12蛋白质的生物合成

参与蛋白质生物合成的物质：
三种RNA –mRNA（messenger RNA） –rRNA（ribosomal RNA） –tRNA（transfer RNA）
20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子 如IF、eIF ATP、GTP
第一节
遗传密码
一、翻译模板mRNA及遗传 密码
mRNA是遗传信息的携带者
编码一个多肽的遗传单位称为顺反子。
• 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位， 转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质， 为多顺反子mRNA 。
• 真核一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子 mRNA。
原核生物的多顺反子
5 PPP
3
真核生物的单顺反子
5 mG - PPP
蛋白质
3
蛋白质
非编码序列
氨基酰-tRNA合成
氨基酸 + tRNA 酶
氨基酰- tRNA
ATP
AMP＋PPi
2、氨基酸的激活
tRNA在氨基酰-tRNA 合成酶的帮助下，能够识别相应的氨 基酸，并通过tRNA氨基酸臂的 3'-OH 与氨基酸的羧基 形成活化酯－氨基酰-tRNA。
氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸 与 ATP 作用, 形成氨基酰腺嘌呤核苷酸； 第二步是氨基 酰基转移到 tRNA 的 3'-OH 端上, 形成氨基酰-tRNA。
tRNA的功能和功能位点
——功能：1、解读mRNA的遗传信息 2、运输的工具，运载氨基酸
——功能位点：1、3‘端CCA上的氨基酸接受位点 2、识别胺酰-tRNA合成酶的位点 3、核糖体识别位点 4、反密码子位点
a、1988. Schimmel 和侯雅明 G3 : U70 是决定tRNA 负载 Ala 的特异密码信息
核糖体是肽链合成的场所
氨基酸首先在核糖 体内合成蛋白质， 再输送至细胞其 它组分中。
核糖体由大、小亚 基构成。亚基中 含有不同的蛋白 质和RNA。
核糖体是肽链合成的场所
大亚基： tRNA结合位点
P位：给出AA，释放 tRNA A位：接受tRNA-AA
转肽酶，合成肽键 转位酶
小亚基： 识别起始位点 与mRNA形成复合物
蛋白质合成的分子机制
蛋白质生物合成过程
翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA 模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现
整个翻译过程可分为 ：
氨基酸的激活 起动阶段 肽链的延长 肽链合成的终止 折叠和加工处理
一、氨基酸的激活
1、氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 特异性强,催化特定的氨基酸与特异的tRNA结合，每 种氨基酸有特异的合成酶催化。
遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有 一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或 多至6个三联体为其编码。
生物学意义：减少了有害突变。
2. 简并性(degeneracy)
3.通用性(universal)
• 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到 人类都通用。
• 少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞 的叶绿体。
二、在核糖体上合成多肽
（一）原核生物翻译起始复合物形成 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
所需成分：30S小亚基
50S大亚基 模板mRNA fMet-tRNAfMet GTP、Mg2+ 翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3、
起始阶段 1.核蛋白体大小亚基分离； 2.mRNA与小亚基结合； 3.起始氨基酰-tRNA与小亚基结合； 4.核蛋白体大亚基结合；
b、 1991. schumman L. 证明；tRNAmetf 的paracodon 位于anti-codon
•贮存在mRNA的遗传密码称为第一套密码系统。tRNA分子中也 贮存着遗传密码，称为第二套密码系统。
密
3
码
子
5
与
tRNA
反
密
码
子
的
配
反密码子
对
关
5
AU C
3
系
mRNA
12 3
密码子
tRNA 与酶结 合模型
蛋白质合成机制是最复杂的生物合成机制。需要众多的物质参 加完成。一个典型的细菌细胞中（100nm3体积左右）含有 20000个核糖体，100000个相关蛋白质和酶类，200000个 tRNA，约占细胞干重的35%以上。
尽管蛋白质合成具有巨大的复杂性，但其合成速率确相当惊人。 在一个大肠杆菌细胞中，合成一个完整的含100个氨基酸残 基的多肽在37℃只需5秒。
密码之间没有核苷酸间断
GCAGUACAUGUC 不连续的读法： GCA
CAG AGU GUA ………….
•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)。
Tyr Gly
Ser Arg
Pro Thr
Asp
2.简并性(degeneracy)
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
30S小亚基通过SD序列与mRNA模板相结合。
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
S-D序列（原核生物mRNA的起始信号部位）
核糖体结合序列：原核生物的mRNA有一非常保守的序列，与核 糖体的16S-rRNA结合，引导mRNA进入核糖体，这样的序列称 S-D序列，也叫核糖体结合序列。
tRNA
ATP
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。
氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性 (proofreading activity) 。
氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet
第四节
结构 受体臂（氨基酸臂）
特征
5’端和3’端配对 （常为7bp）形成 的茎区。在3’端永
远是4个碱基 （XCCA）的单链
区
功能
在其末端有3’-OH， 是被氨基酰化位点。 负责携带特异的氨基
酸
TψC环
反密码子 环
D环
（双氢尿嘧啶 环）
额外环
常由 5bp的 茎和 7nt的 环组成
常由5bp 的茎区和 7nt的环区
二、核糖体的组成和结构
原核生物核 糖体的组成
原核生物核糖体结构示意图
ຫໍສະໝຸດ Baidu
核糖体的结构
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，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。
蛋白质
亚单位
核糖体
原 核 生 物
真 核 生 物
核 蛋 白 体 的 组 成
三、核糖体的功能
核糖体的功能位点: 1)与mRNA的结合位点 2)位A位点点。：与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点—氨酰基 3)点P位。点与延伸中的肽酰-tRNA的结合位点—肽酰基位 4)E位点(exit site)：肽酰转移后即将释放的tRNA的
结合位点。 5)肽酰转移酶的催化位点 6)与肽酰tRNA从A位点转移到P位点有关的转移酶(即
延伸因子EF-G)的结合位点 7)与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和终
止因子的结合位点
原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:
A位：氨基酰位 (aminoacyl site)
P位：肽酰位 (peptidyl site)
密码子的发现 统计学方法 人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测由哪一种
氨基酸合成的多肽 核糖体结合试验 1965年，Nirenberg用poly u加入C14标
记的20种aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法 破译了全部密码，编出遗传密码表。
遗 传 密 码 表
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，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。
mRNA
密码子
密码子、反密码子配对的摆动现象
密码中第三位碱基具有较小的专一性。密码子的专一性主要 由前两位碱基决定，第三位碱基的重要性不大，简并性往往 只涉及第三位碱基。
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
第二节
核糖体
一、核蛋白体是多肽链合成的部位
组成
茎区长度常为 4bp，含2-3个
D而得名
可变性大， 从4 nt到 21nt不等
负责和 核糖体 上的 rRNA 识别结
合
负责对密 码子的识 别与配对
负责和氨基酰 tRNA聚合酶
结合
在倒L型三 维结构中负 责连接两个 区域（D环反密码子环 和TψC-受
体臂）
tRNA的功能
在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子 译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送 到核糖体上提供运送载体。
遗传密码的特点
连续性(commaless)：密码之间没有间断 简并性(degeneracy)：
大多数氨基酸有2-6个密码 摆动性(wobble)：密码的第三位碱基与反密码的第
一位碱基配对不严格 通用性(universal)：全世界生物共用
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，密码间既无间断也无交叉。
1960年，Franois Jacob和Matthew Meselson确定了 蛋白质是在细胞质的核糖体上组装的。这个重要的发现表明细 胞核里的染色体和细胞质中的核糖体之间必然有一种联系的桥 梁，即细胞内存在一种将细胞核里的遗传信息转移到细胞质的 机制。于是，他们提出了mRNA假说。1964年，用实验证明 了mRNA假说是正确的。
核蛋白体结合位点
编码序列
起始密码子
终止密码子
mRNA上存在遗传密码
mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始， 每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或 蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码。
起始密码: AUG
终止密码: UAA，UAG，UGA
遗传密码子
为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核 苷酸单位称为密码子或三联体密码。
4. 摆动性(wobble)
转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过 碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对 结合，但反密码与密码间不严格遵守常见 的碱基配对规律，称为摆动配对。
摆动性
密码与反密码配对辨认时，有时并 不完全按照碱基互补规律。尤其 是密码的第三碱基对反密码的第 一位碱基，更常出现这种摆动现 象。
3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAifmet )结合到小亚
蛋白质合成需要消耗大量能量，约占全部生物合成反应总耗能 量的90%。所需能量由ATP和GTP提供。
在明确DNA含有基本的遗传信息后很长的一段时间内， 人们对于遗传信息是如何表达的可以说是一无所知。核苷酸序 列的差异是怎样转化成一头大象和一只跳蚤之间的悬殊差别呢？ 即使在Watson和Crick于1953年提出DNA双螺旋结构以后 的几年里，科学家对上述问题仍然是一筹莫展。
第十二章 蛋白质的生物合成
本章重点
重点：掌握遗传密码的特点。熟悉mRNA、
tRNA、核糖体在蛋白质合成过程中的作用。掌握 原核生物蛋白质的合成过程。了解肽链合成后的加 工处理及运输。
蛋白质是绝大多数信息途径的终产物。一个普通的细胞在任何 时候都需要成千上百中蛋白。这些蛋白必须在需要的时候合 成，并运输（定位）到适当的细胞位置。当细胞不需要它们 时又要被降解。
蛋白质的生物合成， 即翻译，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，类似一种语言翻 译成另一种语言时的情形， 所以称为翻译。
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
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
起始肽链合成的氨基酰-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
E位：排出位 (exit site)
第三节
转移RAN的功能
tRNA 结构：二级结构---三叶草形 主要组成:四臂三环
DHU环 功能：与核糖 体rRNA结合
反密码环
O H
3' O C C R NH2
氨基酸臂 功能：结合氨基酸
TC环
额外环 （可变环）
二氢尿嘧啶
反密码子 功能：识别密码子
假尿嘧啶
tRNA 结构