第十四章 蛋白質(zhì)生物合成

第十二章蛋白質(zhì)生物合成(4學時)一、信使RNA和遺傳密碼（重點）二、轉(zhuǎn)譯相關(guān)的生物大分子三、蛋白質(zhì)合成步驟（難點）下一頁上一頁學習要求（1）理解蛋白質(zhì)合成體系的重要組分；蛋白質(zhì)的合成過程。（2）了解蛋白質(zhì)合成后的運送。一、信使RNA和遺傳密碼

(一）mRNA與遺傳信息的傳遞

(二)遺傳密碼的破譯(三)遺傳密碼的特性上一頁章首

(一）mRNA與遺傳信息的傳遞

蛋白質(zhì)合成的信息來自于DNA，合成的模板是mRNA上一頁

蛋白質(zhì)的合成是在核糖體上進行的，而遺傳信息載體DNA存在于核中，必然有一種中間物來傳遞DNA上的信息。推測這種中間物極不穩(wěn)定，在蛋白質(zhì)合成時產(chǎn)生，合成結(jié)束后又分解，半壽期很短。后來科學家用實驗證明這種中間物就是mRNA。節(jié)首章首

(一）mRNA與遺傳信息的傳遞

上一頁

1954年,物理學家GamouvG首先對遺傳密碼進行探討。他認為核酸分子中只有四種堿基，顯然堿基與氨基酸的關(guān)系不是一對一的關(guān)系。若兩個堿基決定一個氨基酸只能編碼16種氨基酸，也是不夠的；而三個堿基對一個氨基酸，四個堿基可產(chǎn)生64個密碼，足以編碼20種氨基酸，所以編碼氨基酸的最低堿基數(shù)是3，即密碼子可能是三聯(lián)體。mRNA上的三個核苷酸決定一個氨基酸節(jié)首

(一）mRNA與遺傳信息的傳遞

上一頁

1961年，CrickFHC等人用遺傳學的方法證明了三聯(lián)密碼子的學說是正確的。

遺傳學上把由于密碼移位而造成的突變稱為移碼突變在E.coli的T4DNA上的一個基因缺失（或增加）一個或二個核苷酸會造成缺失（或增加）部位以后的全部氨基酸誤譯。若同時缺失（或增加）三個核苷酸，前后核苷酸表達仍和正常一樣。必須假設(shè)密碼子是三聯(lián)體才能完滿地解釋以上這些實驗結(jié)果。節(jié)首

(一）mRNA與遺傳信息的傳遞

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生物化學上的證據(jù)煙草壞死衛(wèi)星病毒中有一分子RNA可編碼外殼蛋白的一個亞基，此RNA由1200個核苷酸組成，而此亞基由400個氨基酸組成，也由此證明三個核苷酸決定一個氨基酸節(jié)首上一頁(二)遺傳密碼的破譯

遺傳密碼的概念：mRNA上的核苷酸順序與蛋白質(zhì)中的氨基酸之間的對應(yīng)關(guān)系稱為遺傳密碼。mRNA上每三個連續(xù)核苷酸對應(yīng)一個氨基酸，這三個核苷酸就稱為一個密碼子，或三聯(lián)體密碼（tripletcodons）。以下是三個不同的證明遺傳密碼是mRNA上3個連續(xù)的核苷酸殘基構(gòu)成的實驗。

1961年，Nirenberg

等人用大腸桿菌的無細胞體系在各種RNA的人工模板下合成多肽，從而推斷出各氨基酸的密碼子，后來他與Khorana以及霍利分享了1968年諾貝爾生理學獎。節(jié)首上一頁(二)遺傳密碼破譯的三個實驗第一個實驗是1961年由美國的M.Nirenberg等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一條由相同核苷酸組成的多核苷酸鏈,用它作模板,利用大腸桿菌蛋白提取液和GTP在體外合成蛋白質(zhì)。發(fā)現(xiàn)多聚(U)導(dǎo)致多聚苯丙AA的合成,表明多聚(U)編碼多聚苯丙AA；類似的實驗表明,多聚(A)編碼多聚賴AA；多聚(C)編碼多聚脯AA(下圖A)。第二個實驗（核糖體結(jié)合技術(shù)）是1964年也是由美國的M.Nirenberg等人完成的。他們首先合成一個已知序列的核苷酸三聚體，然后與大腸桿菌核糖體和氨酰tRNA一起溫育。由此確定與已知核苷酸三聚體結(jié)合的tRNA上連接的是那一種氨基酸。該實驗對于幾種密碼編碼同一個氨基酸提供了直接的、最好的證據(jù)（下圖B）。節(jié)首上一頁第三個實驗是由Jones,Khorana等人完成的。他們利用有機化學和酶法制備了已知的核苷酸重復(fù)序列，以此多聚核苷酸作模板，在體外進行蛋白質(zhì)合成，發(fā)現(xiàn)可以生成三種重復(fù)的多肽鏈（下圖C）。若從A翻譯，則合成出多聚異亮AA，即AUC對應(yīng)異亮AA

；若從U翻譯，則合成出多聚絲AA

，即UCA對應(yīng)；絲AA若從C翻譯，則合成出多聚組AA，即CAU對應(yīng)組AA。這是因為體外合成是無調(diào)控的合成，可以隨機地從A、或U、或C翻譯，所以有三種重復(fù)的多肽鏈生成。(二)遺傳密碼破譯的三個實驗節(jié)首上一頁(二)遺傳密碼破譯的三個實驗節(jié)首苯丙賴脯異亮絲組上一頁遺傳密碼表節(jié)首方向性：密碼子的閱讀方向是從5‘

3’簡并性和擺動性：同一種氨基酸可以由兩種或兩種以上的密碼子所決定，這幾種密碼子稱為同義密碼子。多數(shù)情況下同義密碼子的第一第二個堿基相同，第三個堿基不同，說明密碼的專一性主要是由第一第二個堿基決定.通用性：無論是病毒、原核細胞，還是真核細胞，使用的都是同一套氨基酸編碼方法。不重疊(連續(xù)性)：密碼間無標點，順著核苷酸5‘3’的方向一個接一個地閱讀。(三)遺傳密碼的特性上一頁節(jié)首二、轉(zhuǎn)譯相關(guān)的生物大分子與轉(zhuǎn)譯相關(guān)的生物大分子主要有核糖體和tRNA兩種。上一頁（一）核糖體是裝配蛋白質(zhì)的機器核糖體（或稱核糖核蛋白體）由蛋白質(zhì)和rRNA組成。是存在于細胞質(zhì)內(nèi)的微小顆粒。核糖體的基本功能：

1、是結(jié)合mRNA，在mRNA上選擇適當?shù)膮^(qū)域開始翻譯。2、密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）的正確配對。3、肽鍵的形成。核糖體的存在：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形成多聚核糖體節(jié)首原核生物中核糖體與mRNA形成多聚核糖體翻譯方向延長的多肽鏈核糖體亞基的引入上一頁節(jié)首細菌核糖體真核生物核糖體上一頁節(jié)首

E.coli的小亞基能單獨與mRNA結(jié)合成為30s核糖體－mRNA復(fù)合體，后者可以與tRNA專一性結(jié)合，而大亞基則不能。核糖體上可區(qū)分出4個功能部位：（1）A部位：也稱氨基部位或受位，主要位于大亞基上，是接受氨酰基一tRNA的部位。（2）P部位：也稱肽?；课换蚬┪?，主要在小亞基上，是肽?；籺RNA移交肽鏈后，tRNA釋放的部位。（3）肽基轉(zhuǎn)移酶部位：肽基轉(zhuǎn)移酶也稱肽合成酶，簡稱T因子，位于大亞基上，其作用是在肽鏈合成過程中催化氨基酸與氨基酸間形成肽鍵。（4）GTP酶部位：GTP酶也稱轉(zhuǎn)位酶，簡稱G因子，能分解GTP分子，并將肽?；籺RNA由A部位移到P部位。上一頁節(jié)首（二）tRNA的反密碼子譯出mRNA的密碼子1、tRNA的活化2、tRNA反密碼子與mRNA密碼子的識別3、蛋白質(zhì)因子節(jié)首tRNA的活化

即氨基酰-tRNA

合成酶催化tRNA與特定氨基酸結(jié)合氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一種氨基酸至少有一種對應(yīng)的氨基酰-tRNA

合成酶。它既催化氨基酸與ATP的作用,也催化氨基?；D(zhuǎn)移到tRNA。氨基酰-tRNA

合成酶具有高度的專一性。每一種氨基酰-tRNA

合成酶只能識別一種相應(yīng)的tRNA。

tRNA

分子能接受相應(yīng)的氨基酸,決定于它特有的堿基順序,而這種堿基順序能夠被氨基酰-tRNA

合成酶所識別。節(jié)首

aa－tRNA是在蛋白質(zhì)因子的作用下，通過TCG環(huán)與核糖體5SrRNA（真核細胞為5.8SrRNA）分子的互補關(guān)系而進入核糖體的。但某一特定aa－tRNA的進入與否取決于aa－tRNA的反密碼子與mRNA密碼子是否能相互識別。反密碼子與密碼子的配對并不十分嚴格，由于同一種氨基酸與不同tRNA結(jié)合的現(xiàn)象，所以只是密碼子的前兩個堿基必需準確配對，而第三個堿基可以錯配（搖擺），這就是搖擺學說所要說明的現(xiàn)象。

近年來，又發(fā)現(xiàn)了一種新的現(xiàn)象，如果編碼蛋白質(zhì)的基因發(fā)生了點突變，tRNA也隨著發(fā)生突變以校正上述基因的突變，以合成一條正常的多肽鏈，這種tRNA叫做校正tRNA，它的作用機制也是以密碼子與反密碼子間不十分嚴密的配對為基礎(chǔ)的。密碼子與反密碼子的識別節(jié)首蛋白質(zhì)因子蛋白質(zhì)的合成過程可分為起始、延伸和終止三個過程，每個過程部有許多蛋白質(zhì)因子參加。1.起始因子：蛋白質(zhì)合成的起始過程是形成［核糖體·mRNA·tRNA］三元復(fù)合物的過程，必須在蛋白因子的幫助下進行。與起始復(fù)合物形成有關(guān)的所有蛋白質(zhì)因子統(tǒng)稱為起始因子。2.延伸因子：蛋白質(zhì)合成的延伸過程包括”aa-tRNA進入核糖體、肽鏈形成和移位等過程。在真核細跑中這一過程需要EF－1和EF一2等延伸因子的作用。3.釋放因子：當mRNA分子上密碼子閱讀進入終止密碼（UAA，UAG，UGA）時，aa-tRNA不再與核糖體結(jié)合，此時釋放因子與終止密碼子結(jié)合，阻止mRNA的進一步閱讀。節(jié)首三、蛋白質(zhì)合成步驟三、蛋白質(zhì)合成步驟肽鏈合成的起始肽鏈合成的延伸肽鏈合成的終止與釋放合成多肽的輸送和加工蛋白質(zhì)分子的折疊和分子伴侶（一）肽鏈合成的起始決定甲硫氨酸和決定纈氨酸的密碼子就是起譯密碼子，即AUG和GUG起始密碼的識別：核糖體小亞基上的16SrRNA和mRNA的SD序列（位于起始位點上游4－13個富含嘌呤堿基的核苷酸）結(jié)合N－甲酰甲硫氨酸－tRNA的活化形成起始復(fù)合物（E.coli）節(jié)首

N－甲酰甲硫氨酸－tRNA(fmet-tRNA)、mRNA、30S亞基三者結(jié)合時還需要三種蛋白質(zhì)因子(IF1、IF2、IF3）和提供能量的GTP參與。

一旦70S核糖體－mRNA-fmet-tRNA復(fù)合體形成，則fmet-tRNA

占據(jù)P位，空出A位準備接受一個氨酰tRNA

，起始即告完成。節(jié)首原核生物起始復(fù)合物的形成節(jié)首（二）肽鏈合成的延伸

結(jié)合（或稱進位）對應(yīng)于mRNA上第二個密碼子的氨基酰-tRNA（aa-tRNA）進入A位與核糖體結(jié)合，這是一個需能的反應(yīng)，GTP是直接能源。此外還需要兩個蛋白質(zhì)因子Tu和Ts。Ts、Tu和前面提到的移位酶G統(tǒng)稱為肽鏈延伸因子。節(jié)首（二）肽鏈合成的延伸

轉(zhuǎn)肽結(jié)合過程一旦完成立即進行轉(zhuǎn)肽。通過肽基轉(zhuǎn)移酶的催化使P位上的fmet-tRNA（肽基－tRNA）轉(zhuǎn)到A位上的aa-tRNA的游離氨基上，形成肽鍵，并釋放出原來在P位上的tRNA。這個反應(yīng)不需能量。肽基轉(zhuǎn)移酶是50S核糖體亞基上的一個蛋白質(zhì)組分。

節(jié)首（二）肽鏈合成的延伸

移位核糖體從mRNA的5‘向3’方向移動一個三聯(lián)體的距離，于是攜帶著肽基的tRNA連同mRNA從核糖體的A位移到P位：這個過程稱為移位，由移位酶（或稱G因子）催化，并須有供能的GTP參與。G因子具有GTP酶活力，能催化GTP分解放出能量。由于核糖體的移動，原來在A位上的肽基一tRNA已經(jīng)移到P位，于是第三個密碼于進入A位，等待著第三個aa-tRNA進入。節(jié)首（三）肽鏈合成的終止釋放

識別mRNA的終止密碼子，水解所合成肽鏈與tRNA間的酯鍵，釋放肽鏈R1識別UAA、UAGR2識別UAA、UGAR3影響肽鏈的釋放速度節(jié)首（四）合成肽鏈的輸送和加工多肽輸送信號由新合成多肽N端的信號肽所控制，而真核細胞中，識別信號肽的機構(gòu)是一個稱為信號識別體的核蛋白體（SRP）來完成。它具有識別信號肽，并與核糖體相結(jié)合暫停新生肽延伸的功能。一旦剛合成的多肽找到安全去向（越膜）后，SRP就脫離核糖體，暫停的肽鏈就可以繼續(xù)完成合成過程合成肽鏈的輸送：節(jié)首（四）合成肽鏈的輸送和加工許多剛合成好的多肽，并不是最終產(chǎn)物，須經(jīng)一系列加工過程，才能成為有功能的蛋白多肽。合成肽鏈的加工：

1、新生多肽N端氨基酸的除去(Met或fMet）

2、切除新生肽中不必需的肽段3、蛋白質(zhì)中二硫鍵的形成4、多肽中氨基酸側(cè)鏈的修飾5、泛素化作用與不正常多肽的處理

節(jié)首有的蛋白質(zhì)，如循環(huán)系統(tǒng)的蛋白酶或一些功能蛋白等，其