第七章 蛋白質(zhì)生物合成

1、第一節(jié) 遺傳密碼一、遺傳密碼二、密碼子和反密碼子的相互作用三、第二套密碼系統(tǒng)的概念和特征第二節(jié) trna的功能一、氨酰trna合成酶第三節(jié) 核糖體的結(jié)構(gòu)一、核糖體的組成二、核糖體的結(jié)構(gòu)三、核糖體的活性位點(diǎn)第七章第七章 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成n蛋白質(zhì)生物合成又稱翻譯（translation），是指由rna參與的蛋白質(zhì)生物合成的過程，它將核酸的堿基序列轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)中的氨基酸序列。n參與翻譯的rna分子有trna、rrna和mrna。trna的功能是轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸，rrna與作為翻譯進(jìn)行的場(chǎng)所，mrna作為翻譯的模板。n經(jīng)過三種rna以及多種蛋白質(zhì)的相互作用，使正確地傳遞到蛋白質(zhì)。第一節(jié)第一節(jié)

2、 遺傳密碼遺傳密碼n1954年，物理學(xué)家george gamov根據(jù)在dna中存在四種核苷酸，在蛋白質(zhì)中存在二十種氨基酸的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ，提出。因?yàn)樵谟兴姆N核苷酸的條件下，64 （43=64）是能滿足為20種氨基酸編碼的最小數(shù)，這也符合生物體在億萬年進(jìn)化過程中形成的和遵循的經(jīng)濟(jì)原則 。n密碼子的破譯是分子生物學(xué)發(fā)展史上的一件大事。主要運(yùn)用了兩項(xiàng)技術(shù)，一項(xiàng)是1961年由nirenberg等報(bào)道的人工合成多聚核苷酸體外翻譯技術(shù)；另一項(xiàng)是1964年nirenberg和leder發(fā)明的核糖體結(jié)合技術(shù)。n這兩項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，為密碼子的破譯奠定了基礎(chǔ)。n破譯密碼的研究先后由三個(gè)實(shí)驗(yàn)室逐步發(fā)展了四種破譯方法，于1

3、965年完成。 n2) 混合共聚物(mixed copolymers)實(shí)驗(yàn)對(duì)密碼子中堿基組成的測(cè)定： 1963年，speyer和ochoa等發(fā)展了用兩個(gè)堿基的共聚物破譯密碼的方法。例如以a和c原料，合成polyac。但這個(gè)方法，而只能堿基組成及組成比例。另外，通過反復(fù)改變共聚物成份比例的方法亦十分麻煩和費(fèi)時(shí)。n3) aa-trna與確定的三核苷酸序列(密碼子)結(jié)合（） nirenberg和leder于1964年建立了破譯密碼子的新方法，即trna與確定密碼子結(jié)合實(shí)驗(yàn)： 即是在的條件下，。最重要的是這種結(jié)合 。但有一些三核苷酸序列與核糖體結(jié)合并不象uuu或guu等那樣有效 。n4) 用重復(fù)共聚物

4、(repeating copolymers)破譯密碼： jones，和khorana等人應(yīng)用有機(jī)化學(xué)和酶學(xué)技術(shù)，。可以在這些有規(guī)律的共聚物的任一點(diǎn)開始，并。例如，重復(fù)序列cucucucucu.是多肽leu-ser-leu-ser.或者是多肽ser-leu-ser.的信使分子 。n除甲硫氨酸和色氨酸外，其他的氨基酸。多種密碼子編碼一種氨基酸的現(xiàn)象稱為（degeneracy），代表同一種氨基酸的密碼子稱為（synonyms）。n氨基酸的和它在蛋白質(zhì)中。n一種氨基酸的幾個(gè)密碼子的差異通常在第三個(gè)堿基，說明了。n在，密碼子字典幾乎是的，這已被所證實(shí)。終止密碼子嘌呤n線粒體的遺傳密碼子存在較多的例外情況

5、，其中最常見的一種變化是uga由終止密碼子色氨酸的密碼子，這可能是進(jìn)化上最早期的變化。n一般來說，生物體內(nèi)trna的種類要。n密碼子的前兩位堿基在和反密碼子配對(duì)時(shí)遵循watson-crick原則，而第三位堿基則有一定的靈活性，這就是（wobble hypothesis）。n在不同生物體內(nèi)，存在多種方式使少數(shù)的trna識(shí)別61種編碼氨基酸的密碼子，不同的生物所采用的途徑也不同。中含有較多的修飾堿基。均會(huì)對(duì)密碼子和反密碼子的作用產(chǎn)生影響。n在三、第二套密碼系統(tǒng)的概念和特征三、第二套密碼系統(tǒng)的概念和特征 n1988年，christian deduve在hou和schimmel等人的研究基礎(chǔ)上，提出了

6、第二套密碼系統(tǒng)的概念或?qū)W說。該學(xué)說認(rèn)為: trna氨基酸有一輔密碼區(qū)(paracodon region)，可以，并決定trna的負(fù)載特異性。n他認(rèn)為第二套密碼系統(tǒng)蘊(yùn)含于aars結(jié)構(gòu)中n與經(jīng)典密碼系統(tǒng)不同。輔密碼子密碼系統(tǒng)或第二套密碼系統(tǒng)是非簡并性的(non-degenerate)。可能只有20種aars，這種識(shí)別與該種有關(guān)。n第二套密碼系統(tǒng)，這與輔密碼子立體化學(xué)相互反應(yīng)有關(guān)。nchristian deduve認(rèn)為，第二套密碼系統(tǒng)僅僅是與aars-aa-amp或aa-aars復(fù)合物的一個(gè)簡單反應(yīng)，而則起著刪除錯(cuò)誤氨基酰的作用 。naars上的某些區(qū)域含有一些殘基，但無法把所有氨基酸側(cè)鏈與trna

7、的核苷酸匹配起來。因此，一些科學(xué)家提出第二套密碼系統(tǒng)，而不應(yīng)存在于aars結(jié)構(gòu)中。n第二套密碼系統(tǒng)比經(jīng)典的密碼系統(tǒng)更原始。一些作者猜測(cè)于攜帶氨苷酰的寡核苷酸，其原始形式能與氨基酸直接反應(yīng)。n破譯第二密碼系統(tǒng)的意義不僅僅限于trna分子本身生物學(xué)功能的認(rèn)識(shí)，更重要的是將對(duì)生物化學(xué)，生物起源，分子生物學(xué)及遺傳學(xué)產(chǎn)生重大影響。第二節(jié)第二節(jié) trna的功能的功能n所有的trna都有相同的二級(jí)（三葉草型）和三級(jí)結(jié)構(gòu)（倒l型）。這種的。因?yàn)椴煌膖rna分子都具有。ntrna在翻譯中轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的作用，將氨基酸經(jīng)過密碼子與反密碼子的相互識(shí)別定位在肽鏈中。從這一點(diǎn)上看，trna是起具體翻譯作用的分子。腺苷一、

8、氨酰一、氨酰trna合成酶合成酶n氨酰trna合成酶催化氨基酸與trna之間的反應(yīng)。攜帶的trna可有多種，稱為（iso-accepting trna）?？蓪rna分為20個(gè)同工trna組。在特定的合成酶催化下與相應(yīng)的氨基酸結(jié)合。n氨酰trna合成酶有三個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，分別是氨基酸、atp和trna。它催化的反應(yīng)可分為兩步：第一步形成腺苷酸化氨基酰，釋放焦磷酸；第二步活化型的氨基酸t(yī)rna，釋放amp。n氨酰trna合成酶所催化的反應(yīng)有特異性，即能選擇相應(yīng)的trna和氨基酸。一種合成酶只能識(shí)別一種氨基酸和該氨基酸的幾種同工trna。同詞源的,同類的同類的腺苷酸化 纈氨酸ntrna沿著l型的一面與

9、合成酶結(jié)合。所有的trna均是以兩個(gè)端點(diǎn)與合成酶結(jié)合，。n第一類和第二類合成酶。經(jīng)晶體結(jié)構(gòu)分析，兩類酶，所形成的復(fù)合物互成鏡像結(jié)構(gòu)。第三節(jié)第三節(jié) 核糖體的結(jié)構(gòu)核糖體的結(jié)構(gòu)n核糖體（ribosome），又稱核糖核蛋白顆粒（ribonucleoprotein particle），是細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所，。n核糖體提供了蛋白質(zhì)合成過程中所需的各種生物活性。一、核糖體的組成一、核糖體的組成n原核生物、真核生物和細(xì)胞器的核糖體，但其三維結(jié)構(gòu)非常相似。n不論何種來源的核糖體，均由大小兩個(gè)亞基組成。兩個(gè)亞基均由rna和蛋白質(zhì)組成，其共同特征是rna的含量比蛋白質(zhì)高。n核糖體rna（rrna）的純化，可

10、以用苯酚抽提核糖體以去除蛋白質(zhì)而獲得。rrna的大小可以通過超速離心來確定。n核糖體蛋白則是非常復(fù)雜的混合物，其純化和分子量的大小只能用來確定。1970年，e. kaldschmidt和h. g. wittman用雙向電泳（two-dimensional gel electrophoresis）的辦法對(duì)組成兩個(gè)亞基的蛋白進(jìn)行了近乎完全的解析。n大腸桿菌由30s小亞基和50s大亞基兩部分組成。小亞基由一個(gè)16s rrna和21種核糖體蛋白組成，而大亞基則含有兩個(gè)rrna（5s和23s）和31種核糖體蛋白。n真核生物細(xì)胞質(zhì)核糖體更為復(fù)雜，沉降系數(shù)為，由40s小亞基和60s大亞基組成。小亞基由18s

11、 rrna和33種蛋白組成，而大亞基則含有三個(gè)rrna分子（5s，5.8s和28s）和50種核糖體蛋白。n組成核糖體的rna和蛋白質(zhì)一般只有一個(gè)拷貝。，形成一個(gè)復(fù)雜而有序的結(jié)合體。n核糖體的數(shù)目與生物合成蛋白質(zhì)的活性密切相關(guān)。二、核糖體的結(jié)構(gòu)二、核糖體的結(jié)構(gòu)n核糖體的直徑只有可見光波長的十分之一。因此，單個(gè)的核糖體不能反射可見光，我們也就。n20世紀(jì)70年代，james lake（1976）利用（negative staining techniques）不僅觀察到了核糖體兩個(gè)亞基的形狀，還得到了在完整的核糖體內(nèi)它們是如何配合在一起的信息n30 s核糖體亞基結(jié)構(gòu)包括頭（head）、基部（base

12、）、平臺(tái)（platform）以及縫隙（cleft）等；n50 s 核糖體亞基的結(jié)構(gòu)包括中央突（central protuberance）、莖（stalk）、嵴（ridge）以及谷（valley）等。核糖體30s小亞基的平臺(tái)伸入到50s大亞基的谷中而嵌合在一起。和中的核糖體結(jié)構(gòu)有區(qū)別，說明在蛋白質(zhì)合成過程中有一定的靈活性。njoachim frank等（1995）利用一種更高分辨率的技術(shù)對(duì)大腸桿菌70s核糖體進(jìn)行了更為細(xì)致的描述。他們利用計(jì)算機(jī)將4300張圖象組合起來，形成了核糖體的三維立體圖。n他們還觀察到了核糖體的幾個(gè)新特征，包括上的一個(gè)距（spur）、30s亞基頸部的一個(gè)通道（channe

13、l）以及起始于（interface canyon）的（tunnel）。nmrna經(jīng)由30s亞基頸部的通道形成一個(gè)u型的轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎處與兩個(gè)亞基之間a位點(diǎn)和p位點(diǎn)上的trna發(fā)生相互作用，最后mrna通過30s亞基的平臺(tái)和頭之間的縫隙離開核糖體。n分叉隧道的作用可能是為提供了的通路。n最近，核糖體結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究取得了迅速的進(jìn)展。不僅表現(xiàn)在和的晶體衍射分辨率有了很大的提高，還克服了很多晶體衍射圖象的難點(diǎn)問題。n兩個(gè)亞基在水平上的晶體衍射圖以及整體核糖體在5.0分辨率的分子模型都已經(jīng)發(fā)表 。n大部分的核糖體蛋白，特別是那些大亞基核糖體蛋白，都有手指狀的突起以穩(wěn)定rrna的結(jié)構(gòu)。n核糖體蛋白對(duì)起著修飾

14、的作用。n核糖體的功能中心是富含rna的 ，亞基相互作用的主要位點(diǎn)也是由rna組成，而核糖體蛋白只在和中發(fā)揮作用 。n解碼位點(diǎn)和肽酰轉(zhuǎn)移酶中心都沒有蛋白成分 。現(xiàn)在已經(jīng)確定，距離肽酰轉(zhuǎn)移酶中心核糖體蛋白沒有催化作用，它們的功能主要是維持活性位點(diǎn)的構(gòu)象。n盡管，核糖體蛋白也發(fā)揮著非常重要的作用。沒有了蛋白成分，核糖體既不能裝配也不會(huì)發(fā)揮其功能。 n現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)在翻譯的各階段均有rrna的參與，rrna的正確結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)發(fā)揮催化功能所必需的。n在翻譯起始過程中，rrna的3端直接與mrna作用；16s ；23s rrna與肽酰-trna的cca端直接作用；大小亞基的結(jié)合可能涉及到關(guān)系。n在翻譯的各個(gè)階

15、段，抑制翻譯的抗生素幾乎都作用于rrna，說明了rrna的重要性。n16s rrna的二級(jí)結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)各自獨(dú)立的折疊結(jié)構(gòu)域：5、3和中央結(jié)構(gòu)域 ，最大限度的分子內(nèi)堿基配對(duì)使它成為最穩(wěn)定的分子。n16s rrna的二級(jí)結(jié)構(gòu)確定以后，其三維排布以及在完整的核糖體亞基內(nèi)與核糖體蛋白位置之間的關(guān)系成為分子生物學(xué)家急需回答的問題。三、核糖體的活性位點(diǎn)三、核糖體的活性位點(diǎn)n核糖體可以分為翻譯區(qū)域（translation domain）和逐出區(qū)域（exit domain），占2/3，占1/3，與膜系統(tǒng)結(jié)合。n30s亞基與mrna的結(jié)合需要。s1蛋白和s18與s21組成一個(gè)活性區(qū)域，位于小亞基的峽部，參與。ns1蛋白對(duì)單鏈核酸有很強(qiáng)的親和力，并能，以利于翻譯的進(jìn)行。n16s rrna部