现代分子生物学第四章课件.ppt

1、1第四讲第四讲 生物信息的传递生物信息的传递（下）从（下）从mRNA到蛋白质到蛋白质2主要内容主要内容：1、遗传密码、遗传密码-三联子三联子2、tRNA3、核糖体、核糖体4、蛋白质合成的生物学机制、蛋白质合成的生物学机制5、蛋白质运转机制、蛋白质运转机制3蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 核糖体是蛋白质合成的场所；核糖体是蛋白质合成的场所；mRNA是蛋白质合成的模板；是蛋白质合成的模板；转移转移RNA(tRNA)是模板与氨基酸之是模板与氨基酸之间的接合体。间的接合体。蛋白质合成需要多种蛋白质、酶和蛋白质合成需要多种蛋白质、酶和其他生物大分子的参与。其他生物大分子的参与。蛋白质合成是一个需能反应

2、。蛋白质合成是一个需能反应。4 翻译翻译是指将是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每起始位点开始，按每3个核苷酸代表一个氨基个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。5 4.1 遗传密码遗传密码三联子三联子贮存在贮存在DNA上的遗传信息通过上的遗传信息通过mRNA传递传递到蛋白质上，到蛋白质上，mRNA与蛋白质之间的联系与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。是通过遗传密码的破译来实现的。遗传密码：遗传密码：mRNA上每上每3个核苷酸翻译成多肽链上个核苷酸翻译成多肽链上的一个氨基酸，这的一个氨基

3、酸，这3个核苷酸就称为一个核苷酸就称为一个密码子（三联子密码）。个密码子（三联子密码）。64.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译因为因为mRNA中只有中只有4种核苷酸，蛋白质中有种核苷酸，蛋白质中有20种氨基酸：种氨基酸：以一种核苷酸代表一种氨基酸是不可能的。以一种核苷酸代表一种氨基酸是不可能的。若以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码（二若以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码（二联子），能代表联子），能代表42=16种氨基酸。种氨基酸。若以若以3个核苷酸代表一个氨基酸，有个核苷酸代表一个氨基酸，有43=64种种密码子密码子，满足了编码，满足了编码20种氨基酸的需要。种氨基酸的需要。7Cric

4、k等人发现等人发现T4噬菌体噬菌体rII位点上两个基因的位点上两个基因的正确表达与它能否侵染大肠杆菌有关，用吖啶正确表达与它能否侵染大肠杆菌有关，用吖啶类试剂（诱导核苷酸插入或从类试剂（诱导核苷酸插入或从DNA链上丢失）链上丢失）处 理 使处 理 使 T 4 噬 菌 体噬 菌 体 D N A 发 生发 生 移 码 突 变移 码 突 变（frameshift mutation），噬菌体就丧失感染，噬菌体就丧失感染能力。能力。从遗传学的角度证实三联子密码的构想从遗传学的角度证实三联子密码的构想是正确的是正确的8用核苷酸的插入或删除实验证明阿用核苷酸的插入或删除实验证明阿mRNA模模板上每三个核苷酸

5、组成一个密码子。板上每三个核苷酸组成一个密码子。9三联子密码的破译三联子密码的破译 制备制备E.coli无细胞合成体系，以均无细胞合成体系，以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物模板指导多肽的合成。聚物模板指导多肽的合成。核糖体结合技术。核糖体结合技术。10均聚物为模板均聚物为模板 Nirenberg把多聚（把多聚（N）作为模板加入到无细）作为模板加入到无细胞体系时发现，新合成的多肽链是胞体系时发现，新合成的多肽链是:poly(U)-UUU-polyphenylalanine poly(C)-CCC-polyproline poly(A)-AAA-polylysi

6、ne poly(G)-did not work because of the complex secondary structure 11Poly(UG)-poly(Cys-Val):5UGU GUG UGU GUG UGU GUG 3，无论读码从，无论读码从U开始还是从开始还是从G开始，都只能有开始，都只能有UGU（Cys）及）及GUG（Val）两种密码子。）两种密码子。随机共聚物为模板随机共聚物为模板12 Nirenberg及及Ochoa等又用各种特定序等又用各种特定序列如只含列如只含A、C的共聚核苷酸作模板，任意的共聚核苷酸作模板，任意排列时可出现排列时可出现8种三联子，即种三联子，即C

7、CC、CCA、CAC、ACC、CAA、ACA、AAC、AAA，获得由获得由Asn、His、Pro、Gln、Thr、Lys等等6种氨基酸组成的多肽。种氨基酸组成的多肽。特定序列的共聚物为模板特定序列的共聚物为模板13以人工合成的三核苷酸如以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板，在含核糖体、等为模板，在含核糖体、AA-tRNA的适当离子的适当离子强度的反应液中保温后通过硝酸纤维素滤膜。游强度的反应液中保温后通过硝酸纤维素滤膜。游离的离的AA-tRNA因相对分子质量小能自由过膜，因相对分子质量小能自由过膜，与模板对应的与模板对应的AA-tRNA能与核糖体结合，体积能与核糖体结合，体积超

8、过膜上的微孔而被滞留。超过膜上的微孔而被滞留。核糖体结合技术核糖体结合技术144.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质密码的连续性密码的连续性(commaless)密码的简并性密码的简并性(degeneracy)密码的普遍性密码的普遍性(universality)密码的特殊性密码的特殊性(specificity)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15密码的连续性密码的连续性(commaless)三个核苷酸编码一个氨基酸。三个核苷酸编码一个氨基酸。三联子密码是非重叠三联子密码是非重叠(non-overlapping)和和连续的连续的(commaless)。16密码的简并性密码的

9、简并性(degeneracy)4种核苷酸可组成种核苷酸可组成64个密码子个密码子:61个是编码氨基酸的密码子；个是编码氨基酸的密码子；3个即个即UAA、UGA和和UAG是终止密码子是终止密码子由一种以上密码子编码同一个氨基酸的由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（现象称为简并（degeneracy）17通用遗传密码及通用遗传密码及相应的氨基酸相应的氨基酸除色氨酸（除色氨酸（UGG）只有一）只有一个密码子外，其他氨基酸都个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子：有一个以上的密码子：9种氨基酸有种氨基酸有2个密码子，个密码子，1种氨基酸有种氨基酸有3个密码子，个密码子，5种氨基酸有种氨

10、基酸有4个密码子，个密码子，3种氨基酸有种氨基酸有6个密码子。个密码子。18同义密码子同义密码子(synonymous codon)：对应于同一氨基酸的密码子对应于同一氨基酸的密码子Synonym codons have the same meaning in the genetic code.Synonym tRNAs bear the same amino acid and respond to the same codon.19AUG甲硫氨酸及起始密码子甲硫氨酸及起始密码子GUG缬氨酸及起始密码子缬氨酸及起始密码子UAA终止密码子终止密码子(Ochre)UAG终止密码子终止密码子(Amb

11、er)UGA终止密码子终止密码子(Opal)20密码子的兼并性密码子的兼并性 氨基酸氨基酸密码子个数密码子个数氨基酸氨基酸密码子个数密码子个数丙氨酸丙氨酸4亮氨酸亮氨酸6精氨酸精氨酸6赖氨酸赖氨酸2天门冬酰胺天门冬酰胺2甲硫氨酸甲硫氨酸1天门冬氨酸天门冬氨酸2苯丙氨酸苯丙氨酸2半胱氨酸半胱氨酸2脯氨酸脯氨酸4谷氨酰胺谷氨酰胺2丝氨酸丝氨酸6谷氨酸谷氨酸2苏氨酸苏氨酸4甘氨酸甘氨酸4色氨酸色氨酸1组氨酸组氨酸2酪氨酸酪氨酸2异亮氨酸异亮氨酸3缬氨酸缬氨酸421除了除了Arg以外，编码某一特定氨基酸的密码子个数以外，编码某一特定氨基酸的密码子个数与该氨基酸在蛋白质中的出现频率相吻合与该氨基酸在蛋白

12、质中的出现频率相吻合 22密码的普遍性密码的普遍性23密码的特殊性密码的特殊性The standard codons are true for most organisms,but not for all 24tRNA的反密码子在核的反密码子在核糖体内是通过碱基的糖体内是通过碱基的反反向配对向配对与与mRNA上的密上的密码子相互作用的。码子相互作用的。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Codon 5 A C G 3 Anticodon 3 U G C 5is usually written as codon ACG/anticodon CGU,ACG and CGU25196

13、6年，年，Crick提出摆动假说提出摆动假说(wobble hypothesis)，解释，解释了反密码子中某些稀有成分了反密码子中某些稀有成分（如（如I，肌苷酸肌苷酸）的配对，以及）的配对，以及许多氨基酸有许多氨基酸有2个以上密码子个以上密码子的问题。的问题。wobble hypothesis 前两对严格遵守碱基配对原则。前两对严格遵守碱基配对原则。第三对碱基有一定的自由度，可以第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动摆动”，因而，因而使某些使某些tRNAtRNA可以识别可以识别1 1个以上的密码子。个以上的密码子。26 b.当反密码子第一位是当反密码子第一位是I时，时，密码子第三位可以是密码子第

14、三位可以是A、U或或C。mRNA上的密码子与上的密码子与tRNA上上的反密码子配对示意图的反密码子配对示意图 a.密码子与密码子与tRNA反密码反密码子臂上相应序列配对子臂上相应序列配对27tRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNA上密码子的配对与上密码子的配对与“摆动摆动”分析分析 1反密码子第一位是反密码子第一位是C或或A时，只能识别一种时，只能识别一种密码子。密码子。反密码子反密码子（3）X-Y-C（5）（3）X-Y-A（5）密码子密码子（5）Y-X-G（3）（5）Y-X-U（3）2反密码子第一位是反密码子第一位是U或或G时，可分别识别两时，可分别识别两种密码子。种密码子。反密码子反密

15、码子（3）X-Y-U （5）（3）X-Y-G （5）密码子密码子（5 ）Y-X-A/G（3）（5）Y-X-C/U（3）3反密码子第一位是反密码子第一位是I时，可识别时，可识别3种密码子种密码子反密码子反密码子（3）X-Y-I （5）密码子密码子（5 ）Y-X-A/U/C（3）一个一个tRNA究竟究竟能识别多少个能识别多少个密码子是由反密码子是由反密码子的第一密码子的第一位碱基的性质位碱基的性质决定的。决定的。28 为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体合体;4.2 tRNA为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运

16、送载体。提供了运送载体。又被称为又被称为第二遗传密码第二遗传密码。29tRNA3端通过切割、修端通过切割、修整，再加上整，再加上CCA而成；而成；5端由切割产生。端由切割产生。tRNA由较长的前由较长的前体加工而来体加工而来30tRNAtRNA一级结构一级结构(Primary Structure)tRNA二级结构二级结构(Secondary Structure)tRNA三级结构三级结构(Tertiary Structure)tRNA的功能的功能31tRNA一级结构一级结构(primary structure)长度长度:60-95 nt(commonly 76)残基残基:15 个个invaria

17、nt(恒定恒定)和和 8个个 semi-invariant(半恒定半恒定).invariant 和和 semi-variant 核苷核苷的位置在二级结构和三级结构中起着重要的作用。的位置在二级结构和三级结构中起着重要的作用。含有修饰碱基含有修饰碱基(Modified bases):有时一个有时一个tRNA分子的分子的 20%的碱基是经过修饰的。已的碱基是经过修饰的。已发现有超过发现有超过50 种不同类型的修饰碱基。种不同类型的修饰碱基。32tRNA中所有中所有4种碱基都能被修饰种碱基都能被修饰33不同不同tRNA在结构上存在大量的共性，由在结构上存在大量的共性，由小片段碱基互补配对形成三叶草形

18、分子结小片段碱基互补配对形成三叶草形分子结构，有构，有4条根据结构或已知功能命名的手条根据结构或已知功能命名的手臂臂(arm or stem)和和3个环个环(loop)。tRNA二级结构二级结构(secondary structure)34tRNA三叶草形二级结构三叶草形二级结构psai 35受体臂（受体臂（acceptor arm）由链两端序列配由链两端序列配对形成的杆状结对形成的杆状结构和构和3端未配对的端未配对的34个碱基所组个碱基所组成。成。其其3 端的最后端的最后3个碱基序列永远个碱基序列永远是是CCA，最后一，最后一个碱基的个碱基的3或或2 自自由羟基由羟基(OH)可可以被氨酰化。

19、以被氨酰化。36D臂是根据它含有臂是根据它含有二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶(dihydrouracil）命名的。命名的。D臂中存臂中存在多至在多至3个可变核个可变核苷酸位点，苷酸位点，17：1及及20：1、20：2。最常见的最常见的D臂缺失臂缺失这这3个核苷酸，而个核苷酸，而最小的最小的D臂中第臂中第17位核苷酸也缺失位核苷酸也缺失了。了。37反密码子臂是根据反密码子臂是根据位于套索中央的三位于套索中央的三联反密码子命名的。联反密码子命名的。由由5bp的臂和的臂和7个核个核苷的环组成。在环苷的环组成。在环中有与密中有与密码子互补的由码子互补的由3个核个核苷组成的反密码子。苷组成的反密码子。38TC臂是

20、根据臂是根据3个核个核苷酸命名的，其中苷酸命名的，其中表示拟尿嘧啶；表示拟尿嘧啶；由由 5 b p 臂 和 含 有臂 和 含 有GTC的环组成。的环组成。可变臂可变臂(多余臂多余臂)是由是由3到到21个核苷组成，个核苷组成，可 能 会 形 成 多 达可 能 会 形 成 多 达7bp的臂。的臂。39tRNA的的L-形三级结构形三级结构:研究酵母研究酵母tRNAPhe、tRNAfMet和大肠杆菌和大肠杆菌tRNAfMet、tRNAArg等的三级结构，发现都呈等的三级结构，发现都呈L形折叠式。形折叠式。tRNA三级结构三级结构(tertiary structure)40tRNA三级结构三级结构(te

21、rtiary structure)tRNA三级结构主要由在二级结构中未三级结构主要由在二级结构中未配对碱基间形成的配对碱基间形成的9个氢键（三级氢键）个氢键（三级氢键）而引发的。而引发的。大部分恒定或半恒定核苷酸都参与三大部分恒定或半恒定核苷酸都参与三级氢键的形成。级氢键的形成。41 tRNA上所运载的氨基酸必须靠上所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的多肽合近位于核糖体大亚基上的多肽合成位点，而成位点，而tRNA上的反密码子上的反密码子必须与小亚基上的必须与小亚基上的mRNA相配对相配对，所以分子中两个不同的功能基，所以分子中两个不同的功能基团是最大限度分离的。团是最大限度分离的。这个结

22、构形式满足了蛋白质这个结构形式满足了蛋白质合成过程中对合成过程中对tRNA的各种的各种要求而成为要求而成为tRNA的通式。的通式。42tRNA的功能的功能 为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体，合体，为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体。上提供了运送载体。431.起始起始tRNA和延伸和延伸tRNA2.同工同工tRNA3.校正校正tRNA tRNA的种类的种类44 起始起始tRNA:能特异性识别能特异性识别mRNA模板上起模板上起始密码子的始密码子的tRNA;延伸延伸tRNA:其他其他tRNA统称为延伸

23、统称为延伸tRNA。1.起始起始tRNA和和延伸延伸tRNA45真核生物起始真核生物起始tRNA携带携带甲硫氨酸甲硫氨酸(Met)，原核生物起始原核生物起始tRNA携带携带甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸(fMet)，原核生物中原核生物中Met-tRNAfMet必须首先甲酰化生必须首先甲酰化生成成fMet-tRNAfMet才能参与蛋白质的生物合成。才能参与蛋白质的生物合成。46 同工同工tRNA：代表相同氨基酸的：代表相同氨基酸的不同不同tRNA。2.同工同工tRNA在一个同工在一个同工tRNA组内，所有组内，所有tRNA均专一均专一于相同的氨酰于相同的氨酰-tRNA合成酶。合成酶。同工同工tRNA既

24、要有不同的反密码子以识别该既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同的共同 性，能被性，能被AA-tRNA合成酶识别。合成酶识别。47结构基因中某个核苷酸的改变可能产结构基因中某个核苷酸的改变可能产生终止密码子生终止密码子(UAG、UGA、UAA)，使，使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变称为无义突变，而意义的多肽，这种突变称为无义突变，而校正校正tRNA通过改变反密码子区校正无义通过改变反密码子区校正无义突变。突变。3.校正校正tRNA48AA-tRNA合成酶是合成酶

25、是一 类 催 化 氨 基 酸 与一 类 催 化 氨 基 酸 与tRNA结合的特异性酶结合的特异性酶;AA+tRNA+ATPAAtRNA+AMP+PPi氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶aminonacyl-tRNA synthetase(ARS)49蛋白质合成的真实性蛋白质合成的真实性 蛋白质合成的真实性主要决定于蛋白质合成的真实性主要决定于AA-tRNA合成酶是否能使氨基酸与对应的合成酶是否能使氨基酸与对应的tRNA相结合。相结合。AA-tRNA合成酶既要能识别合成酶既要能识别tRNA，又要能识别氨基酸，它对两者都具有高又要能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性。度的专一性。504.3 核糖体

26、核糖体(ribosome)protein-synthesizing machines51 一个细菌细胞内约有一个细菌细胞内约有20,000个核糖体，个核糖体，真核细胞内可达真核细胞内可达106个。个。这些颗粒既可以游离状态存在于细胞内，也可与内质这些颗粒既可以游离状态存在于细胞内，也可与内质网结合，形成微粒体。网结合，形成微粒体。核糖体是由几十种蛋白质和多种核糖体核糖体是由几十种蛋白质和多种核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)所组成的亚细胞颗粒。它像所组成的亚细胞颗粒。它像一个沿着一个沿着mRNA模板移动的工厂，执行着蛋白质合成模板移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。的功能。概

27、况概况52核糖体及其他组分在大肠杆菌细胞内的分布核糖体及其他组分在大肠杆菌细胞内的分布组分组分占细胞总量占细胞总量细胞内数量细胞内数量细胞壁细胞壁10%1细胞膜细胞膜10%2DNA2%1mRNA2%3.5103tRNA3%1.6105rRNA21%8105核糖体蛋白核糖体蛋白9%2104可溶性蛋白可溶性蛋白40%106小分子小分子3%7.510653结合在内质网上的核糖体。结合在内质网上的核糖体。54核糖体是一个致核糖体是一个致密的核糖核蛋白密的核糖核蛋白颗粒，可解离为颗粒，可解离为两个亚基，每个两个亚基，每个亚基都含有一个亚基都含有一个相对分子质量较相对分子质量较大的大的rRNA和许多和许多

28、不同的蛋白质分不同的蛋白质分子。子。核糖体的结构核糖体的结构55原核与真核细胞核糖体大小亚基比较原核与真核细胞核糖体大小亚基比较5S rRNA(120 nt)23S rRNA(2900 nt)31(36)proteins16S rRNA(1540 nt)21 proteins5S rRNA(120 nt)28S rRNA(4700 nt)5.8S rRNA(160 nt)49 proteins18S rRNA(1900 nt)33 proteinsProkaryotesEukaryotes70S(2.5M)80S(4.2M)50S(1.6M)30S(0.9M)60S(2.8M)40S(1.4M

29、)56大肠杆菌核糖体基本成分大肠杆菌核糖体基本成分 核糖体核糖体小亚基小亚基大亚基大亚基沉降系数沉降系数70S30S50S总体相对分子总体相对分子质量质量2.521069.301051.59106主要主要rRNA（碱（碱基数）基数）16S（1 541）23S（2 904）主要主要rRNA（碱（碱基数）基数）5S（120）RNA相对分子相对分子质量质量1.661065.601051.10106RNA所占比例所占比例66%60%70%蛋白质数量蛋白质数量 2136蛋白质相对分蛋白质相对分子质量子质量8.571053.701054.87105蛋白质所占比蛋白质所占比例例34%40%30%57核糖体分

30、子中可容纳两核糖体分子中可容纳两个个tRNA和约和约40bp长的长的mRNA。核糖体结构模型核糖体结构模型58真核生物细胞中发现的多聚核糖体真核生物细胞中发现的多聚核糖体(polyribosomes or polysomes)现象现象591.5 S rRNA2.16 S rRNA3.23 S rRNA4.5.8 S rRNArRNA60 5S rRNA有两个高度保守的区域有两个高度保守的区域:一个区域含有保守序列一个区域含有保守序列CGAAC，这是与，这是与tRNA分子分子TC环环上的上的GTCG序列相互作用的部位，是序列相互作用的部位，是5 S rRNA与与tRNA相互相互识别的序列。识别的

31、序列。另一个区域含有保守序列另一个区域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，与，与23S rRNA的中一段序列互补，可能是的中一段序列互补，可能是5 S rRNA与与50 S核糖体大核糖体大亚基相互作用的位点。亚基相互作用的位点。细菌细菌5 S rRNA含有含有120个核苷酸（革兰氏阴性菌）或个核苷酸（革兰氏阴性菌）或116个个核苷酸（革兰氏阳性菌）。核苷酸（革兰氏阳性菌）。5S rRNA61 长约长约1 4751 544个核苷酸之间个核苷酸之间含有少量修饰碱基含有少量修饰碱基位于原核生物位于原核生物30 S小亚基内小亚基内结构十分保守结构十分保守:(1)3端一段端一段ACCUCCUUA

32、的保守序列，与的保守序列，与mRNA 5 端翻译起始区中的端翻译起始区中的SD序列互补。序列互补。(2)靠近靠近3 端处还有一段与端处还有一段与23 S rRNA互补的序列互补的序列，在，在30 S与与50 S亚基的结合中起作用。亚基的结合中起作用。16S rRNA6223 S rRNA基因包括基因包括2904个核苷酸个核苷酸:第第19842001核苷酸之间存在能与核苷酸之间存在能与tRNAMet序列互补的片段序列互补的片段,表明核糖体大亚基表明核糖体大亚基23 S rRNA可能与可能与tRNAMet的结合有关。的结合有关。第第143157位核苷酸之间有一段位核苷酸之间有一段12个核苷个核苷酸

33、的序列与酸的序列与5 S rRNA上第上第7283位核苷酸互补位核苷酸互补，表明组成，表明组成50 S大亚基的这两种大亚基的这两种RNA之间可能之间可能存在相互作用。存在相互作用。23 S rRNA63 真核生物核糖体大亚基特有的真核生物核糖体大亚基特有的rRNA 长度为长度为160个核苷酸个核苷酸 含有修饰碱基含有修饰碱基 含有与原核生物含有与原核生物5 S rRNA中的保守序列中的保守序列CGAAC相同的序列，可能与相同的序列，可能与tRNA作用的作用的识别有关。识别有关。5.8S rRNA64在多肽合成过程中，由不同的在多肽合成过程中，由不同的tRNA将相应将相应的氨基酸带到蛋白质合成部

34、位，并与的氨基酸带到蛋白质合成部位，并与mRNA进进行专一性的相互作用，以选择对信息专一的行专一性的相互作用，以选择对信息专一的AA-tRNA。核糖体还必须能同时容纳另一种携带肽链的核糖体还必须能同时容纳另一种携带肽链的tRNA，即，即肽基肽基tRNA（peptidyl-tRNA），并，并使之处于肽键易于生成的位置上。使之处于肽键易于生成的位置上。核糖体的功能核糖体的功能65细菌核糖体上一般存在三个与氨酰细菌核糖体上一般存在三个与氨酰-tRNA结合的位点结合的位点:A位点位点(aminoacyl site),新到来的氨酰新到来的氨酰-tRNA的结合位点的结合位点;P位点位点(peptidyl

35、site),肽基酰肽基酰-tRNA结合位点结合位点;E位点位点(Exit site),延伸过程中的多肽链转移到氨酰延伸过程中的多肽链转移到氨酰-tRNA上释放上释放tRNA的位点。的位点。只有只有fMet-tRNAfMet能与第一个能与第一个P位点相结合，其它所有位点相结合，其它所有tRNA都必都必须通过须通过A位点到达位点到达P位点，再由位点，再由E位点离开核糖体。位点离开核糖体。每一个每一个tRNA结合位点都横跨核糖体的两个亚基，位于大、小亚基结合位点都横跨核糖体的两个亚基，位于大、小亚基的交界面。的交界面。核糖体上重要位点核糖体上重要位点66Location of tRNAsCate e

36、t al.,Science 1999674.4 蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制 核糖体是蛋白质合成的场所，核糖体是蛋白质合成的场所，mRNA是蛋白是蛋白质合成的模板，质合成的模板，tRNA是模板与氨基酸之间的是模板与氨基酸之间的接合体。接合体。蛋白质合成是一个需能反应。真核生物中可蛋白质合成是一个需能反应。真核生物中可能有近能有近300种生物大分子参与蛋白质的生物合种生物大分子参与蛋白质的生物合成，这些组分约占细胞干重的成，这些组分约占细胞干重的35%。68 氨基酸活化氨基酸活化 肽链的起始肽链的起始 肽链的延伸肽链的延伸 肽链的终止肽链的终止 新合成多肽链的折叠和加工新合成多肽

37、链的折叠和加工蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成69阶阶 段段必必 需需 组组 分分1氨基酸的活化氨基酸的活化20种氨基酸种氨基酸 20种氨基酰种氨基酰-tRNA合成酶合成酶 20种或更多的种或更多的tRNA ATP，Mg2+2肽链的起始肽链的起始mRNA N-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNA mRNA上的起始密码子（上的起始密码子（AUG）核糖体小亚基核糖体小亚基 核糖体大亚基核糖体大亚基 GTP，Mg2+起始因子（起始因子（IF-1，IF-2，IF-3）3肽链的延伸肽链的延伸功能核糖体（起始复合物）功能核糖体（起始复合物）AA-tRNA 伸长因子伸长因子 GTP，Mg2+肽基转移酶肽基转移

38、酶4肽链的终止肽链的终止GTP MRNA上的终止密码子上的终止密码子 释放因子（释放因子（RF-1，RF-2，RF-3）5折叠和加工折叠和加工参与起始氨基酸的切除、修饰等加工过程的酶参与起始氨基酸的切除、修饰等加工过程的酶蛋白质合成各阶段的主要成分简表蛋白质合成各阶段的主要成分简表701.氨基酸的活化氨基酸的活化20种氨基酸种氨基酸20种氨酰种氨酰-tRNA合成酶合成酶20种或更多的种或更多的tRNAATPMg 2+氨基酸必须在氨酰氨基酸必须在氨酰tRNA合成酶的作用下合成酶的作用下生成活化氨基酸生成活化氨基酸AA-tRNA71*同一氨酰同一氨酰-tRNA合成酶具有把相同氨基酸加到合成酶具有把

39、相同氨基酸加到两个或更多个带有不同反义密码子两个或更多个带有不同反义密码子tRNA分子上的功能。分子上的功能。真核生物起始真核生物起始tRNA是是Met-tRNAMet，原核生物起始原核生物起始tRNA是是fMet-tRNAfMet。tRNA与相应氨基酸的结合是蛋白质合成中的与相应氨基酸的结合是蛋白质合成中的关键步骤，可确保多肽合成的准确性。关键步骤，可确保多肽合成的准确性。72蛋白质合成的起始是指在模板蛋白质合成的起始是指在模板mRNA编码区编码区5端形成核糖体端形成核糖体-mRNA-起始起始tRNA复合物复合物,并将并将(甲酰甲酰)甲硫氨酸放入核糖体甲硫氨酸放入核糖体P位点。位点。2.翻译

40、的起始翻译的起始73mRNAN甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰tRNAmRNA上的起始密码子上的起始密码子核糖体小亚基核糖体小亚基核糖体大亚基核糖体大亚基GTP,Mg2+起始因子起始因子翻译的起始需要：翻译的起始需要：74原核生物原核生物中中30 S小亚基首先与小亚基首先与mRNA模板相结合模板相结合，再与，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与结合，最后与50 S大亚基结大亚基结合。合。真核生物真核生物中，中，40 S小亚基首先与小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板相结合，再与模板mRNA结合，最后与结合，最后与60S大亚大亚基结合生成基结合生成80SmRNAMet-tRNAMet

41、起始复合起始复合物。物。7530 S小亚基小亚基模板模板mRNAfMet-tRNAfmet3个翻译起始因子，个翻译起始因子，IF-1,IF-2,IF-3GTP50 S大亚基大亚基Mg 2+细菌的翻译的起始细菌的翻译的起始76细菌的翻译的起始细菌的翻译的起始翻译起始复合物的形成翻译起始复合物的形成:第一步，第一步，30S小亚基与翻译起始小亚基与翻译起始因子因子IF-1，IF-3结合，通过结合，通过SD序序列与列与mRNA模板相结合。模板相结合。第二步，第二步，fMet-tRNAfMet在在IF-2的的协同下进入小亚基的协同下进入小亚基的P位，位，tRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNA上上的

42、起始密码子配对。的起始密码子配对。第三步，带有第三步，带有tRNA、mRNA、三个翻译起始因子的小亚基复合三个翻译起始因子的小亚基复合物与物与50S大亚基结合，释放翻译大亚基结合，释放翻译起始因子。起始因子。77细菌细菌mRNA分子上往往存在一个与分子上往往存在一个与16S rRNA3末端相互补的末端相互补的SD序列序列。各种各种mRNA的核糖体结合位点中能与的核糖体结合位点中能与16 S rRNA配对的配对的核苷酸数目及这些核苷酸到起始密码子之间的距离是不核苷酸数目及这些核苷酸到起始密码子之间的距离是不一样的，反应了起始信号的不均一性。一样的，反应了起始信号的不均一性。78真核生物蛋白质生物

43、合成的起始有其特点：真核生物蛋白质生物合成的起始有其特点：核糖体较大，核糖体较大，有较多的起始因子，有较多的起始因子，mRNA具有具有m7GpppNp帽子结构，帽子结构，mRNA分子分子5 端的端的“帽子帽子”和和3 端的多聚端的多聚A都参与都参与形成翻译起始复合物，形成翻译起始复合物，Met-tRNAMet不甲酰化，不甲酰化，40 S亚基对亚基对mRNA起始密码子的识别经过扫描起始密码子的识别经过扫描(Scanning)。真核生物蛋白质生物合成的起始真核生物蛋白质生物合成的起始79帽子结构能促进起始反应帽子结构能促进起始反应帽子在帽子在mRNA与与40 S亚基结合过程中起稳定作用亚基结合过程

44、中起稳定作用带帽子的带帽子的mRNA 5端与端与18 S rRNA的的3端序列之间存在端序列之间存在 不同于不同于SD序列的碱基配对型相互作用序列的碱基配对型相互作用80较多的起始因子参与真核生物翻译的起始较多的起始因子参与真核生物翻译的起始eIF5Displace other factorseIF2 eIF2BInvolved in initiation tRNA deliveryeIF4B eIF4F eIF4A eIF4EBinding to the mRNAeIF6 eIF3 eIF4cBinding to ribosomal subunits eIF4Am7GpppAAAAAAAUG

45、eIF4EeIF4GeIF340SeIF2Met-tRNAieIF1A81生成起始复合物，第一个氨基酸（生成起始复合物，第一个氨基酸（fMet/Met-tRNA）与核糖体结合以后，肽链开始伸长。）与核糖体结合以后，肽链开始伸长。按照按照mRNA模板密码子的排列，氨基酸通过模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。新生肽键的方式被有序地结合上去。肽链延伸中的每个循环都包括肽链延伸中的每个循环都包括AA-tRNA与核与核糖体结合、肽键的生成和移位三步。糖体结合、肽键的生成和移位三步。3.肽链的延伸肽链的延伸82 功能核糖体（起始复合物）功能核糖体（起始复合物）AAtRNA 伸长因

46、子伸长因子 GTP,Mg2+肽基转移酶肽基转移酶肽链的延伸需要肽链的延伸需要831).后续后续AA-tRNA与与 核糖体结合核糖体结合细菌中肽链延伸的第一步反应：新的细菌中肽链延伸的第一步反应：新的氨酰氨酰-tRNA结合到结合到A位。位。该氨酰该氨酰-tRNA首先与首先与EF-Tu GTP形成形成复合物，进入核糖体的复合物，进入核糖体的A位，水解产生位，水解产生GDP并在并在EF-Ts的作用下释放的作用下释放GDP并并使使EF-Tu结合另一分子结合另一分子GTP，进入新一，进入新一轮循环。轮循环。842).肽键的生成肽键的生成 在核糖体在核糖体mRNAAA-tRNA复合物中复合物中，AA-tR

47、NA占据占据A位，位，fMet-tRNAfMet占占据据P位。位。生长肽链的生长肽链的C端与端与P位的位的tRNA分离分离,与与新的氨基酸之间形成肽键。新的氨基酸之间形成肽键。构象的变化导致大亚基的移动，使两构象的变化导致大亚基的移动，使两个个tRNA的的N端移到大亚基的端移到大亚基的E和和P位，位，而在小亚基中它们仍位于而在小亚基中它们仍位于P和和A位。位。85多肽链上肽键的形成多肽链上肽键的形成缩合反应缩合反应86核糖体通过核糖体通过EF-G介导的介导的GTP水解所提供水解所提供的能量向的能量向mRNA模板模板3末端移动一个密末端移动一个密码子，使两个码子，使两个tRNA完全进入完全进入E

48、位和位和P位位(去氨酰去氨酰tRNA被挤入被挤入E位位;肽基肽基-tRNA进入进入P位位)，mRNA上的第三位密码子对上的第三位密码子对应于应于A位准备开始新一轮肽链延伸。位准备开始新一轮肽链延伸。3)移位移位87 GTP mRNA上的终止密码上的终止密码子子 释放因子释放因子4.肽链的终止肽链的终止88当终止密码子当终止密码子UAA、UAG或或UGA出现在核糖体的出现在核糖体的A位时，位时，没有相应的没有相应的AA-tRNA能与之能与之结合结合.释放因子能识别这些密码释放因子能识别这些密码子并与之结合，水解子并与之结合，水解P位上多位上多肽链与肽链与tRNA之间的二酯键，之间的二酯键，释放新

49、生的肽链和释放新生的肽链和tRNA.核糖体大、小亚基解体，核糖体大、小亚基解体，蛋白质合成结束。蛋白质合成结束。释放因子释放因子RF具有具有GTP酶活酶活性，它催化性，它催化GTP水解，使肽链水解，使肽链与核糖体解离。与核糖体解离。89新生的多肽链大多数没有功能，必须经新生的多肽链大多数没有功能，必须经过加工修饰才能转变为活性蛋白质。过加工修饰才能转变为活性蛋白质。蛋白质前体的加工蛋白质前体的加工90左左:新生蛋白质在去掉新生蛋白质在去掉N端一部分残基后变成有功能的蛋白质端一部分残基后变成有功能的蛋白质右右:某些病毒或细菌可合成无活性的多聚蛋白质，经蛋白酶切某些病毒或细菌可合成无活性的多聚蛋白

50、质，经蛋白酶切割后成为有功能成熟蛋白。割后成为有功能成熟蛋白。新生蛋白质经蛋白酶切割后变成有功能的成熟蛋白质新生蛋白质经蛋白酶切割后变成有功能的成熟蛋白质911、N端端fMet或或Met的切除的切除2、二硫键的形成、二硫键的形成3、特定氨基酸的修饰、特定氨基酸的修饰4、切除新生肽链中非功能片段、切除新生肽链中非功能片段蛋白质前体的加工蛋白质前体的加工92前胰岛素原蛋白翻前胰岛素原蛋白翻译后成熟过程译后成熟过程93蜂毒蛋白只有经蛋白酶水解切除蜂毒蛋白只有经蛋白酶水解切除N-端的端的22个氨基酸个氨基酸以后才有生物活性。以后才有生物活性。该胞外蛋白酶只能特异性切割该胞外蛋白酶只能特异性切割X-Y2