蛋白质生物合成【生物化学课件】

mRNA与核糖体的结合
原核生物核糖体的小亚基的rRNA（16S） 的3′末端有一富含嘧啶的区段，可与mRNA 分子的起始部位的一段富含嘌呤的区段互 补结合，使mRNA结合至核糖体上。mRNA分 子中的这段富含嘌呤的区段称为S-D序列 （Shine-Dalgarno sequence）(通常为 GGAGGU)。S-D序列位于mRNA的5′端紧接起 始信号的上游。
tRNA是氨基酸与遗传密码间的适配器
2.氨酰-tRNA 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 • 起始者甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAiMet • 延长甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAeMet
第
二
位
碱
基
GUU 缬氨酸 GUC 缬氨酸 G GUA 缬氨酸 背景环境分析GUG 缬氨酸
GAU天冬氨酸 GAC天冬氨酸 GAA谷氨酸 GAG 谷氨酸
GGU GGC GGA GGG
甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸
U C A G
mRNA的基本结构
Start of genetic message Cap End Tail
在生物体内，一种 tRNA 只能与一种氨 基酸结合（即一种 tRNA 只能搬运一种氨基 酸），而一种氨基酸可与一种以上的 tRNA 分子结合，所以，tRNA的种类(80种以上） 比氨基酸（20种）多。
(三)核糖体是蛋白质生物合成的场所
核糖体是肽链合成的“装配机”。
胞质中核糖体种类：
• 游离的核糖体---合成细胞固有蛋白
密码的 第3位碱 A G 基(3’端) U UAU 酪氨酸 UGU半胱氨酸 C UAC 酪氨酸 UGC半胱氨酸 A UAA终止密码 UGA终止密码 G UAG终止密码 UGG 色氨酸 U CAU 组氨酸 CGU 精氨酸 C CAC 组氨酸 CGC 精氨酸 A CAA谷胺酰胺 CGA 精氨酸 G CAG谷胺酰胺 CGG 精氨酸 U AAU天冬酰胺 AGU 丝氨酸 C AAC天冬酰胺 AGC 丝氨酸 A AAA赖氨酸 AGA 精氨酸 G AAG 赖氨酸 AGG 精氨酸
背景环境分析
遗传密码表
密码的第1 位碱基(5’ 端） U
密
U UUU苯丙氨酸 UUC苯丙氨酸 UUA亮氨酸 UUG亮氨酸 CUU 亮氨酸 CUC 亮氨酸 CUA 亮氨酸 CUG 亮氨酸 AUU异亮氨酸 AUC异亮氨酸 AUA异亮氨酸 AUG甲硫氨酸
（兼起始密码 ）
码
C
的
C
A
UCU 丝氨酸 UCC 丝氨酸 UGA 丝氨酸 UCG 丝氨酸 CCU 脯氨酸 CCC 脯氨酸 CCA 脯氨酸 CCG 脯氨酸 ACU 苏氨酸 ACC 苏氨酸 ACA 苏氨酸 ACG 苏氨酸 GCU GCC GCA GCG 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸
向逐一阅读，直至终止密码子。
5′
读码方向
3′
N 背景环境分析
肽链延伸方向
C
3．简并性（degeneracy） 在 遗 传 密 码 表 中 ， 共 有 64 组 密 码 （ 43 ）。其中， 3 组作为翻译的终止密码 （ UAA 、 UAG 和 UGA ）； AUG 兼作翻译的起始 密码（AUG是蛋氨酸的密码），其余61组密 码（包括AUG作为亮氨酸的密码）共同编码 20种α-氨基酸。因此，必然有一种氨基酸 由多组密码编码的现象，称为密码的简并 性。实际上，除色氨酸与蛋氨酸（由一个 密码编码）外，其余氨基酸均由两个或两 个以上的密码编码（2～6个）。
背景环境分析
背景环境分析
二、蛋白质生物合成体系 • 基本原料：20种编码氨基酸 • 模板：mRNA • 适配器：tRNA • 装配机：核蛋白体 • 主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成 酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放 因子等 • 能源物质：ATP、GTP • 无机离子：Mg2+、 K+
• 与粗面内质网结合的核糖体 ---合成带有信号肽的分泌性蛋白质 核糖体由大、小亚基组成，其组成成份 包括rRNA和蛋白质。
不同细胞核蛋白体的组成
原核生物 核蛋白 体 S值 70S 小亚基 30S 大亚基 50S 23S-rRNA 5S-rRNA rpL 36种 核蛋 白体 80S 真核生物 小亚基 40S 大亚基 60S 28S-rRNA 5.8S-rRNA 5S-rRNA rpL 49种
rRNA
蛋白 质
16S-rRNA
rpS 21种
18S-rRNA
rpS 33种
在核糖体上，与蛋白质生物合成有关的主要 结构有： 1．有容纳mRNA的部位； 2 ．有结合氨酰 -tRNA 的部位，称为氨酰基部位，简 称A位;有结合肽酰-tRNA的部位，称为肽酰基部位， 简称P位； 3.有结合蛋白质因子的部位； 4．有转肽基酶（transpeptidase）存在，可催化肽 键的形成； 5.具有延长因子依赖的GTP酶活性。 A位和P位呈紧密相邻，每个部位的宽度正好 相当于mRNA上一个遗传密码的宽度。
催化，并需要消耗ATP。
氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸 + tRNA ATP AMP＋PPi 氨基酰- tRNA
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
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和 tRNA都有高度特异性。 绝对专一性： 1个A.A对应1个氨基酰tRNA合成酶 催化反应： 活化A.A-活化“-COOH”，消耗2个ATP， 产 物—氨酰tRNA 酶的两个位点： 结合位点-结合正确的A.A，活化 水解位点-保证A.A序列的正确性(校正活性)
原 核 肽 链 合 成 终 止 过 程
合成含10个氨基酸的肽链，消耗多少ATP？
aa.活化 2×10 = 20 ATP (消耗2个高能磷酸键， 计2 ATP) • 1st aa. 1 GTP(直接进入P位) • 其余9 aa. 2 × 9 = 18 GTP (重复进位、转 肽、移位的过程) • 终止 1 GTP
Met Ala Val His 终止密码
背景环境分析
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
缬
丙
丝
精
缬
脯
苏
天冬
背景环境分析
2. 方向性(sideness)
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
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。
进位需要延长因子 EF-Tu与EF-Ts参与。
反密码与密码结合时方向相反。即反密码的第 1 、 2、 3位碱基分别与密码的第 3、 2、 1位碱基配 对。
背景环境分析
反密码与密码配对时，反密码的第2、3位碱基分 别与密码的第2、1位碱基配对时严格遵循碱基配对规 则（即A与U、G与C配对），而反密码的第1位碱基与 密码的第3位碱基配对时不严格遵循碱基配对规则， 后者成为摆动配对或不稳定配对（wobble base pair）。
摆动配对情况
反密码的第1位碱基
密码的第3位碱基
G
U或 C
C
G
A
U
U
A或G
I
A、 U或C
通过摆动配对，使得携带有同种氨基 酸的不同tRNA分子可分别结合在几种同义 密码上。如反密码为IGC的丙氨酰-tRNA， 可分别结合到同义密码GCU、GCC、GCA上 （GCU、GCC、GCA均为编码丙氨酸的密码）。 摆动配对的存在对于保持生物物种的稳定 具有重要意义。
蛋白质的生物合成
生物化学与分子生物学教研室
刘 先 俊
背景环境分析
ຫໍສະໝຸດ Baidu
一、概 述
以RNA中的mRNA为模板，将mRNA的碱基
所组成的遗传密码转变为蛋白质分子中氨
基酸的排列顺序，称为蛋白质的生物合成，
也称为翻译（translation）。简言之，就
是生物体以mRNA为模板合成蛋白质的过程。
翻译过程中核酸的作用:
3
蛋白质 非编码序列 编码序列
背景环境分析
核蛋白体结合位点 起始密码子 终止密码子
遗传密码的特点： 1．连续性（commaless）
编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密 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’
肽链合成延长(核蛋白体循环)过程
进 位
成肽
移 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，肽链从肽酰-tRNA中释出， mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。 终止阶段需要释放因子RF-1、 RF-2和 RF-3参与。
释放因子的功能：
识别终止密码子 RF-1特异识别UAA、UAG； RF-2特异识别UAA、UGA。 诱导转肽酶转变为酯酶活性 催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的 酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。 RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性， 能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。
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。
（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，包括以下三步：
1. 进位(positioning)/注册 (registration)
背景环境分析
各种氨基酸的密码子数目
背景环境分析
4．通用性（universal）: 无论原核生物如病毒、细菌等和真核 生物包括人类都共用一套遗传密码即三联 体密码。只是不同生物对密码子具有偏爱 性。
背景环境分析
（二）tRNA是搬运氨基酸的工具 1. tRNA的结构
背景环境分析
tRNA分子中与蛋白质合成有关的位点： 1）氨基酸结合位点； 2）氨酰-tRNA合成酶识别位点； 3）核糖体识别位点； 4）反密码位点：
5
3
5’-端非翻译区
开放阅读框架
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)。
背景环境分析
原核生物的多顺反子
5 PPP 3
蛋白质
真核生物的单顺反子
5 mG - PPP
AAA …
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。
3. 移位
转位是在转位酶（延长因子EF-G）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。 移位需要延长因子EF-G参与。
背景环境分析
（一）mRNA是遗传信息的携带者 mRNA来源、生物遗传信息储存于DNA mRNA分子中的碱基排列序列决定了蛋白 质分子中的氨基酸排列顺序。 mRNA中相邻的3个碱基代表一个氨基酸，三个相 邻的碱基称为一组密码（coden），或称三联 体密码。 64组密码组成遗传密码表： 起始密码：1组（AUG），兼作Met的密码 终止密码：3组（UAA、UGA、UAG） 61组密码编码20种α-氨基酸
原核生物mRNA的S-D序列及其与16SrRNA的结合
三、蛋白质生物合成过程 蛋白质的生物合成过程包括： ①氨基酸的活化与转运
②活化氨基酸在核糖体上形成多肽链。后者 是蛋白质生物合成的中心环节，又称核糖 体循环。 ③翻译后加工
（一）氨基酸的活化与转运
氨基酸与tRNA的结合需要氨酰tRNA合成酶
（二）原核生物核糖体循环
翻译时，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。于是，合成中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）起始 是指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。 基本过程：