第四章 蛋白质

3’ 5’
CCAOH
5’
CCG
I
3’
GGC
tRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识 别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。
如何证明模板mRNA特异性识别 tRNA而非氨基酸?
14C-Cys + tRNACys + ATP → 14C –Cys-tRNACys + AMP + PPi
Ni
以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板， 在含核糖体、AA-tRNA的反应液中保温后通过硝酸纤维 素滤膜，只有游离的AA-tRNA因相对分子质量小而通过 滤膜，而核糖体或与核糖体结合的AA-tRNA则留在滤膜 上，这样可把已结合与未结合的AA-tRNA分开。
氨基酸
氨基酸是蛋白质合成的原料，常见的有20种氨 基酸，称α-氨基酸；
一、遗传密码——三联子
（一）三联子密码定义 mRNA链上每三个核甘酸翻译成蛋白质多肽链上
的一个氨基酸，这三个核甘酸就称为密码子或三联 子密码(triplet coden) 。
mRNA 5’ GCU AGU ACA AAA CCU 3’
（二）三联子密码破译
核甘酸序列
氨基酸序列
mRNA 5′ AUCGACCUGAGC
遗传密码的破译
50-60年代破译遗传密码方面的三项重要成果： （1）Paul Zamecnik等人证实细胞中蛋白质合成的场所。 他们把放射性标记的氨基酸注射到大鼠体内，经过一段时间后 取其肝脏，进行蔗糖梯度沉淀并分析各种细胞成份中的放射性 蛋白质。 如果注射后经数小时（或数天）收获肝脏，所有细胞成份中 都带有放射性标记的蛋白质; 如果注射后几分钟内即收获肝脏，那么，放射性标记只存在 于含有核糖体颗粒的细胞质成份中。
实验6:
以随机共聚物指导多肽合成。Nirenberg及Ochoa等又用各种 随机的多聚物作模板合成多肽。例如，以只含A、C的多聚核苷酸 作模板，任意排列时可出现8种三联子，即CCC、CCA、CAC、ACC、 CAA、ACA、AAC、AAA，获得由天冬酰胺(Asn)、(组氨酸)His、脯 氨酸(Pro)、谷胺酰胺(Gln)、苏氨酸(Thr)、赖氨酸(Lys)等6种 氨基酸组成的多肽。
14C- Cys-tRNACys → 14C – Ala-tRNACys
蛋白质合成系统
（三） tRNA的种类
1、起始tRNA和延伸tRNA
能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA 称起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。
真核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸是Met， 起始AA-tRNA为Met-tRNAMet。 原核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸并不是 甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸，起始AA-tRNA为 fMet-tRNAfMet
以共聚三核苷酸作为模板可得到有3种氨基酸组成的多肽。如以多聚（UUC） 为模板，可能有3种起读方式： 5’…UUC UUC UUC UUC UUC…3’或 5’…UCU UCU UCU UCU UCU…3’ 或 5‘…CUU CUU CUU CUU CUU…3’分别产生UUC（Phe）、UCU（Ser） 或CUU（Leu）。
其余手臂均由碱基配对产生的杆状 结构和无法配对的套索状结构所组 成， • TψC臂是根据3个核苷酸命名的，
其中ψ表示拟尿嘧啶，是tRNA分 子所拥有的不常见核苷酸。 • 反密码子臂是根据位于套索中央 的三联反密码子命名的。 • D臂是根据它含有二氢尿嘧啶 (dihydrouracil)命名的。
与氨基酸结合
摆动配对
U
mRNA 5' AUU
AUC AUA
3'
UAI UAI UAI
tRNA
5'
5'
5'
3'
Ile
3'
Ile
3'
Ile
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
Contents
● 遗传密码——三联子 ● tRNA的结构、功能与种类 ● 核糖体的结构与功能 ● 蛋白质合成的过程 ● 蛋白质的运转机制
二、tRNA的结构、功能与种类
tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，
• 为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体， • 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，
它又被称为第二遗传密码。
• tRNA参与多种反应，并与多种蛋白质和核酸相互识别，这就决定 了它们在结构上存在大量的共性。
（一） tRNA的结构 1、二级结构：三叶草形
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 (open reading frame, ORF)。
（三）遗传密码的性质
4、摆动性
转运氨基酸的tRNA上的反密码子需要通过碱基 互补与mRNA上的遗传密码子反向配对结合，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”，这 种现象称为密码子的摆动性。
第四章 蛋白质
翻译：指将mRNA链上的核甘酸从一个特定的起始位
点开始，按每三个核甘酸代表一个氨基酸的原则，
依次合成一条多肽链的过程。
(1)翻译的起始
核糖体与mRNA结合并与氨酰—tRNA生成起始复合物；
(2)肽链的延伸
由于核糖体沿mRNA 5'端向3'端移动，开始了从N端向 C端的多肽合成，这是蛋白质合成过程中速度最快的阶 段；
由于小片段碱基互补配对，三叶草 形tRNA分子上有4条根据它们的结 构或已知功能命名的手臂：
受体臂(acceptor arm)， • 主要由链两端序列碱基配对形成
的杆状结构和3'端未配对的3~4个 碱基所组成，其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'自由羟基(一OH)可以被 氨酰化。
结构通式：
H NH3+ C COO -
R
氨基酸是兼性离子，不同种氨基酸，R基的不同， 带电情况不一样，各性质也有所差异。
氨基酸
20种氨基酸主要特征分析
遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。
●至1966年，20种氨基酸对应的61个密码子和三 个终止密码子全部被查清。
（三）遗传密码的性质
3′
4
20 (×)
mRNA 5′ AUCGACCUGAGC
3′
42=16
20 (×)
mRNA 5′ AUCGACCUGAGC
3′
43=64
20 (√)
三联子密码
为什么3个核苷酸决定一个氨基酸呢？
mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸， 若以一种核苷酸代表一种氨基酸，只能代表4种(4^1=4)。 若以两种核苷酸作为一个密码（二联子），能代表 4^2=16种氨基酸。而假定以3个核苷酸代表一个氨基酸， 则可以有4^3=64种密码，满足了编码20种氨基酸的需 要。
（3）氨基酸的“活化”与核糖体结合技术。
如果把氨基酸与ATP和肝脏细胞质共培养，氨基酸就会 被固定在某些热稳定且可溶性RNA分子（transfer RNA， tRNA）上。现将氨基酸活化后的产物称为氨基酰-tRNA （aminoacyl-tRNA），并把催化该过程的酶称为氨基酰 - tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA Synthetase）。
蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化合物的参 与
• 在真核生物中有将近300种生物大分子与蛋白质的生物合成有关， 细胞用来进行合成代谢的总能量的90％消耗在蛋白质合成过程中， 而参与蛋白质合成的各种组分约占细胞干重的35％。
Contents
● 遗传密码——三联子 ● tRNA的结构、功能与种类 ● 核糖体的结构与功能 ● 蛋白质合成的过程 ● 蛋白质的运转机制 ● 蛋白质的降解
密码 子 UGA CUA AGA
线粒体DNA编 核DNA编码的
码的氨基酸
氨基酸
色氨酸
终止子
苏氨酸
亮氨酸
丝氨酸
精氨酸
哺乳类 AGA/G 终止子
精氨酸
哺乳类 AUA 甲硫氨酸 异亮氨酸
（三）遗传密码的性质
3、 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，密码间既无间断也无重叠。
• 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(frameshift mutation)。
2: 9种; 4: 5种;
编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质 中出现的频率就越高。Arg例外
（三）遗传密码的性质
2、通用性与特殊性
蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到 人类都通用。
已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植 物细胞的叶绿体。
线粒体与核DNA密码子使用情况的比较
生物
所有 酵母 果蝇
1961年，Nirenberg等以poly（U）作模板时发现合成了多聚苯 丙氨酸，从而推出UUU代表苯丙氨酸（Phe）。以poly（C）及 poly（A）做模板分别得到多聚脯氨酸(Pro)和多聚赖氨酸(Lys)。
实验4:
以特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成。以多聚 二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽， 5‘…UGU GUG UGU GUG UGU GUG…3’,不管读码从 U开始还是从G开始，都只能有UGU（半胱氨酸,Cys）及 GUG（缬氨酸,Val）两种密码子。
多余臂是区分tRNA 的主要特征
所有的tRNA都能与核糖体的P位点和A位点结合。 通过反密码子：密码子的配对与 mRNA结合，而3’端恰好 将氨基酸送到正在延伸的多肽上。
二、tRNA的结构、功能与种类
（一） tRNA的结构
2、三级结构： “L”形 氢键
三叶草二级结构具有四个臂
L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直
密码子的实验证明
实验2:
研究烟草坏死卫星病毒发现，其外壳蛋白亚 基由400个氨基酸组成，相应的RNA片段长 1200个核苷酸，与密码三联子体系正好相吻合。
实验3:
以均聚物为模板指导多肽的合成。 在含有tRNA、核糖体、AAtRNA合成酶及其它蛋白质因子的细胞抽提物中加入mRNA或人工 合成的均聚物作为模板以及ATP、GTP、氨基酸等成分时又能合成 新的肽链，新生肽链的氨基酸顺序由外加的模板来决定。
（2）Francis Crick等人第一次证实只有用三联子密码的形式才能 把包含在由AUGC四个字母组成遗传信息（核酸）准确无误地翻 译成由20种不同氨基酸组成的蛋白质序列，实现遗传信息的表达。
实验1: 用吖啶类试剂（诱导核苷酸插入或丢失）处理T4噬菌体rII位点
上的两个基因，使之发生移码突变（frame-shift），就生成完全 不同的、没有功能的蛋白质。
实验5:
多聚三核苷酸为模板时也可能只合成2种多肽：5’…GUA GUA GUA GUA GUA…3’ 或 5’…UAG UAG UAG UAG UAG…3’ 或5’…AGU AGU AGU AGU AGU…3’由第二种读码方式产生的密码子UAG 是终止密码，不编码任何氨基酸，因此，只产生GUA（缬氨酸,Val）或AGU （丝氨酸,Ser）。
(3)肽链的终止及释放
核糖体从mRNA上解离，准备新一轮合成反应。
蛋白质合成的场所是 核糖体 蛋白质合成的模板是 mRNA 模板与氨基酸之间的接合体是 tRNA 蛋白质合成的原料是 20种氨基酸
在合成的各个阶段还有许多蛋白质、 酶和其他生物大分子参与
在真核生物细胞中有
• 70种以上的核糖体蛋白质， • 20种以上的氨酰—tRNA合成酶(AA—tRNA合成酶) • 10多种起始因子、延伸因子及终止因子， • 50种左右的tRNA，各种rRNA、mRNA • 100种以上翻译后加工酶参与蛋白质合成和加工过程。
3’
5’
氨基酸茎
D环
TψC 环
可变环
TψC 环 D环
氨基酸茎 3’
5’
可变环
反密码子环
反密码子环
图 14-15 tRNA 由三叶草型折叠成 L 型三维结构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（二） tRNA的功能
1、解读mRNA的遗传信息 2、运输的工具，运载氨基酸
tRNA有两个关键部位： ● 3’端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。 ●与mRNA结合部位—反密码子部位
1、简并性
由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象 称为简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的 密码子称为同义密码子（synonymous codon）。
终止密码子:UAA, UGA, UAG
减少了变异对生物的影响
1:甲硫氨酸(ATG), 色氨酸(UGG) 3:异亮氨酸; 6:精氨酸, 亮氨酸, 丝氨酸