第十四章 蛋白质的生物合成

第十四章蛋白质的生物合成主要内容信使RNA和遗传密码核糖体转移RNA的功能蛋白质生物合成的机制真核生物与原核生物蛋白质合成的差异蛋白质合成后加工蛋白质生物合成下一页上一页DNA将其遗传信息转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。蛋白质合成的必要条件：20种氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白体、酶和蛋白因子、无机离子、ATP、GTP合成方向：N→C端一、信使RNA和遗传密码mRNA与遗传信息的传递遗传密码的破译遗传密码的特性(一）mRNA与遗传信息的传递蛋白质合成的信息来自于DNA，合成的模板是mRNA上一页蛋白质的合成是在核糖体上进行的，而遗传信息载体DNA存在于核中，必然有一种中间物来传递DNA上的信息。推测这种中间物极不稳定，在蛋白质合成时产生，合成结束后又分解，半寿期很短。后来科学家用实验证明这种中间物就是mRNA。节首章首(一）mRNA与遗传信息的传递上一页1954年,物理学家GamouvG首先对遗传密码进行探讨。他认为核酸分子中只有四种碱基，显然碱基与氨基酸的关系不是一对一的关系。若两个碱基决定一个氨基酸只能编码16种氨基酸，也是不够的；而三个碱基对一个氨基酸，四个碱基可产生64个密码，足以编码20种氨基酸，所以编码氨基酸的最低碱基数是3，即密码子可能是三联体。mRNA上的三个核苷酸决定一个氨基酸节首(一）mRNA与遗传信息的传递上一页1961年，CrickFHC等人用遗传学的方法证明了三联密码子的学说是正确的。遗传学上把由于密码移位而造成的突变称为移码突变在E.coli的T4DNA上的一个基因缺失（或增加）一个或二个核苷酸会造成缺失（或增加）部位以后的全部氨基酸误译。若同时缺失（或增加）三个核苷酸，前后核苷酸表达仍和正常一样。必须假设密码子是三联体才能完满地解释以上这些实验结果。节首(一）mRNA与遗传信息的传递上一页生物化学上的证据烟草坏死卫星病毒中有一分子RNA可编码外壳蛋白的一个亚基，此RNA由1200个核苷酸组成，而此亚基由400个氨基酸组成，也由此证明三个核苷酸决定一个氨基酸节首上一页(二)遗传密码的破译遗传密码的概念：mRNA上的核苷酸顺序与蛋白质中的氨基酸之间的对应关系称为遗传密码。mRNA上每三个连续核苷酸对应一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子，或三联体密码（tripletcodons）。以下是三个不同的证明遗传密码是mRNA上3个连续的核苷酸残基构成的实验。1961年，Nirenberg等人用大肠杆菌的无细胞体系在各种RNA的人工模板下合成多肽，从而推断出各氨基酸的密码子，后来他与Khorana以及霍利分享了1968年诺贝尔生理学奖。节首上一页(二)遗传密码破译的三个实验第一个实验是1961年由美国的M.Nirenberg等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链,用它作模板,利用大肠杆菌蛋白提取液和GTP在体外合成蛋白质。发现多聚(U)导致多聚Phe的合成,表明多聚(U)编码多聚Phe；类似的实验表明,多聚(A)编码多聚Lys；多聚(C)编码多聚Pro(下图A)。第二个实验（核糖体结合技术）是1964年也是由美国的M.Nirenberg等人完成的。他们首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接的是那一种氨基酸。该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据（下图B）。节首上一页第三个实验是由Jones,Khorana等人完成的。他们利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可以生成三种重复的多肽链（下图C）。若从A翻译，则合成出多聚Ile，即AUC对应Ile；若从U翻译，则合成出多聚Ser，即UCA对应Ser；若从C翻译，则合成出多聚His，即CAU对应His。这是因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从A、或U、或C翻译，所以有三种重复的多肽链生成。(二)遗传密码破译的三个实验节首上一页(二)遗传密码破译的三个实验节首1966年，Nirenberg和Khorana全部遗传密码字典64个密码子61个负责20种氨基酸翻译，1个起始密码子(AUG和GUG)3个终止密码子Nirenberg和Khorana1968年诺贝尔奖(三)遗传密码的特点⑴密码子的方向性密码子(mRNA上由三个相邻的核苷酸组成一个密码子，代表肽链合成中的某种氨基酸或合成的起始与终止信号)的阅读方向及它们在mRNA由起始信号到终止信号的排列方向均为5-3’，与mRNA链合成时延伸方向相同。⑵密码子的简并性64-3=61个代表20种氨基酸，仅甲硫氨酸、色氨酸只有一个密码子。一个氨基酸可以有几个不同的密码子，编码同一个氨基酸的一组密码子称为同义密码子。这种现象称为密码子的简并性。⑶密码子的连续性（读码）（无标点、无重叠）从正确起点开始至终止信号，密码子的排列是连续的。既不存在间隔（无标点），也无重叠。在mRNA分子上插入或删去一个碱基，会使该点以后的读码发生错误，称为移码，由这种情况引起的突变称为移码突变。⑷密码子的基本通用性（近于完全通用）对于高等、低等生物都适用.有例外,一些原核生物中利用终止密码翻译AA（UGA-Trp(色)\硒代半胱氨酸）3‘起始密码子5‘⑸起始密码子和终止密码子64种密码子中，AUG为甲硫氨酸的密码子，又是肽链合成的起始密码子，UAA，UAG，UGA为终止密码子，不编码任何氨基酸，而成为肽链合成的终止部位（无义密码子）。⑹密码子的摆动性（变偶性）如丙氨酸：GCU，GCC，GCA，GCG，只第三位不同，显然密码子的专一性基本取决于前两位碱基，第三位碱基有较大灵活性。发现tRNA上的反密码子与mRNA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的，第三位碱基可以有一定变动，这种现象称为密码的摆动性或变偶性（wobble）。IA、U、C配对。二、核糖体核糖体是蛋白质合成的工厂。（一）核糖体的组成和结构：1、组成：60-65%rRNA，30-35%蛋白质。2、结构：球形颗粒，由大小二个亚基组成。电镜下的核糖体大小亚基原核与真核核糖体的主要区别原核真核直径大小18nm,70S20-22nm,80S细胞质中部位与mRNA结合与内质网结合、线粒体、叶绿体数量/细胞15000106-107（二）核糖体的功能：1、16SrRNA对识别mRNA上肽链起始位点起重要作用。2、参与肽链的启动、延长、终止、移动等核糖体大亚基X-衍射图3、功能位点：1）mRNA结合位点：大小亚基的结合面上，为蛋白质合成处。2）P位点：肽酰-tRNA结合位点，起始-tRNA和肽酰基-tRNA结合位点。3）A位点：氨酰-tRNA结合位点。三、转移RNA的功能(一）结构：二级结构：三叶草；三级结构：倒“L”。（二）与蛋白质合成有关的位点：1、反密码子位点：由密码子环下方的3个碱基组成，与mRNA上密码子的碱基互补。2、3’末端的CCA序列：为aa接受位点，aa共价结合到A残基上。3、识别aa-tRNA合成酶的位点：4、核糖体识别位点。反密码子反密码子环合成酶aa位点可变环D臂Tψ环Tψ臂（三）功能1、有携带aa的功能；具倒L型三级结构的tRNA在ATP和酶作用下，可与特定aa结合。2、有接头作用：氨酰-tRNA凭借自身的反密码子，依靠核糖体的特定位点识别mRNA的密码子并以碱基配对方式与之结合的作用。将aa带到肽链的一定位置。3、近年的研究1）第二遗传密码系统的破译：第二遗传密码系统：①将tRNA分子上的某个碱基或bp可决定tRNA携带专一aa的作用；②aa-tRNA合成酶和tRNA之间的相互作用称为~。由此认为：tRNA也储存遗传密码，如：Lys-tRNA的aa接受臂上的G3·G70→G3·U70取代时，可接受Ala(丙)tRNA中的识别碱基2、人工合成的小螺旋结构可携带aa由此说明：tRNA携带aa并不一定需要完整的分子结构。四、蛋白质生物合成的分子机制概念：mRNA解读方向：5’→3’肽链延伸方向：从N端向C端进行。5’3’N端C端过程：(1)aa的激活；(2)肽链合成的启动；(3)肽链延长；(4)肽链合成终止释放；(5)肽链折叠和加工。（一）氨基酸的活化（氨酰-tRNA的合成）aa-tRNA合成酶：具高度专一性，表现在：1）对aa；2）对tRNA，从而保证了pr合成的忠实性。aa-tRNA合成酶反应过程：分两步，在细胞质中完成：1）aa-AMP-E复合物形成：需Mg2+、Mn2+；2）aa从aa-AMP-E转移到相应的tRNA上：E+E--E表示：如：用于起始的第一个aa为N-甲酰甲硫氨酸（fMet），起始用的氨酰-tRNA表示为：fMet-tRNAfMet也可简写成：fMet-tRNA氨酰-tRNA的合成（二）在核糖体上合成肽链以E.coil为例1、肽链合成的起始（initiation)：1)起始所需材料：核糖体30S亚基、50S亚基；带起始密码的mRNA；fMet-tRNAfMet；起始因子（IF1、IF2、IF3）；2个GTP；Mg2+。通常在起始密码上游有SD序列（富含嘌呤），有利于与16SrRNA互补，有利于mRNA与rRNA的结合。故又称核蛋白结合位点（ribosomalbindingsiteRBS)①SD序列：②原核细胞合成pr都从fMet开始；由细胞内甲酰化酶催化Metα-NH2甲酰化，③起始因子（initiationfactors,IF)：IF3：阻止30S亚基与50S亚基结合；IF2：具GTP水解酶的作用；IF1：协调IF2、IF3离开小亚基。2）起始过程：①大小亚基分开；②形成复合物；30S·mRNA·IF3③形成30S起始复合物④形成有生物学功能的70S起始复合物。此时空着的A位点准备接受下一个aa-tRNA。2、肽链延伸（elongation)：所需组分：70S起始复合物aa2-tRNA2转肽酶（肽酰转移酶peptidyltransferase）延伸因子：EF-Tu、EF-Ts移位因子（移位酶，G因子）2个GTPMg2+反应分三步：1）进入A位点：Tu-GTP与aa2-tRNA2结合成复合物，aa2-tRNA2与A位点上mRNA密码子结合，重新生成Tu-GTP。除fMet-tRNAfMet外，所有aa-tRNA进入A位点都需先与Tu-GTP结合。延长因子(elongationfactor,EF-T）的循环2）肽键形成：P位点上fMet与tRNA脱离，在转肽酶作用下，其羧基与A位上的aa2-tRNA2的氨基形成肽键，成2肽。此时，P位空出。3）移位：在移位酶(G)作用下，肽酰-tRNA从A→P，消耗GTP。核糖体沿mRNA5’→3’移动了1个密码子的距离，使原来A位上的肽酰-tRNA到P位，原来P位上无负载的tRNA离开核糖体。重复至肽链必需长度。延长过程：3、肽链合成的终止与释放1）所需材料：70S核糖体、带终止密码的mRNA、释放因子（RF1、RF2、RF3）。2）释放因子（releasefactor,RF)的功能：RF1：识别终止密码UAA、UAG；RF2：帮助识别终止密码UAA、UGA；RF1和RF2还可使P位上的转肽酶活性转变成水解酶活性，使肽酰-tRNA进入水相而不去A位。RF3：协助肽链从P位点释放。3)终止(termination)包括两步：A、RF与mRNA终止信号结合，激活转肽酶；B、水解肽链和tRNA间的键，新合成肽链、tRNA、mRNA离开核糖体，后者即解离成大、小亚基，进入下一轮反应。蛋白质的合成过程五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异合成机理类似，但真核生物的某些步骤更为复杂，涉及更多的蛋白因子。（一）mRNA：原核；多顺反子（为二条或多条多肽链编码的mRNA）；真核：单顺反子（为一条多肽链编码的mRNA），无富含嘌呤的起始序列。（二）起始复合物形成