14蛋白質(zhì)合成

1、第十四單元 蛋白質(zhì)的生物合成一、遺傳密碼DNA編碼鏈或mRNAb的核苷酸，以3個為一組(三聯(lián) 體)決定1個氨基酸的種類，稱為三聯(lián)體密碼。mRNA勺三 聯(lián)體密碼是連續(xù)排列的，因此，mRNA勺核苷酸序列可以決 定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。(一)遺傳密碼的破譯1953年 Dounce假設(shè)DNA通過RNA將信息傳給蛋 白質(zhì)， RNA 上每三個核苷酸形成一個 “空洞 ”，正好將一 個氨基酸裝進(jìn)去。該假說允許三聯(lián)體的重疊。1954 年 物理學(xué)家 Gamow 與 Teller 等人合作，提出 三聯(lián)體不可重復(fù)。1957 年 Crick 也提出了三聯(lián)體的假說，提出要解決 “天書”的“詞法”和“句法”，必須要有一本標(biāo)準(zhǔn)詞

2、典，認(rèn) 為 64 種組合中的 44 種是 “簡并密碼 ”。1961 年 Nirenberg, Matthaei & Ochoa 開始用生物化 學(xué)手段破譯密碼，得到 20 種氨基酸的密碼子的核苷酸序 列。1964年 Khorana 合成了 U 和 G 交替的多聚核苷酸， 合成的肽為 VCVCVC，后來合成了 UUGUUUGUUG產(chǎn) 生了 poly(L), poly(C)和poly(V)，由此確定了一些密碼子的核苷酸序列1964 年 Nirenberg 用合成的三聯(lián)體與 tNRA 進(jìn)行密 碼子反密碼子的堿基配對，并與核糖體結(jié)合，使密碼破 譯的速度大大加快。1966 年 遺傳密碼的破譯工作基本結(jié)束，

3、 Crick 繪制 了密碼表，提出了擺動學(xué)說( wobble concept，) 及時收回 了“同義詞 ”不存在的假設(shè)。(二)遺傳密碼的特點(1)遺傳密碼為三聯(lián)體：模板從mRNA5端的起始密 碼子開始，到3端的終止密碼稱為開放讀碼框架。在框 架內(nèi)每 3 個堿基組成 1 個密碼子，決定 1 個氨基酸。( 2)遺傳密碼的種類：遺傳密碼共 64 個，其中 61 個密碼子分別代表各種氨基酸。 3 個為肽鏈合成的終止信 號。位于5端的AUG除了代表甲硫蛋氨酸外，還是肽 鏈合成的起始信號。(3) 遺傳密碼的連續(xù)性：對 mRNA分子上密碼子的閱 讀方法叫讀碼。正確讀碼是每 3 個相鄰堿基一組，不間斷 地連續(xù)

4、讀下去，直到出現(xiàn)終止密碼為止。mRNAt堿基的插 入和缺失，可導(dǎo)致框移突變。(4) 遺傳密碼的簡并性：有 61 個密碼子代表 20 種 氨基酸，每個密碼子只代表一種氨基酸，而多數(shù)氨基酸都有24個密碼子，這種由幾個密碼子編碼同一氨基酸的 現(xiàn)象稱為簡并性。 從密碼表上可看出密碼子的第 3 位堿基 通常是簡并的。（5）遺傳密碼的擺動性：指密碼子與反密碼子配對 不遵從堿基配對規(guī)律，此不嚴(yán)格的配對關(guān)系稱為擺動性。 如丙氨酰-tRNA反密碼子的第1位堿基I可以與密碼子第 3位的A C或U配對。遺傳密碼的擺動性使一種 tRNA可 以識別幾種代表同一種氨基酸的密碼子。（6）遺傳密碼的通用性：從細(xì)菌到人的遺傳密

5、碼都 市通用的， 但近年發(fā)現(xiàn)哺乳類動物線粒體的蛋白質(zhì)合成體 系中有個別例外。如UAG不代表終止密碼子，而代表色氨 酸；CUA不代表亮氨酸，而代表蘇氨酸。（7）遺傳密碼的防錯系統(tǒng)：由于遺傳密碼的簡并性， 有 4 個密碼的氨基酸，其第三位的堿基被替換，仍編碼同 一種氨基酸，從遺傳密碼表可以看出，只要遺傳密碼的第 二位是U,則第一位和第三位不論怎么變化，其編碼的氨 基酸總是疏水性的，如第二位是 C,則其編碼的氨基酸是 非極性的或極性不帶電荷的，若第二位為 A或G則編碼 的氨基酸R基是親水性的，第一位是 A或C,第二位是A 或G,則編碼的氨基酸R基是堿性的，若前兩位是AG則編 碼的氨基酸R基是酸性的。

6、這些規(guī)律使某些核苷酸的替換可以不引起肽鏈中氨基酸的變化， 或被替換的氨基酸理化 性質(zhì)相似。這便是密碼的防錯系統(tǒng)。二、 tRNA 轉(zhuǎn)運(yùn)活化的氨基酸至 mRNA 模板上1. 佃57年Hoagland, M.B.發(fā)現(xiàn)一類穩(wěn)定的 RNA小分 子，不與核糖體結(jié)合，因而不同于 mRNA 和 rRNA 。2. Crick, F.比較了核酸和氨基酸的大小和形狀后，認(rèn)為不可能在空間上互補(bǔ)，因此預(yù)測： (1) 存在一類分子轉(zhuǎn) 換器，使信息從核酸序列轉(zhuǎn)換成氨基酸序列； (2) 這種分 子很可能是核酸； (3) 它不論以何種方式進(jìn)入蛋白質(zhì)翻譯 系統(tǒng)的模板，都必須與模板形成氫鍵(即配對)；(4) 有20 種分子轉(zhuǎn)換器，

7、每種氨基酸一個； (5) 每種氨基酸必定 還有一個對應(yīng)的酶，催化與特定的分子轉(zhuǎn)換器結(jié)合。3.1963 年， Ehrenstein 等人用實驗證明了 Hoagland 發(fā)現(xiàn)的分子就是 Crick 預(yù)言的分子轉(zhuǎn)換器，即 tRNA。4.1965年 Holley 經(jīng)過 7 年的努力測出酵母 Ala-tRNA 序列。三、核糖體是蛋白質(zhì)合成的工廠1.早在本世紀(jì) 30 年代后期就發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中 都有核酸存在，不過用 1924 年福爾根發(fā)明的染色法只能 使細(xì)胞核中的核酸染色。但兩種核酸在 260nm 的吸收非 常相似。2.1941 年，細(xì)胞學(xué)家 J.Brachet 和 T.Caspersor 注意 到細(xì)

8、胞質(zhì)中的核酸與蛋白質(zhì)的合成有密切的關(guān)系。3.50 年代有人用電子顯微鏡和物理化學(xué)手段發(fā)現(xiàn)大 腸桿菌細(xì)胞質(zhì)的 RNA 常常存在于蛋白質(zhì)合成相關(guān)的顆粒 中(20nm,用35S進(jìn)行脈沖式標(biāo)記的實驗證明該顆粒是 蛋白質(zhì)合成的所在地) ，簡稱核糖體。4.核糖體得到分離后，發(fā)現(xiàn)含有 RNA ，即稱 rRNA 。 Watson等發(fā)現(xiàn)rRNA的G半C, A半U,斷定是一單鏈分 子。核糖體有三個重要的作用為點A位點(或稱 acceptor site)可以進(jìn)入氨基酰 -tRNA(aminoacyl-tRNA) 。 P 位 點 ( 或 稱 供 位 ， donor site) 是 被 肽 基 酰 -tRNA(pept

9、idyl-tRNA) 所占據(jù)。3 E 位點 (Exit site) 脫酰 tRNA(deacylated-tRNA) 短 暫地占據(jù)。四、原核生物蛋白質(zhì)合成的步驟(一) 氨酰 -tRNA 合成酶使氨基酸結(jié)合到特定的 tRNA 上 aa + ATP + 氨基酰-AMP-E + PPi ,氨基酰-AMP-E + tRNA f aa - tRNA+AMP +E 總反應(yīng)為：氨基酸 tRNA ATP = 氨酰 -tRNA AMP PPi此酶專一性很高，只作用于L-氨基酸，每種氨基酸有 一個專一的酶。酶有校對機(jī)制，一方面對轉(zhuǎn)運(yùn) RNA 有專 一性，另一方面還有水解位點， 可水解錯誤?；陌被帷?（ 二 ）

10、 肽鏈合成的起始起始信號：起始密碼子是AUG其上游約10個核苷酸 處有一段富含嘌吟的SD序列，可與16S rRNA的3端互 補(bǔ)，與起始有關(guān)。甲硫氨酸的單一的密碼子有兩種 tRNA 去識別，即 tRNAMet和tRNAet,它們有相同的反密碼子5 -CAU3,但 有不同的專一性，當(dāng)甲硫氨酸與tRNAMet反應(yīng)生成 Met- tRNAMet 后, 可進(jìn)一 步甲 酰化生成 甲 酰甲 硫氨酰 - tRNAMfet ， 即 fMet- tRNAMet。這種甲?；磻?yīng)不會在甲硫氨酸或Met-tRNAT上發(fā)生。因為在mRN艇始密碼子的上游區(qū)（5端） 有一段富含嘌吟的Shine-Dalgarno序列（簡稱SD

11、序列）, 它能與核糖體30S小亞基16SrRNA的3端一段富含嘧啶 的序列互補(bǔ)結(jié)合，使30S小亞基正確定位在mRN的 5端。 SD序列允許fMet- tRNAMet正確結(jié)合在30S小亞基P位的起始 密碼子上。此外，無論是甲?；蚍羌柞；?Met-tRNAMet都 不能與EF-Tu和GTP形成復(fù)合物，也保證了只有 Met- tRNAT能夠進(jìn)入核糖體的A位，使甲硫氨酸能參入肽鏈的內(nèi)部。（ 三 ） 起始復(fù)合物的形成原核生物翻譯起始復(fù)合物的形成過程需要 3 種起始因 子參加，即 IF-1 、IF-2 和 IF-3 。起始過程可分為 4 個步 驟：（1）核糖體大小亞基的分離：翻譯起始時， IF-3 結(jié)

12、 合到核糖體30S亞基靠近50S亞基的邊界，使大、小亞基 分離。IF-1協(xié)助IF-3的結(jié)合，單獨的30S亞基易于與mRNA 及起始tRNA結(jié)合。（2）mRNAt核糖體小亞基上就位：mRNAf核糖體小 亞基的結(jié)合是靠前者的SD序列與后者的16SrRNA互補(bǔ)及 rps-1 與其識別序列的相互辯認(rèn)。（3）fmet-tRNA 的結(jié)合：fmet- tRNA結(jié)合 mRNAl核 糖體，需要IF-2 參與。IF-2 先與 GTP結(jié)合，再結(jié)合 fmet- tRNAMet,生成 fmet-tRNA-IF2-GTP 復(fù)合物。這一復(fù)合物 的就位，還可推動 mRNAfe 30S亞基上前移，使起始tRNA 到達(dá) P 位。

13、這是一個消耗能的過程， IF-1 也促進(jìn)這一結(jié)合 作用。（4）核糖體大亞基的結(jié)合：mRNA和起始tRNA都與 30S亞基結(jié)合后，IF-3先脫落，接著，IF-2和IF-1相繼 脫落，在已有mRNA口起始tRNA的30S亞基上，加入核糖體的大亞基，形成以70S核糖體為主體的翻譯起始復(fù)合物。 （四）肽鏈的延伸肽鏈的延伸可分三步描述：（1）注冊（或稱進(jìn)位），即在延長因子 EF-Tu、EF-Ts 和GTP參與下，氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體A位，進(jìn)位完成后， 核糖體P位有起始者-tRNA（第二輪以后則為肽酰tRNA。 A位有下一位的氨酰-tRNA；（2） 成肽：在轉(zhuǎn)肽酶催化下， P 位上的肽酰 - tRNA

14、 的肽酰基R-CO與A位上氨酰-tRNA氨基酸-NH成肽，肽 鏈延長一個氨基酸殘基。P位上的tRNA脫落；（3）轉(zhuǎn)位，新生成的肽酰-tRNA從A位移至P位，此 過程由轉(zhuǎn)位酶（EFG催化。轉(zhuǎn)位后 A位留空，回復(fù)到可 注冊的狀態(tài)，繼續(xù)下一位氨基酸的加入。原核生物肽鏈的延長反應(yīng)需要三種延長因子，即EF-Tu、EF-Ts和EF-G EF-Tu先與GTP結(jié)合成活性狀態(tài)， 然后攜帶一個由mRNAt的密碼子指導(dǎo)的氨酰-tRNA進(jìn)入 到核糖體的A部位。EF-Tu具有高度的選擇性，它能識別 除fMet- tRNAMet外的所有氨酰-tRNA。EF-Ts的作用是把 EF-Tu從因GTP水解而形成的EF-TuGDP

15、復(fù)合物中釋放出 來，再與另一分子的 GTP結(jié)合，重新形成EF-Tu - GTP活 性形式。EF-G（即移位酶）在GTP的參與下，使肽基-tRNA從A部位移到P部位，使A部位空出來以便開始下一輪延 長反應(yīng)。(五)肽鏈合成的的終止終止包括：終止密碼的辯認(rèn)，肽鏈從肽酰 -tRNA 水解 釋出，mRN從核糖體分離及大小亞基解聚。(1) 當(dāng)翻譯至A位出現(xiàn)mRNA勺終止密碼時，任何氨 酰-tRNA不能與之識別，只有RF-1或RF-2能識別之，并 進(jìn)入 A 位。(2) RF-3 激活大亞基上勺轉(zhuǎn)肽酶，使之變構(gòu)后表現(xiàn) 酯酶的水解活性，將P位上的多肽鏈從tRNA分解下來。(3) 在RR的作用下，GTP供能使tR

16、NA mRNAl RF 均從核糖體脫落。在 IF 的作用下大小亞基解聚。五、真核生物的蛋白質(zhì)合成(一)原核生物和真核生物蛋白質(zhì)合成的相同之處( 1 )都需生成翻譯起始復(fù)合物；( 2)都需多種起始因子參加；(3) 翻譯起始的第一步都需核糖體的大、小亞基先 分開；(4) 都需要mRNA口氨酰-tRNA結(jié)合到核糖體的小亞 基上；(5) mRN/在小亞基上就位都需一定的結(jié)構(gòu)成分協(xié)助（6）小亞基結(jié)合mRNA和起始者tRNA后，才能與大 亞基結(jié)合。（ 7）都需要消耗能量。 （二）原核生物和真核生物蛋白質(zhì)合成的不同之處（ 1）真核生物核糖體是 80S（ 40S+60S）；eIF 種類多 （10多種）；起始氨

17、酰-tRNA是met- tRNA（不需甲?；?， mRNA沒有SD序列；mRNAt小亞基上就位需5端帽子結(jié) 構(gòu)和帽結(jié)合蛋白以及 elF2 ; mRN先于met-tRNA結(jié)合到小 亞基上。（ 2）原核生物核糖體是 70S（ 30S+50S）； lF 種類少 （3種）；起始氨酰-tRNA是fmet- tRNA （需甲?；?；需 SD序列與16S-tRNA配對結(jié)合，rps-1辯認(rèn)識別序列；小 亞基與起始氨酰-tRNA結(jié)合后，才與mRNA合。六、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送原理，有幾種不同的學(xué)說， 信號肽假說是目前被普遍接受的學(xué)說之一。 分泌性蛋白質(zhì) 的初級產(chǎn)物N-端多有信號肽結(jié)構(gòu)，信

18、號肽一旦合成（蛋白 質(zhì)合成未終止），即被胞漿的信號肽識別蛋白（SRP結(jié)合, SRP與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的內(nèi)側(cè)面的受體即對接蛋白（DP結(jié)合， 組成一個輸送系統(tǒng)，促使膜通道開放，信號肽帶動合成中 的蛋白質(zhì)沿通道穿過膜， 信號肽在沿通道折回時被膜上的信號肽酶切除， 蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體經(jīng)進(jìn)一步修飾 （如糖基化）后，即可被分選到細(xì)胞的不同部位。信號肽是指存在與新生肽鏈N端的，能夠引導(dǎo)新生肽 鏈進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的肽段。信號肽一般含有約 20 個氨基酸殘 基，中間集中了較多的疏水性殘基，兩端是一些極性的殘 基。信號肽識別顆粒（SRP是7SRNA和6條不同相對分 子質(zhì)量的肽鏈組成的復(fù)合物。除了與信號肽結(jié)合外，識別 顆粒

19、還可以與其他一些幫助新生肽穿越內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的蛋白 質(zhì)（或復(fù)合物）如?？康鞍缀秃颂求w受體等結(jié)合。一些線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)是翻譯完成后被運(yùn)輸 的。由核基因編碼的線粒體外膜蛋白質(zhì)的 N端有線粒體定 向肽，起信號肽的作用， 可以與外膜上的相應(yīng)位點相識別， 定向肽富含帶正電荷的氨基酸及絲氨酸和蘇氨酸， 氨基酸 序列為：MLKTSSLFTRRUQPSLFRNILRLQS 細(xì)胞色素 cl 前體蛋白的N端有兩個信號肽序列，第一個信號肽序列識 別線粒體外膜上的受體蛋白，引導(dǎo)肽鏈進(jìn)入線粒體基質(zhì)， 隨后被切除。 第二個信號肽序列用相似的方式引導(dǎo)肽鏈穿 過內(nèi)膜，折疊成天然構(gòu)象，并與血紅素分子結(jié)合。核基因 編碼的葉綠體蛋白 N 端有葉綠體轉(zhuǎn)移肽， 肽鏈轉(zhuǎn)移的方式 與線粒體相似。七、肽鏈折疊的途徑肽鏈的折疊有三條途徑。(a) 分子伴侶非依賴性折疊， 折疊在肽鏈合成過程中， 或肽鏈被截短后進(jìn)行；(b) 依賴于 Hsp70 的折疊；(c) 依賴于 Hsp70 和分子伴侶復(fù)合體的折疊，原核生 物的分子伴侶復(fù)合體為 GroES-GroEL真核生物的分子伴 侶復(fù)合體為 TR1C(TCP1ring complex) ，或 CCT(cytosolic chaperonin containing TCP1) 。八、蛋白質(zhì)合成后的加工修飾蛋白質(zhì)合成后的加工修飾內(nèi)容有：(1)肽鏈的剪切：如切