中國海洋大學(xué)資料生物化學(xué)課件第十五章 蛋白質(zhì)合成(新)

第十五章蛋白質(zhì)的生物合成

一、蛋白質(zhì)合成概述翻譯：即蛋白質(zhì)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(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序。簡(jiǎn)言之，就是生物體以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)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(jī)離子、ATP

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

RNA--直接模板

翻譯的場(chǎng)所：核蛋體（細(xì)胞質(zhì)）運(yùn)載工具：tRNA翻譯過程分為起始、延長、終止三個(gè)階段。二、蛋白質(zhì)合成的分子基礎(chǔ)1、rRNA

與蛋白質(zhì)一起構(gòu)成核糖體—蛋白質(zhì)合成“工廠”。核糖體的基本功能結(jié)合mRNA，在mRNA上選擇適當(dāng)區(qū)域開始翻譯密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）的正確配對(duì)；肽鍵的形成。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形成串狀—多核糖體。

P位點(diǎn)是結(jié)合肽酰tRNA的肽酰基的位點(diǎn)，A位點(diǎn)是結(jié)合氨酰tRNA的氨?；奈稽c(diǎn)。原核生物核糖體組成真核生物核糖體組成2、tRNA是氨基酸的特異“搬運(yùn)工具”；每一種AA至少有一種特異的

tRNA；起“接合器”作用（準(zhǔn)確對(duì)號(hào)入座）；和

mRNA擺動(dòng)配對(duì)

反密碼子與mRNA的第三個(gè)核苷酸配對(duì)時(shí)，不嚴(yán)格遵守堿基配對(duì)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(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決定。3、mRNAmRNA是遺傳信息的攜帶者；遺傳學(xué)上將編碼一個(gè)多肽的遺傳單位稱為順反子(Cistron)。原核細(xì)胞中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，稱為多順反子(Polycistron)

。真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(Singlecistron)

。蛋白質(zhì)合成時(shí)，mRNA結(jié)合于核糖體小亞基上，大亞基結(jié)合帶氨基酸的tRNA，tRNA的反密碼子與mRNA密碼子配對(duì)，ATP供能，合成蛋白質(zhì)。三、遺傳密碼遺傳密碼：mRNA中的核苷酸序列與蛋白質(zhì)中氨基酸序列之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為遺傳密碼三個(gè)堿基編碼一個(gè)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(xué)家Nirenberg等，1968年獲諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。*1961年，Nirenberg等人，在大腸桿菌的無細(xì)胞體系中外加poly(U)模板、20種標(biāo)記的氨基酸，經(jīng)保溫后得到了多聚phe-phe-phe，于是推測(cè)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(cè)UCU編碼Ser，CUC編碼Leu。*

到1965年就全部破譯了64組密碼子。遺傳密碼（二）遺傳密碼的特點(diǎn)*

64個(gè)密碼子中有61個(gè)編碼氨基酸，3個(gè)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(gè)相鄰的核苷酸組成一個(gè)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(hào)。（二）遺傳密碼的特點(diǎn)1、方向性

從mRNA的5’到3’；2、連讀性編碼一個(gè)肽鏈的所有密碼子是一個(gè)接著一個(gè)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(gòu)成一個(gè)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(gè)堿基就會(huì)使其后的讀碼發(fā)生移位性錯(cuò)誤（稱為移碼）。（二）遺傳密碼的特點(diǎn)3、簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)并密碼。

只有Met和Trp沒有簡(jiǎn)并密碼。一般情況下密碼子的簡(jiǎn)并性只涉及第三位堿基。

簡(jiǎn)并性的生物學(xué)意義A、減少有害突變：假如每種氨基酸只有一個(gè)密碼子，那么剩下的44個(gè)密碼子都成了終止子，如果一旦哪個(gè)氨基酸的密碼子發(fā)生了單堿基的點(diǎn)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(jiǎn)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(diǎn)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(duì)有時(shí)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(dòng)配對(duì)或不穩(wěn)定配對(duì)。密碼子的第三位和反密碼子的第一位是搖擺位點(diǎn)。反密碼子第一位的G可以與密碼子第三位的C、U配對(duì)，U可以與A、G配對(duì)，I可以和密碼子的U、C、A配對(duì)，這使得該類反密碼子的閱讀能力更強(qiáng)。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決定。（二）遺傳密碼的特點(diǎn)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(nèi)有例外情況，這也是如火如荼的轉(zhuǎn)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(diǎn)6、密碼的防錯(cuò)系統(tǒng)密碼子中堿基順序與其相應(yīng)氨基酸物理化學(xué)性質(zhì)之間存在巧妙的關(guān)系。這種分布使得密碼子中一個(gè)堿基被置換，其結(jié)果或是仍然編碼相同的氨基酸；或是以物理化學(xué)性質(zhì)最接近的氨基酸取代。

四、蛋白質(zhì)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(shí)別相應(yīng)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(gè)兩步反應(yīng)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(zhuǎn)移到tRNA的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。氨基酸活化圖示氨基酸的活化氨酰-tRNA合成酶監(jiān)控tRNA負(fù)載的忠實(shí)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(shí)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酰-tRNA合成酶所識(shí)別。另一種識(shí)別錯(cuò)誤的機(jī)制出現(xiàn)在氨基酸識(shí)別的水平。出現(xiàn)錯(cuò)誤，及時(shí)水解。（1）氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白質(zhì)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(shí)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(duì)翻譯的。小結(jié)

★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(shí)別氨基酸，又能識(shí)別tRNA，從而把特定的氨基酸連到對(duì)應(yīng)的tRNA上，有人也把氨酰tRNA合成酶的雙向識(shí)別功能稱為第二遺傳密碼。

★氨酰-tRNA合成酶還能正確的識(shí)別和結(jié)合tRNA，對(duì)于一些酶來說，tRNA上的反密碼子是其識(shí)別特征。此外，tRNA上的受體莖環(huán)也是識(shí)別特征?！锇滨RNA合成酶（1）氨酰-tRNA合成酶的識(shí)別位點(diǎn)（接頭合成酶）；（2）3’端-CCA上的氨基酸運(yùn)載位點(diǎn)（接頭氨基酸，裝載）；（3）核糖體的識(shí)別位點(diǎn)（將氨基酸運(yùn)送到目的地）；（4）反密碼子位點(diǎn)（接頭mRNA，驗(yàn)貨并卸載）

tRNA是一個(gè)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(shí)別mRNA上相應(yīng)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(jié)合在30S亞基上，防止它過早地與50S亞基結(jié)合（2）mRNA結(jié)合到30S亞基上。mRNA通過其SD序列與16SrRNA的配對(duì)結(jié)合而使它處于核糖體上的恰當(dāng)?shù)奈恢茫⑹蛊鹗济艽a子AUG處于P位點(diǎn)，確立正確的閱讀框架。

在起始密碼子AUG上游9-13個(gè)核苷酸處，有一段可與核糖體16SrRNA配對(duì)結(jié)合的、富含嘌呤的3-9個(gè)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(gè)GTP結(jié)合蛋白（特異識(shí)別起始tRNA），它先與30S亞基結(jié)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(jié)合（P位點(diǎn)）；

（2）50S大亞基結(jié)合到30S小亞基上，形成起始復(fù)合物。GTP水解成GDP釋放的能量引起30S亞基構(gòu)象變化，50S亞基結(jié)合到30S亞基上，同時(shí)IF2和IF3釋放。（1）在進(jìn)入A位點(diǎn)之前，新氨酰tRNA首先必須與延伸因子EF—TU—GTP結(jié)合。（2）延伸因子EF—Tu是一個(gè)GTP結(jié)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(gè)延伸因子EF—Ts幫助下EF—Tu—GDP釋放掉GDP并重新結(jié)合一分子GTP再生成EF—Tu—GTP。

現(xiàn)在認(rèn)為肽酰轉(zhuǎn)移酶活性存在于50S亞基23SrRNA上。驅(qū)動(dòng)肽鍵形成的能量由P位點(diǎn)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(diǎn)卸載的tRNA就離開核糖體。

（1）移位需要另一個(gè)GTP結(jié)合蛋白EF—G（延伸因子Ｇ，又叫移位酶）的參與。（2）現(xiàn)在認(rèn)為，GTP水解成GDP時(shí)釋放出的能量促使核糖體構(gòu)象發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)肽酰tRNA從Ａ位點(diǎn)移動(dòng)到Ｐ位點(diǎn)。（3）移位后造成核糖體Ａ位點(diǎn)空下，等待接納下一個(gè)氨酰tRNA

。延伸過程小結(jié)將正確的氨酰-tRNA定位在A位；形成肽鍵（轉(zhuǎn)肽）；使mRNA相對(duì)于核糖體移動(dòng)一個(gè)密碼子（移位）

當(dāng)終止密碼子（UAA,UAG,UGA）進(jìn)入Ａ位點(diǎn)時(shí)肽鏈合成就進(jìn)入終止期。

識(shí)別過程需要GTP，并改變了核糖體的構(gòu)象，使肽酰轉(zhuǎn)移酶的功能發(fā)生瞬時(shí)變化，轉(zhuǎn)變成酯酶功能，將連接肽鏈與P位點(diǎn)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(xì)胞蛋白質(zhì)合成的特點(diǎn)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(fù)合物結(jié)合在mRNA5’端AUG上游的帽子結(jié)構(gòu)，真核mRNA無富含嘌呤的SD序列（除某些病毒mRNA外）。

蛋白質(zhì)合成過程小結(jié)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(gè)耗能過程

肽鏈的起始需要5ATP，延長時(shí)只需4ATP，合成一個(gè)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(hào)肽（能透膜，進(jìn)行蛋白質(zhì)的錨定）的切除；3、氨基酸的修飾/改造；

肽鏈內(nèi)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(jīng)特殊的酶切一段肽鏈后才有生物活性(