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1、第十一章第十一章蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成第一节第一节 遗传密码遗传密码l一、遗传密码和密码单位一、遗传密码和密码单位 1.遗传密码遗传密码 指指mRNA中的核苷酸序列与多肽中氨基酸序中的核苷酸序列与多肽中氨基酸序列之间的对应关系列之间的对应关系,通常是指核苷酸三联体决定通常是指核苷酸三联体决定氨基酸的对应关系氨基酸的对应关系,故也称三联体密码或密码子故也称三联体密码或密码子.2.密码单位密码单位 1954年物理学家年物理学家Gamov G 首先对遗传密码首先对遗传密码进行探讨进行探讨:l 41=4;42=16;43=64,足以编码足以编码20种氨种氨基酸，基酸，密码（密码（codon）
2、应是三联体（应是三联体（triplet）.密码子或称三联体密码，即密码子或称三联体密码，即mRNA上决定一上决定一个特定氨基酸的三个核苷酸个特定氨基酸的三个核苷酸。3.密码子的确定密码子的确定l 用各种人工合成模板在体外翻译蛋白质的方法用各种人工合成模板在体外翻译蛋白质的方法确定确定l 用核糖体结合技术测定密码子中的核苷酸排列用核糖体结合技术测定密码子中的核苷酸排列顺序顺序l 1961年年 1965年年4年时间，完全确定了编码年时间，完全确定了编码20种种天然氨基酸的密码子，编出了遗传密码字典。天然氨基酸的密码子，编出了遗传密码字典。l二、遗传密码的基本特征二、遗传密码的基本特征l1.遗传密码
3、的连续性遗传密码的连续性(commaless)l 密码子之间没有任何起密码子之间没有任何起“标点标点”作用的空格作用的空格,阅读阅读mRNAmRNA时是连续的时是连续的,一次阅读一次阅读3 3个核苷酸个核苷酸(碱基碱基).).2.遗传密码的不重叠性遗传密码的不重叠性(nonoverlapping)在绝大多数生物中在绝大多数生物中,阅读阅读mRNA时是以密码子时是以密码子为单位，不重叠地阅读。为单位，不重叠地阅读。少数大肠杆菌噬菌体的少数大肠杆菌噬菌体的RNA基因组中部分基基因组中部分基因的遗传密码是重叠的。因的遗传密码是重叠的。不重叠密码不重叠密码重叠密码重叠密码l3.3.遗传密码具有简并性（
4、遗传密码具有简并性（degeneracy）l(1)(1)除除Met(AUG)和和Trp(UGG)外，每个氨基酸都外，每个氨基酸都有两个或更多的密码子，这种现象称为密码子的有两个或更多的密码子，这种现象称为密码子的简并性（简并性（degenecy）。）。l (2)(2)同义密码：同义密码：同一个氨基酸的不同密码子称同同一个氨基酸的不同密码子称同义密码子（义密码子（synonyms）。）。（3）简并性的生物学意义简并性的生物学意义 减少有害突变，对生物物种的稳定有一定意减少有害突变，对生物物种的稳定有一定意义。义。l（4）密码的简并性往往表现在密码子的第三位）密码的简并性往往表现在密码子的第三位碱
5、基上碱基上 4.密码的变偶性密码的变偶性摆动性摆动性(wobble)tRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNA上的密码子配上的密码子配对时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格对时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定变动，的，第三位碱基可以有一定变动，Crick称这种称这种现象称为密码的摆动性或变偶性（现象称为密码的摆动性或变偶性（wobble）。如）。如tRNA反密码子第一位的反密码子第一位的IA、U、C配对。配对。显然显然,密码子的专一性基本取决于前两位碱密码子的专一性基本取决于前两位碱基，第三位碱基起的作用有限基，第三位碱基起的作用有限(有较大灵活性有较大灵活
6、性)。所以几乎所有氨基酸的密码子都可以用所以几乎所有氨基酸的密码子都可以用 和和 来表示来表示.l5.5.遗传密码的通用性和变异性遗传密码的通用性和变异性l (1)(1)通用性通用性:指各种低等和高等生物指各种低等和高等生物,包括病毒、包括病毒、细菌及真核生物细菌及真核生物,基本上共用一套遗传密码基本上共用一套遗传密码.l(2)(2)密码的变异性密码的变异性:目前已知线粒目前已知线粒DNA(DNA(mtDNAmtDNA)的的编码方式与通用遗传密码子有所不同编码方式与通用遗传密码子有所不同.6.6.密码子有起始密码子和终止密码子密码子有起始密码子和终止密码子 （1 1）起始密码子）起始密码子:A
7、UGAUG(MetMet)多数多数原核原核,真核生物真核生物 GUGGUG 少数情况少数情况 (2)(2)终止密码子终止密码子:UAAUAA、UAGUAG和和UGAUGA 不不编编码码任任何何氨氨基基酸酸,又又称称为为无无义义密密码码子子（nonsense nonsense codonscodons）或或终终止止密密码码子子（chainchainterminating terminating codonscodons），），它它们们单单个个或或串串联联在在一一起起用用于于多多肽肽链链翻翻译译的的结结束，没有相应的束，没有相应的tRNAtRNA存在。存在。关于关于SD序列序列第二节第二节 核糖体
8、核糖体l一、核糖体是蛋白质合成的工厂一、核糖体是蛋白质合成的工厂l 用放射性同位素标记氨基酸，注射到小鼠用放射性同位素标记氨基酸，注射到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离心，分离各细胞器，发现核糖体放射性最强，心，分离各细胞器，发现核糖体放射性最强，说明核糖体是蛋白质合成部位。说明核糖体是蛋白质合成部位。l二、核糖体的结构二、核糖体的结构原核生物原核生物真核生物真核生物l三三 核糖体的活性位点核糖体的活性位点l 四、核糖体的功能四、核糖体的功能 参与多肽链的启动、延长、终止，并参与多肽链的启动、延长、终止，并“移移动动”含有遗传信息的模板含有遗传信
9、息的模板mRNA第三节第三节 转移转移RNA的功能的功能 在蛋白质合成中，在蛋白质合成中，tRNA起着运载氨基酸的起着运载氨基酸的作用，按照作用，按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。tRNA有两个关键部位：有两个关键部位：3端端CCA：接受氨基酸接受氨基酸，形成氨酰，形成氨酰-tRNA.需需ATP提供活化氨基酸所需的能量。提供活化氨基酸所需的能量。与与mRNA结合部位结合部位反密码子部位反密码子部位(tRNA的接头作用的接头作用)此外此外,tRNA上尚有上尚有(3)识别氨酰识别氨酰tRNA合成酶
10、合成酶的位点的位点,(4)核糖体识别位点核糖体识别位点35ICCA-OH53CCA-OHG G CC C G密码子与反密码子的密码子与反密码子的阅读方向均为阅读方向均为5 5 3 3，两者反向平行配对。两者反向平行配对。第四节第四节 蛋白质生物合成的分子机制蛋白质生物合成的分子机制l一、肽链延伸合成的方向和速度一、肽链延伸合成的方向和速度l（一）方向（一）方向l N 端端C端端l（二）速度二）速度l 肽链延伸的速度极快，一个核糖体合成一条肽链延伸的速度极快，一个核糖体合成一条完整的血红蛋白完整的血红蛋白-链链(146个个AA)3分钟分钟,0.8AA/秒秒.大肠杆菌大肠杆菌 20个个AA/秒秒l
11、二、二、mRNA 上翻译的方向上翻译的方向 1.用人工合成的多核苷酸作模板证明用人工合成的多核苷酸作模板证明2.翻译方向：翻译方向：53三、原核生物蛋白质生物合成的分子机制三、原核生物蛋白质生物合成的分子机制 1.部位部位:细胞质细胞质 2.酶酶:氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶 3.能量能量:消耗消耗2ATP 4.产物产物:氨酰氨酰-tRNA 甲酰化产物甲酰化产物fMet-tRNA(原核生物起始原核生物起始AA)l氨基酸在掺入肽链前必须活化氨基酸在掺入肽链前必须活化,在在胞液中胞液中进行。进行。l氨氨基基酸酸的的活活化化是是指指各各种种参参加加蛋蛋白白质质合合成成的的AAAA与与携携带带它它的
12、的相相应应的的tRNAtRNA结结合合成成氨氨酰酰-tRNAtRNA的的过过程程。活活化反应在化反应在氨酰氨酰-tRNAtRNA 合成酶合成酶的催化下进行。的催化下进行。(一一)氨基酸的活化氨基酸的活化 2020种种氨氨基基酸酸中中每每一一种种都都有有各各自自特特异异的的氨氨酰酰-tRNAtRNA合成酶。合成酶。氨氨酰酰-tRNAtRNA合合成成酶酶具具有有高高度度的的专专一一性性，它它既既能能识识别别相相应应的的氨氨基基酸酸（L-L-构构型型），又又能能识识别别与与此此氨氨基基酸酸相相对对应应的的一一个个或或多多个个tRNAtRNA 分分子子；即即使使AAAA识识别别出出现现错错误误，此此酶
13、酶具具有有水水解解功功能能，可可以以将将其其水水解解掉掉。这这种种高高度度的的专专一一性性保保证证了了氨氨基基酸酸与与其其特特定定的的tRNA准准确确匹匹配配，从从而而使使蛋蛋白白质质的的合合成成具具有有一一定定的保真性。的保真性。(二二)肽链合成的起始肽链合成的起始 1.70S1.70S起始复合物的形成起始复合物的形成 (1)(1)起始氨基酸及起始起始氨基酸及起始tRNAtRNA 起始氨酰起始氨酰-tRNAtRNAi i:甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNAtRNAi 甲酰化甲酰化 起始氨基酸起始氨基酸原核：甲酰甲硫氨酸原核：甲酰甲硫氨酸 fMet 真核：甲硫氨酸真核：甲硫氨酸 Met 甲酰化后才能与
14、甲酰化后才能与IF2 结合生成结合生成30S复合物复合物 甲酰化防止起始氨基酸进入延伸中的肽链甲酰化防止起始氨基酸进入延伸中的肽链 使使fmet-tRNA i 结合在核糖体结合在核糖体P部位部位 延长因子延长因子EF-Tu识别未甲酰化的识别未甲酰化的 Met-tRNA原核：甲酰甲硫氨酸原核：甲酰甲硫氨酸(fMet)l细菌中的起始因子细菌中的起始因子:lIFIF1 1:结结合合在在30S30S亚亚基基上上作作为为完完全全起起始始复复合合物物的的一一部部分分，起稳定此复合物的作用。起稳定此复合物的作用。lIFIF2 2:结结合合到到特特异异的的起起始始tRNAtRNA（fMet-tRNAfMet-
15、tRNA），并并将起始将起始tRNAtRNA置于小亚基上。置于小亚基上。IFIF3 3:30S30S小小亚亚基基特特异异地地与与mRNAmRNA起起始始部部位位结结合合需需要要 IFIF3 3 .IFIF3 3还还作作为为70S70S核核糖糖体体的的解解离离因因素素，产产生生30S30S亚基。亚基。(2)70S(2)70S起始复合物的形成起始复合物的形成l(三三)肽链的延长肽链的延长 肽链的延长分为四个步肽链的延长分为四个步骤：骤：进位进位 转肽转肽 脱落脱落 移位移位-核糖体循环核糖体循环 1.1.进位：进位：1)1)一个新的一个新的氨酰氨酰-tRNA进入进入A位，位，2)延长因子参加延长因
16、子参加:3)消耗消耗1个个GTP 2.2.转肽：转肽：1)1)肽酰基从肽酰基从P P位转到位转到A A位位,肽键的形成；肽键的形成；2)2)负责肽键合成的酶称为肽酰转移酶负责肽键合成的酶称为肽酰转移酶（peptitylpeptityl transferasetransferase），），简称转肽酶。简称转肽酶。3)3)肽肽的的转转移移是是核核糖糖体体大大亚亚基基（50S50S或或60S60S）的的功能。功能。4)4)抗抗菌菌素素嘌嘌呤呤霉霉素素抑抑制制蛋蛋白白质质合合成成,使使新新生生的的肽链在合成未完成之前就释放出来。肽链在合成未完成之前就释放出来。3.脱落脱落 转肽后，转肽后，P部位上空载
17、的部位上空载的tRNA经出口位经出口位点点(E)脱落脱落 4.移位：移位：1)核糖体向核糖体向mRNA 3端移动一个密码子，端移动一个密码子，移位移位导致肽酰导致肽酰tRNAtRNA从从A A位点移出，进入位点移出，进入P P位点位点;空着空着的的A A位点为下一个密码子对应的氨酰位点为下一个密码子对应的氨酰tRNAtRNA的进的进入作好准备。入作好准备。2)需要需要1个个GTP 3)3)三三位位点点模模型型:19891989年年德德国国的的NierhausNierhaus等等提提出出模模型型认认为为，细细菌菌tRNAtRNA及及mRNAmRNA相相对对于于核核糖糖体体发发生生移移位位后后，空
18、空载载tRNAtRNA并并未未立立即即从从核核糖糖体体上上解解离离下下来来，而而是是移移到到了了E E位位点点（出出口口位位点点），当当新新的的氨氨酰酰tRNAtRNA结结合合到到A A位位点点时时，E E位位点点的的空空载载tRNAtRNA才才解解离离下下来来，此此过过程程涉涉及及到到核核糖糖体体构构象象的的变变化化，该该变变化化有有利利于于核核糖糖体体对对正正确确氨氨基基酰酰tRNAtRNA的的识识别别作作用用，从从而提供了蛋白质合成的精确性。而提供了蛋白质合成的精确性。(四四)肽链合成的终止与释放肽链合成的终止与释放l1.终止信号终止信号 l 1)终止密码子终止密码子:UAA、UGA、U
19、AG l 正常细胞不含能和终止密码子互补的反密码正常细胞不含能和终止密码子互补的反密码子的子的tRNA，这些终止密码子能被终止因子所这些终止密码子能被终止因子所识别。识别。l 2)释放因子（释放因子（release factor，RFs）：）：l RF1:识别识别UAA、UAG l RF2:识别识别UAA、UGAl RF3:不识别终止密码子不识别终止密码子,但刺激另外两个因但刺激另外两个因子的活性，协助肽链释放子的活性，协助肽链释放 2.终止机制终止机制:1)释释放放因因子子与与终终止止密密码码子子结结合合使使转转肽肽酶酶活活性性变变成成水水解解酶酶活活性性，水水解解了了P P位位点点上上多多
20、肽肽与与tRNAtRNA之之间间的键，释放出多肽和的键，释放出多肽和tRNAtRNA。l 2)2)在基因中，终止密码子总是紧接在编码最在基因中，终止密码子总是紧接在编码最后一个氨基酸的密码子后面。任何一个三联密码后一个氨基酸的密码子后面。任何一个三联密码发生无义突变时都足以终止其基因的蛋白质合成。发生无义突变时都足以终止其基因的蛋白质合成。l 3)3)在原核生物的基因中，在原核生物的基因中，UAA是最常见的终是最常见的终止密码，其它依次为止密码，其它依次为UGA和和UAG，但阅读但阅读UGAUGA存存在更多的错误。（错误阅读终止密码就是一个氨在更多的错误。（错误阅读终止密码就是一个氨基酰基酰t
21、RNAtRNA对它产生错误反应，使蛋白质合成继对它产生错误反应，使蛋白质合成继续进行，直到另一个终止密码出现）。续进行，直到另一个终止密码出现）。l多核糖体多核糖体l 是一个是一个mRNA分分子与一定数目的单子与一定数目的单个核糖体结合而成个核糖体结合而成的，形成念珠状的，形成念珠状。每个核糖体可以独每个核糖体可以独立完成一条肽链的立完成一条肽链的合成，提高了翻译合成，提高了翻译的效率。的效率。l 原核生物原核生物 转录与翻译相偶联转录与翻译相偶联四、四、蛋白质合成所需的能量蛋白质合成所需的能量v蛋白质的合成是一个高耗能过程蛋白质的合成是一个高耗能过程 AAAA活化活化 2 2个高能磷酸键（个
22、高能磷酸键（ATPATP）肽链起始肽链起始 1 1个（个（7070S S复合物形成，复合物形成，GTPGTP）进位进位 1 1个（个（GTPGTP）移位移位 1 1个（个（GTPGTP）第一个氨基酸参入需消耗第一个氨基酸参入需消耗3 3个（活化个（活化2+2+起始起始1 1）,以后以后每掺入一个每掺入一个AAAA需要消耗需要消耗4 4个（活化个（活化2+2+进位进位 1 1个个 +移位移位1 1个）。个）。l 从氨基酸开始合成一个含从氨基酸开始合成一个含200个残基的蛋白个残基的蛋白质需要消耗多少高能磷酸键质需要消耗多少高能磷酸键?l 活化一个氨基酸活化一个氨基酸 -2 2002=400l 起
23、始一次起始一次 ：-1 l 形成一个肽键：形成一个肽键：-2 1992=398l 共消耗高能键共消耗高能键 4003981=799五五.活性肽合成的特征活性肽合成的特征 P.285-286P.285-286 本章主要内容本章主要内容:l 一、遗传密码一、遗传密码l 二、核糖体二、核糖体l 三、转移三、转移RNA的功能的功能l 四、蛋白质生物合成的分子机制四、蛋白质生物合成的分子机制l 五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异l 六、蛋白质合成的抑制剂六、蛋白质合成的抑制剂l重点：重点：蛋白质合成过程及分子机制蛋白质合成过程及分子机制 蛋白质合成的忠实性蛋白质合成的忠实性l 氨酰氨酰-tRNA合成酶的作用及决定蛋白质合成酶的作用及决定蛋白质 合成忠实性的分子机制合成忠实性的分子机制