第十一章 蛋白质的生物合成

第十一章蛋白质的生物合成第一节遗传密码蛋白质合成要解决的中心问题即是氨基酸顺序的决定和肽键的形成。1.1、遗传密码的概念p502遗传密码（密码子，三联体密码）：在mRNA分子上，每三个连续的核苷酸决定一个AA，这三个连续的核苷酸就称为遗传密码。机体中，组成蛋白质的AA共有20种，这20种AA共有61种密码子。密码的阅读方向：5’→3’。1.2、遗传密码的特点p505-5061、密码的简并性一种AA有1个以上密码子的现象。如：Ser：UCU，UCC，UCA，UCG（4种密码子)。简并性主要表现在第三位的碱基，说明密码子的专一性主要决定于前两个碱基，第三个碱基则存在一定灵活性，这对物种的稳定具重要意义。但Trp，Met只有1个密码子。2、密码的阅读具方向性（5’→3’）、连续性、不重叠、无逗号。阅读一经开始，即依次进行直至终止密码子，中间即不重叠也不停顿（否则将导致突变）。3、具起始密码和终止密码起始密码：AUG（主要），GUG。为双功能密码子。肽链合成开始：起始信号。肽链延伸中：编码Met（AUG），Val（GUG）。终止密码：UAA，UAG，UGA。不编码任何AA，是蛋白质合成的终止信号。因此，遗传密码共有64个。（3个终止密码+61个编码AA的密码）4、通用性和变异性p509-510真核，原核，病毒都共用一套密码。但在线粒体和一些低等生物中存在密码的变异性。1.3、反密码子与摆动效应p507-5091、反密码子tRNA分子上反密码环中3个连续的核苷酸，可与mRNA上的密码子配对，称为反密码子。反密码子在遗传密码和AA的转换间起了中介作用。2、摆动效应：反密码子的第1个碱基与密码子的第3个碱基配对的特异性不高，除标准配对外还有非标准配对的现象称摆动效用。标准配对：A-U，C-G。非标准配对：第二节蛋白质的合成机构2.1、mRNA在蛋白质合成中的作用p519-520携带着来自于DNA的遗传信息，是蛋白质合成的模板，在蛋白质合成过程中起传递遗传信息的作用。1、真核mRNA的分子结构5’-帽子：与蛋白质合成的起始及核糖体与mRNA的结合有关。3’-尾：与mRNA从胞核转移到胞液有关。非编码区：调控部位。编码区：编码AA。编码区的近5’-端含起始密码子；近3’-端则至少含1个终止密码子。2、原核mRNA分子结构无5’-帽子和3’-尾。具编码区和非编码区。在非编码区的5’-端含SD序列（位于起始AUG上游约10个碱基处，含4～9bp，富含嘌呤），为核糖体的结合位点，有助于核糖体正确识别起始密码子而开启蛋白质的合成。P519-520原核mRNA分子内具多个核糖体结合位点，因此一条mRNA链上的多个基因可独立地进行读码框的翻译，得到不同的蛋白质。真核mRNA则通常只为一条多肽链编码。2.2、tRNA在蛋白质合成中的作用p513-514转运AA的作用。AA臂：活化AA的连接部位。反密码环：通过反密码子与mRNA上密码子的配对，将AA携带到核糖体的合适位置。二氢尿嘧啶环：识别AA-tRNA合成酶TψC环：识别核糖体细胞内每种AA都有相应的一种以上的tRNA进行转运。如：tRNAAla：表示转运Ala的tRNA。2.3、rRNA在蛋白质合成中的作用p512-513，p519-520构成蛋白质合成的场所-核糖体。电镜下大肠杆菌30S，50S，70S核糖体的结构：原核生物：70S30S：16SrRNA50S：23SrRNA，5SrRNA真核生物：80S40S：18SrRNA60S：28SrRNA，5SrRNA，5.8SrRNA1、小亚基的功能⑴、与mRNA结合；⑵、识别mRNA上的起始位点（SD序列）。⑶、在大小亚基结合的表面上具与tRNA结合的A位点和P位点。2、大亚基的功能⑴、不能单独与mRNA结合，但当大小亚基结合后，在二亚基的接触面上有一mRNA的结合位点。⑵、非专一地与tRNA结合。具两个tRNA的结合位点，均位于大小亚基结合的表面上。a、A位（氨酰基位）：AA-tRNA进入部位。b、P位（肽酰基位）：肽酰-tRNA结合部位。起始AA-tRNA结合部位。细胞内，一条mRNA链上常结合有多个核糖体，形成串状的多核糖体。每个核糖体均可独立完成一条肽链的合成，从而大大提高了翻译的效率。第三节蛋白质的合成过程及机理p511-525以研究得最为深入的原核生物E.coli为例，蛋白质的合成过程可大致分为四个阶段。即：⑴、AA的活化；⑵、肽链合成的起始；⑶、肽链的延伸；⑷、肽链的终止和释放。3.1、AA的活化p514-518氨酰tRNA合成酶的特性：⑴、专一性识别特定AA；识别转运该AA的tRNA。氨酰tRNA合成酶的专一性对蛋白质合成的忠实性具重要意义。⑵、校正活性许多氨酰-tRNA合成酶具有第二个活性部位，称校正部位，具水解酶的活性。用于水解非正确组合的氨基酸和tRNA之间形成的酯键。这对蛋白质合成的忠实性具重要意义。3.2、肽链合成的起始p518-5201、起始条件核糖体（50S，30S）；mRNA：含起始密码子AUG（主要）或GUG；在起始AUG上游约10个碱基处具SD序列。起始AA：Met；起始tRNA：tRNAfGTP；Mg2+起始因子：IF1，IF2，IF3IF3：阻止30S与50S结合，促进mRNA与30S结合；IF2：促进fMet-tRNAf、GTP与30S的结合；IF1：增强IF2的作用2、起始过程：大致分二阶段：⑴、fMet-tRNAf的合成氨酰tRNA合成酶原核生物中有两种tRNA均可转运Met，分别称为tRNAf，tRNAm。两种tRNA的反密码子相同。但tRNAf用于合成起始，形成的Met-tRNAf需进一步甲基化。tRNAm则用于延伸，形成的Met-tRNAm不再甲基化。⑵、70S起始复合物的形成IF3、IF1与30S亚基结合→mRNA与30S亚基结合，并通过30S亚基的16SrRNA与mRNA的SD序列的碱基互补作用将起始密码子AUG定位在30S亚基的P位。→IF2-GTP与fMet-tRNAf结合生成Met-tRNAf-IF2–GTP→在IF2的作用下，fMet-tRNAf进入核糖体，（tRNA的反密码子与mRNA的起始密码子配对），同时IF3离开核糖体→与50S亚基结合，同时由GTP水解提供能量，使IF1、IF2离开核糖体。总反应式：3、起始过程中能量的消耗共需耗2分子ATP和1分子GTP。转甲酰酶3.3、肽链的延伸p520-5231、延伸条件70S起始复合物；AA-tRNA；23SrRNA（肽酰转移酶）；GTP；Mg2+，K+；延伸因子：EF-Tu，EF-Ts，EF-G。EF-Tu：促使AA-tRNA进入A位。EF-Ts：置换Tu-GDP中的GDP，稳定Tu的作用。EF-G：催化移位。2、延伸过程：分三阶段。⑴、AA-tRNA进入核糖体A位（进位）Tu-GTP与AA-tRNA结合生成AA-tRNA-Tu-GTP→在Tu的作用下，AA-tRNA即可进入70S起始复合物的A位点，然后由GTP水解提供能量促使Tu-GDP离开核糖体。⑵、肽键的形成（转肽）：由23SrRNA催化。在23SrRNA（肽酰转移酶）催化下，A位点AA的α-NH2亲核进攻P位点AA的α-羰基C→在A位点生成二肽酰-tRNA，同时P位点的tRNAf成为无负载状态。⑶、移位（转位）：需EF-G（移位因子，移位酶）和GTP。在EF-G的作用下，核糖体沿mRNA5’→3’方向移动一个三联体密码的距离→A位上的肽酰-tRNA转移到P位，原来P位无负载的tRNA离开核糖体→由GTP水解提供能量促使EF-G也离开核糖体。通过移位，A位成为无负载状态，新的AA-tRNA又可进入A位。上述过程每重复一次，肽链即延长一个AA残基。3、延伸方向及能量消耗延伸方向：N→C（氨基端→羧基端）能量消耗：每延长一个AA残基需耗2分子ATP和2分子GTP。3.4、肽链的终止和释放p523-5241、终止条件70S核糖体；mRNA上具终止密码子UAA或UAG或UGA。23SrRNA（肽酰转移酶）；GTP终止因子：RF1，RF2，RF3。RF1：识别终止密码UAA，UAG，。RF2：识别终止密码UAA，UGA。RF1、RF2还能使肽酰转移酶活性改变为水解酶活性，使肽酰基从tRNA上水解下来，并释放出核糖体。RF3：不能识别终止密码，但能促进RF1、RF2与核糖体的结合。2、终止过程：终止密码进入A位，由终止因子RF1、RF2识别mRNA上的终止密码→终止因子RF1、RF2改变肽酰转移酶活性为水解酶活性→多肽链和tRNA间的酯键水解→肽链从tRNA及核糖体上脱离下来→由GTP水解提供能量促使RF也离开核糖体。随多肽链的释放，P位无负载的tRNA也从核糖体脱离，mRNA也离开核糖体，核糖体在Mg2+作用下又离解为大、小二亚基，并由IF3稳定住小亚基，从而又可用于蛋白质的合成。2、终止的能量消耗：1分子GTP3.5、真核生物蛋白质的合成真核生物蛋白质的合成过程与原核相似，只是核糖体为80S（40S+60S），起始密码子只有一个AUG，起始密码对应的是Met-tRNAi，合成过程中所需的蛋白因子较多。第四节转译后的修饰加工p526-528刚从核糖体上脱落下来的多肽链，常需经过进一步的修饰加工并折叠成一定的空间构象后，才能转变为具有生物活性的蛋白质，加工过程包括：1、N-端fMet（Met）的切除2、信号肽的切除p526，p528-532信号肽：位于新合成的多肽链N-端（少数在中部）的一个小片段肽段，约含10~40个AA残基，富含疏水AA，该肽段对正在合成的多肽链的定向输送起重要作用，在成熟的多肽链中不存在。由胞质中的信号识别颗粒（SRP）识别并结合信号肽→导致肽链延伸暂停→由SRP引导核糖体-肽复合物转运到内质网胞质面的SRP受体→SRP解离，肽链合成从新启动→多肽链伸入到内质网腔→由位于内质网内腔壁上的信号肽酶切除信号肽。3、AA的修饰磷酸化（酶的共价修饰中糖原磷酸化酶的磷酸化）糖基化（糖蛋白）；甲基化；羟基化等。4、前体蛋白的自我剪接酶原的激活5、蛋白质空间结构的形成多肽链折叠和卷曲的有关信息是由多肽链一级结构的顺序来确定的，但其折叠和卷曲并不完全是自发完成的。而是需要有酶（折叠酶，包括二硫键异构酶，肽基脯氨酰顺反异构酶）和蛋白质（分子伴侣）的共同参与。6、亚基的组装（寡聚蛋白）及蛋白部分与非蛋白部分的结合（结合蛋白质）。留在细胞质中的蛋白质从核糖体上释放后常常即可行使其功能，而运往细胞器或分泌出细胞的蛋白质则往往要在运送的过程中发生大量的修饰才能成为有活性的蛋白质。思考题：1、什么叫做遗传密码？有何特点？2、核酸在蛋白质合成中有何作用？3、试用图解方式说明蛋白质合成的总过程。