1、第十二章第十二章蛋白质生物合成蛋白质生物合成体内蛋白质合成的过程称为蛋白质生物合成。将将mRNA分子中核苷酸（或碱基）的分子中核苷酸（或碱基）的顺序转变蛋白质分子中氨基酸残基的顺序转变蛋白质分子中氨基酸残基的顺序的过程称为顺序的过程称为翻译翻译。相当于，把核酸中的A、G、C、U/ T 4种碱基组成的遗传信息，破译为蛋白质分子中的20种氨基酸排列顺序。翻译的过程有三个阶段：起始，延长，终止。一、一、mRNA的模板作用的模板作用 mRNA是蛋白质多肽链合成的直接模板。是蛋白质多肽链合成的直接模板。 mRNA将DNA的遗传信息传递给蛋白质，是基因表达时的中介，所以又称信使RNA。 每一种mRNA至少
2、能指导合成一条多肽链。 遗传密码（又称密码子，简称密码）：遗传密码（又称密码子，简称密码）：mRNA分子中含有分子中含有AGCU四种不同的四种不同的碱基所代表的核苷酸。从碱基所代表的核苷酸。从53方向方向每每3个相邻的核苷酸组成一个三联密个相邻的核苷酸组成一个三联密码即码即遗传密码遗传密码。 可组成可组成64种种不同的密码。包含：不同的密码。包含：20种种氨基酸，起始密码，终止密码。氨基酸，起始密码，终止密码。背景环境分析l 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 基本原料：基本原料：2020种编码氨基酸种编码氨基酸 模板：模板：mRNAmRNA 适配器：适配器：tRNAtRNA 装配机：核蛋白
3、体装配机：核蛋白体 主要酶和蛋白质因子：氨基酰主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA-tRNA合成酶、合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等等 能源物质：能源物质：ATPATP、GTPGTP 无机离子：无机离子：Mg2+Mg2+、 K+K+背景环境分析mRNA的基本结构的基本结构Start of genetic messageCapEndTail5-端非翻译区端非翻译区 5 3 3-端非翻译区端非翻译区 开放阅读框架开放阅读框架 从从mRNA 5 -端起始密码子端起始密码子AUG到到3 -端终止密端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架码子之间的
4、核苷酸序列，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。背景环境分析原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG -5 3 蛋白质蛋白质AAA 背景环境分析遗传密码的特点：遗传密码的特点：1 1连续性连续性编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。既无间隔也无交叉。 AlaValHi
5、sMet终止密码终止密码背景环境分析基因损伤引起基因损伤引起mRNAmRNA阅读框架内的碱基阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变。发生插入或缺失，可能导致框移突变。缬缬 脯脯 苏苏 天冬天冬缬缬 丙丙 酪酪 甘甘缬缬 丙丙 丝丝 精精背景环境分析2. 2. 方向性方向性翻译时遗传密码的阅读方向是翻译时遗传密码的阅读方向是5353，即读码从即读码从mRNAmRNA的起始密码子的起始密码子AUGAUG开始，按开始，按5353的方向逐一阅读，直至终止密码子。的方向逐一阅读，直至终止密码子。 NC肽链延伸方向肽链延伸方向53读码方向读码方向背景环境分析3 3简并性简并性 在遗传密码表中，共
6、有在遗传密码表中，共有6464组密码组密码（4 43 3）。其中，）。其中，3 3组作为翻译的终止密码组作为翻译的终止密码（UAAUAA、UAGUAG和和UGAUGA）；）；AUGAUG兼作翻译的起始兼作翻译的起始密码（密码（AUGAUG是蛋氨酸的密码），其余是蛋氨酸的密码），其余6161组密组密码（包括码（包括AUGAUG作为亮氨酸的密码）共同编码作为亮氨酸的密码）共同编码2020种种-氨基酸。因此，必然有一种氨基酸氨基酸。因此，必然有一种氨基酸由多组密码编码的现象，称为密码的简并由多组密码编码的现象，称为密码的简并性。实际上，除色氨酸与蛋氨酸（由一个性。实际上，除色氨酸与蛋氨酸（由一个密码
7、编码）外，其余氨基酸均由两个或两密码编码）外，其余氨基酸均由两个或两个以上的密码编码（个以上的密码编码（2 26 6个）。个）。背景环境分析各种氨基酸的密码子数目各种氨基酸的密码子数目背景环境分析4 4通用性通用性: : 无论原核生物如病毒、细菌等和真核无论原核生物如病毒、细菌等和真核生物包括人类都共用一套遗传密码即三联生物包括人类都共用一套遗传密码即三联体密码。只是不同生物对密码子具有偏爱体密码。只是不同生物对密码子具有偏爱性。性。背景环境分析 背景环境分析tRNAtRNA分子中与蛋白质合成有关的位点：分子中与蛋白质合成有关的位点：1 1）氨基酸结合位点；）氨基酸结合位点；2 2）氨酰）氨酰
8、-tRNA-tRNA合成酶识别位点；合成酶识别位点；3 3）核糖体识别位点；）核糖体识别位点；4 4）反密码位点：）反密码位点： 反密码与密码结合时方向相反。即反密码的第反密码与密码结合时方向相反。即反密码的第1 1、2 2、3 3位碱基分别与密码的第位碱基分别与密码的第3 3、2 2、1 1位碱基配位碱基配对。对。背景环境分析 反密码与密码配对时，反密码的第反密码与密码配对时，反密码的第2 2、3 3位碱基分位碱基分别与密码的第别与密码的第2 2、1 1位碱基配对时严格遵循碱基配对规位碱基配对时严格遵循碱基配对规则（即则（即A A与与U U、G G与与C C配对），而反密码的第配对），而反密
9、码的第1 1位碱基与位碱基与密码的第密码的第3 3位碱基配对时不严格遵循碱基配对规则，位碱基配对时不严格遵循碱基配对规则，后者成为摆动配对或不稳定配对（后者成为摆动配对或不稳定配对（wobble base wobble base pairpair）。）。摆动配对情况摆动配对情况 通过摆动配对，使得携带有同种氨基通过摆动配对，使得携带有同种氨基酸的不同酸的不同tRNAtRNA分子可分别结合在几种同义分子可分别结合在几种同义密码上。如反密码为密码上。如反密码为IGCIGC的丙氨酰的丙氨酰-tRNA-tRNA，可分别结合到同义密码可分别结合到同义密码GCUGCU、GCCGCC、GCAGCA上上（GC
10、UGCU、GCCGCC、GCAGCA均为编码丙氨酸的密码）。均为编码丙氨酸的密码）。摆动配对的存在对于保持生物物种的稳定摆动配对的存在对于保持生物物种的稳定具有重要意义。具有重要意义。tRNAtRNA是氨基酸与遗传密码间的适配器是氨基酸与遗传密码间的适配器2.2.氨酰氨酰-tRNA-tRNA 各种氨基酸和对应的各种氨基酸和对应的tRNAtRNA结合后形成结合后形成的氨基酰的氨基酰-tRNA-tRNA表示为：表示为： 氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写-tRNA-tRNA氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写 例如：例如： 丙氨酰丙氨酰-tRNA-tRNA：Ala-tRNAAla-tRNAAla
11、Ala 精氨酰精氨酰-tRNA-tRNA：Arg-tRNAArg-tRNAArgArg 甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA-tRNA： Met-tRNAMet-tRNAMetMet 起始者甲硫氨酰起始者甲硫氨酰-tRNA-tRNA： Met-tRNAiMet-tRNAiMetMet 延长甲硫氨酰延长甲硫氨酰-tRNA-tRNA： Met-tRNAeMet-tRNAeMetMet 在生物体内，一种在生物体内，一种tRNAtRNA只能与一种氨只能与一种氨基酸结合（即一种基酸结合（即一种tRNAtRNA只能搬运一种氨基只能搬运一种氨基酸），而一种氨基酸可与一种以上的酸），而一种氨基酸可与一种以上的tRNAt
12、RNA分子结合，所以，分子结合，所以，tRNAtRNA的种类的种类(80(80种以上）种以上）比氨基酸（比氨基酸（2020种）多。种）多。( (三三) )核糖体是蛋白质生物合成的场所核糖体是蛋白质生物合成的场所 核糖体是肽链合成的核糖体是肽链合成的“装配机装配机”。 胞质中核糖体种类：胞质中核糖体种类： 核糖体由大、小亚基组成，其组成成份核糖体由大、小亚基组成，其组成成份包括包括rRNArRNA和蛋白质。和蛋白质。 不同细胞核蛋白体的组成不同细胞核蛋白体的组成 在核糖体上，与蛋白质生物合成有关的主要在核糖体上，与蛋白质生物合成有关的主要结构有：结构有：1 1有容纳有容纳mRNAmRNA的部位；
13、的部位；2 2有结合氨酰有结合氨酰-tRNA-tRNA的部位，称为氨酰基部位，简的部位，称为氨酰基部位，简称称A A位位; ;有结合肽酰有结合肽酰-tRNA-tRNA的部位，称为肽酰基部位，的部位，称为肽酰基部位，简称简称P P位；位；3.3.有结合蛋白质因子的部位；有结合蛋白质因子的部位；4 4有转肽基酶（有转肽基酶（transpeptidasetranspeptidase）存在，可催化肽）存在，可催化肽键的形成；键的形成；5.5.具有延长因子依赖的具有延长因子依赖的GTPGTP酶活性。酶活性。 A A位和位和P P位呈紧密相邻，每个部位的宽度正好位呈紧密相邻，每个部位的宽度正好相当于相当于
14、mRNAmRNA上一个遗传密码的宽度。上一个遗传密码的宽度。mRNAmRNA与核糖体的结合与核糖体的结合 原核生物核糖体的小亚基的原核生物核糖体的小亚基的rRNArRNA（16S16S）的的33末端有一富含嘧啶的区段，可与末端有一富含嘧啶的区段，可与mRNAmRNA分子的起始部位的一段富含嘌呤的区段互分子的起始部位的一段富含嘌呤的区段互补结合，使补结合，使mRNAmRNA结合至核糖体上。结合至核糖体上。mRNAmRNA分分子中的这段富含嘌呤的区段称为子中的这段富含嘌呤的区段称为S-DS-D序列序列( (通常为通常为GGAGGU)GGAGGU)。S-DS-D序列位于序列位于mRNAmRNA的的5
15、5端紧接起始信号的上游。端紧接起始信号的上游。原核生物原核生物mRNAmRNA的的S-DS-D序列及其与序列及其与16SrRNA16SrRNA的结合的结合三、蛋白质生物合成过程三、蛋白质生物合成过程 蛋白质的生物合成过程包括：蛋白质的生物合成过程包括：氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运活化氨基酸在核糖体上形成多肽链。后者活化氨基酸在核糖体上形成多肽链。后者是蛋白质生物合成的中心环节，又称核糖是蛋白质生物合成的中心环节，又称核糖体循环。体循环。翻译后加工翻译后加工 氨基酸的活化与转运（准备阶段） 肽链合成的起始 肽链的延长 肽链的终止 翻译后的加工修饰 氨基酸与氨基酸与tRNAtRNA的结合需
16、要氨酰的结合需要氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶催化，并需要消耗催化，并需要消耗ATPATP。氨基酸氨基酸 + tRNA+ tRNA氨基酰氨基酰- tRNA- tRNAATPATP AMPAMPPPiPPi氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶 氨基酸的活化是指氨基酸与氨基酸的活化是指氨基酸与tRNAtRNA结合为氨结合为氨基酰基酰-tRNA-tRNA的过程，称为氨基酸的活化。的过程，称为氨基酸的活化。 在胞质中进行。在胞质中进行。氨基酸氨基酸 ATP-E ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E -AMP-E PPiPPi 第一步反应第一步反应 第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E
17、 -AMP-E tRNAtRNA氨基酰氨基酰-tRNA -tRNA AMP AMP E E 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNAtRNA都有高度特异性。都有高度特异性。氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶二、肽链二、肽链起始阶段起始阶段 是指是指mRNAmRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA-tRNA分别与核分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。基本过程：基本过程：1. 1. 核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；2. mRNA2. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；3. 3.
18、 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA的结合；的结合； 4. 4. 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。 指在指在mRNAmRNA模板的指导下，氨基酸依次进模板的指导下，氨基酸依次进入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。1. 1. 进位进位/ /注册注册2. 2. 转肽转肽3. 3. 移位移位 肽链延长在核蛋白体上连续循环式进肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，行，包括以下三步：包括以下三步： 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。1. 1. 进位进位 又称注册，又称注册，是指一个氨基酰是指一个氨基酰-tRNA-tRNA按照按
19、照mRNAmRNA模板的指令进入并结合模板的指令进入并结合到核蛋白体到核蛋白体A A位的过程。位的过程。 进位需要延长因子进位需要延长因子EF-TuEF-Tu与与EF-TsEF-Ts参与。参与。 2.2.转肽转肽 转转肽是在转肽酶的催化下，核蛋白体肽是在转肽酶的催化下，核蛋白体P P位上位上起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA的的N-N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰甲酰甲硫氨酰基或肽酰- -tRNAtRNA的肽酰基转移到的肽酰基转移到A A位并与位并与A A位上氨基酰位上氨基酰-tRNA-tRNA的的-氨基结合形成肽键的过程。氨基结合形成肽键的过程。 3. 3. 移位移位 转位是在转位酶（延长因子
20、转位是在转位酶（延长因子EF-GEF-G）的催）的催化下，核蛋白体向化下，核蛋白体向mRNAmRNA的的3 3 - -端移动一个密端移动一个密码子的距离，使码子的距离，使mRNAmRNA序列上的下一个密码子序列上的下一个密码子进入核蛋白体的进入核蛋白体的A A位、而占据位、而占据A A位的肽酰位的肽酰- -tRNAtRNA移入移入P P位的过程。位的过程。 移位需要延长因子移位需要延长因子EF-GEF-G参与。参与。进进位位移移位位成肽成肽 指核蛋白体指核蛋白体A A位出现位出现mRNAmRNA的终止密码子后，的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA-tR
21、NA中释出，中释出，mRNAmRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。 终止阶段需要释放因子终止阶段需要释放因子RF-1RF-1、 RF-2RF-2和和 RF-3RF-3参与。参与。 RF-3RF-3可结合核蛋白体其他部位，有可结合核蛋白体其他部位，有GTPGTP酶活性，酶活性，能介导能介导RF-1RF-1、RF-2RF-2与核蛋白体的相互作用。与核蛋白体的相互作用。 n释放因子的功能：释放因子的功能：识别终止密码子识别终止密码子RF-1RF-1特异识别特异识别UAAUAA、UAGUAG； RF-2RF-2特异识别特异识别UAAUAA、UGAUGA。诱导转肽酶
22、转变为酯酶活性诱导转肽酶转变为酯酶活性催化新生肽链与结合在催化新生肽链与结合在P P位的位的tRNAtRNA之间的之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。1、水解修饰的作用2、个别氨基酸残基的共价修饰作用3、二硫键的形成4、亚基间的聚合和连接辅基蛋白质生物合成具有重要的意义蛋白质生物合成具有重要的意义一一 、分子病、分子病 是由于是由于DNA分子上基因的遗传信息缺陷，引分子上基
23、因的遗传信息缺陷，引起起mRNA分子异常和合成蛋白质异常，是蛋白质分子异常和合成蛋白质异常，是蛋白质分子一级结构发生改变所致的疾病的总称。分子一级结构发生改变所致的疾病的总称。 例如：镰刀形红细胞性贫血例如：镰刀形红细胞性贫血（人类发现的第一个）（人类发现的第一个） 分子病是一种遗传病分子病是一种遗传病 干扰素干扰素(IFN)(IFN)是真核细胞被病毒感染后分是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。制病毒的繁殖。 干扰素分为干扰素分为-（白细胞）型、（白细胞）型、-（成纤（成纤维细胞）型和维细胞）型和-（淋巴细胞）型三大类，
24、（淋巴细胞）型三大类，每类各有亚型，分别具有其特异作用每类各有亚型，分别具有其特异作用。 一是干扰素在某些病毒双链一是干扰素在某些病毒双链RNARNA存在时，能诱导特存在时，能诱导特异的蛋白激酶活化，该活化的蛋白激酶使异的蛋白激酶活化，该活化的蛋白激酶使eIF-2eIF-2磷磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质合成；酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质合成； 二是干扰素能与双链二是干扰素能与双链RNARNA共同活化特殊的共同活化特殊的2-52-5寡聚腺苷酸（寡聚腺苷酸（2-5A2-5A）合成酶，催化）合成酶，催化ATPATP聚合，聚合，生成单核苷酸间以生成单核苷酸间以2-52-5磷酸二酯键连接的磷酸二酯
25、键连接的2-2-5A5A，经，经2-5A2-5A活化核酸内切酶活化核酸内切酶RNase LRNase L，后，后者可降解病毒者可降解病毒mRNAmRNA，从而阻断病毒蛋白质合成。，从而阻断病毒蛋白质合成。 干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA1. 1. 干扰素诱导干扰素诱导eIFeIF2 2磷酸化而失活磷酸化而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）（失活）Pi磷酸酶磷酸酶dsRNA干扰素干扰素AAPAPPPP2 5 2 5 5 2 - 5 AAPPPATP2-5A2-5A合成酶合成酶降解降解mRNAmRNARNaseLRNaseL活化活化 抗生素抗生素抗生素是一类由某些真菌
26、、细菌等抗生素是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力，对宿主生长或杀死其他微生物的能力，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。动物和植物的感染性疾病。许多抗生素可影响DNA的复制，转录及翻译过程，从而通过抑制细菌或肿瘤蛋白质的合成，发挥抗菌抗肿瘤的作用。1、复制过程的阻断剂、复制过程的阻断剂例：放线菌素、丝裂霉素2、转录过程阻断剂、转录过程阻断剂例：利福霉素、利福平3、翻译过程阻断剂、翻译过程阻断剂例：链霉素、卡那霉素常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应
27、用常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用（一）基因工程的概念 基因工程又称基因拼接技术基因工程又称基因拼接技术，是在体外用人工方法将不同来源的基因与基因载体重组，导入适当的宿主细胞（细菌或其他物质细胞）内进行复制，随着细胞增殖，DNA重组体得到扩增，再通过基因表达得到大量产物的技术成为基因工程，也成重组DNA技术。载体：一种运载工具1、质粒2、噬菌体3、病毒1、限制性内切酶2、DNA连接酶3、DNA聚合酶4、其他酶类1、目的基因的获取2、基因载体的选择与制备3、目的基因与载体的拼接和重组4、重组DNA分子导入宿主细胞5、重组DNA分子的筛选与鉴定6、目的基因的表达1、基因工程药物2、基因诊断3、基因治疗4、遗传病的预防1、遗传密码的几个重要特点2、加工修饰常见的几种方式
