天津大学生物化学课件Lecture17BiosynthesisProtein

第十三章蛋白质的生物合成翻译―mRNA为模板合成蛋白质的过程蛋白质合成是在核糖体中进行的，包括各种蛋白和RNA等300多种不同的大分子参与蛋白质合成速度非常惊人。大肠杆菌在37ºC条件下合成100个残基组成的蛋白质只需5s蛋白质合成要消耗大量能量，约占全部生物合成反应总耗能量的90%，所需要的能量由ATP和GTP提供遗传密码mRNA中的核苷酸序列与蛋白质中的氨基酸序列的关系利用酶法或化学法合成有特定序列的均聚核苷酸，共聚核苷酸及核糖体结合技术等方法，于1965年完全弄清了20种天然氨基酸的60多组密码子三个一组非重叠的翻译GUAGCCUACGGAU'53'mRNA插入一个CGUAGCCUCACGG'53'AU移除一个GGUAACGGAU'53'插入移除同时GUAAGCCACGGAU'53'CCU读码方式恢复读码方式GCCUACGGA5'3'读码方式一3'GAGCCUUAACG5'读码方式二CCGUAGUCUACGG5'3'读码方式三CGCAGCACCUUU用人工合成多核苷酸破译遗传密码核苷酸序列是三个一组被翻译的，而且是连续的，非重叠的UUU-苯丙氨酸；CCC-脯氨酸；AAA-赖氨酸鸟苷四聚体NNNNONC-1'NNNNON1'-CNNNNON1'-CNNNNONC-1'HHHHHHHHHHHH随机RNA序列对应的多肽序列氨基酸实测相对比率密码构成预测理论计算值天冬酰胺（Asn）24A2C20谷氨酰胺（Gln）24A2C20组氨酸（His）6AC24赖氨酸（Lys）100AAA100脯氨酸（Pro）7AC2,CCC4.8苏氨酸（Thr）26A2C,AC224遗传密码表UUUUUCUUAUUGPhePheLeuLeuUCUUCCUCAUCGSerSerSerSerUAUUACUAAUAGTyrTyrStopStopUGUUGCUGAUGGCysCysStopTrpCUUCUCCUACUGLeuLeuLeuLeuCCUCCCCCACCGProProProProCAUCACCAACAGHisHisGlnGlnCGUCGCCGACGGArgArgArgArgAUUAUCAUAAUGIleIleIleMetACUACCACAACGThrThrThrThrAAUAACAAAAAGAsnAsnLysLysAGUAGCAGAAGGSerSerArgArgGUUGUCGUAGUGValValValValGCUGCCGCAGCGAlaAlaAlaAlaGAUGACGAAGAGAspAspGluGluGGUGGCGGAGGGGlyGlyGlyGlyUCAGUCAG首字母次字母(5’3’)遗传密码的简并氨基酸密码子数氨基酸密码子数Met1Tyr2Trp1Ile3Asn2Ala4Asp2Gly4Cys2Pro4Gln2Thr4Glu2Val4His2Arg6Lys2Leu6Phe2Ser6Crick的连接物假说CRH3NHCOO-UUUUUCCCGGGAmRNA三联体密码子连接物氨基酸氨基酸结合位密码子与反密码子（1）•mRNA密码子的前两个核苷酸总是与tRNA相应的反密码子形成强的碱基配对，体现密码子的专一性•反密码子的第一个碱基（由5‘→3’读码，与密码子的第三个碱基配对）决定能被tRNA识别的密码子的数目密码子与反密码子（2）•当次黄苷（I）是反密码子的第一个核苷时，tRNA能识别三个不同的密码子，这也是任何一个tRNA所能识别的最大数目的密码子•当一个氨基酸有几个不同的密码子时，如果前两个不同，那么就意味着tRNA不同密码子与反密码子的配对关系5'3'UUUUUCCCGGGAmRNA密码子UAC反密码子tRNA反密码子(3')G3C2I1(5')C1G2A3(3')G3C2I1(5')C1G2U3(3')G3C2I(5')1(5')C1G2C(3')3密码子摆动碱基与密码子反密码子(3')XYC(5')(5')YXG(3')密码子(3')XYA(5')(5')YXU(3')1.一对一:2.一对二:3.一对三:(3')XYU(5')(5')YXA(3')G(3')XYG(5')(5')YXC(3')U(3')XYI(5')(5')YXA(3')UC反密码子密码子反密码子密码子遗传密码小结（1）•蛋白质的氨基酸序列是通过翻译mRNA来合成的，合成是在核糖体中进行的•mRNA中由三个核苷酸组成的密码子决定一个氨基酸。tRNA识别密码子并将相应的氨基酸插入到多肽链中•密码子是通过人工合成mRNA来破译的遗传密码小结(2)•AUG是翻译开始信号，UAA、UAG、UGA是终止信号•遗传密码是简并的，一个氨基酸往往有多个密码子•除了极少数例外，标准的遗传密码适合于所有生物•密码子的第三个碱基与反密码子的第一个碱基的配对存在着多种组合蛋白质合成的五阶段氨基酸由氨酰tRNA合成酶活化蛋白质合成起动复合物的形成肽键的形成及肽链增长肽链增长在释放因子的协助下终止形成的多肽进行“后加工处理”大肠杆菌蛋白合成要求的组分阶段所要求的组分1.氨基酸活化20种氨基酸；20种氨酰-tRNA合成酶；32种或更多tRNA；ATP，Mg2+2.起动mRNA；N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet;起动密码子（AUG）；起动因子（IF-1，IF-2，IF-3）；GTP,Mg2+3.链增长起动复合物；氨酰-tRNA；延长因子（EF-Tu，EF-Ts，EF-G）；GTP，Mg2+4.终止和释放终止密码子；释放因子（RF-1，RF-2，RF-3）第一阶段：氨基酸的活化NNNNNH2OHHHHOPOO-OOHOHPOOO-POO--ORO-ONH3ATPAminoacid+NNNNNH2OHHHHOPOO-OOHOHORNH3PPiAminoacyl-AMPtRNA的氨酰化两类氨酰tRNA合成酶I类II类ArgLeuAlaLysCysMetAsnPheGlnTrpAspProGluTyrGlySerIleValHisThr氨酰tRNA结构ODarmTCarmAnticodonarmAminoacidarm5'pGNNNNNH23'2'O5'OPO-OOOHCHCONH3RAminoacylgroup3'end氨酰tRNA合成酶的校正功能•与合适的氨基酸结合•在合成氨酰-AMP过程中，如果发现是错误的氨基酸，则水解之•如果生成错误的氨酰-AMP，另外一活性位可与之结合，并水解之•合成104个氨基酸的序列约有一个错误氨酰tRNA合成酶与tRNA的关系5'3'AminoacidarmTCarmExtraarmAnticodonarmAnticodonDarm黄色和红色点是识别的关键氨酰tRNA合成酶与tRNA之间的相互作用称为“第二套遗传密码”Ala-tRNA合成酶要求的结构因素5'3'GU767060504030201015'3'GU767016651013除去13~66之间的核苷酸6613细菌中蛋白合成的SD序列SD序列（起动序列），起动密码子5’端-8到-13位置，通常含有四到九个嘌呤残基。第二阶段：蛋白合成的起动•蛋白合成开始于N端，氨基酸残基加到多肽链的C端•AUG起动密码子翻译为甲硫氨酸残基；所有生物有两种tRNA用于转移甲硫氨酸•原核生物起始甲硫氨酸往往是N-甲酰化的，以防止其进入多肽链中间位置细菌中起动复合物的形成（1）PPA5'3'AUGIF-1IF-3fMet5'UACGTPIF-2P5'3'AUGIF-1IF-3fMet5'UACGTPIF-2IF-3IF-1mRNA+tRNA30S亚基细菌中起动复合物的形成（2）P5'3'IF-1IF-3IF-250S亚基AUGfMet5'UACEfMet5'UACGTPIF-2P5'3'AUGIF-1IF-3tRNA50S亚基GDP+PiA真核细胞起动复合物的形成第三阶段：肽键的形成•链增长要求：1）起动复合物；2）氨酰tRNA；3）一系列链增长因子；4）GTP•第一步：氨酰-tRNA进位•第二步：肽键的形成•第三步：移位链增长第一步：氨酰-tRNA进位P5'3'AUGfMet5'UACEP5'3'AUGfMet5'UACE5'AA25'AA2TuGTPTuGDP+PiAA链增长第二步：肽键的形成P5'3'AUGfMet5'UACE5'AA2COOCHR1NHCOHCOOCHR2NH2P5'3'AUGfMet5'UACE5'AA2CR1HCONHCR2HCOOHO肽键形成AA链增长第三步：移位P5'3'AUGfMet5'UACE5'AA2CR1HCONHCR2HCOOHOP5'3'AUGEfMetNHCR2HCOOHO5'fMet5'UAC5'AA25'AA3AAEPAEPAEF-GGTPGDP+PiEF-G移位阶段四：多肽链合成终止•三个终止密码子：UAA，UAG，UGA•在细菌中，转录和翻译是联合进行的细菌中蛋白合成的终止(1)P5'3'UAGE5'ARF释放因子进入P5'3'UAGE5'ACOO-RF肽链脱落细菌中蛋白合成的终止(2)P5'3'UAGE5'ARF5'3'5'RF核糖体剥落细菌中转录和翻译是联合进行的NH3NH3'5mRNA核糖体DNA双链RNA聚合酶3'5'5'3'转录方向翻译方向阶段五：肽链折叠和加工（1）N端和C端修饰信号序列的失去含羟基氨基酸的磷酸化脯氨酸等的羟基化个别氨基酸的修饰侧链基团的糖基化阶段五：肽链折叠和加工（2）加入异戊二烯基加入辅基形成二硫键蛋白酶水解去掉部分肽段新生多肽折叠成有活性的构象一些修饰的氨基酸蛋白合成与抗生素和毒素•蛋白合成因为几乎每一步都能被一种或几种抗生素专一地抑制，抗生素成为研究蛋白合成的有价值的工具，也具有重要的药物活性嘌呤霉素可使肽键形成中断P5'3'E5'AP5'3'UAGE5'A肽链合成中断NNNNNOOHOHHHHHOCH3H3CCOCH2NHH2COCH3PNNNNNH2OOHOHHHHOCCRHNHOPA蛋白质合成小结•多数蛋白质的合成是在由蛋白和rRNA组成的核糖体中进行的。•蛋白质的合成分为五个阶段。•tRNA和氨酰tRNA合成酶保证了翻译的准确性•多肽链增长开始于氨基酸的N端，通过不断在C端加入新的氨基酸残基使链得以增长