大连理工大学生物化学课件--蛋白质合成与转运

• 能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA 是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。 • 原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰甲硫 氨酸的tRNA，即tRNAifmet； • 真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的 tRNA，即tRNAimet。 • 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携 带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸 密码，AUG。
密码子的专一性主要由第1，2位碱基 决定，第3位碱基可在一定范围内摆动 而不影响氨基酸种类。 无变偶性的密码子AUG，UGG。之外 的其余密码子第3位碱基可在同类嘌呤 或嘧啶中摆动，如Tyr码UAU，UAC 某些氨基酸码第3位碱基可在任意4种 碱基中摆动，如Tyr码ACU，ACC， ACA，ACG。 tRNA反密码子与mRNA的第1位第2位 碱基严格配对（AU，CG），但密码 子第3位碱基与反密码子第一位碱基有 变偶配对现象。
• 该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨酰
tRNA的合成有关。
• 每种氨酰tRNA合成酶，对相应氨基酸以及携带氨基
酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能
够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。 • 该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上 存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。
蛋白质的合成与转运
中心法则
蛋白质合成概述
细胞：成千上万个蛋白维持功能
蛋白质生物合成：最复杂，参与300多种大分子、使 用细胞90%能量；蛋白质占细胞重量的35%
细菌： 2万个核糖体（蛋白质合成场所）
10万个酶因子
20万个tRNA 合成速度：20个aa/s 目前研究热点：细胞中的准确定位 蛋白质选择性降解机制……
二、蛋白质生物合成过程
• • • • 蛋白质生物合成过程包括三大步骤： ①氨基酸的活化与搬运； ②活化氨基酸在核蛋白体上的缩合； ③多肽链合成后的加工修饰。
核糖体主要存在于粗面ER
核糖体存在的场所 （1）粗面内质网（主要） 一个细菌细胞内约有20000个核糖体 • （2）细胞溶液 • 真核细胞内可达106个 （3）线粒体和叶绿体 • 在未成熟的蟾蜍卵细胞内则高达1012个
tRNA转运氨基酸至mRNA模板
氨酰- tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA + ATP
无机磷酸酶
氨酰- tRNA + AMP + 2Pi
N-甲酰甲硫氨酰-tRNAifMet的形成 Met + tRNAifMet + ATP Met-tRNAifMet + AMP + PPi
+H N-CH-COO-tRNA 2
原核生物有3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG）， 真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使 氨酰-tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。
6、释放因子（RF） • 原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。 其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的 释放。
7、氨酰tRNA合成酶
4~9个嘌呤碱基 8~13个碱基对
mRNA是蛋白质合成的模板
• • • • •
辨认起始密码子是翻译（蛋白质合成）起始的必须步骤：确定阅读框架！ 按照不重叠的三联密码子翻译产生对应的氨基酸并形成肽键 当到达终止密码时，合成结束，肽键释放 通常终止密码不止一个，而是连续出现2-3个终止密码 对于某些病毒，如果中间有起始密码，则一条mRNA可产生2条或多条肽链
（二）肽链延长阶段：
1．进位：与mRNA下一个密码相对应 的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位（A 位），需GTP，Mg2+，和EF参与。 2．成肽：在转肽酶的催化下，将给位 上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽 酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上， 与 其 α- 氨 基 缩 合 形 成 肽 键 。 此 步 骤 需 Mg2+，K+。给位上已失去蛋氨酰基或肽 酰基的tRNA从核蛋白上脱落。
一 条
m
R N A 上 有 多 个 有 多 个 核 糖 体
4、起动因子（IF）
• 这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核
生物中存在3种起动因子，分别称为IF1~3。在真核
生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促 进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。
5、延长因子（EF）
翻译时须从起始密码AUG开始确定阅读框架、移码 突变是最严重的突变
• 原核生物的mRNA可包含几个基因信息-多顺反子 • 真核生物的mRNA只有一个基因信息-单顺反子
• 绝大多数基因不重叠，但少数病毒基因有重叠现象
噬菌体φX174：5386bp/10种pr λ噬菌体：
密码的简并性和通用性
密码的简并性和变偶性
m
遗传密码的基本特性
① 连续性：密码为不重叠、无标点的三联体密码 ② 简并性：一种氨基酸有两个或多个密码子的现象。 对应同一种氨基酸的不同密码子叫同义密码子。减少 了氨基酸突变的几率，在物种的稳定上起一定作用。 简并性常表现在密码子的第三位碱基上。 ③ 通用性：（但在线粒体或叶绿体中特殊） ④ 方向性：阅读方向为5′→ 3′； ⑤ 变偶性（摆动性）：密码子中第三位碱基可有一定 的变动。 ⑥ 起始密码：AUG（Met）； 终止密码：UAA、UAG、UGA。
密码的变偶性（摆动性）
遗 传 密 码 的 摆 动 配 对
密码的通用性和变异性
• 绝大多数生物共同使用同一套遗传密码（遗传密码的保守性）， 这意味着生物有一个共同的祖先 • 但是在线粒体中发现了少数与通用密码不一致的密码子 • 其他少数生物中也存在非通用密码
密码的防错系统
起始密码的选择
16S rRNA与SD序列的配对
CHO-HN-CH-COO-tRNA
CH2 CH2 S COO-
转甲酰酶
wenku.baidu.com
CH2 CH2 S
N10-CHO-FH4
FH4
COO-
Met-tRNAifMet
fMet-tRNAifMet
3、rRNA和核蛋白体
• 原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚 基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质 构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质 构成。
• 真核生物中的mRNA具有帽 子结构，已知需一种特殊的 帽子结合蛋白（CBP）以识别 此结构。
16S rRNA与SD序列的配对
4~9个嘌呤碱基 8~13个碱基对
形 成 起 始 复 合 体
2、70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上 脱落；50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合 体。 3、70S起动复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从 复合物上脱落。此时tRNAfmet的反密码UAC与mRNA 上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白 的给位（P位）。
1、氨基酸的活化与搬运
• 氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均 由氨基酰tRNA合成酶催化完成。
• 在此反应中，特异的tRNA 3’端CCA上的2’或3’位 自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成 氨酰-tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋 白体上参与多肽链的合成。 • 氨酰-tRNA的合成，可使氨基酸 ： ①活化； ②搬 运； ③定位。
Met – tRNA
启 动 蛋 白 质 合 成
2、活化氨基酸的缩合——核蛋白体循环
• 活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进 行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的 密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋 白体循环。
• 核蛋白体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶 段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以 原核生物中的过程加以介绍。
8、供能物质和无机离子
• 多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需 Mg2+、K+参与。
• 氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成 时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸 残基需消耗4分子高能磷酸键。
氨酰- tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA + ATP
无机磷酸酶
氨酰- tRNA + AMP + 2Pi
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：受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA 结合； • P位：给位或肽酰基位，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。 • 在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合 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。 • 由若干核蛋白体结合在一 条mRNA上同时进行多肽 链的翻译，所形成的念球 状结构称为多核蛋白体。
1、mRNA(messenger RNA)：蛋白质生物合成过程中
直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。 原核生物和真核生物mRNA的比较
• mRNA分子中每三个相邻碱基组成一个密码子，密 R 码子分为起始码、氨基酸码和终止码3类。 N • mRNA上的四种碱基可组成64个密码子，其中61个 A 代表不同的氨基酸，其余三个代表终止信号。 是 蛋 白 质 合 成 的 模 板
多多核糖体与核糖体循环
核糖体循环
多核糖体 5ˊ 3ˊmRNA
延伸中的肽链
合成完毕 的肽链
一 条
m
R N A 上 有 多 个 有 多 个 核 糖 体
（一）起动阶段：
1、30S起动复合物的形成：起动因子促进下，30S小 亚基与mRNA、起动tRNA（fmet-tRNAfmet）和 GTP结合，形成复合体。 • 原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷 酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点， RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。
2、tRNA
• 在氨酰-tRNA合成酶催化下，特定的tRNA与相应的 氨基酸结合，生成氨酰-tRNA，从而携带氨基酸参 与蛋白质的生物合成。
氨酰- tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA + ATP
无机磷酸酶
氨酰- tRNA + AMP + 2Pi
氨 基 酸 的 活 化
•tRNA反 密 码 环 中 部 的 三 个核 苷酸构成三联体，识别mRNA 上相应的密码，此三联体称为 反密码(anticoden)。 •反密码对密码的识别，也是根 据碱基互补原则，即A-U，G-C。 但反密码的第一个核苷酸与密 码的第三个核苷酸之间的配对， 并不严格遵循碱基互补原则。 如反密码的第一个核苷酸为Ⅰ， 则可与密码的A、U或C配对， 如为U，则可与A或G配对，— —不稳定配对。
一、参与蛋白质生物合成的物质
• 生物体内的各种蛋白质都是利用生物体内的氨基酸 为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因 素构成了蛋白质合成体系，该体系包括： ① mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链 中氨基酸的排列顺序； ② tRNA：搬运氨基酸的工具； ③ 核蛋白体：蛋白体生物合成的场所； ④ 酶及其他蛋白质因子；氨酰-tRNA合成酶； ⑤ 供能物质及无机离子。ATP和GTP， Mg2+、K+ ；
蛋白质的生物合成
• 蛋白质的生物合成过 程，就 是将 DNA传递
给 mRNA 的 遗 传 信 息 ，
解译为蛋白质中氨基 酸排列顺序的过程， 这一过程被称为翻译 (translation)。
蛋白质的生物合成
★参与蛋白质合成的RNA 分子体系 mRNA：蛋白质合成的直接模板 √ 遗传密码存在于mRNA分子上，每3个碱基决定1个氨基酸 √ 起始密码：AUG √ 氨基酸码：61种 √ 终止密码：UAA、UAG、UGA tRNA : 专一运送氨基酸至mRNA 并于密码子配对 rRNA: 与蛋白质构成核糖核蛋白体，是蛋白质合成的场所，核糖体由大亚 基和小亚基构成 ★蛋白质合成的过程 氨基酸的活化：氨基酸与tRNA合成氨基酰-tRNA 1、起始阶段：mRNA 、Met-tRNA 、核糖体构成起始复合体 2、肽链的延伸：进位、转肽、移位循环、肽链延长 3、终止阶段：延伸至终止密码，肽链释放，核糖体大小亚基与m RNA解离
• 真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚 基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白 质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和50多 种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8 S rRNA。
r R N A 与 蛋 白 质 构 成 核 糖 体
r R N A 与 蛋 白 质 构 成 核 糖 体