巫第十三章蛋白质的生物合成课件

翻译翻译翻译翻译(translation)：根据：根据mRNA链上的遗传链上的遗传信息合成蛋白质的过程。信息合成蛋白质的过程。第一节第一节 RNA在蛋白质生物合成中在蛋白质生物合成中的重要功能的重要功能一、一、mRNA和遗传密码和遗传密码 真核真核mRNA在核质内合成时是一种大分子量的在核质内合成时是一种大分子量的mRNA前体，叫前体，叫核内不均一核内不均一RNA（hnRNA）。hnRNA经过细胞内加工为成熟的经过细胞内加工为成熟的mRNA，转移到，转移到细胞质行使其功能。细胞质行使其功能。mRNA 是蛋白质合成的直接模板，其核苷酸排是蛋白质合成的直接模板，其核苷酸排列顺序取决于相应列顺序取决于相应DNA 的碱基排列顺序，它又决的碱基排列顺序，它又决定了所形成的蛋白质多肽链中的氨基酸的排列顺定了所形成的蛋白质多肽链中的氨基酸的排列顺序。序。原核生物原核生物mRNA为为多顺反子多顺反子SD序列序列 SD序列序列富含嘌呤碱基，可与富含嘌呤碱基，可与16s rRNA的的3末端末端富富含嘧啶碱基的序列互补，这与含嘧啶碱基的序列互补，这与mRNA对核糖体的对核糖体的快快速识别速识别有关。有关。真核生物真核生物mRNA为为单顺反子单顺反子 5-末端末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结帽结构构”3-末端末端有一段长达有一段长达200个核苷酸左右的聚个核苷酸左右的聚腺苷酸腺苷酸(polyA)，称为，称为“尾结构尾结构”。（一）、遗传密码的破译（一）、遗传密码的破译 mRNA都是由都是由4种核苷酸构成，而组成多种核苷酸构成，而组成多肽的氨基酸有肽的氨基酸有20种；种；4 4种核苷酸与种核苷酸与2020种氨基种氨基酸怎样对应起来酸怎样对应起来？显然，必须是几个核苷酸的组合编码一个显然，必须是几个核苷酸的组合编码一个氨基酸才能应付局面。用数学方法很容易氨基酸才能应付局面。用数学方法很容易算出：算出：3 3个相邻的核苷酸个相邻的核苷酸1 1种种氨基酸，氨基酸，有有4 43 3种排列种排列 6464种种密码子密码子19661966破译了破译了6464种密码子种密码子 在在mRNA链上以相邻的三个核苷酸为一链上以相邻的三个核苷酸为一组，起编码多肽链中一种氨基酸的作用，组，起编码多肽链中一种氨基酸的作用，叫叫密码子密码子(codon)。由于它是相邻的三个。由于它是相邻的三个核苷酸又称核苷酸又称三联体密码三联体密码(triplet code)。早在早在1961年，年，Nirenberg等人在大肠杆菌的无细等人在大肠杆菌的无细胞体系中外加胞体系中外加poly(U)模板、模板、20种标记的氨基酸，经种标记的氨基酸，经保温后得到了多聚保温后得到了多聚phe-phe-phe，于是推测，于是推测UUU编码编码phe。利用同样的方法得到。利用同样的方法得到CCC编码编码pro，GGG编码编码gly，AAA编码编码lys。如果利用如果利用poly(UC)，则得到多聚，则得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推测推测UCU编码编码Ser，CUC编码编码Leu，因为，因为poly(UC)有有两种读码方式：两种读码方式：UCUCUC和和CUCUCU。Established thechemicalstructure oftRNAEstablished the in vitro system for revealing the genetic codesDevised methodsto synthesizewell definednucleic acids 在在64个密码子中有个密码子中有61个编码氨基酸，个编码氨基酸，3个个不不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用，编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用，称为称为终止密码子终止密码子，它们是，它们是UAA、UAG、UGA，密码子，密码子AUG（编码（编码Met）又称）又称起始密起始密码子码子。（二）、遗传密码的特性（二）、遗传密码的特性 1.密码的无标点性、无重叠性密码的无标点性、无重叠性 编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个的线编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个的线形排列，密码子之间既不重叠也不间隔，从起始密形排列，密码子之间既不重叠也不间隔，从起始密码子到终止密码子构成一个完整的码子到终止密码子构成一个完整的读码框架读码框架（不包（不包括终止子），又称括终止子），又称开放阅读框架（开放阅读框架（ORF）。那。那么如果在阅读框中插入或删除一个碱基就会使其后么如果在阅读框中插入或删除一个碱基就会使其后的读码发生移位性错误，称为的读码发生移位性错误，称为移码移码。几种密码子编码一种氨基酸的现象称为几种密码子编码一种氨基酸的现象称为密码子的密码子的简并性简并性。编码同一个氨基酸的一组密码子称为。编码同一个氨基酸的一组密码子称为同义同义密码子密码子。如。如GGN（GGA、GGU、GGG、GGC）都编码都编码Gly，那么这，那么这4种密码子就称为种密码子就称为Gly的简并密的简并密码，一般情况下密码子的简并性只涉及第三位碱基。码，一般情况下密码子的简并性只涉及第三位碱基。只有只有Met和和Trp没有简并密码没有简并密码。2.密码子的简并性密码子的简并性问：密码子简并性的生物学意义？问：密码子简并性的生物学意义？密码子的专一性主要由前两位碱基决定的，而第密码子的专一性主要由前两位碱基决定的，而第三位碱基有较大的灵活性，三位碱基有较大的灵活性，Click将第三位碱基的将第三位碱基的这一特性称为这一特性称为摆动性摆动性（wobble）。）。3.密码子的摆动性密码子的摆动性反密码子反密码子:tRNAtRNA中每三个相邻的碱基与密码子配中每三个相邻的碱基与密码子配对的对的,为之为之.密码子与反密码子配对密码子与反密码子配对,但但方向相反方向相反.摆动性：摆动性：密码子与反密码配对时出现密码子与反密码配对时出现不遵从碱基不遵从碱基配对配对规律的情况。规律的情况。主要表现为主要表现为密码子第三位碱基密码子第三位碱基与与反密码子第一碱反密码子第一碱基基不严格互补，但不影响翻译正确。不严格互补，但不影响翻译正确。tRNAtRNA反密反密码子碱基码子碱基 I U CI U C（第一位）（第一位）mRNAmRNA密密码子碱基码子碱基 A,C,U A,G C,G,UA,C,U A,G C,G,U（第三位）（第三位）密码子与反密码子配对的摇摆现象密码子与反密码子配对的摇摆现象密码的摆动性有什么生物学意义密码的摆动性有什么生物学意义?问：细胞内有几种问：细胞内有几种tRNAtRNA？当遗传密码破译后，由于有当遗传密码破译后，由于有61个密码子编码氨基个密码子编码氨基酸，于是人们预测细胞内有酸，于是人们预测细胞内有61种，但事实上绝大多种，但事实上绝大多数细胞内只有数细胞内只有50种左右，种左右，Crick也正是在这种情况也正是在这种情况下提出了摇摆假说并合理解释了这种情况。下提出了摇摆假说并合理解释了这种情况。根据摇摆性和根据摇摆性和61个密码子，经过仔细计算，要个密码子，经过仔细计算，要翻译翻译61个密码子至少需要个密码子至少需要31种种tRNA，外加，外加1个起个起始始tRNA，共需，共需32种。但是，在叶绿体和线粒体种。但是，在叶绿体和线粒体内，由于基因组很小用到的密码子少，因此，叶内，由于基因组很小用到的密码子少，因此，叶绿体内只有绿体内只有30种左右种左右tRNAs，线粒体只有，线粒体只有24种。种。病毒、原核细胞、真核细胞都用同一套遗病毒、原核细胞、真核细胞都用同一套遗传密码子表，叫传密码子表，叫密码的通用性密码的通用性。目前只发现线粒体和叶绿体内有例外情况目前只发现线粒体和叶绿体内有例外情况 4.密码子的通用性密码子的通用性二、二、tRNA tRNA 起起运载氨基酸运载氨基酸的作用，的作用，将氨基酸按将氨基酸按照照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序搬运链上的密码子所决定的氨基酸顺序搬运到蛋白质合成的场所（即核糖体）的特定部位。到蛋白质合成的场所（即核糖体）的特定部位。每一种氨基酸可以有一种以上每一种氨基酸可以有一种以上tRNA 作为运载作为运载工具工具，人们把携带相同氨基酸而反密码子不同人们把携带相同氨基酸而反密码子不同的一组的一组tRNA 称为称为同功受体同功受体tRNA(isoaccepting tRNAs)tRNA的二、三级结构的二、三级结构tRNA的功能的功能（一）、（一）、3端接受氨基酸端接受氨基酸氨基酸氨基酸tRNA氨酰氨酰tRNA（二）、识别（二）、识别mRNA链上的密码子链上的密码子反密码子反密码子密码子密码子 反密码子与反密码子与mRNA链上密链上密码子反向互补码子反向互补配对，保证了配对，保证了氨基酸按照密氨基酸按照密码子所规定的码子所规定的顺序进入肽链。顺序进入肽链。一种一种tRNA经常能识别一种以上的同义密码子经常能识别一种以上的同义密码子（三）、连接多肽链和核糖体（三）、连接多肽链和核糖体核糖体核糖体多肽链多肽链tRNA 在多肽链合在多肽链合成过程中，多肽成过程中，多肽链通过链通过tRNA暂暂时结合在核糖体时结合在核糖体的正确位置，直的正确位置，直到多肽合成终止到多肽合成终止才从核糖体上脱才从核糖体上脱落下来。落下来。可以说可以说tRNA是一个万能接头：是一个万能接头：（1）对氨酰对氨酰-tRNA合成酶的识别位点合成酶的识别位点（接头合成酶）（接头合成酶）（2）3端端-CCA上的氨基酸运载位点上的氨基酸运载位点（接头氨基酸，装载）（接头氨基酸，装载）（3）对核糖体的识别位点（将氨基酸对核糖体的识别位点（将氨基酸运送到目的地）运送到目的地）（4）反密码子位点（接头反密码子位点（接头mRNA，验，验货并卸载）货并卸载）三、三、rRNA及核糖体及核糖体核糖体是蛋白质合成的场所。由核糖体是蛋白质合成的场所。由rRNA和几十种和几十种蛋白质蛋白质分子组成的一个巨大的复分子组成的一个巨大的复合体。合体。不同类型生物中核糖体的结构高度保守，不同类型生物中核糖体的结构高度保守，尽管其尽管其rRNA和核糖体蛋白的一级结构有和核糖体蛋白的一级结构有所不同，但其三级结构却惊人的相似。所不同，但其三级结构却惊人的相似。核糖体核糖体 大亚基大亚基 小亚基小亚基原核生物原核生物 70S50S 5S rRNA 23S rRNA L1L34 蛋白蛋白30S 16S rRNA S1S21 蛋白蛋白真核生物真核生物80S60S 5S rRNA 5.8S rRNA 28S rRNA L1L49 蛋白蛋白40S 18S rRNA S1S33 蛋白蛋白 每个核糖体是由大小每个核糖体是由大小两个亚基两个亚基组成，每个组成，每个亚基都有自己不同的亚基都有自己不同的rRNA和蛋白质分子。和蛋白质分子。原核生物原核生物真核生物真核生物30S50S原核生物原核生物rRNA核糖体的有两个重要的功能部位：核糖体的有两个重要的功能部位：A部位部位：氨酰基部位氨酰基部位，接受氨酰基接受氨酰基tRNAP部位部位：肽酰基部位肽酰基部位，起始氨酰起始氨酰 tRNA或延伸的或延伸的肽基肽基 tRNA结合的部位，及结合的部位，及tRNA被释放的部位。被释放的部位。A位位P位位氨酰基氨酰基tRNA肽酰基肽酰基tRNA 不论原核细胞还是真核细胞，一条不论原核细胞还是真核细胞，一条mRNA可可以被同时几个核糖体阅读，把同时结合并翻译以被同时几个核糖体阅读，把同时结合并翻译同一条同一条mRNA的多个核糖体称为的多个核糖体称为多核糖体。多核糖体。第二节第二节 原核生物蛋白质的合成过程原核生物蛋白质的合成过程 翻译的过程十分复杂，几乎涉及到细胞翻译的过程十分复杂，几乎涉及到细胞内所有种类的内所有种类的RNA和几十种蛋白质因子。和几十种蛋白质因子。原料原料：20种种L-氨基酸；氨基酸；3种种RNA：mRNA,tRNA,rRNA 酶酶：氨基酰：氨基酰tRNA合成酶、转肽酶合成酶、转肽酶 两种高能核苷酸两种高能核苷酸：ATP、GTP 金属离子金属离子：K+、Mg2+（促进肽键形成（促进肽键形成)多种蛋白质因子多种蛋白质因子:起始因子起始因子:IF或或eIF 延长因子：延长因子：EF或或eEF 释放因子：释放因子：RF或或eRF 方向方向：氨基端：氨基端 羧基端羧基端 氨基酸活化氨基酸活化 起始阶段起始阶段 进位进位过程过程 延长阶段延长阶段 成肽成肽 终止阶段终止阶段 转位转位 翻译从翻译从 mRNA 5 3 起始密码子起始密码子：5 AUG 3；终止密码子：终止密码子：UAA、UAG、UGA 肽链延长方向肽链延长方向 N C 一、氨基酸的活化一、氨基酸的活化氨氨基酸的活化和氨酰基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋的合成是蛋白质生物合成的第一步，由白质生物合成的第一步，由氨酰氨酰tRNA合合成酶成酶催化。催化。氨酰氨酰tRNA合成酶合成酶:既能既能识别氨基酸识别氨基酸，又，又能能识别识别tRNA。1.氨基酸的活化氨基酸的活化 AA+ATP+AA+ATP+酶酶AA AA AMP AMP酶酶 +ppippi2.2.氨酰氨酰tRNA tRNA 的形成的形成 AA AA AMP AMP酶酶+tRNA AMP+tRNA AMP+AA-tRNA+AA-tRNA+酶酶 1 1种种AAAA可由可由几种几种tRNAtRNA（同工受体（同工受体tRNAtRNA）运载运载v 氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶对对氨基酸、氨基酸、tRNAtRNA两种两种底物都有高度特异地识别作用，还有底物都有高度特异地识别作用，还有水水解酯键解酯键的催化作用，发挥酶的校正活性的催化作用，发挥酶的校正活性。ATP氨基酸氨基酸氨酰氨酰AMPtRNA氨酰氨酰tRNA 氨基酸氨基酸+ATP+E 氨酰氨酰-AMP-E+ppi 氨酰氨酰-AMP-E+tRNA 氨酰氨酰-tRNA+AMP+E3 3个结合位点个结合位点氨酰氨酰tRNA合成酶合成酶氨酰氨酰AMP氨酰氨酰tRNA氨酰氨酰tRNA 合成酶合成酶既能识别相应的既能识别相应的氨基酸氨基酸，又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA分子分子。把这种氨酰把这种氨酰tRNA 合成酶与合成酶与tRNA分子间分子间的相互作用称为的相互作用称为第二套遗传密码第二套遗传密码（second genetic codon）。二、合成起始二、合成起始内部密码子内部密码子：tRNAMet Met-tRNAMet起始密码子起始密码子：tRNAfMet fMet-tRNAfMet(原核生物原核生物)AUG既是既是起始密码子起始密码子，又是肽链内部，又是肽链内部甲甲硫氨酸密码子硫氨酸密码子。如何区分：。如何区分：起始起始AUG处处于于mRNA的特殊部位，比如原核生物的特殊部位，比如原核生物5有有SD序列；序列；携带甲硫氨酸的携带甲硫氨酸的tRNA不同，分别不同，分别是是tRNAfMet、tRNAMet。甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸+tRNAf+ATP Met-tRNAf+AMP+PPi转甲酰酶转甲酰酶N10甲酰四氢叶酸甲酰四氢叶酸四氢叶酸四氢叶酸1.甲酰甲硫氨酸的形成甲酰甲硫氨酸的形成 N10甲酰四氢叶酸甲酰四氢叶酸+Met-tRNAf 四氢叶酸四氢叶酸+fMet-tRNAf2.蛋白质合成起始需要：蛋白质合成起始需要：30S核糖体亚基；核糖体亚基；50S核糖体亚基核糖体亚基；mRNA；fMet-tRNAfMet；3个起始因子（个起始因子（IF1、IF2、IF3）；Mg2+等。等。3个起始因子的功能：个起始因子的功能：IF1：无专一功能，增加无专一功能，增加IF-2，IF-3活性。活性。IF2：促进促进fMet-tRNAf 与与30S亚基结合。亚基结合。IF3：与与30S亚基结合，阻止亚基结合，阻止30S亚基与亚基与50S亚基过亚基过早结合。早结合。甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸tRNA进人进人 P位点位点3.蛋白质合成起始过程蛋白质合成起始过程30s.IF1.IF3.mRNAIF2.GTP.fMet-tRNAfmRNA.30s.fMet-tRNAf.IF2.GTP.IF1.IF3IF-3mRNA.70s.fMet-tRNAf50SIF-1IF-2.GDP见动画见动画 1 三、肽链的延伸三、肽链的延伸 肽链的延伸需要：肽链的延伸需要：70S起始复合体起始复合体、第二、第二个氨酰个氨酰tRNA、3种延伸因子（种延伸因子（EF-Tu、EF-Ts、EF-G）、GTP等。等。EF-TU,EF-TS:共同促使氨酰共同促使氨酰-tRNA 进入核糖体进入核糖体的的A位，具有位，具有GTP酶活性酶活性EF-G:具有具有GTP酶活性，促使肽酰酶活性，促使肽酰-tRNA 位移至位移至P位及空的位及空的tRNA 离开核糖体。离开核糖体。翻译过程中的肽链延长又称核糖体循环翻译过程中的肽链延长又称核糖体循环（ribosomal cycleribosomal cycle）。）。分三步骤：分三步骤：进位进位(结合）结合）核糖体循环核糖体循环 转肽（转肽酶）转肽（转肽酶）移位移位 肽链的延伸肽链的延伸1.进位进位 氨酰氨酰-tRNA 与核糖体与核糖体A位位结合。消耗结合。消耗1分子分子GTP。2 2 转肽（形成肽键）转肽（形成肽键）肽酰转移酶：肽酰转移酶：转肽酶，转肽酶，P P位点位点 A A位点位点 形成肽键：形成肽键：P P位点的位点的fMet-tRNAfMet-tRNAf f（或肽酰（或肽酰-tRNAtRNA）的羧基与）的羧基与A A位点的位点的AA-tRNAAA-tRNA的氨基结的氨基结合合 形成肽键不消耗形成肽键不消耗GTPGTP，可能来自可能来自AA tRNAAA tRNA（或肽酰（或肽酰tRNAtRNA）间的酯键水解）间的酯键水解2.转肽转肽 核糖体核糖体A位和位和P位上的氨基酸间形成位上的氨基酸间形成肽键肽键。3 3 移位移位 肽酰基肽酰基-tRNA-tRNA从核糖体的从核糖体的A A位移到位移到P P位的位的过程过程 核糖体沿核糖体沿mRNAmRNA的的5-35-3方向移动方向移动与移位过程相偶联与移位过程相偶联（每次移动距离是（每次移动距离是1 1个密码子）个密码子）移位酶移位酶 ，EF-GEF-G（G G因子）因子）消耗消耗1 1个个GTPGTP3.移位移位 核糖体延核糖体延mRNA的的5 3方向移动一个方向移动一个密码子。密码子。移位酶移位酶见动画见动画 2 肽链的延伸肽链的延伸进入进入转肽转肽移位移位 肽链的延伸肽链的延伸 进位进位 转肽转肽 移位移位P A53MetAGUP A53MetAUGffAUG3PA5MetAUG23PA5MetAUG2进位进位ff3PA5metAUG23PA35AUGmet2转肽转肽移位移位ffPA35AUGMet23PA35AUGMet234 进位进位转肽转肽ffPA35AUGMet234PA35AUGMet234ff见动画见动画 3 四、肽链的终止四、肽链的终止释放因子释放因子(RF)：终止肽链合成并将其从核糖：终止肽链合成并将其从核糖体上释放出来的一类蛋白质因子。体上释放出来的一类蛋白质因子。终止密码子：终止密码子：UAA、UAG、UGARF1:UAA、UAGRF2:UAA、UGARF3:不识别终止密码子，与不识别终止密码子，与GTP结合，并结合，并促进促进RF1和和RF2与与A位点结合。位点结合。肽肽链链的的终终止止（1 1）终止密码子）终止密码子（UAAUAA、UAGUAG、UGAUGA）出现在）出现在核糖体核糖体A A位时，释放因子（位时，释放因子（RFRF）就与之结合，）就与之结合，（2 2）肽基转移酶）肽基转移酶变为水解酶，使新生的肽链与变为水解酶，使新生的肽链与tRNA tRNA 分离，并从核糖体上脱落下来，分离，并从核糖体上脱落下来，（3 3）mRNA mRNA 释出释出，大小亚基分离（，大小亚基分离（GTP)GTP)PA35AUGMet234nUGARFPA35AUGMet234nUGAPA35AUGMet234nUGAH2NCOOHPA35AUGUGA五、蛋白质合成中五、蛋白质合成中GTP的作用的作用 氨基酸活化氨基酸活化 2ATP/AA 起始起始 1 GTP 延长延长 2GTP/cycle 终止终止 1GTP思考题：合成思考题：合成100100个氨基酸的多肽需要消耗个氨基酸的多肽需要消耗多少个高能磷酸键？多少个高能磷酸键？(400)(400)合成合成100100个氨基酸需要消耗多少个高能个氨基酸需要消耗多少个高能磷酸键？磷酸键？1)100个氨基酸活化成个氨基酸活化成AA-tRNA消耗数：消耗数：100 X 2=200 （ATP-AMP）2）起始的）起始的fMet-tRNA进入进入P位点及起始位点及起始复合物形成消耗复合物形成消耗GTP数：数：1 GTP 3）99个个AA-tRNA进入进入A位点消耗位点消耗GTP数数：99X1=99GTP 4 4）肽键形成不消耗）肽键形成不消耗GTPGTP 5 5）9999个氨基酸个氨基酸移位移位消耗消耗消耗消耗GTPGTP数数：99X1=99GTP99X1=99GTP 6 6）肽链）肽链释放释放消耗消耗GTPGTP数：数：1 GTP1 GTP 总数：总数：200+1+99+99+1=400200+1+99+99+1=400蛋蛋白白质质的的合合成成