中國海洋大學 生物化學 考研 復習 蛋白質合成(新)

第十五章蛋白質的生物合成

一、蛋白質合成概述翻譯：即蛋白質的合成，就是將核酸中由4種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質一級結構中20種氨基酸的排列順序。簡言之，就是生物體以mRNA為模板合成蛋白質的過程。合成體系：20種aa,mRNA、tRNA、核糖體、酶和輔助因子,以及無機離子、ATP

、GTP合成方向：N→C端。一、蛋白質合成概述翻譯的模板：DNA--原始模板

RNA--直接模板

翻譯的場所：核蛋體（細胞質）運載工具：tRNA翻譯過程分為起始、延長、終止三個階段。二、蛋白質合成的分子基礎1、rRNA

與蛋白質一起構成核糖體—蛋白質合成“工廠”。核糖體的基本功能結合mRNA，在mRNA上選擇適當區(qū)域開始翻譯密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）的正確配對；肽鍵的形成。存在

核糖體可游離存在，真核中，也可同內質網結合，形成粗糙的內質網。原核中，與mRNA形成串狀—多核糖體。

P位點是結合肽酰tRNA的肽酰基的位點，A位點是結合氨酰tRNA的氨?；奈稽c。2、tRNA是氨基酸的特異“搬運工具”；每一種AA至少有一種特異的

tRNA；起“接合器”作用（準確對號入座）；和

mRNA擺動配對

反密碼子與mRNA的第三個核苷酸配對時，不嚴格遵守堿基配對原則。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配對123123自由度的大小由tRNA反密碼子第一位堿基的種類決定。3、mRNAmRNA是遺傳信息的攜帶者；遺傳學上將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(Cistron)。原核細胞中數(shù)個結構基因常串聯(lián)為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質，稱為多順反子(Polycistron)

。真核mRNA只編碼一種蛋白質，為單順反子(Singlecistron)

。蛋白質合成時，mRNA結合于核糖體小亞基上，大亞基結合帶氨基酸的tRNA，tRNA的反密碼子與mRNA密碼子配對，ATP供能，合成蛋白質。三、遺傳密碼遺傳密碼：mRNA中的核苷酸序列與蛋白質中氨基酸序列之間的對應關系稱為遺傳密碼三個堿基編碼一個氨基酸稱為三聯(lián)體密碼或密碼子（Coden）。密碼子的發(fā)現(xiàn)。（一）遺傳密碼的破譯*美國科學家Nirenberg等，1968年獲諾貝爾生理學獎。*1961年，Nirenberg等人，在大腸桿菌的無細胞體系中外加poly(U)模板、20種標記的氨基酸，經保溫后得到了多聚phe-phe-phe，于是推測UUU編碼phe。利用同樣的方法得到CCC編碼pro，GGG編碼gly，AAA編碼lys。*如果利用poly（UC），則得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推測UCU編碼Ser，CUC編碼Leu。*

到1965年就全部破譯了64組密碼子。（二）遺傳密碼的特點*

64個密碼子中有61個編碼氨基酸，3個不編碼任何氨基酸而起肽鏈合成的終止作用，稱為終止密碼子，它們是UAG、UAA、UGA，密碼子AUG（編碼Met）又稱起始密碼子。*

密碼子：mRNA上由三個相鄰的核苷酸組成一個密碼子，代表肽鏈合成中的某種氨基酸或合成的起始與終止信號。（二）遺傳密碼的特點1、方向性

從mRNA的5’到3’；2、連讀性編碼一個肽鏈的所有密碼子是一個接著一個地線形排列，密碼子之間既不重疊也不間隔，從起始密碼子到終止密碼子（不包括終止子）構成一個完整的讀碼框架，又稱開放閱讀框架（ORF）。

如果在閱讀框中插入或刪除一個堿基就會使其后的讀碼發(fā)生移位性錯誤（稱為移碼）。（二）遺傳密碼的特點3、簡并性幾種密碼子編碼一種氨基酸的現(xiàn)象稱為密碼子的簡并性。如GGN（GGA、GGU、GGG、GGC）都編碼Gly，那么這4種密碼子就稱為Gly的簡并密碼。

只有Met和Trp沒有簡并密碼。一般情況下密碼子的簡并性只涉及第三位堿基。

簡并性的生物學意義A、減少有害突變：假如每種氨基酸只有一個密碼子，那么剩下的44個密碼子都成了終止子，如果一旦哪個氨基酸的密碼子發(fā)生了單堿基的點突變，那么極有可能造成肽鏈合成的過早終止。如GUN編碼Ala，由于簡并性的存在，不論第三位的U變成什么，都仍然編碼Ala；B、可以使DNA上的堿基組成有較大的變化余地，而仍然保持多肽上氨基酸序列不變（意思基本同上）。（二）遺傳密碼的特點4、搖擺性（變偶性）

密碼子中第三位堿基與反密碼子第一位堿基的配對有時不遵循A-U、G-C的原則，Crick把這種情況稱為搖擺性，有人也稱擺動配對或不穩(wěn)定配對。密碼子的第三位和反密碼子的第一位是搖擺位點。反密碼子第一位的G可以與密碼子第三位的C、U配對，U可以與A、G配對，I可以和密碼子的U、C、A配對，這使得該類反密碼子的閱讀能力更強。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配對123123自由度的大小由tRNA反密碼子第一位堿基的種類決定。（二）遺傳密碼的特點5、通用性（半通用性）密碼子在不同物種間幾乎是完全通用的。目前只發(fā)現(xiàn)線粒體和葉綠體內有例外情況，這也是如火如荼的轉基因的前提。但要注意的是不同生物往往偏愛某一種密碼子。說明生物有共同的起源。（二）遺傳密碼的特點6、密碼的防錯系統(tǒng)密碼子中堿基順序與其相應氨基酸物理化學性質之間存在巧妙的關系。這種分布使得密碼子中一個堿基被置換，其結果或是仍然編碼相同的氨基酸；或是以物理化學性質最接近的氨基酸取代。

四、蛋白質生物合成過程（一）氨基酸的活化tRNA在氨酰-tRNA合成酶的幫助下，能夠識別相應的氨基酸，并通過tRNA氨基酸臂的

3'-OH

與氨基酸的羧基形成活化酯－氨酰-tRNA。氨基酰-tRNA的形成是一個兩步反應過程：第一步是氨基酸與ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基?；D移到tRNA的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。氨酰-tRNA合成酶監(jiān)控tRNA負載的忠實性氨基酰-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的tRNA。tRNA分子能接受相應的氨基酸,決定于它特有的堿基順序,而這種堿基順序能夠被氨酰-tRNA合成酶所識別。另一種識別錯誤的機制出現(xiàn)在氨基酸識別的水平。出現(xiàn)錯誤，及時水解。（1）氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白質生物合成的第一步，每一種氨基酸在被摻入肽鏈之前都首先被活化和連接在專一tRNA上，活化和連接都發(fā)生在氨基酸的羧基上。（2）載體tRNA憑借自身的反密碼子與mRNA上的密碼子相識別而把所攜帶的氨基酸送到肽鏈的一定位置上。（3）遺傳信息是通過mRNA上的密碼子與tRNA上的反密碼子通過堿基配對翻譯的。小結

★每一種氨基酸都有至少一種專一的氨酰tRNA合成酶，它既能識別氨基酸，又能識別tRNA，從而把特定的氨基酸連到對應的tRNA上，有人也把氨酰tRNA合成酶的雙向識別功能稱為第二遺傳密碼。

★氨酰-tRNA合成酶還能正確的識別和結合tRNA，對于一些酶來說，tRNA上的反密碼子是其識別特征。此外，tRNA上的受體莖環(huán)也是識別特征。★氨酰tRNA合成酶（1）氨酰-tRNA合成酶的識別位點（接頭合成酶）；（2）3’端-CCA上的氨基酸運載位點（接頭氨基酸，裝載）；（3）核糖體的識別位點（將氨基酸運送到目的地）；（4）反密碼子位點（接頭mRNA，驗貨并卸載）

tRNA是一個萬能接頭（二）在核糖體上合成肽鏈氨基酰-tRNA通過反密碼臂上的三聯(lián)體反密碼子識別mRNA上相應的遺傳密碼，并將所攜帶的氨基酸按mRNA遺傳密碼的順序安置在特定的位置，最后在核糖體中合成肽鏈。（三）肽鏈的合成過程

起始延伸

終止與釋放

（1）IF3首先結合在30S亞基上，防止它過早地與50S亞基結合（2）mRNA結合到30S亞基上。mRNA通過其SD序列與16SrRNA的配對結合而使它處于核糖體上的恰當?shù)奈恢?，并使起始密碼子AUG處于P位點，確立正確的閱讀框架。

在起始密碼子AUG上游9-13個核苷酸處，有一段可與核糖體16SrRNA配對結合的、富含嘌呤的3-9個核苷酸的共同序列，一般為AGGA，此序列稱SD序列，幫助從起始AUG處開始翻譯。

（1）IF2是一個GTP結合蛋白（特異識別起始tRNA），它先與30S亞基結合并促使起始氨酰tRNA（N—甲酰甲硫氨酰tRNA，fMet-tRNAfmet

）的密碼子與mRNA上的AUG結合（P位點）；

（2）50S大亞基結合到30S小亞基上，形成起始復合物。GTP水解成GDP釋放的能量引起30S亞基構象變化，50S亞基結合到30S亞基上，同時IF2和IF3釋放。（1）在進入A位點之前，新氨酰tRNA首先必須與延伸因子EF—TU—GTP結合。（2）延伸因子EF—Tu是一個GTP結合蛋白，參與氨酰tRNA的就位。（3）氨酰tRNA入位后，EF—TU—GTP水解，EF—TU—GDP從核糖體上釋放下來，在第二個延伸因子EF—Ts幫助下EF—Tu—GDP釋放掉GDP并重新結合一分子GTP再生成EF—Tu—GTP。

現(xiàn)在認為肽酰轉移酶活性存在于50S亞基23SrRNA上。驅動肽鍵形成的能量由P位點上的氨基酸與它的tRNA的高能肽酰酯鍵提供。新肽鍵形成后P位點卸載的tRNA就離開核糖體。

（1）移位需要另一個GTP結合蛋白EF—G（延伸因子Ｇ，又叫移位酶）的參與。（2）現(xiàn)在認為，GTP水解成GDP時釋放出的能量促使核糖體構象發(fā)生變化，驅動肽酰tRNA從Ａ位點移動到Ｐ位點。（3）移位后造成核糖體Ａ位點空下，等待接納下一個氨酰tRNA

。延伸過程小結將正確的氨酰-tRNA定位在A位；形成肽鍵（轉肽）；使mRNA相對于核糖體移動一個密碼子（移位）

當終止密碼子（UAA,UAG,UGA）進入Ａ位點時肽鏈合成就進入終止期。

識別過程需要GTP，并改變了核糖體的構象，使肽酰轉移酶的功能發(fā)生瞬時變化，轉變成酯酶功能，將連接肽鏈與P位點tRNA的肽酰酯鍵水解開，肽鏈從核糖體上釋放，mRNA與tRNA解離，核糖體解體。

五、真核細胞蛋白質合成的特點核糖體為80S，由60S的大亞基和40S的小亞基組成；起始密碼AUG；起始tRNA為Met－tRNA；起始復合物結合在mRNA5’端AUG上游的帽子結構，真核mRNA無富含嘌呤的SD序列（除某些病毒mRNA外）。

蛋白質合成過程小結肽鏈合成方向NC（同位素證明）；以mRNA的5’-3’方向閱讀遺傳密碼；該合成過程是一個耗能過程

肽鏈的起始需要5ATP，延長時只需4ATP，合成一個n肽所需能量4×n＋1ATP，原核生物中，肽鏈的終止不需GTP，則合成n肽所需能量3×n＋1。六、肽鏈合成后的“加工處理”1、N端改造:fMet的切除；2、信號肽（能透膜，進行蛋白質的錨定）的切除；3、氨基酸的修飾/改造；

肽鏈內或肽鏈間的二硫鍵的形成、乙酰化、甲基化

氨基酸殘基的修飾（Pro-OH/Cys-OH）4、糖基化（Asp、Ser、Thr、Asn）；5、某些多肽要經特