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1、第四节第四节 蛋白质生物合成蛋白质生物合成遗遗传传信信息息流流动动示示意意图图核糖体核糖体DNAmRNAtRNA1、mRNA 与遗传密码与遗传密码 它携带着它携带着DNA的遗传信息。正值的遗传信息。正值信息保存于相邻三个碱基构成的密码子中。信息保存于相邻三个碱基构成的密码子中。2、tRNA 在蛋白质合成中，在蛋白质合成中，tRNA起着运输氨基酸的作用，起着运输氨基酸的作用，即将氨基酸按即将氨基酸按mRNA链上的密码所决定的氨基酸顺序转链上的密码所决定的氨基酸顺序转移入蛋白质合成的场所移入蛋白质合成的场所核糖体。核糖体。3、rRNA及核糖体及核糖体：核糖体是合成蛋白质的场所：核糖体是合成蛋白质的
2、场所,含有核糖含有核糖体体RNA(rRNA)。它由大小两个亚基组成。它由大小两个亚基组成。4、辅助因子辅助因子：在蛋白质合成体系中，除了蛋白质因子外，：在蛋白质合成体系中，除了蛋白质因子外，蛋白质的生物合成还需要蛋白质的生物合成还需要ATP、GTP、Mg2+等参与。等参与。蛋白质合成体系的主要组分蛋白质合成体系的主要组分一、遗一、遗 传传 密密 码码三三联联体体密密码码子子（triplet codon）：mRNA上上每每3个个相相邻邻的的核核苷苷酸酸编编码码蛋蛋白白质质多多肽肽链链中中的的一一个个氨氨基基酸酸，这这三三个个核核苷苷酸酸就就称称为一个为一个密码子密码子或或三联体密码子三联体密码子
3、。64组密码子中，有三组密码子不编码任何氨基酸，而是多肽组密码子中，有三组密码子不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的链合成的终止密码子终止密码子：UAG（效率低）、（效率低）、UAA（效率高）、（效率高）、UGA（效率中）（效率中）；AUG(Met)和和GUG（Val)可兼作起始密可兼作起始密 码子码子兼职性兼职性1.通用三联体遗传密码通用三联体遗传密码2、密码子的简并性：、密码子的简并性：由一种以上密码子编码同一个由一种以上密码子编码同一个 氨基酸的现氨基酸的现象称为象称为简并（简并（degeneracy）;对应于同一氨基酸对应于同一氨基酸的不同密码子称为的不同密码子称为同义密码子（同义密码子
4、（synonymous codon）。61种氨基酸编码密码子中，除种氨基酸编码密码子中，除甲硫氨酸甲硫氨酸(AUG)和和色氨酸色氨酸(UGG)只有只有1个密码子外，其余均个密码子外，其余均有有1个以上的密码子。个以上的密码子。密码的简并性可以减少有害突变密码的简并性可以减少有害突变。Amino acids have 16 codons each3.密码子的通用性和特殊性密码子的通用性和特殊性通用性：通用性：指不同生物的密码子基本相同，即共用一套密指不同生物的密码子基本相同，即共用一套密码子。码子。证明自然界中的生物有共同的起源，同一种基因可以在不同证明自然界中的生物有共同的起源，同一种基因可以
5、在不同宿主细胞中表现出相同的遗传功能宿主细胞中表现出相同的遗传功能。特殊性：特殊性：遗传密码的个例很少见；基因组中编码含义的遗传密码的个例很少见；基因组中编码含义的改变常涉及到对改变常涉及到对终止密码子的解读终止密码子的解读；密码子系统性改变；密码子系统性改变只存在于只存在于某些某些线粒体线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)中。中。4.密码子的阅读方向密码子的阅读方向 密码子具密码子具连续性：连续性：即无标点符号，且相邻密码子互即无标点符号，且相邻密码子互不重叠。不重叠。生物合成过程中，生物合成过程中，mRNA的编码方向是的编码方向是53，从从N端向端向C端延伸端延伸
6、肽链。一条。一条肽链合成起始后，密合成起始后，密码子按子按3个一框个一框读下去不重叠也不跳格，直到下去不重叠也不跳格，直到终止。止。阅读方向：阅读方向：严格按照严格按照mRNA的的5端到端到3端方向。端方向。1966年，年，Crick提出摆动假说。提出摆动假说。摆动假说（摆动假说（wobble hypothesis）：）：在密码子与反在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，而密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，而第三对碱基有一定的自由度，可以第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动摆动”，因而使，因而使某些某些tRNA可以识别可以识别1个以上的密码子。个以上的密码子。Cri
7、ck将此特性称为密码子的将此特性称为密码子的摆动性（变偶性）摆动性（变偶性）。5.密码子与反密码子的相互作用密码子与反密码子的相互作用Third bases have least meaning密密码码子子与与反反密密码码子子的的配配对对关关系系反密码子反密码子tRNA5 3 A U C5 mRNA3 密码子密码子1 2 3在密码子第三位碱基与在密码子第三位碱基与反密码子第一位碱基之反密码子第一位碱基之间，碱基配对的摆动允间，碱基配对的摆动允许形成许形成G-U配配对。对。GU pairs form at the third codon base 摇摆碱基的摇摆配对原则摇摆碱基的摇摆配对原则 摇
8、摆配对原则摇摆配对原则anti-codon 的的 1st-Nt codon 的的 3rd-NtI-次黄嘌呤次黄嘌呤 摇摆碱基摇摆碱基 anti-codon 的的1st-Nt r rAnticodon 3 G-C-I G-C-I G-C-I 5Codon 5 C-G-A C-G-U C-G-C 3I:次黄嘌呤次黄嘌呤二、二、tRNA1.tRNA结构结构 1）tRNA二级结构二级结构2）tRNA三三级结构：级结构：tRNA折叠折叠为紧凑的为紧凑的L型型三级结构三级结构。2.tRNA功能功能 在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体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
9、提供密码子译成氨基酸提供接合体接合体，还准确无误地将活化的，还准确无误地将活化的氨基酸运送到核糖体中氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。模板上。tRNA的连接物的连接物(adaptor)作用作用 3-端上的氨基酸接受位点端上的氨基酸接受位点 识别氨酰识别氨酰-tRNA合成酶的位点合成酶的位点 核糖体识别位点核糖体识别位点 反密码子位点反密码子位点携带氨基酸携带氨基酸辨认并结合氨酰辨认并结合氨酰-tRNA合成酶合成酶识别识别mRNA上的密码上的密码识别并结合识别并结合核糖体核糖体氨基酸臂氨基酸臂DHU臂臂反密码臂反密码臂可变环可变环T C臂臂氨酰氨酰-tRNA合成酶特点：合成酶特点：a、专一性：
10、、专一性：对对氨氨基基酸酸有有极极高高的的专专一一性性，每每种种氨氨基基酸酸都都有有专专一一的的酶，只作用于酶，只作用于L-氨基酸，不作用于氨基酸，不作用于D-氨基酸。氨基酸。对对tRNA 具有极高专一性。具有极高专一性。b、校对作用：、校对作用：氨酰氨酰-tRNA合成酶的水解合成酶的水解 部位可部位可以水解错误活化的氨基酸。以水解错误活化的氨基酸。3.氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶AAtRNA合成酶（合成酶（AARS）需要需要三种底物：三种底物：AA、tRNA、ATP，因此有因此有三个三个位点：位点：氨基酸结合位点氨基酸结合位点（aa binding site）tRNA 结合位点结合位点（t
11、RNA binding site）ATP 位点位点（ATP site）4.tRNA种类种类1）起始）起始tRNA和延伸和延伸tRNA：一类能特异识别一类能特异识别mRNA模板上起始密码子的模板上起始密码子的tRNA叫叫起始起始tRNA；其它；其它tRNA称为称为延伸延伸tRNA。Prok.中中，携带，携带甲酰甲硫氨酸（甲酰甲硫氨酸（fMet）Euk.中中，携带携带甲硫氨酸（甲硫氨酸（Met）2）同工）同工tRNA:携带携带AA相同而反密码子不同的一组相同而反密码子不同的一组tRNA。不同的反密码子识别不同的反密码子识别AA的同义密码的同义密码(简并密码简并密码)。l结构上能被同一种结构上能被同
12、一种AA tRNA合成酶合成酶识别的共性。识别的共性。3 3）校正校正tRNA：通过通过tRNA中反密码子改变来校正中反密码子改变来校正密码子突变，使其在突变位点引入正确氨基酸。密码子突变，使其在突变位点引入正确氨基酸。无义突变无义突变(nonsense mutation):指指DNA上任何代表上任何代表氨基酸的密码子变为终止密码子的改变。氨基酸的密码子变为终止密码子的改变。错义突变错义突变(missense mutation):指指DNA分子中的分子中的核苷酸置换后改变了核苷酸置换后改变了mRNA上遗传密码，从而导上遗传密码，从而导致合成的多肽链中一个氨基酸被另一氨基酸所取致合成的多肽链中一
13、个氨基酸被另一氨基酸所取代的改变。代的改变。核糖体核糖体三、核三、核 糖糖 体体 是由是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和）和多种蛋白质结合而成的一种大的多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗核糖核蛋白颗粒粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。行的。Prok.protein 约占细胞的约占细胞的10，rRNA占总占总RNA的的80，Euk中相对比例小些。中相对比例小些。Euk.中大多与细胞骨架和内质网膜结合在一起中大多与细胞骨架和内质网膜结合在一起 (游离、多聚游离、多聚)是翻译进行的场所是翻译进行的场所 细菌中
14、常以多聚核糖体的形式细菌中常以多聚核糖体的形式 /80S/40S/60S 1.核糖体组成核糖体组成:含大小两个亚基含大小两个亚基3、核糖体的活性位点、核糖体的活性位点 30S小亚基小亚基 头部头部 基底部基底部 中间有一中间有一豁口豁口 50S大亚基大亚基 三个三个突起突起 (2)核糖体的装配核糖体的装配：（1）组成组成 ：Prok.小亚基小亚基 16S RNA 21种种proteins S1-S21 大亚基大亚基 23S RNA 5S RNA 36种种proteins L1-L36 Euk.小亚基小亚基 18S RNA 33种种proteins 大亚基大亚基 28S RNA 5SRNA 5.
15、8SRNA 49种种proteins核糖体蛋白质核糖体蛋白质rRNA按一定的顺序形成完按一定的顺序形成完整的核糖体。整的核糖体。Ribosomes are large ribonucleoprotein particles that contain more RNA than protein and dissociate into large and small subunits.362.2.核糖体功能核糖体功能 核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽然在不同生物内其大小有别，但组织结构中。虽然在不同生物内其大小有别，但组织结构基本相同，而且执行的功能也
16、完全相同。基本相同，而且执行的功能也完全相同。Size comparisons show that the ribosome is large enough to bind tRNAs and mRNA.mRNA结合结合部位；部位；结合结合AA-tRNA部位（部位（A位）；位）；结合肽基结合肽基 tRNA部位（部位（P位）；位）；空载空载tRNA移出移出部位（部位（E位）；位）；形成肽键形成肽键的部位。的部位。此外，还有用于起始和延伸的各种此外，还有用于起始和延伸的各种蛋白质因子结合蛋白质因子结合的部的部位。位。核糖体发挥生物学功能的核糖体发挥生物学功能的5个基本部个基本部位位核糖体有三个核糖
17、体有三个tRNA结合位点：结合位点：氨酰氨酰-tRNA进入进入A位位（除用于起始的那个）（除用于起始的那个）肽酰肽酰-tRNA和起始氨酰和起始氨酰-tRNA进入进入P位位 去氨酰去氨酰-tRNA通过通过E位位脱出脱出原核细胞原核细胞70S核糖体的核糖体的A位、位、P位及位及mRNA结合部位示意图结合部位示意图anticodonanticodonanticodoncodoncodoncodon30S30S与与mRNA结合部位结合部位肽酰基位肽酰基位肽酰基位肽酰基位点（点（点（点（P P位）：位）：位）：位）：结合或接结合或接受肽基的受肽基的部位部位氨酰基位点（氨酰基位点（氨酰基位点（氨酰基位点（
18、A A位）：位）：位）：位）：结合或结合或接受接受AA-tRNA的部位的部位50S50S5 5 3 3 mRNAmRNA tRNA和和mRNA的行进路线的行进路线四、与翻译相关的重要蛋白质因子四、与翻译相关的重要蛋白质因子阶段阶段原核原核 真核真核 功功 能能IF1IF2 eIF2 参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成IF3 eIF3、eIF4C起始起始CBP I 与与mRNA帽子结合帽子结合 eIF4A B F 参与寻找第一个参与寻找第一个AUGeIF5 协助协助eIF2、eIF3、eIF4C的释放的释放eIF6 协助协助60S亚基从无活性的核糖体上解离亚基从无活性的核糖体上解离EF-T
19、u eEF1 协助氨酰协助氨酰-tRNA进入核糖体进入核糖体延长延长EF-Ts eEF1 帮助帮助EF-Tu、eEF1 周转周转 EF-G eEF2 移位因子移位因子RF-1终止终止 eRF 释放完整的肽链释放完整的肽链RF-2五、翻译过程五、翻译过程 蛋白质的翻译过程可以分为四个阶段：蛋白质的翻译过程可以分为四个阶段：1、氨基酸的活化：、氨基酸的活化：氨基酸必须先行活化获得能氨基酸必须先行活化获得能量后才能形成肽链，即将氨基酸的羧基以酯键连量后才能形成肽链，即将氨基酸的羧基以酯键连接于接于tRNA的的3端羟基上，形成端羟基上，形成氨酰氨酰-tRNA。催化此反应的酶是催化此反应的酶是氨酰氨酰-
20、tRNA合成酶合成酶。部位：部位：细胞质中细胞质中反应分两步进行：反应分两步进行：AA tRNA+AMP+ppiAARSAA+tRNA+ATP 总反应式为：总反应式为：2.肽链合成的起始肽链合成的起始以原核生物为例：以原核生物为例：起始密码子：起始密码子：AUG起始复合物的形成：起始复合物的形成：70S起始复合物起始复合物起始氨基酸：起始氨基酸：N-甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸起始起始tRNA：N-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNA (缩写：缩写：fMet-tRNAfMet)（1）起始因子及起始因子及 30S 亚基与亚基与mRNA的结合的结合 Prok.的三种起始因子（的三种起始因子（initia
21、tion factor IF）起始复合物：起始复合物：核糖体、核糖体、mRNA、aa-tRNA三元复合物三元复合物 三种三种IF分别为：分别为：IF1 IF2 IF3 起始复合物的形成起始复合物的形成IF2-促使促使 fMet-tRNAfMet选择性的结合在选择性的结合在30S亚基亚基上。上。30S-IF3+mRNA30S-IF3-mRNA（30S复合物）复合物）IF3-促使促使 30S亚基亚基结合于结合于 mRNA 起始部位，起始部位，阻止阻止30S亚基与亚基与50S亚基的结合。亚基的结合。30S亚基与亚基与 mRNA 的结合：的结合：IF3+30S IF1-加强加强IF2、IF3的酶活。的
22、酶活。IF3赋予赋予30S 亚基与亚基与mRNA 结合的能力结合的能力 （30S亚基没有与亚基没有与mRNA主动结合的能力）主动结合的能力）SD序列控制起始复合物形成的频率序列控制起始复合物形成的频率翻译产物数量翻译产物数量 IF3 使使30S 亚基不能与亚基不能与50S亚基结合（形状亚基结合（形状.）30S 亚基与亚基与mRNA 的结合的结合 SD与与16S rRNA的的 3 端相互补。端相互补。30S 复合物中，复合物中，起始密码子正好位于起始密码子正好位于P位点位点，且只有，且只有 fMettRNAfMet才能进入才能进入。原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点53顺反子顺
23、反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序AGGAGGUAGGAGGUSD区区结构特点结构特点半衰期短半衰期短许多原核生物许多原核生物mRNAmRNA以多顺反子形式存在以多顺反子形式存在AUGAUG作为起始密码；作为起始密码；AUGAUG上游上游7 71212个核苷酸处有一被称为个核苷酸处有一被称为SDSD序列序列的的保守区，保守区，16S rRNA3-16S rRNA3-端反向互补而使端反向互补而使mRNAmRNA与核糖体结合。与核糖体结合。(2)与起始与起始 tRNA 的结合的结合 IF2+fMettRNAfMet IF2-fMettRNAfM
24、et 30S-IF3-mRNA30S-IF3-mRNA-IF2-fMettRNAfMet-GTP GTP+（3）70S 起始复合物的形成起始复合物的形成 a.IF3游离游离 是是30S-IF3-mRNA-IF2-fMettRNAfMet-GTP 与与50S亚基的结合所导致（亚基的结合所导致（IF3与与50S亚基的竞争）亚基的竞争）b.70S 起始复合物形成起始复合物形成 50S亚基的结合激活亚基的结合激活IF2 的的GTP酶活性，酶活性，水解水解 GTP并解离下来。并解离下来。GTP水解释放的能量改变两者的构象，水解释放的能量改变两者的构象，形成形成 30S-mRNA-fMettRNAfMet
25、-50S IF2-fMettRNAfMet结合上来结合上来3.肽链的延伸肽链的延伸1 12 21 12 22 23 32 23 3进位进位进位进位成肽成肽成肽成肽移位移位移位移位进位进位进位进位(TuTsTuTs)GTPGTPGTPGTPN-N-端端端端2 23 35 5 3 3 C-C-端端端端成肽成肽成肽成肽1 15 5 3 3（EF-GEF-G）肽键的形成肽键的形成4.肽肽链合成的终止及释放链合成的终止及释放当核糖体移动至终止密码子当核糖体移动至终止密码子UAA、UGA时，肽链延长时，肽链延长便终止。便终止。肽链合成的终止包括下列步骤：肽链合成的终止包括下列步骤：（1）释放因子）释放因子
26、RF1或或RF2进入核糖体进入核糖体A位，位，识别终止密识别终止密码子码子。（2）多肽链的释放：）多肽链的释放：终止因子使终止因子使肽基转移酶肽基转移酶的催化作用转变为水解作用，的催化作用转变为水解作用，使肽链从使肽链从tRNA上分离出来，生成一条新合成的蛋白质上分离出来，生成一条新合成的蛋白质分子。分子。（3）70S核糖体解离核糖体解离5 5 3 3 UAGUAG30S30S亚基亚基亚基亚基50S50S亚基亚基亚基亚基5 5 3 3 UAGUAGtRNARFRF真核生物多肽链的合成真核生物多肽链的合成1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2
27、、起始氨基酸为、起始氨基酸为Met，不是，不是fMet；3、肽肽链链合合成成的的起起始始：由由40S核核糖糖体体亚亚基基首首先先识识别别mRNA的的5端端-帽子，然后沿帽子，然后沿mRNA移动寻找移动寻找AUG；4、起起始始因因子子有有12种种，但但只只有有3种种延延长长因因子子和和1种种终终止止因子；因子；5、真真核核细细胞胞中中线线粒粒体体、叶叶绿绿体体的的核核糖糖体体大大小小、组组成成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。1.一级结构的加工修饰一级结构的加工修饰1）肽链末端的修饰：）肽链末端的修饰：N-端端fMet或或Met的切除的切除2）二硫键的形成）二硫
28、键的形成3）部部分分肽肽段段的的切切除除：如如：信信号号肽肽及及非非功功能能片片段段的的切除。切除。4）个别氨基酸残基的修饰（糖基侧链的添加）个别氨基酸残基的修饰（糖基侧链的添加）实例：胰岛素原的加工实例：胰岛素原的加工六、蛋白质合成后的加工六、蛋白质合成后的加工2.高级结构的形成高级结构的形成1）构象折叠）构象折叠2）亚基聚合）亚基聚合3）辅基的加入）辅基的加入信号肽：信号肽：在新在新生肽的生肽的N-端端(有时位于肽链中部，如有时位于肽链中部，如卵清蛋白卵清蛋白)，常有一小段与蛋白质定向输送有关并，常有一小段与蛋白质定向输送有关并在输送途中被切除的肽段，称为信号肽。在在输送途中被切除的肽段，
29、称为信号肽。在C-端有端有一个可被信号肽酶识别的位点。一个可被信号肽酶识别的位点。新生肽在信号肽的导引下定向送往细胞的各个部新生肽在信号肽的导引下定向送往细胞的各个部分，以行使各自的生物功能，在这种定向输送过分，以行使各自的生物功能，在这种定向输送过程中，信号肽被信号肽酶水解。程中，信号肽被信号肽酶水解。胰岛素原的加工胰岛素原的加工A链区链区B链区链区间插序列（间插序列（C肽区）肽区）HSSHSHSHHSHS信号肽信号肽NC核糖体上合成出核糖体上合成出无规则卷曲的无规则卷曲的前前胰岛素原胰岛素原切除切除C肽后，形成肽后，形成成熟的胰岛素分子成熟的胰岛素分子切除信号肽后折叠切除信号肽后折叠SSS
30、SNNCCA链链B链链胰岛素胰岛素CNSSSS胰岛素原胰岛素原SS 肽肽链链折折叠叠是是指指从从多多肽肽链链的的氨氨基基酸酸序序列列形形成成具具有有正正确三维空间结构的蛋白质的过程。确三维空间结构的蛋白质的过程。体体内内多多肽肽链链的的折折叠叠目目前前认认为为至至少少有有两两类类蛋蛋白白质质参参与与，称称为为助助折折叠叠蛋蛋白白:（1）酶酶：蛋蛋白白质质二二硫硫键键异异构构酶酶（PDI）；（2）分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣（mulecular chaperone）：）：是一类在细胞内是一类在细胞内能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在。白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在。肽链肽链 的折的折 叠叠