分子生物学 蛋白质的生物合成

密码的通用性进一步证明各种生物 进化自同一祖先。
已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、 植物细胞的叶绿体。
AUA AGA AGG UGA
通用密码 异亮 精 精 终止
线粒体密码 蛋、起始 终止 终止 色
5. 摆动性(wobble) 反密码子与密码子之间的配对有时并不
严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称 为摆动配对(wobble base pairing)。
一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码 子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并 性。
除色氨酸和甲硫氨酸仅有1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。为同一种氨基酸编码的各密码子称 为简并性密码子，也称同义密码子 。
各种氨基酸的密码子数目
4. 通用性(universal)
从简单的病毒到高等的人类，几乎 使用同一套遗传密码，因此，遗传密 码表中的这套“通用密码”基本上适 用于生物界的所有物种，具有通用性。
进位需要延长因子 EF-Tu与EF-Ts参与。
进位的反应过程：
Tu TGsTP
Tu GDP
Ts GTP
5'
AUG
3'
2.成肽
成肽是在转肽酶(peptidase)的催化下，核 蛋白体P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨 酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上 氨基酰-tRNA的α-氨基结合形成肽键的过程。
5 PPP
3
➢真核生物的单顺反子
5 mG - PPP
蛋白质
AAA … 3
蛋白质
非编码序列
核蛋白体结合位点
编码序列 起始密码子 终止密码子
遗传密码
➢密码子（codon） 在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核
苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这 种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。
➢起始密码子和终止密码子： 起始密码子(initiation codon)：AUG 终止密码子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA
核蛋白体 的组成
原核生物核蛋白体结构模式
三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质 生物合成的适配器
tRNA的作用:运载氨基酸
氨基酸由其特异的tRNA携带， 一种氨基酸可有几种对应的tRNA， 氨基酸结合在tRNA 3ˊ-CCA的位置， 结合需要ATP供能； ▪ 充当“适配器”：每种tRNA的反密码子决定了所携
（一）起始
指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白 体结合而形成翻译起始复合物的过程。
1. 核蛋白体大小亚基分离； 2. mRNA在小亚基定位结合； 3. 起始氨基酰-tRNA的结合； 4. 核蛋白体大亚基结合。
1.核蛋白体大小亚基分离
IF-1 IF-3
2.mRNA在小亚基定位结合
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
原核生物mRNA在核蛋白体小亚基上的准确定位 和结合涉及两种机制：
▪ Shine-Dalgarno序列（S-D序列） 核蛋白体结合位点(ribosomal binding site, RBS) 在起始AUG上游约8～13核苷酸部位， AGGAGG 和16S rRNA 3′序列互补 一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编 码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG。
二、真核生物起始氨基酰-tRNA是
真核生物
Met-tRNAiMet
➢起始氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet
tRNAiMet 与 甲 硫 氨 酸 结 合 后 形 成 Met-tRNAiMet ， 可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻
译起始复合物。起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。
码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间 既无间隔也无交叉。
5’…….A U G G C A G U A C A U …… U A A 3’
Met Ala Val His
终止密码
基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生 插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。
缬
丙
酪
甘
过程。 由核酸四种碱基组成的语言翻译成蛋白质
由20种氨基酸组成的语言
反应过程 （1）氨基酸的活化 （2）肽链的生物合成 （3）肽链形成后的加工和靶向输送
生物学意义
（1）维持多种生命活动 （2）适应环境的变化 （3）参与组织的更新和修复
第一节 蛋白质生物合成体系
Protein Biosynthesis System
1. 进位(positioning)/注册(registration)
2. 成肽(peptide bond formation)
3. 转位(translocation)
➢ 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。
1. 进位 又称注册
(registration)， 是指一个氨基酰-tRNA按照 mRNA模板的指令进入并结合 到核蛋白体A位的过程。
➢ 蛋白质生物合成体系
1.基本原料：20种编码氨基酸 2.模板：mRNA 3.适配器：tRNA 4.装配机：核蛋白体 5.主要酶：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、转位酶
蛋白质因子：起始因子、延长因子、释放因子等 6.能源物质：ATP、GTP 7.无机离子：Mg2+、 K+
一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板
➢参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet
tRNAMet和甲硫氨酸结合后生成Met-tRNAMet，必 要时进入核蛋白体，为延长中的肽链添加甲硫氨酸。
原核生物
➢起始氨基酰-tRNA: fMet-tRNAfMet
具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸 很 快 被 甲 酰 化 为 N- 甲 酰 甲 硫 氨 酸 (N-formyl methionine,
▪ 肽链的生物合成过程 从 mRNA 的 起 始 密 码 子 AUG 开 始 ， 按
5ˊ→3ˊ方向逐一读码，直至终止密码子。 合成的肽链从起始甲硫氨酸开始，从N-端
→C-端延长，直至终止密码子前一位密码子 所编码的氨基酸。
一、原核生物的肽链合成过程
整个过程可分为 ：
▪ 起始(initiation) ▪ 延长(elongation) ▪ 终止(termination )
成肽→转位→下一轮进位
fMet fMet
Tu GTP
5'
AUG
3'
肽链合成延长(核蛋白体循环)过程
进 位
成肽
转 位
（三）终止
指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后， 多肽链合成停止，
IF-2 GGDTPPPi
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
起始复合物形成过程
IF-2G-GGDTTPPPi
5'
AUG
3'
IF-3
IF-1
▪ AUG:起始密码：有SD序列 延伸密码：无SD序列
（二）延长
▪ 指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次 进入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。
➢ 肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又 称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)，包 括以下三步：
fMet)， fMet-tRNAfMet，
在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复 合物。
起始密码子只能辨认fMet-tRNAfMet。
fMet-tRNAfMet的生成
转甲酰基酶催化， 甲酰基由N10-甲酰四氢叶酸提供
第三节 肽链的生物合成过程
The Biosynthesis Process of Peptide Chain
mRNA的基本结构
Start of genetic message Cap
5
5’-端非翻译区 开放阅读框架
End
Tail
3
3’-端非翻译区
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，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。
➢原核生物的多顺反子
带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。
tRNA的构象
氨基酸臂
二级结构
反密码环
三级结构
四、蛋白质生物合成需要酶类、 蛋白质因子等
（一）重要的酶类
➢ 氨 基 酰 -tRNA 合 成 酶 (aminoacyl tRNA synthetase) ，
催化氨基酸的活化；
➢ 转肽酶(peptidase)，催化核蛋白体P位上的肽酰基转移至A位
tRNA反密码子 第1位碱基
mRNA密码子 第3位碱基
I
U
G AC
U, C, A A, G U, C U G
摆 动 配 对
32 1
U
123
二、核蛋白体是蛋白质生物合成的场所
核蛋白体的组成
核 蛋 白 体 又 称 核 糖 体 ， 是 由 rRNA 和 多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋 白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。
tRNA
ATP
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酰-tRNA的表示方法
各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的 氨基酰-tRNA表示为：
氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写 例如：
丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla 精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg 甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet
缬
丙
丝
精
缬
脯
苏
天冬
mRNA编辑（mRNA editing）
▪ 许多真核生物基因转录后有一个对mRNA外显子 加工的过程
▪ 通过特定碱基的插入、缺失或置换，使mRNA序 列中出现移码突变、错义突变或无义突变，导致 mRNA与其DNA模板序列不匹配
▪ 同一前体mRNA翻译出序列、功能不同的蛋白质
3. 简并性(degenerate)
成肽的反应过程
3. 转位
转位是在转位酶的催化下， 核蛋白体向 mRNA的3´-端移动一个密码子的距离，使 mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的 A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程。
转位需要延长因子EF-G参与。
转位
EF-G有转位酶（translocase）活性，可结 合并水解1分子GTP，释放的能量促进核蛋白 体向mRNA的3′侧移动，使起始二肽酰-tRNAmRNA相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的 tRNA则移入E位。
氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键; 并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，
使P位上的肽链与tRNA分离；
➢ 转位酶(translocase)，催化核蛋白体向mRNA3’-端移动
一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。
（二）蛋白质因子
➢ 起始因子（initiation factor，IF） ➢ 延长因子（elongation factor，EF） ➢ 释放因子（release factor，RF）
▪ SD序列后到AUG起始密码间的序列
mRNA序列上紧接S-D序列后的小核苷酸 序 列 （ 可 被 核 蛋 白 体 小 亚 基 蛋 白 rpS-1 识 别并结合。
3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet )结合到小亚基
IF-2 GTP
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成
（三）能源物质及离子
➢ 蛋白质生物合成的能源物质为ATP和GTP; ➢ 参与蛋白质生物合成的无机离子有Mg2+、
K+ 等。
第二节 氨基酸的活化
Activation of Amino Acids
▪ 氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰tRNA的过程称为氨基酸的活化。
▪ 参与氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合 成酶。
分子生物学 MOLECULAR BIOLOGY
刘兴汉
哈尔滨医科大学生物化学与分子生物学教研室
蛋白质的生物合成 （翻译）
Protein Biosynthesis (Translation)
➢ 蛋白质生物合成的概念
定义 蛋白质生物合成(protein biosynthesis) 翻译(translation) 是生物细胞以mRNA为模板，合成蛋白质的
遗 传 密 码 表
遗传密码的特点
1. 方向性(directional) 翻译时遗传密码的阅读方向是5’→3’，
即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按5’→3’ 的方向逐一阅读，直至终止密码子。
读码方向
5′
3′
N
C
肽链ห้องสมุดไป่ตู้伸方向
2. 连续性(non-punctuated) 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密
一、 氨基酸活化形成氨基酰-tRNA
反应过程
氨基酸 + tRNA
氨基酰-tRNA合成酶 氨基酰- tRNA
ATP
AMP＋PPi
➢ 第一步反应
氨基酸 ＋ATP-E
氨基酰-AMP-E ＋ PPi
➢ 第二步反应
氨基酰-AMP-E ＋ tRNA
氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E
➢ 特性
氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和 tRNA都有高度特异性。