
真核细胞的mRNA几乎都只有一个ORF，而 原核细胞的mRNA经常含有两个或多个ORF， 因此可编码多个多肽链。
原核与真核细胞mRNA的结构
原核细胞mRNA的ORF在起始密码子上游 具有核糖体结合位点，用以募集翻译机器。 核糖体结合位点（ribosome binding site，RBS）的核苷酸序列被称为SD序 列（Shine-Dalgarno sequence）。
多余臂
反密码臂
tRNA的三叶草型二级结构
tRNA的三级结构：
L型三级结构
这种L型结构使分子中两个不同的功能基团发 生最大限度分离。
酵母tRNAphe的三级结构示意图
19-33
---aa accept arm 位于“L”的一端，契合于核糖体的肽 基 转移酶结合位点 P A, 以利肽键的形成 ---anti-codon arm 位于”L”另一端，与结合在核糖体
The ribosome binding site is frequently called the ShineDalgarno sequence.
原核生物mRNA
真核细胞mRNA的5’和3’端均可促进翻译。 真核细胞mRNA通过5’端帽子结构募集核 糖体。一旦结合到mRNA上，核糖体会以 扫描的方式沿着5’-3’的方向运行直到遇 到起始密码子。
向连续阅读密码子，直至终止密码子为止。
（二）通用遗传密码表：
通用遗传密码及相应的氨基酸
64个密码子，其中61个是编码氨基酸的密码子。
AUG为起始密码子。
UAA、UGA、UAG是终止密码子。 UAA叫赭石（ochre）密码
UAG叫琥珀（amber）密码
UGA叫蛋白石（opal）密码
（三）遗传密码的性质：
为A或C时只能识别1种密码子 为G或U时可以识别2种密码子 为I时可识别3种密码子。 原核生物中大约有30-45种tRNA，真核生物中 可能存在50种tRNA。
5' anticodon base A C
3' codon base U G
G
U I
C or U
A or G A or C or U
第二节 tRNA
SD序列： 几乎所有原核mRNA中，离AUG顺序 5’侧约10个碱基处，有一段富含嘌呤的顺 序，5’-AGGAGGU-3’，在翻译起始时， 这个序列与30S亚基中的16S rRNA3’端的 富含嘧啶序列相互补。mRNA中的这段序 列称Shine-Dalgaron序列或SD序列。
●
More hairpin structue
同义密码子数与其编码氨基酸在蛋白质中出现 频率之间有何关系？
除了Arg(精氨酸)外，编码某一特定氨基酸的密码 子个数与该氨基酸在蛋白质中出现频率是相吻合的
2. 遗传密码的普遍性与特殊性： 遗传密码的普遍性： 遗传密码无论在体内还是在体外，无论是 对低等生物还是高等生物都是适用的。 遗传密码的特殊性：
Two-Dimensional Gel Electrophoresis (2-D Electrophoresis)
应用：同时分离特定的组织细 胞中的所有蛋白质 原理：不同的蛋白质等电点可 能不同，分子量可能也不同
真核细胞核 糖体组成
原核细胞核 糖体组成
核糖体的大、小亚基在翻译的每次循环过程中 都经历结合与分离。
• Molecular Biology (2nd Edition by R. Weaver)，2002，p528606
• Molecular Biology of the Cell (4th Edition by B. Alberts)， 2002，p336-364 • Molecular Biology of the Gene (5th Edition by J.D. Watson et al)，2004，p411-459; 中文版p416-482(主要参考书)
一、核糖体
核糖体是蛋白质合成的场所，是由几十种蛋白 质和几中rRNA组成的亚细胞颗粒。 一个细菌细胞内约有20,000个核糖体，而真核 细胞内可达106个。 核糖体颗粒可以游离存在，也可以与内质网结 合。正在进行蛋白质合成的核糖体直接或间接 与细胞骨架结构或内质网结构相连。
1. 核糖体的结构：
第六章 蛋白质的生物合成
本章内容安排
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 mRNA与遗传密码 tRNA 核糖体 蛋白质合成的生物学机制 蛋白质运转机制
重点掌握：
mRNA、遗传密码的特点；
核糖体的组成，活性部位；
tRNA的结构特点及作用；
氨酰-tRNA合成酶的作用；
蛋百度文库质合成过程。
参考教材
• 《分子生物学》第二版，阎隆飞和张玉麟主编，1997， p196-262 • 《现代分子生物学》，朱玉贤、李毅主编,（第二版），2002 年，p100-143
一、tRNA
1. tRNA的结构： tRNA的一级结构：
长度为74-95nt的单链分子。分子内稀有 碱基含量丰富。
tRNA分子中的一些修饰核苷
tRNA的二级结构：
三叶草形结构。
受体臂3’端的最后3个碱基序列永远是CCA，最 后一个碱基的3’或2’羟基（-OH)可以被氨酰化。
受体臂
D臂 TΨC臂
是否每一种密码子都对应一种反密码子呢？
摆动假说（wobble hypothesis）：
在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵 守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度， 可以“摆动”，因而使某些tRNA可以识别1个 以上的密码子。
反密码子的第一位碱基的性质决定一个tRNA究 竟能识别多少个密码子： 反密码子的第一位碱基：
核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，包括大、 小两个亚基。每个亚基包含一个主要的rRNA 成分和许多不同功能的蛋白质分子。
原核生物核糖体的组成
• ribosomes(70S) • small subunit 30S 16S rRNA + 21 proteins(S1-S21) • large subunit 50S 23S rRNA + 5S rRNA 34 proteins(L1-L34)