蛋白質(zhì)的生物合成

遺傳信息的傳遞與表達(dá)翻譯（蛋白質(zhì)的生物合成）:以氨基酸為原料以mRNA為模板以tRNA為運(yùn)載工具以核糖體為合成場(chǎng)所起始、延長(zhǎng)、終止各階段蛋白因子參與合成后加工成為有活性蛋白質(zhì)一、遺傳密碼

蛋白質(zhì)是由20種氨基酸組成的，DNA是由A，T，C和G四種脫氧核糖核苷酸構(gòu)成的，但是脫氧核糖核苷酸殘基順序決定了氨基酸的順序！

（一）三聯(lián)體密碼的確立3個(gè)相連的核苷酸代表1個(gè)氨基酸，即每3個(gè)相連的核苷酸組成1個(gè)密碼子，稱(chēng)為三聯(lián)體密碼。組成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種，核酸中只有4種核苷酸：

41=4＜2042=16＜2043=64＞20

三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)證明了遺傳密碼是由mRNA上3個(gè)連續(xù)的核苷酸殘基構(gòu)成的，稱(chēng)為三聯(lián)體密碼子（tripletcodons），下圖給出了三個(gè)證明遺傳密碼是三聯(lián)體密碼的著名實(shí)驗(yàn)的示意圖。（二）遺傳密碼子的破譯

利用以下三方面的研究工作進(jìn)行密碼子的破譯工作：

1、人工合成多種寡核苷酸作為mRNA模板；

2、建立無(wú)細(xì)胞翻譯系統(tǒng)；

3、核糖體結(jié)合技術(shù)；應(yīng)用上述方法，花了5年時(shí)間，Nirenberg等于1966年完成了20種氨基酸的全部密碼的破譯，并編制出了遺傳密碼字典。1966年，全部遺傳密碼都被破譯。左表給出了大腸桿菌中用于蛋白質(zhì)合成的遺傳密碼，這些遺傳密碼幾乎是所有生物通用的。

遺傳密碼（geneticcode)-共64個(gè)遺傳密碼

mRNA5’AUGUCCACCGUAUAA3’

蛋白質(zhì)N端SerThrValC端起始密碼----AUG終止密碼----UAA/UGA/UAG（三）遺傳密碼的基本特點(diǎn)1、密碼子不重疊：每三個(gè)核苷酸為一單位，每個(gè)單位只代表一個(gè)氨基酸；2、密碼的通用性：所有的生物使用同一套密碼子，僅有少數(shù)例外，例如：線(xiàn)立體起始密碼子為AUG、AUU;終止密碼為AGA，AGC；色氨酸為UGA等。3、密碼的連續(xù)性：兩個(gè)密碼子之間無(wú)任何核苷酸加以隔開(kāi)和重疊，如插入或刪除堿基，可發(fā)生移碼突變或框移。4、密碼的簡(jiǎn)并性：一種氨基酸可有多個(gè)密碼子體現(xiàn)這一信息為簡(jiǎn)并性。密碼子的前兩個(gè)堿基決定其專(zhuān)一性，第三位堿基可有變異，如A、G、C、U。

5、密碼子與反密碼子的擺動(dòng)配對(duì)：密碼子和反密碼子的第一第二兩個(gè)堿基的配對(duì)是標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)，而第三個(gè)堿基則可以隨意配對(duì)。

密碼

mRNA5’3’3’5’反密碼

tRNAGCUCGICAtRNA的反密碼子與mRNA分子上的密碼子擺動(dòng)配對(duì)123123自由度的大小由tRNA反密碼子第一位堿基的種類(lèi)決定I-AI-CI-U二、蛋白質(zhì)生物合成的主要部件核糖體：是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所，所有的核糖體都是由大小不同的兩個(gè)亞基組成的。多核糖體一條mRNA鏈上同時(shí)具有許多個(gè)核糖體（每隔80核苷酸有一個(gè)核糖體）一條mRNA可同時(shí)合成多條多肽鏈30S亞基與mRNA結(jié)合形成30S核糖體-mRNA復(fù)合體，該復(fù)合體又能與tRNA專(zhuān)一地結(jié)合;50S亞基上有三個(gè)tRNA結(jié)合部位：氨酰-tRNA部位（aminoacylbingdingsites,A）、肽酰-tRNA部位（peptidylbingdingsites,P）和tRNA退出部位（exitsites,E）。tRNA只能識(shí)別翻譯起始信號(hào)AUG反密碼環(huán)：含反密碼子，可與mRNA上的密碼子相互識(shí)別；為密碼子所特定的氨基酸t(yī)RNA結(jié)合到核蛋白體的A位，稱(chēng)為進(jìn)位。當(dāng)異二聚體在A(yíng)位與mRNA結(jié)合后，改變了肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性，使得該酶能夠水解肽酰-tRNA酯。2、密碼的通用性：所有的生物使用同一套密碼子，僅有少數(shù)例外，例如：線(xiàn)立體起始密碼子為AUG、AUU;終止密碼為AGA，AGC；起始、延長(zhǎng)、終止各階段蛋白因子參與起始tRNA與普通tRNA（p623)蛋白質(zhì)的合成是在模板（mRNA）指導(dǎo)下進(jìn)行的，可將合成過(guò)程分為肽鏈合成的起始、延伸和終止階段。mRNA5’AUGUCCACCGUAUAA3’密碼子的前兩個(gè)堿基決定其專(zhuān)一性，第三位堿基可有變異，如A、G、C、U。（三）遺傳密碼的基本特點(diǎn)真核生物的蛋白質(zhì)合成發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中，所以需要將新合成的蛋白質(zhì)向不同細(xì)胞器的轉(zhuǎn)移，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為蛋白質(zhì)運(yùn)輸或?qū)ぐ校╰argeting）。二、蛋白質(zhì)生物合成的主要部件（3）部分肽段的切除；D環(huán)：含二氫尿嘧啶核苷酸殘基，與氨甲酰-tRNA合成酶的結(jié)合有關(guān)；種類(lèi)起始tRNA---tRNAfmet只能識(shí)別翻譯起始信號(hào)AUG只能結(jié)合于核糖體的肽位（P位）普通tRNA----tRNAmet在翻譯延長(zhǎng)中發(fā)揮作用結(jié)合于核糖體的氨酰位（A位）或肽位（P位）起始tRNA與普通tRNA（p623)氨酰-tRNA的合成

在第一步反應(yīng)中，氨基酸的羧基攻擊ATP的α-磷?；〈沽姿幔砂滨?腺苷酸中間產(chǎn)物:

氨基酸＋ATP＝氨基酸-AMP＋PPi合成的第二步反應(yīng)是氨?；鶑闹虚g產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到tRNA上，生成氨酰-tRNA:

氨基酸-AMP＋tRNA=氨酰-tRNA＋AMP總反應(yīng)為：

氨基酸＋tRNA＋ATP→

氨酰-tRNA＋AMP＋PPi

三、蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)的合成是在模板（mRNA）指導(dǎo)下進(jìn)行的，可將合成過(guò)程分為肽鏈合成的起始、延伸和終止階段。蛋白質(zhì)的合成是通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合體完成的，它包括核糖體、附屬的蛋白質(zhì)因子、mRNA和負(fù)載的tRNA分子，又稱(chēng)為翻譯復(fù)合體。合成的起始起始復(fù)合物的形成取決于幾個(gè)起始因子的作用。在原核生物中，存在著三個(gè)起始因子（InitiationFactor縮寫(xiě)為IF）IF－1，IF－2和IF－3。下圖給出了起始復(fù)合物形成的三個(gè)步驟

IF－1結(jié)合在30S核糖體亞基上，促進(jìn)IF－2和IF－3發(fā)揮作用。IF－3的一個(gè)作用是通過(guò)結(jié)合在30S的小亞基上，使小亞基維持在游離的狀態(tài)，IF－3與30S的結(jié)合可以防止30S和50S亞基形成排斥mRNA的不成熟的70S復(fù)合物。它對(duì)mRNA上的轉(zhuǎn)錄起始位置具有很高的親和性。

蛋白質(zhì)的合成是在模板（mRNA）指導(dǎo)下進(jìn)行的，可將合成過(guò)程分為肽鏈合成的起始、延伸和終止階段。轉(zhuǎn)肽作用發(fā)生后，氨基酸都位于A(yíng)位，P位上無(wú)負(fù)荷氨基酸的tRNA就此脫落，核蛋白體沿著mRNA向3'端方向移動(dòng)一組密碼子，使得原來(lái)結(jié)合二肽酰tRNA的A位轉(zhuǎn)變成了P位，而A位空出，可以接受下一個(gè)新的氨基酰tRNA進(jìn)入，移位過(guò)程需要EF-G，GTP和Mg2+的參加。42=16＜20二、蛋白質(zhì)生物合成的主要部件43=64＞20釋放因子RF－1可以與UAA和UAG結(jié)合，而RF－2能與UAA和UGA結(jié)合，RF－3與RF－1或RF－2結(jié)合形成異二聚體，協(xié)助它們的作用。一、簡(jiǎn)述tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其主要結(jié)構(gòu)部分的功能。結(jié)合了GTP的IF-2-GTP復(fù)合物可以特異識(shí)別起始tRNA，就是說(shuō)，能夠從細(xì)胞中的氨?；膖RNA分子庫(kù)中挑選出fMet-tRNAfmet。遺傳密碼（geneticcode)-共64個(gè)遺傳密碼IF－3的一個(gè)作用是通過(guò)結(jié)合在30S的小亞基上，使小亞基維持在游離的狀態(tài)，IF－3與30S的結(jié)合可以防止30S和50S亞基形成排斥mRNA的不成熟的70S復(fù)合物。在原核生物中，存在著三個(gè)起始因子（InitiationFactor縮寫(xiě)為IF）IF－1，IF－2和IF－3。氨基酰tRNA在進(jìn)位前需要有三種延長(zhǎng)因子的作用，即，熱不穩(wěn)定的EF（Unstabletemperature,EF）EF-Tu,熱穩(wěn)定的EF(stabletemperatureEF,EF-Ts)以及依賴(lài)GTP的轉(zhuǎn)位因子。蛋白質(zhì)是由20種氨基酸組成的，DNA是由A，T，C和G四種脫氧核糖核苷酸構(gòu)成的，但是脫氧核糖核苷酸殘基順序決定了氨基酸的順序！氨基酰tRNA在進(jìn)位前需要有三種延長(zhǎng)因子的作用，即，熱不穩(wěn)定的EF（Unstabletemperature,EF）EF-Tu,熱穩(wěn)定的EF(stabletemperatureEF,EF-Ts)以及依賴(lài)GTP的轉(zhuǎn)位因子。使蛋白質(zhì)定向于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的信號(hào)序列研究的最清楚。

結(jié)合了GTP的IF-2-GTP復(fù)合物可以特異識(shí)別起始tRNA，就是說(shuō)，能夠從細(xì)胞中的氨?；膖RNA分子庫(kù)中挑選出fMet-tRNAfmet

。IF-2-GTP結(jié)合在30S亞基上，通過(guò)形成的30S復(fù)合物識(shí)別mRNA模板上的SD序列和起始密碼，與mRNA相互作用，形成了一個(gè)由fMet-tRNAfmet

、IF-2-GTP以及mRNA組成的前起始復(fù)合物。

一旦形成前起始復(fù)合物，50S亞基就與30S亞基結(jié)合，同時(shí)結(jié)合在IF－2上的GTP水解生成IF-2-GDP和Pi，然后結(jié)合在前起始復(fù)合體上的起始因子IF－1和IF－3解離，最后形成由30S與50S組成的起始復(fù)合物，fMet-tRNAfmet被定位在P位。IF-2-GDP中的GDP與GTP交換重新生成IF-2-GTP。

肽鏈延伸

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成啟動(dòng)后，第二個(gè)密碼被定位準(zhǔn)備接收第二個(gè)氨酰-tRNA。起始氨酰-tRNA占據(jù)P位，A位被用來(lái)接收一個(gè)氨酰-tRNA，這是肽鏈延伸反應(yīng)的第一步。

在多肽鏈上每增加一個(gè)氨基酸都需要經(jīng)過(guò)進(jìn)位，轉(zhuǎn)肽和移位三個(gè)步驟。

1.進(jìn)位為密碼子所特定的氨基酸t(yī)RNA結(jié)合到核蛋白體的A位，稱(chēng)為進(jìn)位。氨基酰tRNA在進(jìn)位前需要有三種延長(zhǎng)因子的作用，即，熱不穩(wěn)定的EF（Unstabletemperature,EF）EF-Tu,熱穩(wěn)定的EF(stabletemperatureEF,EF-Ts)以及依賴(lài)GTP的轉(zhuǎn)位因子。EF-Tu首先與GTP結(jié)合，然后再與氨酰tRNA結(jié)合成三元復(fù)合物，這樣的三元復(fù)合物才能進(jìn)入A位。此時(shí)GTP水解成GDP，EF-Tu和GDP與結(jié)合在A(yíng)位上的氨基酰tRNA分離。

2.轉(zhuǎn)肽--肽鍵的形成（peptidebondformation）在70S起始復(fù)合物形成過(guò)程中，核糖核蛋白體的P位上已結(jié)合了起始型甲酰蛋氨酸t(yī)RNA，當(dāng)進(jìn)位后，P位和A位上各結(jié)合了一個(gè)氨基酰tRNA，兩個(gè)氨基酸之間在核糖體轉(zhuǎn)肽酶作用下，P位上的氨基酸提供α-COOH基，與A位上的氨基酸的α-NH2形成肽鍵，從而使P位上的氨基酸連接到A位氨基酸的氨基上，這就是轉(zhuǎn)肽。轉(zhuǎn)肽后，在A(yíng)位上形成了一個(gè)二肽酰tRNA。3.移位（Translocation)

轉(zhuǎn)肽作用發(fā)生后，氨基酸都位于A(yíng)位，P位上無(wú)負(fù)荷氨基酸的tRNA就此脫落，核蛋白體沿著mRNA向3'端方向移動(dòng)一組密碼子，使得原來(lái)結(jié)合二肽酰tRNA的A位轉(zhuǎn)變成了P位，而A位空出，可以接受下一個(gè)新的氨基酰tRNA進(jìn)入，移位過(guò)程需要EF-G，GTP和Mg2+的參加。IF-2-GDP中的GDP與GTP交換重新生成IF-2-GTP。主要結(jié)構(gòu)部分的功能如下：翻譯（蛋白質(zhì)的生物合成）:氨基酸臂：3’末端含有pCCA結(jié)構(gòu)，功能為連接氨基酸；（1）形成-S-S-鍵加速折疊；3個(gè)相連的核苷酸代表1個(gè)氨基酸，即每3個(gè)相連的核苷酸組成1個(gè)密碼子，稱(chēng)為三聯(lián)體密碼。密碼子的前兩個(gè)堿基決定其專(zhuān)一性，第三位堿基可有變異，如A、G、C、U。D環(huán)：含二氫尿嘧啶核苷酸殘基，與氨甲酰-tRNA合成酶的結(jié)合有關(guān)；（1）形成-S-S-鍵加速折疊；合成后加工成為有活性蛋白質(zhì)密碼子的前兩個(gè)堿基決定其專(zhuān)一性，第三位堿基可有變異，如A、G、C、U。真核生物的蛋白質(zhì)合成發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中，所以需要將新合成的蛋白質(zhì)向不同細(xì)胞器的轉(zhuǎn)移，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為蛋白質(zhì)運(yùn)輸或?qū)ぐ校╰argeting）。只能識(shí)別翻譯起始信號(hào)AUG只能結(jié)合于核糖體的肽位（P位）1966年，全部遺傳密碼都被破譯。多肽鏈延伸的終止

多肽鏈的最后一個(gè)肽鍵形成后，攜帶新合成多肽鏈的肽酰-tRNA從A位轉(zhuǎn)移至P位，終止密碼（UAA、UAG或UGA）進(jìn)入A位，在正常的細(xì)胞中沒(méi)有和終止信號(hào)互補(bǔ)的tRNA。在E.Coli中，有三種釋放因子RF－1、RF－2和RF－3（RF：ReleaseFactor）能夠識(shí)別終止密碼。釋放因子RF－1可以與UAA和UAG結(jié)合，而RF－2能與UAA和UGA結(jié)合，RF－3與RF－1或RF－2結(jié)合形成異二聚體，協(xié)助它們的作用。RF－3也結(jié)合GTP。當(dāng)異二聚體在A(yíng)位與mRNA結(jié)合后，改變了肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性，使得該酶能夠水解肽酰-tRNA酯。伴隨著GTP的水解和釋放因子從核糖體的解離，最后的多肽產(chǎn)物從核糖體釋放出來(lái)。70S核糖體解離為30S和50S亞基，為合成另一個(gè)多肽分子作準(zhǔn)備。蛋白質(zhì)合成是個(gè)耗能過(guò)程，生成氨酰-tRNA時(shí)雖說(shuō)是消耗了一個(gè)ATP，但實(shí)際上是兩個(gè)高能磷酸鍵水解，移位和延伸時(shí)又各消耗了一個(gè)GTP，所以每形成一個(gè)肽鍵都需要4個(gè)高能磷酸鍵的水解。參見(jiàn)p628四、蛋白質(zhì)前提的加工

多肽的修飾：

(1)切除N末端的甲酰-fMet；（2）信號(hào)肽的切除；（3）部分肽段的切除；（4）個(gè)別氨基酸殘基的修飾；（5）糖基或輔基的加入；2.多肽鏈的折疊：

（1）形成-S-S-鍵加速折疊；（2）分子伴侶（監(jiān)護(hù)分子）幫助折疊；五、信號(hào)肽序列