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第第9章章 遗传密码与蛋白质的生物合成遗传密码与蛋白质的生物合成9.1 遗传密码的破译遗传密码的破译遗传密码遗传密码是指是指DNA链上的核苷酸与蛋白质链上的氨链上的核苷酸与蛋白质链上的氨基酸的对应关系。基酸的对应关系。密码子（密码子（codon）是指是指mRNA链上三个连续的核苷链上三个连续的核苷酸决定一个特定的氨基酸，酸决定一个特定的氨基酸，mRNA上特定的核苷酸上特定的核苷酸序列对应蛋白质链上特定的氨基酸序列。序列对应蛋白质链上特定的氨基酸序列。1966 年全部年全部 64 个密码子得到破译。个密码子得到破译。遗传密码表遗传密码表遗传密码表遗传密码表9.2 遗传密码的基本特性遗传密码的基本特性1.遗传密码编码在核酸分子上，其基本单位是遗传密码编码在核酸分子上，其基本单位是5 3方向方向编码、编码、不重叠不重叠、无标点无标点的的三联体三联体密码子。密码子。2.起始密码子：起始密码子：AUG（极少数为（极少数为GUG）终止密码子：终止密码子：UAA、UAG、UGA3.简并性简并性：同一种氨基酸具有两个或更多密码子：同一种氨基酸具有两个或更多密码子的现象称为密码子的简并性（的现象称为密码子的简并性（degeneracy）。）。同义密码子、同工同义密码子、同工tRNA密码子简并性密码子简并性密码子与反密码子的相互作用密码子与反密码子的相互作用4.变偶性变偶性（摇摆性）：遗传密码的专一性主要取决（摇摆性）：遗传密码的专一性主要取决于前两位碱基，于前两位碱基，第三个碱基第三个碱基具有一定的变动范围。具有一定的变动范围。（反密码子的第一位如果是（反密码子的第一位如果是 U U，可以和密码子第，可以和密码子第三位三位 A A 和和 G G 配对；反密码子第一位如果是配对；反密码子第一位如果是 G G 可可以和密码子第三位以和密码子第三位 U U 和和 C C 配对。反密码子第一配对。反密码子第一位如果是位如果是 I I，可以和，可以和 U U、C C、A A 配对。配对。）5.通用性通用性：所有的低等和高等生物，基本上共用一：所有的低等和高等生物，基本上共用一套遗传密码子。套遗传密码子。变异性变异性：线粒体：线粒体DNA（Mt DNA)的编码方式与通的编码方式与通用密码有所不同，某些细胞基因组密码也有一定用密码有所不同，某些细胞基因组密码也有一定的变异。的变异。6.突变的效应及遗传密码的防错系统突变的效应及遗传密码的防错系统遗传密码的进化方式以遗传密码的进化方式以突变影响的最小化突变影响的最小化为目的。为目的。同义密码子在密码表中的分布具有其规则，而且密同义密码子在密码表中的分布具有其规则，而且密码子的碱基顺序与其相应的氨基酸物理化学性质之码子的碱基顺序与其相应的氨基酸物理化学性质之间存在一定关系。氨基酸的极性通常由密码子第二间存在一定关系。氨基酸的极性通常由密码子第二位碱基决定，简并性由第三位碱基决定。位碱基决定，简并性由第三位碱基决定。密码的编排方式使得密码子中一个碱基被置换，其密码的编排方式使得密码子中一个碱基被置换，其结果常常或是编码相同氨基酸，或是以物理化学性结果常常或是编码相同氨基酸，或是以物理化学性质最接近的氨基酸相取代。即密码的编排具有质最接近的氨基酸相取代。即密码的编排具有防错防错功能功能。遗传密码的上述特性是在进化过程中形成的遗传密码的上述特性是在进化过程中形成的。7.可读框与重叠基因可读框与重叠基因可读框（可读框（ORFORF）：是指从起始密码子起到终止密码：是指从起始密码子起到终止密码子止的一段连续的密码子区域，它是观察子止的一段连续的密码子区域，它是观察DNADNA序列。序列。当没有已知的蛋白质产物时，该区域被称为当没有已知的蛋白质产物时，该区域被称为可读框可读框，而当确知该可读框编码某一确定蛋白质时，则称为而当确知该可读框编码某一确定蛋白质时，则称为编码区编码区。一个可读框是潜在的编码区。一个可读框是潜在的编码区。一个基因的编码区部分或全部与另一基本的编码区一个基因的编码区部分或全部与另一基本的编码区重叠，称为重叠基因。重叠基因可增加基因组的编重叠，称为重叠基因。重叠基因可增加基因组的编码能力。码能力。9.3 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成9.3.1 蛋白质生物合成概述蛋白质生物合成概述遗传信息传递：染色体遗传信息传递：染色体DNA核苷酸序列核苷酸序列信使信使RNA分子核苷酸序列分子核苷酸序列多肽链的氨基酸序列多肽链的氨基酸序列氨基酸先与氨基酸先与tRNA形成形成氨酰氨酰-tRNA，然后通过结合，然后通过结合在在mRNA上的核糖体而加入到多肽链中。上的核糖体而加入到多肽链中。核糖体结合到核糖体结合到mRNA分子的起始序列上，沿着密分子的起始序列上，沿着密码序列读码，方向从码序列读码，方向从5 3，合成的多肽链是从氨，合成的多肽链是从氨基端到羧基端。基端到羧基端。在一个在一个mRNA分子上可以结合多分子上可以结合多个不同时间开始翻译的核糖体，称为个不同时间开始翻译的核糖体，称为多聚核糖体多聚核糖体。原核的转录与翻译同步时行，真核的转录与翻译原核的转录与翻译同步时行，真核的转录与翻译在时空上分开，核糖体游离于细胞质或与内质网在时空上分开，核糖体游离于细胞质或与内质网膜结合。膜结合。翻译过程的基本原理翻译过程的基本原理示多聚核糖体示多聚核糖体9.3.2 蛋白质生物合成的分子基础蛋白质生物合成的分子基础1.模板模板mRNA：作为中间物质传递作为中间物质传递DNA分子遗分子遗传信息，含三联密码子组成的可读框。传信息，含三联密码子组成的可读框。mRNAmRNA上的密码子以连续排列方式组成可读框，可读上的密码子以连续排列方式组成可读框，可读框外的序列称为非编码区。框外的序列称为非编码区。可读框的可读框的55端由起始密码开始，端由起始密码开始，33端含有端含有1 13 3个个终止密码。终止密码。原核生物原核生物mRNAmRNA分子起始密码上游含有核糖体结合位分子起始密码上游含有核糖体结合位点序列，分子内多个基因独立地进行可读框翻译；点序列，分子内多个基因独立地进行可读框翻译；真核生物真核生物mRNA5mRNA5端的核糖体进入部位与核糖体结合，端的核糖体进入部位与核糖体结合，通过一种迅速扫描机制向通过一种迅速扫描机制向33端移动寻找起始密码，端移动寻找起始密码，帽子结构对核糖体进入部位的识别起一定作用。帽子结构对核糖体进入部位的识别起一定作用。核糖体结合位点（核糖体结合位点（RBS）5端非编端非编码区在码区在蛋白质蛋白质合成中合成中是与核是与核糖体结糖体结合的部合的部位位2.“译员译员”tRNA：既是密码子的受体，也既是密码子的受体，也是氨基酸的受体，转运活化的氨基酸至是氨基酸的受体，转运活化的氨基酸至mRNA模板。模板。3.当当mRNA与与tRNA在核糖体的凹槽处相遇时，在核糖体的凹槽处相遇时，tRNA一端的一端的反密码子反密码子将与将与mRNA上互补的三联体上互补的三联体密密码子码子相互作用。具有反行平行的特征。相互作用。具有反行平行的特征。校正突变校正突变tRNA氨基酸的活化氨基酸的活化4.合成部位合成部位核糖体核糖体8核糖体核糖体是最大最复杂的核糖核蛋白（是最大最复杂的核糖核蛋白（RNP），），在加工过程中由在加工过程中由核糖体核糖体RNA（rRNA）与）与核糖体核糖体蛋白质蛋白质（r蛋白）复合而成。蛋白）复合而成。8原核生物的核糖体结构原核生物的核糖体结构8真核生物的核糖体结构真核生物的核糖体结构8多聚核糖体多聚核糖体5S5S16S rRNA一级结构非常保守，二级结构保守性更强一级结构非常保守，二级结构保守性更强核糖体的结构核糖体的结构 30S小亚基小亚基 头部头部 基底部基底部 中间有一中间有一豁口豁口 50S大亚基大亚基 三个三个突起突起 核蛋白体作为蛋白质的合成场所具有的作用：核蛋白体作为蛋白质的合成场所具有的作用：（1）mRNA结合位点结合位点：位于：位于30s小亚基头部，此处有几种小亚基头部，此处有几种蛋白质构成一个结构域，负责与蛋白质构成一个结构域，负责与mRNA的结合，特别是的结合，特别是16srRNA3端与端与mRNA AUG之前的一段序列互补是这种结之前的一段序列互补是这种结合必不可少的。合必不可少的。（2）A位点：位点：（Aminoacyl-tRNA site）叫做氨基酰）叫做氨基酰 tRNA 位或受位。它大部分位于大亚基而小部分位于小亚基，位或受位。它大部分位于大亚基而小部分位于小亚基，是结合一个新进入的氨基酰是结合一个新进入的氨基酰tRNA 的位置。的位置。（3）P位点：位点：（peptidyl tRNA site）又叫做肽酰基位点或）又叫做肽酰基位点或给位。它大部分位于小亚基，小部分位于大亚基，是结合给位。它大部分位于小亚基，小部分位于大亚基，是结合起始起始tRNA并向并向A位给出氨基酸的位置位给出氨基酸的位置（4）转肽酶活性部位转肽酶活性部位：位于：位于P位和位和A位的连接处。位的连接处。（5）结合参与蛋白质合成的）结合参与蛋白质合成的起始因子起始因子（Initiation Factor,IF）、）、延长因子延长因子(Elengation Factor,EF)和和终止因子终止因子或释放因子或释放因子(Release Factor,RF)。Peptidyl transferaseEF-Tu site原核细胞核糖体的功能位点原核细胞核糖体的功能位点原核细胞核糖体的功能位点原核细胞核糖体的功能位点翻译过程中的核糖体图解翻译过程中的核糖体图解原核核糖体的装配原核核糖体的装配9.3.3 翻译的过程翻译的过程 起始起始延伸延伸终止终止1.氨酰氨酰-tRNA复合物复合物的形成的形成氨酰氨酰tRNA合成酶参与将氨基酸结合到其相应的合成酶参与将氨基酸结合到其相应的tRNA上。上。这种结合的意义这种结合的意义这种结合的意义这种结合的意义氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的形成的形成的形成的形成示氨基酰示氨基酰tRNA合成酶与合成酶与tRNA的相互作用，可见的相互作用，可见氨酸接受柄、氨酸接受柄、D柄、反密码子和可变环与酶反应柄、反密码子和可变环与酶反应2.mRNA分子与核糖体的识别与结合分子与核糖体的识别与结合起始密码子和终止密码子是一个可读框（起始密码子和终止密码子是一个可读框（ORF）的界限。的界限。核糖体核糖体小亚基小亚基识别合适的起始密码子。识别合适的起始密码子。真核：识别最靠近真核：识别最靠近55端的端的AUGAUG；原核：通过原核：通过SDSD序列识别并结合于核糖体结合位点。序列识别并结合于核糖体结合位点。翻译的过程翻译的过程 起始起始延伸延伸终止终止原核生物翻译起始原核生物翻译起始n起始阶段：在起始阶段：在mRNA分子的正确起始点处完成完分子的正确起始点处完成完整核糖体的组装。整核糖体的组装。n参与原核蛋白质合成的起始的非核糖体蛋白质，参与原核蛋白质合成的起始的非核糖体蛋白质，被称为被称为起始因子起始因子(initiation factor,IF)n原核生物肽链合成起始于原核生物肽链合成起始于30S亚基，分为亚基，分为3个阶段：个阶段：形成形成mRNA-30S复合物；复合物；tRNAfMet结合形成结合形成30S起始复合物；起始复合物；形成形成70S起始复合物。起始复合物。大肠杆菌大肠杆菌翻译起始翻译起始复合物形复合物形成的过程成的过程真核生物翻译起始真核生物翻译起始p真核生物翻译起始与原核细胞相比：真核生物翻译起始与原核细胞相比：核糖体比较大；核糖体比较大；mRNA是单顺反子；是单顺反子；其其mRNA具有具有5m7GpppNp帽子结构，无帽子结构，无SD序序列，导致起始时识别信号的差异；列，导致起始时识别信号的差异；Met-tRNAMet不甲酰化（为不甲酰化（为tRNAiMet）有较多的起始因子有较多的起始因子u真核生物起始的蛋白质因子称为真核生物起始的蛋白质因子称为真核起始因子真核起始因子(eukaryotic initiation factor,eIF)真真核核生生物物翻翻译译起起始始复复合合物物组组装装真核细胞蛋白质生物合成的起始步骤可概括为：真核细胞蛋白质生物合成的起始步骤可概括为：（1）形成形成43S核糖体复合物核糖体复合物：由：由40S小亚基与小亚基与elF3和和elF4c组成。组成。（2）形成形成43S前起始复合物前起始复合物：即在：即在43S核糖体复合核糖体复合物上，连接物上，连接elF2-GTP-Met-tRNAMet复合物。复合物。（3）形成形成48S前起始复合物前起始复合物：由：由mRNA及帽子结合及帽子结合蛋白蛋白1（CBP1）、）、elF4A、elF4B和和elF4F共同构成共同构成一个一个mRNA复合物。复合物。mRNA复合物与复合物与43S前起始复合前起始复合物作用，形成物作用，形成48S前起始复合物。前起始复合物。（4）形成形成80S起始复合物起始复合物：在：在elF5的作用下，的作用下，48S前起始复合物中的所有前起始复合物中的所有elF释放出，并与释放出，并与60S大亚基大亚基结合，最终形成结合，最终形成80S起始复合物，即起始复合物，即40S亚基亚基-mRNA-Met-tRNAMet-60S亚基。亚基。P235P235图图9.139.13原核生物和真核生物翻译起始过程比较：原核生物和真核生物翻译起始过程比较：共同点：共同点：核糖体小亚基结合荷载的起始核糖体小亚基结合荷载的起始tRNA;在在mRNA上必须找到合适的起始密码子上必须找到合适的起始密码子大亚基与已形成复合物的小亚基、起始大亚基与已形成复合物的小亚基、起始tRNA、mRNA结合。这些过程都需要非核糖体的可溶结合。这些过程都需要非核糖体的可溶性起始因子参与，基本机制大体相似。性起始因子参与，基本机制大体相似。不同点：不同点：原核中，原核中，mRNA首先与小亚基结合再与首先与小亚基结合再与tRNA形形成起始复合物；而真核细胞中，起始成起始复合物；而真核细胞中，起始tRNA首先首先结合于小亚基，再在多种因子参与下结合结合于小亚基，再在多种因子参与下结合mRNA；小亚基起始复合物在小亚基起始复合物在mRNA上寻找起始密码子上寻找起始密码子的方式不同。的方式不同。原核生物有三种起始因子，原核生物有三种起始因子，IF-1：促进：促进IF-2及及IF-3的活性；的活性；IF-2：使：使fMet-tRNAfMet有选择地与有选择地与30S结结合；合；IF-3:促进促进mRNA与与30S结合及保持结合及保持30S亚基稳亚基稳定性的作用。定性的作用。真核生物的起始因子大概有十多种，真核生物的起始因子大概有十多种，eIF-4(CBP)eIF-4(CBP)：帽子结合蛋白，识别帽子结构，：帽子结合蛋白，识别帽子结构，eIF-1eIF-1、eIF-2eIF-2、eIF-3eIF-3：与：与40S40S小亚基结合。小亚基结合。n翻译延伸的阶段，在原核与真核生物中大体相似。翻译延伸的阶段，在原核与真核生物中大体相似。n肽链合成的延伸，是指第二个和以后的密码子编肽链合成的延伸，是指第二个和以后的密码子编码的氨基酸进入核糖体，并形成肽键的过程。码的氨基酸进入核糖体，并形成肽键的过程。这个过程有这个过程有3个步骤：个步骤：进位反应进位反应 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的反密码子与的反密码子与mRNAmRNA的密码的密码子在核糖体内的识别子在核糖体内的识别；转肽反应转肽反应 包括转位反应和肽键的形成；包括转位反应和肽键的形成；移位反应移位反应 是是tRNAtRNA和和mRNAmRNA相对于核糖体的移动。相对于核糖体的移动。以上以上3个步骤构成了一个循环，即个步骤构成了一个循环，即核糖体循环核糖体循环uGTP的水解在此过程具有重要作用：的水解在此过程具有重要作用：每掺入一个每掺入一个氨基酸的延伸过程中，都有两个氨基酸的延伸过程中，都有两个GTP分子发生了分子发生了水解。水解。3 翻译的过程翻译的过程 起始起始延伸延伸终止终止肽链的延伸肽链的延伸蛋白质生物合成蛋白质生物合成3 翻译的过程翻译的过程 起始起始延伸延伸终止终止遗传密码中含有遗传密码中含有3个个终止密码子终止密码子，当核糖体在，当核糖体在mRNA上遇到其中任一终止密码子时，肽链的延伸上遇到其中任一终止密码子时，肽链的延伸即停止。即停止。终止密码子是直接被蛋白质因子识别的。终止密码子是直接被蛋白质因子识别的。释放释放因子（因子（release factor,RF）。）。RF在在GTP存在下识存在下识别终止密码子，结合于核糖体的别终止密码子，结合于核糖体的A位点上，此结合位点上，此结合导致了肽基转移酶被激活，使肽链的合成终止。导致了肽基转移酶被激活，使肽链的合成终止。细菌中有细菌中有3类释放因子：类释放因子：RF-1、RF-2、RF-3，RF1识别识别UAA和和UAG，RF2识别识别UAA和和UGA，RF3起辅起辅助因子作用；真核生物只有一种释放因子（助因子作用；真核生物只有一种释放因子（eRF，可识别三类终止密码子）可识别三类终止密码子）翻译的终止翻译的终止及多肽链的及多肽链的释放过程释放过程没有一个没有一个tRNAtRNA能够与能够与终止密码子作用，而终止密码子作用，而是靠特殊的蛋白质因是靠特殊的蛋白质因子促成终止作用。子促成终止作用。n终止密码子的抑制现象终止密码子的抑制现象抑制子抑制子tRNAn翻译异常终止翻译异常终止“无义无义”突变突变非终止非终止mRNA（通过（通过“反式翻译反式翻译”恢复）恢复）u利用终止密码子插入非标准氨基酸利用终止密码子插入非标准氨基酸u核糖体跳过一大段核糖体跳过一大段mRNA后继续翻译，称为后继续翻译，称为翻译翻译跳跃跳跃（translation jumping），其发生位置具有），其发生位置具有mRNA的特殊序列结构。的特殊序列结构。9.3.4蛋白质合成的抑制蛋白质合成的抑制嘌呤霉素嘌呤霉素可在肽酰转移酶的作用下与氨基酸结合，形可在肽酰转移酶的作用下与氨基酸结合，形成酰胺键，此复合物易从核糖体上脱落，从而使蛋白成酰胺键，此复合物易从核糖体上脱落，从而使蛋白质合成过程中断。质合成过程中断。除了嘌呤霉素之外，许多除了嘌呤霉素之外，许多抗生素抗生素及及毒素毒素可以抑制蛋白可以抑制蛋白质的合成。质的合成。原原：氯霉素、四环素、链霉素、新霉素、卡那霉素；：氯霉素、四环素、链霉素、新霉素、卡那霉素；真真：亚胺环己酮、白喉毒素。：亚胺环己酮、白喉毒素。9.3.5 蛋白质合成的调节蛋白质合成的调节1.真核生物真核生物mRNA分子的稳定性分子的稳定性3-polyA3-polyA结构、结构、33非翻译区的非翻译区的AUAU序列序列2.5UTR结构与翻译起始的调节结构与翻译起始的调节55帽子结构、起始密码子帽子结构、起始密码子AUGAUG与上游与上游AUGAUG、AUGAUG侧翼序侧翼序列、列、mRNAmRNA前导序列前导序列3.蛋白质磷酸化对翻译效率的影响蛋白质磷酸化对翻译效率的影响eIF-4EeIF-4E的磷酸化、的磷酸化、eIF-2aeIF-2a的磷酸化的磷酸化4.3UTR结构与结构与mRNA稳定性调控稳定性调控polyApolyA的调节、终止密码子的偏爱性、的调节、终止密码子的偏爱性、3UTR 3UTR 序列及序列及结构的调节结构的调节5.mRNA的细胞质定位的细胞质定位真核起始因子真核起始因子eIF2对蛋白质生物合成的调控作用对蛋白质生物合成的调控作用9.4 蛋白质合成后的运输蛋白质合成后的运输n蛋白质在细胞内的定位蛋白质在细胞内的定位n真核细胞的真核细胞的结构蛋白结构蛋白和和分泌蛋白分泌蛋白n蛋白质运输的途径蛋白质运输的途径通过核孔进入细胞核内；通过核孔进入细胞核内；信号肽引导蛋白质信号肽引导蛋白质达到靶部位；达到靶部位；翻译完成后被运输至细胞器的蛋翻译完成后被运输至细胞器的蛋白质。白质。细胞核蛋白的靶向输送细胞核蛋白的靶向输送分泌蛋白的转运过程分泌蛋白的转运过程线粒体蛋白的靶向输送线粒体蛋白的靶向输送9.5 蛋白质前体的共价修饰蛋白质前体的共价修饰u蛋白质翻译后的共价修饰主要包括：蛋白质翻译后的共价修饰主要包括：1.1.肽链肽链N N端残基端残基fMetfMet或或MetMet的切除的切除氨肽酶、脱甲酰基酶氨肽酶、脱甲酰基酶2.2.二硫键的形成二硫键的形成蛋白质前体进行两个蛋白质前体进行两个Cys-SHCys-SH的脱氢氧化，在的脱氢氧化，在ERER腔腔中完成中完成3.3.氨基酸侧链的修饰氨基酸侧链的修饰磷酸化、甲基化、乙酰化、腺苷酸化、糖基化磷酸化、甲基化、乙酰化、腺苷酸化、糖基化9.6 蛋白质的折叠蛋白质的折叠蛋白质分子的折叠过程是动力学驱动的复杂过程，蛋白质分子的折叠过程是动力学驱动的复杂过程，蛋白质天然构象不一定是能量最低态，往往只是一蛋白质天然构象不一定是能量最低态，往往只是一个亚稳态，与此相应，分子折叠的途径不是唯一的，个亚稳态，与此相应，分子折叠的途径不是唯一的，而是多途径的。而是多途径的。分子伴侣分子伴侣：是细胞中一类可识别正在合成的多肽：是细胞中一类可识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位结合，从而或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位结合，从而帮助这种多肽转运或装配，其本身并不参与最终产帮助这种多肽转运或装配，其本身并不参与最终产物形成的蛋白质分子。物形成的蛋白质分子。如：信号识别颗粒如：信号识别颗粒个人观点供参考，欢迎讨论
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