第九章 蛋白质的生物合成

第九章 蛋白质的生物合成第九章 蛋白质的生物合成

引 言

引 言 中心法则的补充与完善

在细胞分裂过程中，通过 DNA的复制把遗传信息由亲代传递给子代；

在子代的个体发育过程中，遗传信息由 DNA传递到RNA，然后翻译成特异的蛋白质，表现出与亲代相似的遗传性状。这种遗传信息的流向，称为中心法则。

中心法则 引 言

DNA RNA 蛋白质转录 翻译

复制

狭义的中心法则

在某些情况下， RNA 也是重要的遗传物质，如RNA 病毒中 RNA 具有自我复制的能力，并同时作为mRNA指导蛋白质的生物合成。

在致癌 RNA病毒中， RNA还以逆转录的方式将遗传信息传递给 DNA分子。

中心法则的补充与完善 引 言

中心法则

RNADNA 蛋白质转录 翻译

复制

反转录

RNA 复制

复制：以亲代 DNA分子的双链为模板，按照碱基配对的原则，合成出与亲代 DNA分子相同的双链 DNA的过程。

引 言

转录：以 DNA分子中一条链的部分片段为模板，按照碱基配对原则，合成出一条与模板 DNA 链互补的RNA分子的过程。

翻译：把 mRNA上的遗传信息按照遗传密码转换成蛋白质中特定的氨基酸序列的过程。“翻译”又叫“转译”。

中心法则的补充与完善

几个基本重要的概念

第一节 蛋白质合成体系的组分

蛋白质的合成是一个十分复杂的过程，蛋白质的合成要求 100 多种大分子物质参与和相互协作，这些大分子物质包括 rnRNA 、 tRNA、核糖体、多种活化酶及各种蛋白质因子。

蛋白质的合成不只是氨基酸之间形成肽键的问题，更重要的在于安排氨基酸的排列顺序，以形成千差万别的蛋白质。

一、遗传密码

mRNA 是蛋白质合成过程中直接指令氨基酸参入的模板。那么 mRNA 上的遗传信息是如何传递给蛋白质的？即 mRNA 的核苷酸序列是如何对应于蛋白质中的氨基酸序列的？其对应关系来自遗传密码。

mRNA( 或 DNA) 中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系，称为遗传密码。

mRNA( 或 DNA) 中三个连续的核苷酸可编码一种氨基酸，这种核苷酸三联体称为密码子。

一、遗传密码

1954 年物理学家 G. Gamov首先对遗传密码进行探讨。蛋白质由 20种基本氨基酸组成，而 mRNA

只含有 4种核苷酸，由 4种核苷酸构成的序列是如何决定多肽链中多至 20种氨基酸的序列的呢？显然，在核苷酸和氨基酸之间不能采取简单的一对一的对应关系。 2个核苷酸决定一个氨基酸也只能编码 16种氨基酸，如果用 3个核苷酸决定一个氨基酸， 43=64 ，就足以编码 20种氨基酸了，这说明可能需要3个或更多个核苷酸编码一个氨基酸。

一、遗传密码

1961 年 Francis Crick 及其同事的遗传实验进一步肯定 3 个碱基编码一个氨基酸，此三联体碱基即称为密码子。他们研究 T4 噬菌体Ⅱ位点 A 和 B 两个顺反子变异的影响，这两个基因与噬菌体能否感染大肠杆菌株有关。

他们的研究发现，在上述位点缺失一个核苷酸产生的突变体，不能感染大肠杆菌株。

一、遗传密码

碱基序列碱基序列 CATCAT CATCAT CATCAT CATCAT CATCAT CATCAT

－－ 11 CATCAT CACA ＾^CC

ATCATC ATCATC ATCATC ATCATC

－－ 11 ＋＋1 1 CATCAT CACA ＾^

CCAAXXTT CATCAT CATCAT CATCAT

＋＋ 22 CATCAT XXCACA XXTCTC ATCATC ATCATC ATAT

＋＋ 33 CACAXX TTXXCC ATATX X CAT CAT CAT CAT

CAT CAT

缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变

在理论上，遗传密码可以通过简单的比较 mRNA

的碱基序列及其所编码的多肽的氨基酸序列进行确定，然而在 20 世纪 60 年代，此方法不可行，因为当时分离 mRNA 并测定其序列的方法尚未建立。

2. 遗传密码的解读 一、遗传密码

1961 年 Nirenberg 等用大肠杆菌无细胞体系，外加 20 种氨基酸的混合物（其中有一种氨基酸被同位素标记）及 poly U ，经保温反应后，得到了被标记的苯丙氨酸的多聚体，从而证明 poly U 起了信使 RNA 的作用， UUU 是编码苯丙氨酸的密码子。用同样的方法证明 CCC 编码脯氨酸， AAA

编码赖氨酸。这样，这三个密码子最早被解译出来了。

2. 遗传密码的解读 一、遗传密码

Nirenberg 和 Ochoa 等又进一步用两种核苷酸或三种核苷酸的共聚物作模板，重复上述实验。例如，用 U 和 G 随机排列组成的共聚物可以出现 8 种不同的三联体，即GGG ， GGU ， GUG ， UGG ， UUG ， UGU

， GUU ， UUU 。

酶促合成共聚核苷酸时，根据加入核苷酸底物的比例可以计算出各种三联体出现的频率，而标记氨基酸掺入新合成的肽链的相对量与三联体密码出现的频率相符合

2. 遗传密码的解读 一、遗传密码

2. 遗传密码的解读 一、遗传密码

UUU

GUU

GGU

2. 遗传密码的解读 一、遗传密码

UUU

GUU

GGU

1964 年 Nirenberg 等发现在无蛋白质合成的情况下，三联核苷酸能促进特异的 tRNA 与核糖体结合。例如，加入 pUpUpU 促进脯氨酸 tRNA 与之结合， pApApA 促进赖氨酸 tRNA 与之结合。

进一步要解决的问题是密码子中三个碱基的排列顺序

2. 遗传密码的解读 一、遗传密码

UUU

GUU

GGU

凡是结合在核糖体上的 tRNA 分子在通过硝酸纤维素滤膜时被截留下来，而未结合的 tRNA 则可通过，这样可以测出三联体对应的氨基酸。

利用此系统，通过合成所有 64 种可能的三联体，测定每种三联体对 20 种氨基酸相应的 tRNA 与核糖体结合的影响，已使 50 多种密码子被解译出来。但还有一些三联体编码的氨基酸不能肯定，需要用其他方法来破译。

2. 遗传密码的解读 一、遗传密码

UUU

GUU

GGU

与此同时， Khorana 应用合成的具有重复序列的多核苷酸如 UCUCUCUC… 进行体外蛋白质人工合成，发现产物为丝氨酸与亮氨酸交替出现的多肽：SerLeuSerLeu… ，说明 UCU 编码丝氨酸，而CUC 编码亮氨酸。

2. 遗传密码的解读 一、遗传密码

UUU

GUU

GGU

当一合成的三联核苷酸重复序列，如 poly （ UUC ）作模板时，由于阅读框架不同，得到的产物是三种不同的均聚多肽：多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸和多聚亮氨酸，说明 UUC 编码苯丙氨酸、 UCU

编码丝氨酸、 CUU 编码亮氨酸。

通过分析各种两个和三个核苷酸重复序列编码的多肽，确认了许多密码子的一致性并填补了遗漏的遗传密码。

2. 遗传密码的解读 一、遗传密码

UUU

GUU

GGU

密码的无标点性、无重叠性

3. 遗传密码的特点

密码子的简并性

一个氨基酸可以有几个不同的密码子的特性。

同义密码子：编码同一个氨基酸的一组密码子。

注意： Trp 和 Met只有一个密码子。 Leu、 Arg、 Ser 均有 6个密码子。

ATG CGG AAA TGG CCG AAT GAT

一、遗传密码

密码子的通用性和例外

密码子的通用性是指生物细胞共同使用同一套遗传密码字典。只有在一些线粒体中使用的遗传密码与通用密码有所区别。所以说遗传密码基本通用，但非绝对通用。

一、遗传密码3. 遗传密码的特点

起始密码子和终止密码子

在 64 个密码子中，有 3个密码子不编码任何氨基酸，从而成为肽链合成的终止信号，称为终止密码子或无义密码子，它们是 UAA 、 UAG 、 UGA。其余的 61 个密码子均编码不同的氨基酸，其中 AUG既是 Met的密码子，又是肽链合成的起始信号，称为起始密码子。

一、遗传密码

密码子的摆动性

密码子的专一性主要是由前两位的碱基决定，而第三位碱基有较大的灵活性。

3. 遗传密码的特点

二、 mRNA —— mRNA的功能结构 mRNA上能够编码一条多肽链合成的区段叫做编码区。

原核生物 mRNA：

其一条 mRNA链可编码多个多肽链，称为多顺反子的mRNA  。

编码区的第一个密码子必定是 AUG ，最后一个密码子必定是 UAA或 UAG或 UGA，从第一个密码子到最后一个密码子之间间隔 3n 个核苷酸。

3'非编码区5'非编码区 编码区 非编码区 编码区 非编码区 编码区

二、 mRNA

真核生物mRNA：

其一条 mRNA链只能编码一个多肽链，称为单顺反子的mRNA。

编 码 区5'非编码区帽子 PolyA 尾巴3'非编码区

—— mRNA的功能结构

三、 核糖体

核糖体是合成蛋白质的场所。核糖体是合成蛋白质的场所。

1955 年， Paul Zamecnik 通过实验确认核糖体是蛋白合成的场所。他将放射性同位素标记的氨基酸注射到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离心后分成细胞核、线粒体、微粒体和可溶部分。发现微粒体中的放射性强度最高，若将微粒体部分进一步分级分离，可在核糖体中大量回收到所掺入的放射性，这说明核糖体是合成蛋白质的部位。

1. 核糖体的存在部位

三、 核糖体

真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，另一部分与内质网结合，形成粗面内质网。此外在其线粒体和叶绿体中也有核糖体。

原核生物的核糖体存在于细胞质中；

核糖体是一个巨大的核糖核蛋白体

2. 核糖体的组成

核糖体 rRNA 蛋白质原核生

物 70S30S 16S 21种50S 23S 、 5S 34种

真核生物 80S

40S 18S 30-32种60S 28S 、 5S 、 5

.8S36-50种

三、 核糖体

2. 核糖体的组成 三、 核糖体

A three-dimensional model for the E.coli ribosome

mRNA结合部位： 大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳mRNA；

此外，小亚基的 16S rRNA可以与 mRNA相互作用，从而参与 mRNA与核糖体的结合。

3. 核糖体上的活性部位

(1) 结合部位

三、 核糖体

3. 核糖体上的活性部位

tRNA结合部位：有 2个

氨酰基部位（ A 位）—— 氨酰 tRNA的结合部位；

肽基部位 （ P 位） —— 正在延长的多肽基tRNA的结合部位；

tRNA的这两个结合部位有一小部分在 30S 亚基内，大部分在 50S 亚基内。

三、 核糖体

催化肽键形成的部位： 称为肽基转移酶，又叫转肽酶。位于大亚基上。 1992 年发现该活性是由 23S rRNA提供的。

3. 核糖体上的活性部位

(2) 催化部位

催化 GTP水解的部位： 位于大亚基上，在核糖体移位期间将 GTP水解成GDP和 Pi。

(1) 结合部位

三、 核糖体

四、 tRNA

The general structure of tRNA molecules

四、 tRNA

Ribbon diagram of tRNA tertiary structure

四、 tRNA

1.被特定的氨酰 -tRNA合成酶所识别。

2.识别 mRNA链上的密码子，这是因为 tRNA上有 3个特定碱基组成的一个反密码子与 mRNA链上的密码子配对，保证氨基酸按 mRNA的碱基顺序入号。

3.tRNA将多肽链联结在核糖体上。

tRNA 的功能

五、辅助因子

在蛋白质合成体系中，还有溶解在胞质中的蛋白质，在蛋白质合成的不同阶段起作用，分别有：

起始因子（ IF ）：原核生物中有IF1、 IF2、 IF3

延长因子（ EF ）：原核生物中有 EF-Tu、 EF-Ts、 EF-G

终止因子（ RF ）：原核生物中有RF1、 RF2、 RF3

蛋白质因子蛋白质因子

五、辅助因子

ATP 、 GTP 、 Mg2+

其它因子其它因子

知识窗 抗生素

抗生素在治疗人类疾病方面具有非常重要的作用。大多数抗生素是通过阻断原核生物蛋白质的合成而抑制或杀死病原菌的。如链霉素与原核细胞 30S

核糖体相结合，可引起密码错读，从而抑制病原细胞的生长。氯霉素是第一个广谱性抗生素，能抑制细菌50S 核糖体亚基的肽酰转移酶活性，但由于线粒体核糖体对氯霉素也敏感，所以氯霉素具有一定的毒副作用，在临床上只限用于严重感染者。

四环素能与核糖体小亚基相互作用，从而抑制了氨酰 -tRNA 反密码子的结合，但目前四环素抗性菌株已经很常见，主要原因是细菌细胞膜对四环素的通透性降低了。

白喉是一种由白喉棒状杆菌感染引起的疾病，白喉棒状杆菌能分泌一种由噬菌体编码的白喉毒素。白喉毒素与 eEF2 结合，可以抑制肽链的移位作用。可

以通过免疫接种类毒素（甲醛灭活的毒素）来预防这种疾病。患白喉的病人也可以用抗毒素马血清（可与白喉毒素结合）治疗，同时结合抗生素对抗病菌的感染。