蛋白质生物合成机制共35页文档

遗传密码
In vitro Poly(U) Poly(C) Poly(A) Poly(G)
But poly(UCUCUC…)
poly(Phe) peptide poly(Pro) peptide poly(Lys) peptide poly(Gly) peptide
poly(Ser-Leu-Ser-Leu…)
具体化
密码子
coden
mRNA中3个连续的核苷 酸可编码1种氨基酸，这种 核苷酸三联体称为密码子
遗传密码
遗传密码
1.遗传密码的破译
遗传密码
体外翻译系统的建立； 核酸人工合成； 核糖体结合技术。
Nirenberg & Khorana于1968年获诺贝尔奖。
1.遗传密码的破译
Marshall Nirenberg (1961)
原核生物
真核生物
起始因子 延长因子 终止因子
IF1、IF2、IF3 EF-Tu、EF-Ts、EF-G RF1、RF2、 RF3
eIF EF-1，EF-2 RF
P441
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RNA 核苷酸序列
翻译器
多肽链 氨基酸序列
tRNA
tRNA是多肽链和mRNA之间的接合器
二. tRNA
原核生物：60±种 真核生物：100～120 种
同工tRNA (Isoacceptor)
携带相同氨基酸，但识别 不同密码子的一组tRNA
tRNA
tRNA的功能 (1) 接受氨基酸 (2) 识别mRNA上的密码子 (3) 连结多肽链和核糖体
3. 核糖体的活性部位 催化部位

• 真 核 mRNA只 编 码 一种蛋 白质 ， 为单顺 反子 (single cistron) 。
➢原核生物的多顺反子
5 PPP
3
➢真核生物的单顺反子
5 mG - PPP
蛋白质
AAA … 3
蛋白质
非编码序列
核蛋白体结合位点
编码序列 起始密码子 终止密码子
遗传密码的特点*
1. 方向性(directional) 翻译时遗传密码的阅读方向是5’→3’，即读
原核生物核蛋白体结构模式
E位：排出位 P位：肽酰位 (exit site) (peptidyl site) A位：氨基酰位 (aminoacyl site)
Q:氨基酸如何与mRNA对应呢？
三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质 生物合成的适配器
tRNA的作用
➢ 运载氨基酸、充当“适配器”
二级结构
第12章
蛋白质的生物合成 （翻译）
Protein Biosynthesis (Translation)
➢ 蛋白质生物合成的概念
定义 蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称翻 译(translation)，是生物细胞以mRNA为模板，按 照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码 信息合成蛋白质的过程。
码从mRNA的起始密码子AUG开始，按5’→3’ 的方向逐一阅读，直至终止密码子。
读码方向
5′
3′
N
C
肽链延伸方向
2. 连续性(non-punctuated) 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 既无间隔也无交叉。
5’…….A U G G C A G U A C A U …… U A A 3’

第六章 蛋白质的生物合成
蛋白质生物合成又称翻译 蛋白质生物合成又称翻译 (translation),是指由RNA参 translation),是指由RNA参 与的蛋白质生物合成的过程, 它将核酸的碱基序列转变为蛋 它将核酸的碱基序列转变为蛋 白质中的氨基酸序列. 白质中的氨基酸序列.
参与翻译的RNA分子有tRNA, 参与翻译的RNA分子有tRNA, rRNA和mRNA.tRNA的功能是转 rRNA和mRNA.tRNA的功能是转 运氨基酸,rRNA与多种蛋白质组 运氨基酸,rRNA与多种蛋白质组 成核糖体作为翻译进行的场所, mRNA作为翻译的模板. mRNA作为翻译的模板. 经过三种RNA以及多种蛋白质的相 经过三种RNA以及多种蛋白质的相 互作用,使来自DNA的遗传信息正 互作用,使来自DNA的遗传信息正 确地传递到蛋白质.
第一节 遗传密码
一,遗传密码
遗传密码(genetic code)是联系核酸 遗传密码(genetic code)是联系核酸 的碱基序列和蛋白质的氨基酸序列的 的碱基序列和蛋白质的氨基酸序列的 途径.mRNA上由三个碱基代表一种 途径.mRNA上由三个碱基代表一种 氨基酸,称为密码子(codon). 氨基酸,称为密码子(codon). 生物体内存在多个密码子代表一种氨 生物体内存在多个密码子代表一种氨 基酸的情况. 基酸的情况.
氨酰tRNA合成酶 一,氨酰tRNA合成酶
氨酰tRNA合成酶催化氨基酸与tRNA之间的 氨酰tRNA合成酶催化氨基酸与tRNA之间的 反应.携带同一种氨基酸的tRNA可有多种, 反应.携带同一种氨基酸的tRNA可有多种, 称为同工tRNA(iso称为同工tRNA(iso-accepting tRNA).可将 tRNA).可将 tRNA分为20个同工tRNA组 tRNA分为20个同工tRNA组. 一组同工tRNA在特定的合成酶催化下与相 一组同工tRNA在特定的合成酶催化下与相 应的氨基酸结合.

缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸
alanine
丙氨酸
Ala
A
arginine
精氨酸
Arg
R
asparagine
天冬酰氨 Asn
N
aspartic acid
天冬氨酸 Asp
D
cystine
半胱氨酸 Cys
C
glutarmine
谷氨酰胺 Gln
Q
glutarmic acid 谷氨酸
Glu
E
glycine
甘氨酸
密码的简并性
一种氨基酸有几组密码子，或者几组密码子代 表一种氨基酸的现象称为密码子的简并性，这种简 并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象 形成的，也就是说密码子的专一性主要由前两个碱 基决定，即使第三个碱基发生突变也能翻译出正确 的氨基酸，这对于保证物种的稳定性有一定意义。 如：GCU，GCC，GCA，GCG都代表丙氨酸。
来源
原核 生物
核糖体 （S）
70
亚基 30
RNA（S） 蛋白质 种类
16
21
50 23, 5 34
图7-2 (a)原核生物mRNA为多顺反子 (b)真核生物mRNA为单顺反子
遗传密码的破译
乔治·伽莫夫(1904～1968 ) （George Gamov） 乌克兰裔美国核物理学家
马歇尔.尼伦贝格（1927－） Marshall Nirenberg 德裔美国生物化学家
奥乔亚（1905-1993） Severo Ochoa
西班牙裔美籍生物化学家
• 1966年: 阐明遗传密码
柯拉那（美国）
Har Gobind Khorana,1922~
霍利（美国）
Robert Holley, 1922-1993

若从A翻译，则合成出多聚Ile， 即AUC对应Ile；若从U翻译，则合成 出多聚Ser，即UCA对应Ser；若从C 翻译，则合成出多聚His，即CAU对 应His。
Nirenberg、 Khorana因遗传 密码的破译而 与另一位科学 家（霍利）分 享了1968年诺 贝尔生理学奖。
标准的遗传密码表
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2-4个或多至6个密码子为 之编码。
密码子简并性的生物学意义：减少有害突变。
遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。
GCU
GCC Ala
GCA GCG
ACU
ACC Thr
ACA ACG
遗传密码的简并性
（3） 通用性（universal）
他们首先合成一个已知序 列的核苷酸三聚体，然后与大 肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起 温育。由此确定与已知核苷酸 三聚体结合的tRNA上连接的是 哪一种氨基酸。
该实验对于几种密码编码 同一个氨基酸提供了直接的、 最好的证据。
➢ 第三个实验是由Jones,Khorana 等人完成的。
他们利用有机化学和酶法制备 了已知的核苷酸重复序列，以此多 聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白 质合成，发现可以生成三种重复的 多肽链。
一、翻译模板mRNA与遗传密码
1、实验证据:
1961年， Nirenberg 证明了 mRNA的模板作用。
细菌＋矾土颗粒 轻轻研磨
细菌液 离心，去除细胞壁和膜
提取液（DNA、mRNA、tRNA、 核糖体、酶、离子）
DNA水解酶，20种氨基酸等 蛋白质
蛋
白
DNase
质
合
成
量
时间
2、mRNA是遗传信息的携带者

IF-2
+
IF-3
IF-3a IF-3β
20668 19997
-
•
现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子 有两个， 即甲硫氨酸的密码子(AUG) (AUG)和缬氨酸 有两个 ， 即甲硫氨酸的密码子 (AUG) 和缬氨酸 的密码子(GUG)( 极少出现) (GUG)(极少出现 原核生物中, 的密码子 (GUG)( 极少出现 ) 。 在 原核生物中 , 起始密码子AUG 起始密码子AUG 所编码的氨基酸并不是甲硫氨 酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸 甲酰甲硫氨酸。 酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸。 fMet-tRNAifMet fMetfMet-tRNAf的形成 N10-甲酰 4 甲酰FH 甲酰
蛋白质合成的场所是核糖体, 蛋白质合成的场所是核糖体, 场所是核糖体 原料是20种 氨基酸， 原料是20种L-氨基酸， tRNA则是模板与氨基酸之 则是模板与氨基酸之 间的接合体，反应所需能量 间的接合体，反应所需能量 ATP、GTP提供 提供， 由ATP、GTP提供，此外还有 2+、 2+、K+ 等金属离子参与。 等金属离子参与。 Mg
4.4.2翻译的起始
在模板mRNA编码区 端形成核糖体 编码区5’端形成核糖体在模板 编码区 端形成核糖体 mRNA-起始 起始tRNA复合物 复合物, 起始 复合物 (甲酰 甲硫氨酸放入核糖体 位点。 甲酰)甲硫氨酸放入核糖体 位点。 甲酰 甲硫氨酸放入核糖体P位点
30S亚基能与 亚基能与mRNA结合 结合(IF3参加，识别起始 参加， 亚基能与 结合 参加 密码子AUG），在IF1参与下，30S参与下， 密码子 ） 参与下 mRNA-IF3进一步与 进一步与fMet-tRNAf、GTP结 进一步与 、 结 并释放IF3，形成30S复合物：30S复合物： 合，并释放 ，形成 复合物 mRNA- fMet-tRNAf 30S起始复合物与 起始复合物与50S大亚基相结合，形成 大亚基相结合， 起始复合物与 大亚基相结合 70S复合物时，消耗一分子 复合物时， 复合物时 消耗一分子GTP，并释放出 ， IF1和IF2。 和 。

搬运工具—tRNA的反密码子与mRNA的密码子
当前第27页\共有73页\编于星期五\23点
(三) tRNA的功能
tRNA分子上与蛋白质合成有关的位点： 1. 3′端-CCA上的氨基酸接受位点。 2. 识别氨酰-tRNA合成酶的位点。 3. 核糖体识别位点，使延长中的肽链附着于核糖 体上。 4. 反密码子位点。 第一套密码系统(mRNA):决定蛋白质肽链氨基酸排 列顺序。 第二套密码系统(tRNA):决定tRNA与哪种氨基酸结合。
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第四节 蛋白质生物合成的过程
(一). 氨基酸活化 (二). 肽链起始 (三). 肽链延长 (四). 肽链的终止和释放 (五). 肽链合成后的加工 （六). 蛋白质的分拣（sorting）
与定向输送 （七). 蛋白质生物合成的抑制剂
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Differences with other tRNAs
细胞内有2种可携带Met的tRNA，它们都识别同样的AUG 密码子，但它们的一级结构和功能不同。
1.tRNAf Met 带上Met后能甲酰化，是起始tRNA，用于肽链合
成的起始。
2.tRNAmMet带上Met后不能甲酰化，用于肽链的内部，在 肽链延伸中起作用。
还需核糖体大小亚基参与，形成一个70S的真正起始 复合物。
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inactive 70S ribosome
当前第45页\共有73页\编于星期五\23点
SD sequence
30S initiation complex
GDP + Pi
当前第46页\共有73页\编于星期五\23点

蛋白质的生物合成机制蛋白质是生命体中最重要的生物大分子之一，它们涉及到几乎所有生命活动的各个方面。

从细胞的基本单位到人体的各个器官、组织，蛋白质都担当着至关重要的角色。

那么，蛋白质是如何在生物体内合成的呢？蛋白质合成的过程可以分为四个阶段：转录、RNA后期加工、翻译和后翻译修饰。

第一阶段：转录转录是指DNA序列被转录为RNA序列的过程。

蛋白质合成的转录是由DNA的双螺旋模型打开，其中的一个链作为模板，由RNA聚合酶根据模板合成RNA分子。

RNA聚合酶通过与基因启动子结合来开始转录，基因启动子通常位于基因的上游区域（upstream）的区域内。

RNA聚合酶扫描基因启动子序列，找到起始点，开始合成RNA序列。

RNA聚合酶沿着DNA模板长链向下扫描，合成RNA分子序列。

RNA聚合酶能够自动断开DNA和RNA链之间的氢键，因此RNA链不会与DNA链重新结合在一起。

第二阶段：RNA后期加工在细胞质中，RNA是由核糖体读取的，因此，RNA需要进行后期加工，以确保它可以在细胞质中被顺利读取。

这个加工过程包括去头端、加帽和剪切。

去头端指的是，从RNA的两端剪掉一段多余的RNA序列，以确保RNA分子能够正常叠加。

加帽是在RNA链的5'端加一个帽结构，以提高RNA分子的稳定性。

最后，RNA分子被剪切为小片段，称为小核RNA（snRNA）或小亚细胞RNA（sRNA），以保证它们能够顺利参与到后续的翻译过程中。

第三阶段：翻译翻译是指RNA序列被转化为蛋白质序列的过程，这是通过核糖体完成的。

核糖体是一个由蛋白质和RNA组成的复合物，它根据RNA序列的编码，将氨基酸逐一加入到新合成的多肽链中。

核糖体能够根据RNA序列的每个密码子将相应的氨基酸定位于多肽链上，最终形成一个完整的多肽链。

在翻译过程中，核糖体从RNA序列的5'端向3'端走，识别每个密码子。

根据氨基酸和RNA序列的编码关系，核糖体会将相应的氨基酸加入到多肽链的C端。