第5章蛋白質(zhì)的生物合成翻譯

1、第5章蛋白質(zhì)的生物合成翻譯主要內(nèi)容第一節(jié) 蛋白質(zhì)合成體系的組成 第三節(jié) 氨基酸及功能蛋白質(zhì)合成后的修飾第二節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成的機(jī)理第四節(jié)蛋白質(zhì)的運(yùn)輸和降解第一節(jié) 蛋白質(zhì)合成體系的組成 一.基因與基因表達(dá)的一般概念基因作為唯一能夠自主復(fù)制、永久存在的單位，其生理學(xué)功能以蛋白質(zhì)形式得到表達(dá)。DNA序列是遺傳信息的貯存者，它通過自主復(fù)制得到永存，并通過轉(zhuǎn)錄生成mRNA，翻譯生成蛋白質(zhì)的過程控制所有生命現(xiàn)象。編碼鏈（coding strand）又稱sense strand，是指與mRNA序列相同的那條鏈。非編碼鏈（anticoding strand），又稱antisense strand，是指那條根據(jù)

2、堿基互補(bǔ)原則指導(dǎo)mRNA生物合成的DNA鏈。Genetic information is perpetuated by replication（復(fù)制）in which a double- stranded nucleic acid is duplicated to give identical copies.基因表達(dá)包括轉(zhuǎn)錄（transcription）和翻譯（translation）兩個(gè)階段。轉(zhuǎn)錄是指拷貝出一條與DNA鏈序列完全相同（除了TU之外）的RNA單鏈的過程，是基因表達(dá)的核心步驟。翻譯是指以新生的mRNA為模板，把核苷酸三聯(lián)子遺傳密碼翻譯成氨基酸序列、合成蛋白質(zhì)多肽鏈的過程，是基因表

3、達(dá)的最終目的。 只有mRNA所攜帶的遺傳信息才被用來指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成，所以人們一般用U、C、A、G這4種核苷酸而不是T、C、A、G的組合來表示遺傳性狀。所謂翻譯是指將mRNA鏈上的核苷酸從一個(gè)特定的起始位點(diǎn)開始，按每3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸的原則，依次合成一條多肽鏈的過程。二. 遺傳密碼三聯(lián)子 mRNA上每3個(gè)核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個(gè)氨基酸，這3個(gè)核苷酸就稱為一個(gè)密碼，也叫三聯(lián)子密碼。翻譯時(shí)從起始密碼子AUG開始，沿mRNA53的方向連續(xù)閱讀直到終止密碼子，生成一條具有特定序列的多肽鏈。 mRNA中只有4種核苷酸，而蛋白質(zhì)中有20種氨基酸，若以一種核苷酸代表一種氨基酸，只能代表4種(

4、41=4)。若以兩種核苷酸作為一個(gè)密碼（二聯(lián)子），能代表42=16種氨基酸。而假定以3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸，則可以有43=64種密碼，滿足了編碼20種氨基酸的需要。 50-60年代破譯遺傳密碼方面的三項(xiàng)重要成果： （1）Paul Zamecnik等人證實(shí)細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成的場所。他們把放射性標(biāo)記的氨基酸注射到大鼠體內(nèi)，經(jīng)過一段時(shí)間后收獲其肝臟，進(jìn)行蔗糖梯度沉淀并分析各種細(xì)胞成份中的放射性蛋白質(zhì)。 如果注射后經(jīng)數(shù)小時(shí)（或數(shù)天）收獲肝臟，所有細(xì)胞成份中都帶有放射性標(biāo)記的蛋白質(zhì); 如果注射后幾分鐘內(nèi)即收獲肝臟，那么，放射性標(biāo)記只存在于含有核糖體顆粒的細(xì)胞質(zhì)成份中。2）Francis Crick等人第

5、一次證實(shí)只有用三聯(lián)子密碼的形式才能把包含在由AUGC四個(gè)字母組成遺傳信息（核酸）準(zhǔn)確無誤地翻譯成由20種不同氨基酸組成的蛋白質(zhì)序列，實(shí)現(xiàn)遺傳信息的表達(dá)。實(shí)驗(yàn)1: 用吖啶類試劑（誘導(dǎo)核苷酸插入或丟失）處理T4噬菌體rII位點(diǎn)上的兩個(gè)基因，使之發(fā)生移碼突變（frame-shift），就生成完全不同的、沒有功能的蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)2: 研究煙草壞死衛(wèi)星病毒發(fā)現(xiàn)，其外殼蛋白亞基由400個(gè)氨基酸組成，相應(yīng)的RNA片段長1200個(gè)核苷酸，與密碼三聯(lián)子體系正好相吻合。 實(shí)驗(yàn)3: 以均聚物為模板指導(dǎo)多肽的合成。 在含有tRNA、核糖體、AA-tRNA合成酶及其它蛋白質(zhì)因子的細(xì)胞抽提物中加入mRNA或人工合成的均聚物

6、作為模板以及ATP、GTP、氨基酸等成分時(shí)又能合成新的肽鏈，新生肽鏈的氨基酸順序由外加的模板來決定。 1961年，Nirenberg等以poly（U）作模板時(shí)發(fā)現(xiàn)合成了多聚苯丙氨酸，從而推出UUU代表苯丙氨酸（Phe）。以poly（C）及poly（A）做模板分別得到多聚脯氨酸和多聚賴氨酸。實(shí)驗(yàn)4: 以特定序列的共聚物為模板指導(dǎo)多肽的合成。以多聚二核苷酸作模板可合成由2個(gè)氨基酸組成的多肽，5UGU GUG UGU GUG UGU GUG3,不管讀碼從U開始還是從G開始，都只能有UGU（Cys）及GUG（Val）兩種密碼子。實(shí)驗(yàn)5: 以共聚三核苷酸作為模板可得到有3種氨基酸組成的多肽。如以多聚（U

7、UC）為模板，可能有3種起讀方式：5UUC UUC UUC UUC UUC3或 5UCU UCU UCU UCU UCU3或 5CUU CUU CUU CUU CUU3分別產(chǎn)生UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu）. 多聚三核苷酸為模板時(shí)也可能只合成2種多肽：5GUA GUA GUA GUA GUA3或5UAG UAG UAG UAG UAG3或5AGU AGU AGU AGU AGU3由第二種讀碼方式產(chǎn)生的密碼子UAG是終止密碼，不編碼任何氨基酸，因此，只產(chǎn)生GUA（Val）或AGU（Ser）。實(shí)驗(yàn)6: 以隨機(jī)多聚物指導(dǎo)多肽合成。Nirenberg等及Ochoa等又用各種隨機(jī)的

8、多聚物作模板合成多肽。例如，以只含A、C的多聚核苷酸作模板，任意排列時(shí)可出現(xiàn)8種三聯(lián)子，即CCC、CCA、CAC、ACC、CAA、ACA、AAC、AAA，獲得由Asn、His、Pro、Gln、Thr、Lys等6種氨基酸組成的多肽。（3）氨基酸的“活化”與核糖體結(jié)合技術(shù)。 如果把氨基酸與ATP和肝臟細(xì)胞質(zhì)共培養(yǎng)，氨基酸就會(huì)被固定在某些熱穩(wěn)定且可溶性RNA分子（transfer RNA，tRNA）上?，F(xiàn)將氨基酸活化后的產(chǎn)物稱為氨基酰-tRNA（aminoacyl-tRNA），并把催化該過程的酶稱為氨基酰合成酶（aminoacyl-tRNA Synthetase）。 以人工合成的三核苷酸如UUU、U

9、CU、UGU等為模板，在含核糖體、AA-tRNA的反應(yīng)液中保溫后通過硝酸纖維素濾膜，只有游離的AA-tRNA因相對分子質(zhì)量小而通過濾膜，而核糖體或與核糖體結(jié)合的AA-tRNA則留在濾膜上，這樣可把已結(jié)合與未結(jié)合的AA-tRNA分開。 當(dāng)體系中帶有多聚核苷酸模板時(shí)，從大腸桿菌中提取的核糖體經(jīng)常與特異性氨基酰-tRNA相結(jié)合。如果把核糖體與poly（U）和Phe-tRNAPhe共溫育，核糖體就能同時(shí)與poly（U）和Phe-tRNAPhe相結(jié)合。 4種核苷酸組成61個(gè)編碼氨基酸的密碼子和3個(gè)終止密碼子，它們不能與tRNA的反密碼子配對，但能被終止因子或釋放因子識(shí)別，終止肽鏈的合成。由一種以上密碼子

10、編碼同一個(gè)氨基酸的現(xiàn)象稱為簡并（degeneracy），對應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子（synonymous codon）。 一個(gè)氨基酸可以有幾個(gè)不同的密碼子的特性。同義密碼子：編碼同一個(gè)氨基酸的一組密碼子。注意：Trp 和 Met只有一個(gè)密碼子。Leu、Arg、Ser 均有6個(gè)密碼子。ATG CGG三.遺傳密碼的特點(diǎn)AAA TGG CCG AAT GAT三.遺傳密碼的特點(diǎn)（1） 密碼的無標(biāo)點(diǎn)性、無重疊性 （2）密碼子的簡并性 密碼子的通用性是指生物細(xì)胞共同使用同一套遺傳密碼字典。只有在一些線粒體中使用的遺傳密碼與通用密碼有所區(qū)別。所以說遺傳密碼基本通用，但非絕對通用。 （3）密碼子的

11、通用性和例外( 4 ) 起始密碼子和終止密子 在64個(gè)密碼子中，有3個(gè)密碼子不編碼任何氨基酸，從而成為肽鏈合成的終止信號(hào)，稱為終止密碼子或無義密碼子，它們是UAA、UAG、UGA。其余的61個(gè)密碼子均編碼不同的氨基酸，其中AUG既是Met的密碼子，又是肽鏈合成的起始信號(hào)，稱為起始密碼子。（5）密碼子的擺動(dòng)性 密碼子的專一性主要是由前兩位的堿基決定，而第三位堿基有較大的靈活性。四、參與蛋白質(zhì)合成的三類RNA及核糖體1.rRNA 與蛋白質(zhì)一起構(gòu)成核糖體蛋白質(zhì)合成“工廠” 核糖體結(jié)構(gòu)組成 核糖體的基本功能結(jié)合mRNA，在mRNA上選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)域開始翻譯密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）的正確配

12、對肽鍵的形成 存在 核糖體可游離存在，真核中，也可同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，形成粗糙的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。原核中，與mRNA形成串狀多核糖體原核生物核糖體組成真核生物核糖體組成2. tRNA 結(jié)合氨基酸：一種氨基酸有幾種tRNA攜帶，結(jié)合需要ATP供能,氨基酸結(jié)合在tRNA3-CCA的位置。 反密碼子：每種tRNA的反密碼子，決定了所帶氨基酸能準(zhǔn)確的在mRNA上對號(hào)入座 。 反密碼子與mRNA的第三個(gè)核苷酸配對時(shí)，不嚴(yán)格遵從堿基配對原則 3. mRNA 攜帶著DNA的遺傳信息，是多肽鏈的合成模板 在原核細(xì)胞內(nèi)，存在時(shí)間短，在轉(zhuǎn)錄的同時(shí)翻譯 在真核細(xì)胞內(nèi)，較穩(wěn)定 蛋白質(zhì)合成時(shí)，mRNA結(jié)合于核糖體小亞基上，大亞 基結(jié)合

13、帶氨基酸的tRNA，tRNA的反密碼子與mRNA密碼子配對，ATP供能，合成蛋白質(zhì)。四. 核糖體核糖體像一個(gè)能沿mRNA模板移動(dòng)的工廠，執(zhí)行著蛋白質(zhì)合成的功能。它是由幾十種蛋白質(zhì)和幾種核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）組成的亞細(xì)胞顆粒。一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)約有20000個(gè)核糖體，而真核細(xì)胞內(nèi)可達(dá)106個(gè)，在未成熟的蟾蜍卵細(xì)胞內(nèi)則高達(dá)1012。核糖體和它的輔助因子為蛋白質(zhì)合成提供了必要條件。 1.核糖體的組成 原核生物核糖體由約2/3的RNA及1/3的蛋白質(zhì)組成。真核生物核糖體中RNA占3/5，蛋白質(zhì)占2/5。核糖體是一個(gè)致密的核糖核蛋白顆粒，可以解離為兩個(gè)亞基，每個(gè)亞基都含有一個(gè)相

14、對分子質(zhì)量較大的rRNA和許多不同的蛋白質(zhì)分子。 大腸桿菌核糖體小亞基由21種蛋白質(zhì)組成，分別用S1S21表示，大亞基由33種蛋白質(zhì)組成，分別用L1L33表示。真核生物細(xì)胞核糖體大亞基含有49種蛋白質(zhì)，小亞基有33種蛋白質(zhì)。2.核糖體的功能 核糖體包括至少5個(gè)活性中心，即mRNA結(jié)合部位、結(jié)合或接受AA- tRNA部位（A位）、結(jié)合或接受肽基tRNA的部位、肽基轉(zhuǎn)移部位（P位）及形成肽鍵的部位（轉(zhuǎn)肽酶中心），此外還有負(fù)責(zé)肽鏈延伸的各種延伸因子的結(jié)合位點(diǎn)。小亞基上擁有mRNA結(jié)合位點(diǎn)，負(fù)責(zé)對序列特異的識(shí)別過程，如起始位點(diǎn)的識(shí)別和密碼子與反密碼子的相互作用。大亞基負(fù)責(zé)氨基酸及tRNA攜帶的功能，如

15、肽鍵的形成、AA- tRNA、肽基- tRNA的結(jié)合等。A位、P位、轉(zhuǎn)肽酶中心等主要在大亞基上。 核糖體可解離為亞基或結(jié)合成70S/80S顆粒。翻譯的起始階段需要游離的亞基，隨后才結(jié)合成70S/80S顆粒，繼續(xù)翻譯進(jìn)程。體外反應(yīng)體系中，核糖體的解離或結(jié)合取決于Mg2+離子濃度。在大腸桿菌內(nèi)，Mg2+濃度在10-3mol/L以下時(shí)，70S解離為亞基，濃度達(dá)10-2mol/L時(shí)則形成穩(wěn)定的70S顆粒。細(xì)胞中大多數(shù)核糖體處于非活性的穩(wěn)定狀態(tài)，單獨(dú)存在，只有少數(shù)與mRNA一起形成多聚核糖體。它從mRNA的5末端向3末端閱讀密碼子，至終止子時(shí)合成一條完整的多肽鏈。mRNA上核糖體的多少視mRNA的長短而

16、定，一般40個(gè)核苷酸有一個(gè)核糖體。 多肽鏈合成的起始 多肽鏈的延伸 多肽鏈終止和釋放一、原核生物蛋白質(zhì)合成的分子機(jī)制第二節(jié)、蛋白質(zhì)生物合成的機(jī)理（1）、70S核糖體的解聚（2）、30S核糖體IF1.3復(fù)合物的形成（3）、 30S核糖體起始復(fù)合物的形成（4）、 70S核糖體起始復(fù)合物的形成（一）原核生物中多肽鏈的起始1、起始事件2、多肽鏈起始事件的順序過程起始RNA甲酰甲硫氨酸-tRNA轉(zhuǎn)移酶以N10-甲酰基四氫葉酸為甲基供體催化甲酰甲硫氨酸-tRNA的甲?；杀籈.coli 核糖體識(shí)別的不同S-D序列mRNA識(shí)別與對準(zhǔn)（1）、氨基酸的進(jìn)位（2）、轉(zhuǎn)肽（3）、移位3、多肽鏈的延伸（1）、氨基酸的

17、進(jìn)位E.coli 核糖體中多肽鏈延伸事情的循環(huán)圖解(2)、肽基轉(zhuǎn)移使70S核糖體與mRNA復(fù)合物返回到延伸循環(huán)起點(diǎn)的三個(gè)驟：脫酰基tRNA自P位點(diǎn)的脫離肽基-tRNA從A位點(diǎn)移到P位點(diǎn)（3）、移位23SRNA是實(shí)質(zhì)的肽基移位酶23SRNA的肽基轉(zhuǎn)移中心核糖體向后移動(dòng)，使下一密子進(jìn) 入A位點(diǎn)該過程需要EFG的幫助結(jié)合狀態(tài)模型肽基轉(zhuǎn)移與移位中核糖體兩tRNA分子相對位置模型GTP水解刺激核糖體構(gòu)象的改變進(jìn)而實(shí)施其功能蛋白質(zhì)合成的能量消耗為每個(gè)氨基酸至少需四個(gè)高能磷酸鍵，此外還需兩個(gè)GTP，運(yùn)于氨酰-tRNA合成中氨基酸的活化4、肽鏈的終止肽鏈終止事件核糖體的生活周期多聚核糖體是蛋白質(zhì)合成的活躍結(jié)構(gòu)

18、多核糖體的電子顯微圖E.coli色氨酸操縱子原核生物中轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)譯間的關(guān)系真核mRNA的特征結(jié)構(gòu)二、真核細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成 43S前起始復(fù)合物的形成 43S起始復(fù)合物與mRNA的結(jié)合及40S核糖體亞基遷移至正確的起始密碼子AUG 80S起始復(fù)合物的形成1、真核蛋白質(zhì)起始的過程 真核生物中，延伸循環(huán)與原核生物中非常相似。三個(gè)真核延伸因子稱作eIF1、eIF、eIF2,它們具有與相應(yīng)的細(xì)菌延伸因子EF-Tu、EF-Ts、EF-G類似的功能。2、真核生物中肽鏈的延伸真核生物中一個(gè)稱為eIF的釋放因子識(shí)別所有的三個(gè)終止密碼子3、真核肽鏈的終止真核細(xì)胞中轉(zhuǎn)譯起始的三個(gè)步驟示意圖 6、蛋白質(zhì)合成的抑制劑 抗菌

19、素對蛋白質(zhì)合成的作用可能是阻止mRNA與核糖體結(jié)合（氯霉素），或阻止AA-tRNA與核糖體結(jié)合（四環(huán)素類），或干擾AA-tRNA與核糖體結(jié)合而產(chǎn)生錯(cuò)讀（鏈霉素、新霉素、卡那霉素等），或作為競爭性抑制劑抑制蛋白質(zhì)合成。 鏈霉素是一種堿性三糖，干擾fMet-tRNA與核糖體的結(jié)合，從而阻止蛋白質(zhì)合成的正確起始，并導(dǎo)致mRNA的錯(cuò)讀。若以poly（U）作模板，則除苯丙氨酸（UUU）外，異亮氨酸（AUU）也會(huì)摻入。對鏈霉素敏感位點(diǎn)在30S亞基上。 嘌呤霉素是AA-tRNA的結(jié)構(gòu)類似物，能結(jié)合在核糖體的A位上，抑制AA-tRNA的進(jìn)入。它所帶的氨基與AA- tRNA上的氨基一樣，能與生長中肽鏈上的羧基生

20、成肽鍵，這個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物是一條3羧基端掛了一嘌呤霉素。 青霉素、四環(huán)素和紅霉素只與原核細(xì)胞核糖體發(fā)生作用，從而阻遏原核生物蛋白質(zhì)的合成，抑制細(xì)菌生長。氯霉素和嘌呤霉素既能與原核細(xì)胞核糖體結(jié)合，又能與真核生物核糖體結(jié)合，妨礙細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成，影響細(xì)胞生長。因此，前3種抗生素被廣泛用于人類醫(yī)學(xué)，后兩種則很少在醫(yī)學(xué)上使用。 第三節(jié)、氨基酸及功能蛋白質(zhì)合成后的修飾 1.蛋白質(zhì)剛剛被合成時(shí)，都以fMet（原核）或Met（真核）開始，多肽合成后，N端的formyl group、Met殘基，有時(shí)還包括N揣多個(gè)殘基或C端的殘基都會(huì)被切除。50%的真核蛋白中，N-端殘基的氨基酸會(huì)被N-乙基化。2.切除信號(hào)肽。許多

21、蛋白質(zhì)都帶有15-30個(gè)殘基的signal peptides，負(fù)責(zé)指導(dǎo)蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的精確定位。3.特定氨基酸的修飾。4.氨基酸的糖苷化5.氨基酸的異戊烯化（Addition of Isoprenyl Groups）6.有些蛋白質(zhì)還要與輔基(prosthetic groups)相結(jié)合； Cytochrome C只有與血紅素（heme）相結(jié)合才有功能。此外，Acetyl-CoA羧化酶常與Biotin分子相結(jié)合。有些蛋白質(zhì)必須經(jīng)蛋白酶切割后才有功能。有些蛋白質(zhì)只有在形成二硫鍵之后才有功能。第四節(jié)、蛋白質(zhì)的運(yùn)輸和降解 1、絕大部分被運(yùn)入ER內(nèi)腔的蛋白質(zhì)都帶有一個(gè)Signal peptide。該序列常常位于蛋白質(zhì)的氨基末端，長度一般在13-36個(gè)殘基之間，有三個(gè)特點(diǎn)： （1）一般帶有10-15個(gè)疏水氨基酸； （2）常常在靠近該序列N-端疏水氨基酸區(qū)上游帶有1個(gè)或數(shù)個(gè)帶正電荷的氨基酸； （3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位點(diǎn)處常常帶有數(shù)個(gè)極性氨基酸，離切割位點(diǎn)最近的那