1、生物化学第十章 蛋白质的生物合成翻翻 译译 (translation)(translation)以以mRNAmRNA为直接模板，为直接模板，tRNAtRNA为氨基酸为氨基酸运载体运载体,核糖体核糖体为装配场所，共同协调为装配场所，共同协调完成蛋白质生物合成的过程。完成蛋白质生物合成的过程。也就是把也就是把mRNAmRNA的碱基排列顺序转译的碱基排列顺序转译成多肽链中氨基酸的排列顺序。成多肽链中氨基酸的排列顺序。主主 要要 内内 容容 掌握三种掌握三种RNARNA在蛋白质生物合成中的在蛋白质生物合成中的 作用作用（第一节）（第一节）熟悉各种辅助因子的作用熟悉各种辅助因子的作用（第二节）（第二节）
2、熟悉蛋白质生物合成过程熟悉蛋白质生物合成过程（第二节）（第二节）第一节第一节 RNA在蛋白质生物合成中的重要功能在蛋白质生物合成中的重要功能 mRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反顺反子子(cistron)。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相可编码几种功能相关的蛋白质，为关的蛋白质，为多顺反子多顺反子(polycistron)。真核真核mRNA只编码一种蛋白质，为只编码一种蛋白质，为单顺反子单顺反子(single ci
3、stron)。一、一、mRNA和遗传密码和遗传密码原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP53蛋白质PPPmG-53蛋白质 mRNA mRNA上四种碱基上四种碱基蛋白质蛋白质组成组成2020种种aaaa碱基与氨基酸对应关系？碱基与氨基酸对应关系？3 3个相邻的碱基个相邻的碱基11个个aaaa，有有4 43 3种排列种排列6464种密码子种密码子 UAAUAUUAGUAC19661966破译了破译了6464种密码子种密码子 l mRNA上存在遗传密码上存在遗传密码mRNA分子上从分子上从5 至至3 方向，由方向，由AUG开始，开始，每每3个
4、核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联三联体密码体密码(triplet coden)。起始密码起始密码(initiation coden):AUG 终止密码终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA 密码子密码子遗遗传传密密码码表表从从mRNA 5 端起始密码子端起始密码子AUG到到3 端终止密码子之间的核苷酸序列，各个端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为肽链，称为开放阅读框开放阅读框
5、(open reading frame,ORF)。ORF遗传密码子的主要特点遗传密码子的主要特点1.1.连续性连续性：密码子是不重叠、无标点的、：密码子是不重叠、无标点的、不间断。不间断。基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致发生插入或缺失，可能导致移码突变移码突变(frame shift mutation)。2.2.简并性简并性：degeneracydegeneracy 几个不同密码子表示同一种氨基酸。几个不同密码子表示同一种氨基酸。遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有 一个密码子外，其余氨基酸有一个密码子外，
6、其余氨基酸有2 2、3 3、4 4个个或多至或多至6 6个三联体为其编码。个三联体为其编码。同义密码子同义密码子 (synonymous codon)(synonymous codon)编码同一个氨基酸的一组密码子编码同一个氨基酸的一组密码子3.3.摆动性摆动性：转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。UtRNAtRNA反密反密码子碱基码子碱基 I U GI U G（第一位）（第一位）mRNAmRNA密密码子碱基码子碱基 A,C,U A,G C,UA,C,U A,G C,U（第三位）（第三位）密
7、码子与反密码子配对的摇摆现象密码子与反密码子配对的摇摆现象密码的简并性和摆动性有什么生物学意义密码的简并性和摆动性有什么生物学意义4.4.通用性通用性:病毒、原核细胞、真核细胞都病毒、原核细胞、真核细胞都 用同一套遗传密码子。用同一套遗传密码子。终止密码子终止密码子UAAUAA、UAG UAG、UGA,UGA,起始密起始密码子码子AUGAUG习题 转录的特点是什么？原核生物的转录转录的特点是什么？原核生物的转录包括哪几个阶段？包括哪几个阶段？不对称转录；识别，起始，延伸，终止不对称转录；识别，起始，延伸，终止 密码子的特点有哪些？密码子的特点有哪些？连续性，简并性，摆动性，通用性连续性，简并性
8、，摆动性，通用性习题 名词解释名词解释翻译翻译 密码子密码子 开放阅读框开放阅读框 同义密码子同义密码子 移码突变移码突变翻译：以翻译：以mRNA为直接模板，为直接模板，tRNA为氨基酸运载为氨基酸运载体，核糖体为装配场所，共同协调完成蛋白质生体，核糖体为装配场所，共同协调完成蛋白质生物合成的过程。物合成的过程。同义密码子：编码同一个氨基酸的一组密码子。同义密码子：编码同一个氨基酸的一组密码子。请说出复制与转录的异同请说出复制与转录的异同3.复制和转录的异同点复制和转录的异同点复复 制制转转 录录模模 板板两股链均复制两股链均复制模板链复制模板链复制原原 料料dNTPdNTPNTPNTP酶酶D
9、NA-polDNA-polRNA-polRNA-pol特特 点点半保留复制半保留复制不对称转录不对称转录产产 物物子代双链子代双链DNADNAmRNA,tRNA,rRNAmRNA,tRNA,rRNA配配 对对A-T,C-GA-T,C-GA-U,C-GA-U,C-G引引 物物需要需要不需要不需要合成链方向合成链方向5 5 3 35 5 3 3二、二、tRNA和氨酰和氨酰tRNA*tRNA的二级结构的二级结构 三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环和臂环和臂 反密码环和臂反密码环和臂 额外环额外环 TC环和臂环和臂tRNA的三级结构示意图的三级结构示意图tRNA须具备的功能：须具备的功能：（
10、1）与氨基酸结合（）与氨基酸结合（3末端）末端）（2）识别特异的氨基酰）识别特异的氨基酰-tRNA合成酶合成酶（3）识别）识别mRNA链上密码子链上密码子（4）与核糖体结合）与核糖体结合 同功受体同功受体tRNA:Isoacceptor 能够运输同一种氨基酸的多种能够运输同一种氨基酸的多种tRNA分分子称为氨基酸的同功受体子称为氨基酸的同功受体tRNAD D环可被氨酰环可被氨酰tRNA tRNA 酶酶识别识别TCTC环可与环可与核糖体结合核糖体结合活化的活化的CCACCA末末端可连接端可连接AAAA反密码环含反密码环含反密码子反密码子氨基酸的活化和氨酰氨基酸的活化和氨酰tRNAtRNA生成生成
11、1.氨基酸的活化氨基酸的活化 AA+ATP+AA+ATP+酶酶 AA AA AMP AMP酶酶 +ppi +ppi2.2.氨酰氨酰tRNA tRNA 的形成的形成 AA AA AMP AMP酶酶+tRNA AMP+tRNA AMP+AA-tRNAAA-tRNA+酶酶 v 氨酰氨酰tRNA tRNA 合成酶对氨基酸、合成酶对氨基酸、tRNA tRNA 高度高度特特异地识别异地识别，水解酯键水解酯键的催化作用，发挥酶的催化作用，发挥酶的校正活性。的校正活性。氨酰氨酰-tRNAtRNA的表示方法的表示方法 tRNA tRNA AlaAla ；Ala-tRNAAla-tRNA ;Ala-tRNA;Al
12、a-tRNA AlaAla Met-tRNAMet-tRNAmm;fMet-tRNA fMet-tRNA f f 第二套遗传密码第二套遗传密码 氨酰氨酰tRNA tRNA 合成酶既能识别相应的氨合成酶既能识别相应的氨基酸，又能识别与此氨基酸相对应的一基酸，又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个个或多个tRNAtRNA分子。因此把这种分子。因此把这种氨酰氨酰tRNA tRNA 合成酶与合成酶与tRNAtRNA分子间的相互作用分子间的相互作用称为第二套遗传密码。称为第二套遗传密码。副密码子副密码子 tRNAtRNA分子上决定其携带氨基酸的区域称分子上决定其携带氨基酸的区域称为副密码子为副密码子三、三
13、、rRNA rRNA rRNA 与蛋白质结合构成与蛋白质结合构成核糖体，核糖体，分为大小分为大小亚基亚基原核生物原核生物 70S 70S 真核生物真核生物80S80S小亚基小亚基rRNArRNA蛋白质蛋白质16S-rRNA 18 S-rRNA 16S-rRNA 18 S-rRNA 21 21种种 3333种种 大亚基大亚基rRNArRNA蛋白质蛋白质5S-rRNA 5S-rRNA 23S-5S-rRNA 5S-rRNA 23S-rRNA 28S-rRNA rRNA 28S-rRNA 5.8S-rRNA 5.8S-rRNA 36 36种种 4949种种 核核蛋蛋白白体体的的组组成成A位：氨酰位位
14、：氨酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:第二节第二节原核生物蛋白质合成过程原核生物蛋白质合成过程 蛋白质的合成过程，就是蛋白质的合成过程，就是以以mRNAmRNA为为模板模板，在辅助因子和，在辅助因子和GTP GTP 等的作用等的作用下，核糖体从下，核糖体从mRNA mRNA 的的5 5端向端向3 3端移端移动，不同的动，不同的氨酰氨酰-tRNA-tRNA 按照按照mRNA mRNA 上密码子所决定的顺序上密码子所决定的顺序进入核糖体进入核糖体，对号入座，在不断生
15、长着的肽链上由对号入座，在不断生长着的肽链上由氨基端氨基端逐个加上氨基酸的过程。逐个加上氨基酸的过程。蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程 原料原料：20种种L-氨基酸氨基酸 3种种RNA 酶酶：氨酰氨酰tRNA合成酶、转肽酶合成酶、转肽酶 两种高能核苷酸两种高能核苷酸：ATP、GTP 金属离子金属离子：K+，Mg2+（促进肽键形成（促进肽键形成)多种蛋白质因子多种蛋白质因子:起始因子：起始因子：IFIF(initiation factors)(initiation factors)延长因子：延长因子：EF EF(elongation factors)(elongation factors
16、)释放因子：释放因子：RF/TF RF/TF(release factors)(release factors)方向方向:氨基端氨基端-羧基端羧基端 翻翻 译译 过过 程程 mRNA 5 3 mRNA 5 3 5 AUG 5 AUG 3 UAA 3 UAA 肽链延长方向肽链延长方向 N C N C 氨基酸活化氨基酸活化 起始阶段起始阶段 进入进入/进位进位 过程过程 延伸阶段延伸阶段 转肽转肽 终止阶段终止阶段 移位移位 一、氨基酸的活化氨基酸的活化 AA+ATP+AA+ATP+酶酶 氨酰氨酰 AMP AMP 酶酶 +ppi +ppi 氨酰氨酰 AMPAMP酶酶+tRNA AMP+tRNA A
17、MP+氨酰氨酰tRNA+tRNA+酶酶 氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶，合成部位合成部位，水解部位水解部位-保证准确性保证准确性氨酰氨酰 AMP AMP氨酰氨酰tRNAtRNA二、翻译的起始二、翻译的起始S-D S-D 序列（序列（Shine-Dalgarno Shine-Dalgarno 序列）：序列）：又称核糖体结合位点（又称核糖体结合位点（RBSRBS）,在翻译起始在翻译起始密码密码 AUG AUG 的上游，相距的上游，相距8-13 8-13 个核苷酸处，个核苷酸处，有一段富含嘌呤的核苷酸序列，可以与有一段富含嘌呤的核苷酸序列，可以与核蛋白体小亚基核蛋白体小亚基16S-rRNA 1
18、6S-rRNA 互补配对，使互补配对，使核糖体与核糖体与mRNA mRNA 在特定位置上结合。这在特定位置上结合。这种结合能协助辨认起始密码子。种结合能协助辨认起始密码子。1.mRNA 链上起始信号的辨认链上起始信号的辨认 几种基因几种基因mRNA mRNA 上的上的S-D S-D 序列序列 Met-tRNAMet-tRNAf f +N+N1010甲酰四氢叶酸甲酰四氢叶酸 fMet-tRNAfMet-tRNAf f +四氢叶酸四氢叶酸Met-tRNAMet-tRNAm m 只能用于延伸只能用于延伸2.起始氨酰起始氨酰tRNA 的形成的形成转甲酰酶转甲酰酶3.起始因子起始因子(IF)：参与蛋白质
19、生物合成起始的可溶性蛋参与蛋白质生物合成起始的可溶性蛋白质白质因子。因子。IF-1:无专一功能，增加无专一功能，增加IF-2,IF-3活性。活性。IF-2:使使fMet-tRNAf 选择性地与选择性地与30S亚基亚基结合，结合结合，结合并水解并水解GTP。IF-3:具有具有解离活性解离活性，使亚基保持为解离，使亚基保持为解离态；使态；使30S与与mRNA 起始部位起始部位连接。连接。4.4.起始复合物的生成过程起始复合物的生成过程核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合；核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚
20、基结合。IF-3IF-1a.核蛋白体大小亚基分离A U G53IF-3IF-1b.mRNA在小亚基定位结合SD序列IF-3IF-1IF-2GTPc.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)结合到小亚基A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPid.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi三、肽链的延长三、肽链的延长翻译过程中的肽链延长翻译过程中的肽链延长,又称核糖体循环又称核糖体循环（ribosomal cycleribosomal cycle）。）。分三步骤：分三步骤：进入进入 (进位）进位）核糖
21、体循环核糖体循环 转肽转肽（转肽酶）（转肽酶）移位移位 肽链的延伸肽链的延伸延伸因子（延伸因子（EF)EF):参与肽链延伸的蛋白质因子参与肽链延伸的蛋白质因子EF-TEF-TU U,EF-T,EF-TS S:共同促使氨酰共同促使氨酰-tRNA-tRNA 进入核糖体的进入核糖体的A A位位 具有具有GTPGTP酶活性酶活性EF-G:EF-G:具有具有GTPGTP酶活性酶活性 促使肽酰促使肽酰-tRNA-tRNA 位移至位移至P P位及空的位及空的tRNA tRNA 离开核糖体离开核糖体（1 1）进入）进入 EF-Tu EF-Tu.GTPGTP.氨酰氨酰-tRNA -tRNA 进入进入A A位位
22、消耗消耗1 1个个GTPGTP EF-TsEF-Ts功能是保护功能是保护EF-TuEF-Tu，并使，并使EF-TuEF-Tu.GDPGDP再生为再生为EF-TuEF-Tu.GTP,GTP,继续参与肽链延伸继续参与肽链延伸Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP（2 2）转肽（形成肽键）转肽（形成肽键）肽基转移酶：转肽酶，肽基转移酶：转肽酶，P P位点位点 A A位点位点 形成肽键：形成肽键：P P位点的位点的fMet-tRNAfMet-tRNAf f（或肽酰（或肽酰-tRNAtRNA）的羧基与）的羧基与A A位点的位点的AA-tRNAAA-tRNA的氨基结合的氨基结合 形成肽键不消耗
23、形成肽键不消耗GTPGTP，可能来自，可能来自AAtRNAAAtRNA（或肽酰（或肽酰tRNAtRNA）间的酯键水解）间的酯键水解（3 3）移位移位 肽酰基肽酰基-tRNA-tRNA从核糖体的从核糖体的A A位移到位移到P P位的位的过程过程 核糖体沿核糖体沿mRNAmRNA的的5 5-3-3方向移动与移方向移动与移位过程相偶联（每次移动距离是位过程相偶联（每次移动距离是1 1个密码个密码子）子）移位酶移位酶 ，EF-GEF-G（G G因子）因子）消耗消耗1 1个个GTPGTPfMetA U G53fMetTuGTP释放因子释放因子(RF)：终止肽链合成并将其从核：终止肽链合成并将其从核糖体上
24、释放出来的一类蛋白质糖体上释放出来的一类蛋白质因子。因子。终止密码子：终止密码子：UAA、UAG、UGARF-1:UAA,UAGRF-2:UAA,UGARF-3:本身无识别密码子性质，但本身无识别密码子性质，但可与可与GTP结合，增强结合，增强RF-1，RF-2的活性。的活性。四、肽链合成的终止四、肽链合成的终止（1 1）终止密码子（）终止密码子（UAAUAA、UAGUAG、UGAUGA）出现）出现在核糖体在核糖体A A位时，释放因子（位时，释放因子（RFRF）就与之结合。）就与之结合。（2 2）肽基转移酶变为水解酶，使新生的肽链与）肽基转移酶变为水解酶，使新生的肽链与tRNA tRNA 分离
25、，并从核糖体上脱落下来。分离，并从核糖体上脱落下来。（3 3）mRNA mRNA 释出，大小亚基分离。释出，大小亚基分离。肽链合成的终止肽链合成的终止U A G53RFCOO-肽链合成的全过程肽链合成的全过程耗耗 能能氨基酸活化氨基酸活化 1ATP(1ATP(两个高能键）两个高能键）起始起始 1GTP1GTP延长延长 2GTP2GTP终止终止 1GTP1GTP思考题：合成思考题：合成100100个氨基酸需要消耗多少个高个氨基酸需要消耗多少个高能磷酸键？能磷酸键？1)100个氨基酸活化成个氨基酸活化成AA-tRNA消耗数：消耗数：100 X 2=200 （ATP-AMP）2）起始的）起始的fMet-tRNA进入进入P位点及起始复合位点及起始复合物形成消耗物形成消耗GTP数：数：1 GTP 3）99个个AA-tRNA进入进入A位点消耗位点消耗GTP数：数：99X1=99GTP 4 4）肽键形成不消耗）肽键形成不消耗GTPGTP 5 5）9999个氨基酸移位消耗消耗个氨基酸移位消耗消耗GTPGTP数：数：99X1=99GTP99X1=99GTP 6 6）肽链释放消耗）肽链释放消耗GTPGTP数：数：1 GTP1 GTP 总数：总数：200+1+99+99+1=400200+1+99+99+1=400
