生化蛋白質(zhì)的生物合成第1頁/共67頁DNADNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄

基因遺傳基因表達(dá)

生物中心法則忠實(shí)復(fù)制忠實(shí)轉(zhuǎn)錄忠實(shí)翻譯第2頁/共67頁第一節(jié)遺傳密碼一、遺傳密碼和密碼單位

1.遺傳密碼指mRNA中的核苷酸序列與多肽中氨基酸序列之間的對應(yīng)關(guān)系,通常是指核苷酸三聯(lián)體決定氨基酸的對應(yīng)關(guān)系,故也稱三聯(lián)體密碼或密碼子.2.密碼單位

1954年物理學(xué)家GamovG首先對遺傳密碼進(jìn)行探討:41=4;42=16;43=64,足以編碼20種氨基酸，密碼（codon）應(yīng)是三聯(lián)體（triplet）.第3頁/共67頁

密碼子或稱三聯(lián)體密碼，即mRNA上決定一個特定氨基酸的三個核苷酸。

3.密碼子的確定用各種人工合成模板在體外翻譯蛋白質(zhì)的方法確定用核糖體結(jié)合技術(shù)測定密碼子中的核苷酸排列順序

1961年~1965年4年時間，完全確定了編碼20種天然氨基酸的密碼子，編出了遺傳密碼字典。

第4頁/共67頁12第5頁/共67頁密碼的第一個堿基5′密碼的第三個堿基3′UCAGUCAGUCAGUCAG密碼的第二個堿基112121212第6頁/共67頁二、遺傳密碼的基本特征1.遺傳密碼的連續(xù)性(commaless)

密碼子之間沒有任何起“標(biāo)點(diǎn)”作用的空格,閱讀mRNA時是連續(xù)的,一次閱讀3個核苷酸(堿基).第7頁/共67頁

2.遺傳密碼的不重疊性(nonoverlapping)

在絕大多數(shù)生物中,閱讀mRNA時是以密碼子為單位，不重疊地閱讀。少數(shù)大腸桿菌噬菌體的RNA基因組中部分基因的遺傳密碼是重疊的。不重疊密碼重疊密碼第8頁/共67頁第9頁/共67頁3.遺傳密碼具有簡并性（degeneracy）

(1)除Met(AUG)和Trp(UGG)外，每個氨基酸都有兩個或更多的密碼子，這種現(xiàn)象稱為密碼子的簡并性（degeneracy）。

(2)同義密碼：同一個氨基酸的不同密碼子稱同義密碼子（synonyms）。（3）簡并性的生物學(xué)意義減少有害突變，對生物物種的穩(wěn)定有一定意義。（4）密碼的簡并性往往表現(xiàn)在密碼子的第三位堿基上第10頁/共67頁

第11頁/共67頁4.密碼的變偶性——擺動性(wobble)

tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子配對時，密碼子的第一位、第二位堿基配對是嚴(yán)格的，第三位堿基可以有一定變動，Crick稱這種現(xiàn)象稱為密碼的擺動性或變偶性（wobble）。如tRNA反密碼子第一位的IA、U、C配對。顯然,密碼子的專一性基本取決于前兩位堿基，第三位堿基起的作用有限(有較大靈活性)。所以幾乎所有氨基酸的密碼子都可以用和來表示.

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tRNA反密碼子中除A、U、G、C四種堿基外,還經(jīng)常在第一位出現(xiàn)次黃嘌呤(I).I可以與A、U、C三者之間形成堿基對,使帶有次黃嘌呤的反密碼子可以識別更多的簡并密碼子.

由于變偶性的存在,細(xì)胞內(nèi)只需要32種tRNA,就能識別61個編碼氨基酸的密碼子.

原核和真核細(xì)胞都只合成約30種帶有反密碼子的tRNA。第14頁/共67頁5.遺傳密碼的通用性和變異性

(1)通用性:指各種低等和高等生物,包括病毒、細(xì)菌及真核生物,基本上共用一套遺傳密碼.(2)密碼的變異性:目前已知線粒DNA(mtDNA)的編碼方式與通用遺傳密碼子有所不同.第15頁/共67頁

6.密碼子有起始密碼子和終止密碼子

（1）起始密碼子:AUG(Met)多數(shù)原核,真核生物

GUGUUG

少數(shù)情況

(2)終止密碼子:UAA、UAG和UGA

不編碼任何氨基酸,又稱為無義密碼子（nonsensecodons）或終止密碼子（chain－terminatingcodons），它們單個或串聯(lián)在一起用于多肽鏈翻譯的結(jié)束，沒有相應(yīng)的tRNA存在。關(guān)于SD序列第16頁/共67頁

許多原核生物在mRNA的起始密碼子上游約10個核苷酸處(-10區(qū)),通常有一段富含嘌呤核苷酸的序列,與16SrRNA的3′端部分互補(bǔ),有助于mRNA與核糖體小亞基的結(jié)合.該序列最初是由Shine-Dalgarno發(fā)現(xiàn)的,故稱之為SD序列(Shine-Dalgarnosequence).第17頁/共67頁第18頁/共67頁第二節(jié)核糖體一、核糖體是蛋白質(zhì)合成的工廠用放射性同位素標(biāo)記氨基酸，注射到小鼠體內(nèi)，經(jīng)短時間后取出肝臟，制成勻漿，離心，分離各細(xì)胞器，發(fā)現(xiàn)核糖體放射性最強(qiáng)，說明核糖體是蛋白質(zhì)合成部位。第19頁/共67頁二、核糖體的結(jié)構(gòu)原核生物真核生物第20頁/共67頁第21頁/共67頁三核糖體的活性位點(diǎn)(大腸桿菌）

第22頁/共67頁第23頁/共67頁四、核糖體的功能

參與多肽鏈的啟動、延長、終止，并“移動”含有遺傳信息的模板mRNA第24頁/共67頁第三節(jié)轉(zhuǎn)移RNA的功能

在蛋白質(zhì)合成中，tRNA起著運(yùn)載氨基酸的作用，按照mRNA鏈上的密碼子所決定的氨基酸順序?qū)被徂D(zhuǎn)運(yùn)到核糖體的特定部位。

tRNA有兩個關(guān)鍵部位：

⑴3’端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA.需ATP提供活化氨基酸所需的能量。

⑵與mRNA結(jié)合部位—反密碼子部位(tRNA的接頭作用)

此外,tRNA上尚有(3)識別氨酰tRNA合成酶的位點(diǎn),(4)核糖體識別位點(diǎn)第25頁/共67頁第26頁/共67頁3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG密碼子與反密碼子的閱讀方向均為5‘3’，兩者反向平行配對。第27頁/共67頁第四節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的分子機(jī)制一、肽鏈延伸合成的方向和速度（一）方向

N端→C端（二）速度肽鏈延伸的速度極快，一個核糖體合成一條完整的血紅蛋白α-鏈(146個AA)3分鐘,0.8AA/秒.大腸桿菌20個AA/秒第28頁/共67頁二、mRNA上翻譯的方向

1.用人工合成的多核苷酸作模板證明2.翻譯方向：5′→3'第29頁/共67頁三、原核生物蛋白質(zhì)生物合成的分子機(jī)制1.部位:細(xì)胞質(zhì)

2.酶:氨酰-tRNA合成酶

3.能量:消耗2ATP4.產(chǎn)物:氨酰-tRNA

甲酰化產(chǎn)物fMet-tRNA(原核生物起始AA)氨基酸在摻入肽鏈前必須活化,在胞液中進(jìn)行。氨基酸的活化是指各種參加蛋白質(zhì)合成的AA與攜帶它的相應(yīng)的tRNA結(jié)合成氨酰-tRNA的過程?；罨磻?yīng)在氨酰-tRNA合成酶的催化下進(jìn)行。(一)氨基酸的活化第30頁/共67頁AA+ATP+EAA-AMP-E+PPiMg2+Mn2+AA-AMP-E+tRNA→

氨酰-tRNA+AMP+E5.活化過程:1)氨基酸-AMP-酶復(fù)合物的形成

2)氨基酸從氨基酸-AMP-酶復(fù)合物轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的tRNA上氨基酸活化的總反應(yīng)式是：氨酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨酰-tRNA+AMP+PPi第31頁/共67頁

20種氨基酸中每一種都有各自特異的氨酰-tRNA合成酶。

氨酰-tRNA合成酶具有高度的專一性，它既能識別相應(yīng)的氨基酸（L-構(gòu)型），又能識別與此氨基酸相對應(yīng)的一個或多個tRNA分子；即使AA識別出現(xiàn)錯誤，此酶具有水解功能，可以將其水解掉。這種高度的專一性保證了氨基酸與其特定的tRNA準(zhǔn)確匹配，從而使蛋白質(zhì)的合成具有一定的保真性。第32頁/共67頁(二)肽鏈合成的起始

1.70S起始復(fù)合物的形成

(1)起始氨基酸及起始tRNA起始氨酰-tRNAi:甲硫氨酰-tRNAiMet

N-甲酰甲硫氨酰-tRNAifMet

起始氨基酸原核：甲酰甲硫氨酸fMet

真核：甲硫氨酸Met

①甲酰化后才能與IF2結(jié)合生成30S復(fù)合物②甲?；乐蛊鹗及被徇M(jìn)入延伸中的肽鏈③使fMet-tRNAifMet

結(jié)合在核糖體P部位④延長因子EF-Tu識別未甲?；腗et-tRNA第33頁/共67頁原核：甲酰甲硫氨酸(fMet)第34頁/共67頁第35頁/共67頁細(xì)菌中的起始因子:IF1:

結(jié)合在30S亞基上作為完全起始復(fù)合物的一部分，起穩(wěn)定此復(fù)合物的作用。IF2:結(jié)合到特異的起始tRNA（fMet-tRNAifMet

），并將起始tRNA置于小亞基上。

IF3:30S小亞基特異地與mRNA起始部位結(jié)合需要IF3.IF3還作為70S核糖體的解離因素，產(chǎn)生30S亞基。(2)70S起始復(fù)合物的形成第36頁/共67頁第37頁/共67頁(三)肽鏈的延長

肽鏈的延長分為四個步驟：進(jìn)位轉(zhuǎn)肽脫落移位----核糖體循環(huán)

1.進(jìn)位：

1)一個新的氨酰-tRNA進(jìn)入A位，

2)延長因子參加:3)消耗1個GTP

第38頁/共67頁

原核生物蛋白質(zhì)合成的延伸因子因子基因分子量分子數(shù)/細(xì)胞

功能抑制劑EF-TutufA,tufB43,22570,000與氨基酰tRNA及GTP結(jié)合黃色霉素EFTsTsr74,00010,000結(jié)合EF-Tu，取代GDP

EFG

77,44470,000結(jié)合核糖體和GTP梭鏈孢酸第39頁/共67頁第40頁/共67頁2.轉(zhuǎn)肽：

1)肽?；鶑腜位轉(zhuǎn)到A位,肽鍵的形成；

2)負(fù)責(zé)肽鍵合成的酶稱為肽酰轉(zhuǎn)移酶（peptityltransferase），簡稱轉(zhuǎn)肽酶。

3)肽的轉(zhuǎn)移是核糖體大亞基（50S或60S）的功能。

4)抗菌素嘌呤霉素抑制蛋白質(zhì)合成,使新生的肽鏈在合成未完成之前就釋放出來。第41頁/共67頁第42頁/共67頁3.脫落

轉(zhuǎn)肽后，P部位上空載的tRNA經(jīng)出口位點(diǎn)(E)脫落第43頁/共67頁

4.移位：

1)核糖體向mRNA3′端移動一個密碼子，移位導(dǎo)致肽酰－tRNA從A位點(diǎn)移出，進(jìn)入P位點(diǎn);空著的A位點(diǎn)為下一個密碼子對應(yīng)的氨酰－tRNA的進(jìn)入作好準(zhǔn)備。

2)需要1個GTP

3)三位點(diǎn)模型:1989年德國的Nierhaus等提出模型認(rèn)為，細(xì)菌tRNA及mRNA相對于核糖體發(fā)生移位后，空載tRNA并未立即從核糖體上解離下來，而是移到了E位點(diǎn)（出口位點(diǎn)），當(dāng)新的氨酰－tRNA結(jié)合到A位點(diǎn)時，E位點(diǎn)的空載tRNA才解離下來，此過程涉及到核糖體構(gòu)象的變化，該變化有利于核糖體對正確氨基酰－tRNA的識別作用，從而提供了蛋白質(zhì)合成的精確性。第44頁/共67頁第45頁/共67頁(四)肽鏈合成的終止與釋放1.終止信號

1)終止密碼子:UAA、UGA、UAG

正常細(xì)胞不含能和終止密碼子互補(bǔ)的反密碼子的tRNA，這些終止密碼子能被終止因子所識別。

2)釋放因子（releasefactor，RFs）：

RF1:識別UAA、UAGRF2:識別UAA、UGARF3:不識別終止密碼子,但刺激另外兩個因子的活性，協(xié)助肽鏈釋放第46頁/共67頁

2.終止機(jī)制:1)釋放因子與終止密碼子結(jié)合使轉(zhuǎn)肽酶活性變成水解酶活性，水解了P位點(diǎn)上多肽與tRNA之間的鍵，釋放出多肽和tRNA。

2)在基因中，終止密碼子總是緊接在編碼最后一個氨基酸的密碼子后面。任何一個三聯(lián)密碼發(fā)生無義突變時都足以終止其基因的蛋白質(zhì)合成。

3)在原核生物的基因中，UAA是最常見的終止密碼，其它依次為UGA和UAG，但閱讀UGA存在更多的錯誤。（錯誤閱讀終止密碼就是一個氨基酰－tRNA對它產(chǎn)生錯誤反應(yīng)，使蛋白質(zhì)合成繼續(xù)進(jìn)行，直到另一個終止密碼出現(xiàn)）。第47頁/共67頁第48頁/共67頁多核糖體

是一個mRNA分子與一定數(shù)目的單個核糖體結(jié)合而成的，形成念珠狀。每個核糖體可以獨(dú)立完成一條肽鏈的合成，提高了翻譯的效率。

第49頁/共67頁第50頁/共67頁原核生物轉(zhuǎn)錄與翻譯相偶聯(lián)第51頁/共67頁

前體蛋白是沒有活性的，常常要進(jìn)行一系列翻譯后加工，才能成為有功能的成熟蛋白。蛋白質(zhì)合成后的加工主要有以下幾種方式。

1.氨基端和羧基端的修飾：在原核生物中幾乎所有蛋白質(zhì)都是從N-甲酰蛋氨酸開始，真核生物從蛋氨酸開始。甲酰基經(jīng)酶水解而除去，蛋氨酸或者氨基端的一些氨基酸殘基常由氨肽酶催化而水解除去。因此，成熟的蛋白質(zhì)分子的N-端沒有甲?；?，或沒有蛋氨酸。同時，某些蛋白質(zhì)分子氨基端要進(jìn)行乙?；隰然艘惨M(jìn)行修飾。(五)肽鏈的折疊和加工處理

第52頁/共67頁2.除去信號肽：某些蛋白質(zhì)氨基端有一段15～30個氨基酸殘基的順序，這段順序稱作信號肽，與蛋白質(zhì)傳送到特定的細(xì)胞器、膜，或分泌出細(xì)胞外有關(guān)。信號肽在運(yùn)送過程中通常由專一的酶催化而水解除去。3.羥基氨基酸的磷酸化：某些蛋白質(zhì)分子中的絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸殘基的羥基，在酶催化下被ATP磷酸化。磷酸化在酶的活性調(diào)節(jié)中有重要意義。第53頁/共67頁4.羧化反應(yīng)：某些蛋白質(zhì)，如凝血酶等凝血因子，含有多個r－羧基Glu，這一羧基是由需VitK的酶催化下進(jìn)行的。5.甲基化反應(yīng)：某些蛋白質(zhì)中的賴氨酸殘基需要甲基化，某些谷氨酸殘基的羧基也要甲基化，以除去負(fù)電荷。6.加糖鏈：糖蛋白的糖鏈?zhǔn)堑鞍踪|(zhì)合成之后，在通過高爾基體時，經(jīng)過糖化而形成的。糖鏈或加在天冬氨酸殘基上，或加在絲氨酸、蘇氨酸殘基上。第54頁/共67頁7.加輔基：蛋白質(zhì)與輔基的結(jié)合也是在翻譯之后進(jìn)行的，如乙酰CoA羧化酶的輔基，生物素和細(xì)胞色素C的血紅素。8.二硫鍵的形成：真核細(xì)胞合成的某些蛋白質(zhì)，往往能自發(fā)地折疊形成其天然構(gòu)像，分子內(nèi)的半胱氨酸的巰基之間形成共價(jià)鍵－二硫鍵。二硫鍵在穩(wěn)定蛋白質(zhì)空間構(gòu)型中起著重要作用。例如胰島素分子的成熟是借核糖體上釋放的前胰島素原經(jīng)自發(fā)折疊、形成二硫鍵，然后再切除C肽而形成的。第55頁/共67頁9.蛋白質(zhì)前體的裂解：一種蛋白質(zhì)前體能產(chǎn)生多種多肽激素，如垂體產(chǎn)生的幾種小肽激素是來源于同一個大的蛋白質(zhì)前體。10.蛋白質(zhì)自我剪接：1990年，Hirata等首次報(bào)道一種新的蛋白質(zhì)加工方式－蛋白質(zhì)自我剪接。他們發(fā)現(xiàn)，釀酒酵母細(xì)胞基因TFP1表達(dá)生成兩種蛋白，較大的（69x103）是液泡H＋－ATPase的催化亞基，它來自TFP1基因5`編碼區(qū)和3`編碼區(qū)，較小的（50x103）是由該基因中央?yún)^(qū)編碼的。他們證明，這兩種蛋白是同一條多肽鏈經(jīng)過自我剪接產(chǎn)生的，較小的蛋白是被切割下來的部分，較大的蛋白由切除較小蛋白后再連接而成

第56頁/共67頁

蛋白質(zhì)自我剪接在原核生物和單細(xì)胞真核生物中均已發(fā)現(xiàn)。迄今已在20多種生物的近30種蛋白質(zhì)分子中發(fā)現(xiàn)蛋白內(nèi)含肽，這些蛋白質(zhì)大約一半?yún)⑴c核酸代謝。蛋白內(nèi)含肽常具有一定的生物活性，如核酸內(nèi)切酶的活性。此外，許多蛋白內(nèi)含肽插入至蛋白質(zhì)高度保守區(qū)（如活性中心附近），這一方面迫使蛋白質(zhì)前體必須經(jīng)過剪接才能成熟，另一方面也有利于蛋白內(nèi)含肽自我保護(hù)。第57頁/共67頁切除連接蛋白質(zhì)的自我剪接第58頁/共67頁四、蛋白質(zhì)合成所需的能量蛋白質(zhì)的合成是一個高耗能過程

AA活化2個高能磷酸鍵（ATP）肽鏈起始1個（70S復(fù)合物形成，GTP）進(jìn)位1個（GTP）移位1個（GTP）第一個氨基酸參入需消耗3個（活化2+起始1）,以后每摻入一個AA需要消耗4個（活化2+進(jìn)位1個+移位1個）。第59頁/共67頁

從氨基酸開始合成一個含200個殘基的蛋白質(zhì)需要消耗多少高能磷酸鍵?

活化一個氨基酸-2200×2=400

起始一次：-1

形成一個肽鍵：-2199×2=398

共消耗高能鍵400＋398＋1=799五.活性肽合成的特征

P.285--286

第60頁/共67頁

第五節(jié)真核生物與原核生物蛋白質(zhì)合成的差異1.核糖體更大:

真核生物--80S,原核生物--70S2.起始tRNA：真核：Met-tRNAmet

識別是從5′端開始,無SD序列,起始因子識別與mRNA5′-帽子有關(guān).以掃描機(jī)制識別