蛋白质合成

第十四单元蛋白质的生物合成

一、遗传密码

DNA编码链或mRNA上的核苷酸，以3个为一组（三联体）决定1个氨基酸的种类，称为三联体密码。mRNA的三联体密码是连续排列的，因此，mRNA的核苷酸序列可以决定蛋白质的一级结构。

（一）遗传密码的破译

1953年Dounce假设DNA通过RNA将信息传给蛋白质，RNA上每三个核苷酸形成一个“空洞”，正好将一个氨基酸装进去。该假说允许三联体的重叠。

1954年物理学家Gamow与Teller等人合作，提出三联体不可重复。

1957年Crick也提出了三联体的假说，提出要解决“天书”的“词法”和“句法”，必须要有一本标准词典，认为64种组合中的44种是“简并密码”。

1961年Nirenberg, Matthaei & Ochoa开始用生物化学手段破译密码，得到20种氨基酸的密码子的核苷酸序列。

1964年Khorana合成了U和G交替的多聚核苷酸，合成的肽为VCVCVC，后来合成了UUGUUUGUUG…产生了poly(L), poly(C)和poly(V)，由此确定了一些密码子的核苷酸序列。

1964年Nirenberg用合成的三联体与tNRA进行密码子－反密码子的碱基配对，并与核糖体结合，使密码破译的速度大大加快。

1966年遗传密码的破译工作基本结束，Crick绘制了密码表，提出了摆动学说（wobble concept)，及时收回了“同义词”不存在的假设。

（二）遗传密码的特点

（1）遗传密码为三联体：模板从mRNA5′端的起始密码子开始，到3′端的终止密码称为开放读码框架。在框架内每3个碱基组成1个密码子，决定1个氨基酸。

（2）遗传密码的种类：遗传密码共64个，其中61个密码子分别代表各种氨基酸。3个为肽链合成的终止信号。位于5′端的AUG，除了代表甲硫蛋氨酸外，还是肽链合成的起始信号。

（3）遗传密码的连续性：对mRNA分子上密码子的阅读方法叫读码。正确读码是每3个相邻碱基一组，不间断地连续读下去，直到出现终止密码为止。mRNA上碱基的

插入和缺失，可导致框移突变。

（4）遗传密码的简并性：有61个密码子代表20种氨基酸，每个密码子只代表一种氨基酸，而多数氨基酸都有2～4个密码子，这种由几个密码子编码同一氨基酸的现象称为简并性。从密码表上可看出密码子的第3位碱基通常是简并的。

（5）遗传密码的摆动性：指密码子与反密码子配对不遵从碱基配对规律，此不严格的配对关系称为摆动性。如丙氨酰- tRNA反密码子的第1位碱基I可以与密码子第3位的A、C或U配对。遗传密码的摆动性使一种tRNA可以识别几种代表同一种氨基酸的密码子。

（6）遗传密码的通用性：从细菌到人的遗传密码都市通用的，但近年发现哺乳类动物线粒体的蛋白质合成体系中有个别例外。如UAG不代表终止密码子，而代表色氨酸；CUA不代表亮氨酸，而代表苏氨酸。

（7）遗传密码的防错系统：由于遗传密码的简并性，有4个密码的氨基酸，其第三位的碱基被替换，仍编码同一种氨基酸，从遗传密码表可以看出，只要遗传密码的第二位是U，则第一位和第三位不论怎么变化，其编码的氨基酸总是疏水性的，如第二位是C，则其编码的氨基酸是非极性的或极性不带电荷的，若第二位为A或G，则编码的氨基酸R基是亲水性的，第一位是A或C，第二位是A或G，则编码的氨基酸R基是碱性的，若前两位是AG则编码的氨基酸R基是酸性的。这些规律使某些核苷酸的替换可以不引起肽链中氨基酸的变化，或被替换的氨基酸理化性质相似。这便是密码的防错系统。

二、tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上

1.1957年Hoagland, M.B.发现一类稳定的RNA小分子，不与核糖体结合，因而不同于mRNA和rRNA。

2.Crick, F.比较了核酸和氨基酸的大小和形状后，认为不可能在空间上互补，因此预测：(1) 存在一类分子转换器，使信息从核酸序列转换成氨基酸序列；(2) 这种分子很可能是核酸；(3) 它不论以何种方式进入蛋白质翻译系统的模板，都必须与模板形成氢键（即配对）；(4) 有20种分子转换器，每种氨基酸一个；(5) 每种氨基酸必定还有一个对应的酶，催化与特定的分子转换器结合。

3.1963年，Ehrenstein等人用实验证明了Hoagland发现的分子就是Crick预言的分子转换器，即tRNA。

4.1965年Holley 经过7年的努力测出酵母Ala-tRNA 序列。

三、核糖体是蛋白质合成的工厂

1.早在本世纪30年代后期就发现细胞质和细胞核中都有核酸存在，不过用1924年福尔根发明的染色法只能使细胞核中的核酸染色。但两种核酸在260nm 的吸收非常相似。

2.1941年，细胞学家J.Brachet 和T.Caspersor 注意到细胞质中的核酸与蛋白质的合成有密切的关系。

3.50年代有人用电子显微镜和物理化学手段发现大肠杆菌细胞质的RNA 常常存在于蛋白质合成相关的颗粒中（Ф20nm,用35S 进行脉冲式标记的实验证明该颗粒是蛋白质合成的所在地），简称核糖体。

4.核糖体得到分离后，发现含有RNA ，即称rRNA 。Watson 等发现rRNA 的G ≠C ，A ≠U ，断定是一单链分子。

核糖体有三个重要的作用为点

⑴A 位点（或称 acceptor site ）可以进入氨基酰-tRNA(aminoacyl-tRNA)。

⑵ P 位点(或称供位，donor site) 是被肽基酰-tRNA(peptidyl-tRNA)所占据。

[3]E 位点(Exit site) 脱酰tRNA(deacylated-tRNA)短暂地占据。

四、原核生物蛋白质合成的步骤

(一) 氨酰-tRNA 合成酶使氨基酸结合到特定的tRNA 上

aa + ATP + E →氨基酰-AMP-E + PPi ，

氨基酰-AMP-E + tRNA → aa - tRNA+AMP +E

总反应为：氨基酸＋tRNA ＋ATP = 氨酰-tRNA ＋AMP ＋PPi

此酶专一性很高，只作用于L-氨基酸，每种氨基酸有一个专一的酶。酶有校对机制，一方面对转运RNA 有专一性，另一方面还有水解位点，可水解错误酰化的氨基酸。

(二) 肽链合成的起始

起始信号：起始密码子是AUG ，其上游约10个核苷酸处有一段富含嘌呤的SD 序列，可与16S rRNA 的3′端互补，与起始有关。

甲硫氨酸的单一的密码子有两种tRNA 去识别，即Met f

tRNA 和tRNA Met ，它们有相同的反密码子5′-CAU-3′，但有不同的专一性，当甲硫氨酸与Met f tRNA 反应生成Met-Met f

tRNA