0409第十一章蛋白質(zhì)的生物合成11

1、l一、遺傳密碼和密碼單位一、遺傳密碼和密碼單位 1. 遺傳密碼遺傳密碼 指指mrna中的核苷酸序列與多肽中氨基酸序中的核苷酸序列與多肽中氨基酸序列之間的對應關系列之間的對應關系, 通常是指核苷酸三聯(lián)體決定通常是指核苷酸三聯(lián)體決定氨基酸的對應關系氨基酸的對應關系, 故也稱三聯(lián)體密碼或密碼子故也稱三聯(lián)體密碼或密碼子. 2. 密碼單位密碼單位 1954年物理學家年物理學家gamov g 首先對遺傳密碼首先對遺傳密碼進行探討進行探討: l 41=4; 42=16; 43=64, 足以編碼足以編碼20種氨種氨基酸，基酸， 密碼（密碼（ codon ）應是三聯(lián)體（）應是三聯(lián)體（triplet）. 密碼子或

2、稱三聯(lián)體密碼，即密碼子或稱三聯(lián)體密碼，即mrna上決定一上決定一個特定氨基酸的三個核苷酸個特定氨基酸的三個核苷酸 。 3. 密碼子的確定密碼子的確定l 用各種人工合成模板在體外翻譯蛋白質(zhì)的方法用各種人工合成模板在體外翻譯蛋白質(zhì)的方法確定確定l 用核糖體結(jié)合技術測定密碼子中的核苷酸排列用核糖體結(jié)合技術測定密碼子中的核苷酸排列順序順序l 1961年年 1965年年4年時間，完全確定了編碼年時間，完全確定了編碼20種種天然氨基酸的密碼子，編出了遺傳密碼字典。天然氨基酸的密碼子，編出了遺傳密碼字典。 l二、遺傳密碼的基本特征二、遺傳密碼的基本特征l1. 遺傳密碼的連續(xù)性遺傳密碼的連續(xù)性( (comma

3、less) ) l 密碼子之間沒有任何起密碼子之間沒有任何起“標點標點”作用的空格作用的空格, ,閱讀閱讀mrnamrna時是連續(xù)的時是連續(xù)的, ,一次閱讀一次閱讀3 3個核苷酸個核苷酸( (堿基堿基).). 2. 遺傳密碼的不重疊性遺傳密碼的不重疊性( (nonoverlapping) ) 在絕大多數(shù)生物中在絕大多數(shù)生物中, ,閱讀閱讀mrna時是以密碼時是以密碼子為單位，不重疊地閱讀。子為單位，不重疊地閱讀。 少數(shù)大腸桿菌噬菌體的少數(shù)大腸桿菌噬菌體的rna基因組中部分基基因組中部分基因的遺傳密碼是重疊的。因的遺傳密碼是重疊的。不重疊密碼不重疊密碼重疊密碼重疊密碼l3.3.遺傳密碼具有簡并性

4、（遺傳密碼具有簡并性（degeneracy）l (1)(1)除除met( (aug) )和和trp( (ugg) )外，每個氨基酸外，每個氨基酸都有兩個或更多的密碼子，這種現(xiàn)象稱為密碼子都有兩個或更多的密碼子，這種現(xiàn)象稱為密碼子的簡并性（的簡并性（degenecy）。）。 l (2)(2)同義密碼：同義密碼：同一個氨基酸的不同密碼子稱同同一個氨基酸的不同密碼子稱同義密碼子（義密碼子（synonyms）。）。 （3）簡并性的生物學意義）簡并性的生物學意義 減少有害突變，對生物物種的穩(wěn)定有一定意減少有害突變，對生物物種的穩(wěn)定有一定意義。義。l（4）密碼的簡并性往往表現(xiàn)在密碼子的第三位）密碼的簡并性

5、往往表現(xiàn)在密碼子的第三位堿基上堿基上 4. 密碼的變偶性密碼的變偶性擺動性擺動性(wobble) trna上的反密碼子與上的反密碼子與mrna上的密碼子配上的密碼子配對時，密碼子的第一位、第二位堿基配對是嚴格對時，密碼子的第一位、第二位堿基配對是嚴格的，第三位堿基可以有一定變動，的，第三位堿基可以有一定變動， crick稱這種稱這種現(xiàn)象稱為密碼的擺動性或變偶性（現(xiàn)象稱為密碼的擺動性或變偶性（wobble）。如）。如trna反密碼子第一位的反密碼子第一位的ia、u、c配對。配對。 顯然顯然, 密碼子的專一性基本取決于前兩位堿密碼子的專一性基本取決于前兩位堿基，第三位堿基起的作用有限基，第三位堿基

6、起的作用有限(有較大靈活性有較大靈活性)。所以幾乎所有氨基酸的密碼子都可以用所以幾乎所有氨基酸的密碼子都可以用 和和 來表示來表示. l5.5.遺傳密碼的通用性和變異性遺傳密碼的通用性和變異性l (1)(1)通用性通用性: :指各種低等和高等生物指各種低等和高等生物, ,包括病毒、包括病毒、 細菌及真核生物細菌及真核生物, ,基本上共用一套遺傳密碼基本上共用一套遺傳密碼. . l (2) (2)密碼的變異性密碼的變異性: :目前已知線粒目前已知線粒dna(mtdnadna(mtdna) )的的編碼方式與通用遺傳密碼子有所不同編碼方式與通用遺傳密碼子有所不同. . 6.6.密碼子有起始密碼子和終

7、止密碼子密碼子有起始密碼子和終止密碼子 （1 1）起始密碼子）起始密碼子: :augaug( (metmet) )多數(shù)多數(shù)原核原核, ,真核生物真核生物 guggug 少數(shù)情況少數(shù)情況 (2)(2)終止密碼子終止密碼子: :uaauaa、uaguag和和ugauga 不編碼任何氨基酸不編碼任何氨基酸, 又稱為無義密碼子又稱為無義密碼子（nonsense codonsnonsense codons）或終止密碼子（）或終止密碼子（chainchainterminating codonsterminating codons），）， 它們單個或串聯(lián)在一起用于多肽鏈翻譯的它們單個或串聯(lián)在一起用于多肽鏈翻

8、譯的結(jié)束，沒有相應的結(jié)束，沒有相應的trnatrna存在。存在。關于關于sd序列序列l(wèi)一、核糖體是蛋白質(zhì)合成的工廠一、核糖體是蛋白質(zhì)合成的工廠l 用放射性同位素標記氨基酸，注射到小鼠用放射性同位素標記氨基酸，注射到小鼠體內(nèi)，經(jīng)短時間后取出肝臟，制成勻漿，離體內(nèi)，經(jīng)短時間后取出肝臟，制成勻漿，離心，分離各細胞器，發(fā)現(xiàn)核糖體放射性最強，心，分離各細胞器，發(fā)現(xiàn)核糖體放射性最強，說明核糖體是蛋白質(zhì)合成部位。說明核糖體是蛋白質(zhì)合成部位。l二、核糖體的結(jié)構(gòu)二、核糖體的結(jié)構(gòu)原核生物原核生物真核生物真核生物l三三 核糖體的活性位點核糖體的活性位點l 四、核糖體的功能四、核糖體的功能 參與多肽鏈的啟動、延長、終

9、止，并參與多肽鏈的啟動、延長、終止，并“移移動動”含有遺傳信息的模板含有遺傳信息的模板mrna第三節(jié)第三節(jié) 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移rna的功能的功能 在蛋白質(zhì)合成中，在蛋白質(zhì)合成中，trna起著運載氨基酸的起著運載氨基酸的作用，按照作用，按照mrna鏈上的密碼子所決定的氨基酸鏈上的密碼子所決定的氨基酸順序?qū)被徂D(zhuǎn)運到核糖體的特定部位。順序?qū)被徂D(zhuǎn)運到核糖體的特定部位。 trna有兩個關鍵部位：有兩個關鍵部位： 3端端cca：接受氨基酸：接受氨基酸，形成氨酰，形成氨酰-trna.需需atp提供活化氨基酸所需的能量。提供活化氨基酸所需的能量。 與與mrna結(jié)合部位結(jié)合部位反密碼子部位反密碼子部位(trna的

10、接頭作用的接頭作用) 此外此外, trna上尚有上尚有(3)識別氨酰識別氨酰trna合成酶的合成酶的位點位點, (4)核糖體識別位點核糖體識別位點35icca-oh53cca-ohg g cc c g密碼子與反密碼子的密碼子與反密碼子的閱讀方向均為閱讀方向均為55 3 3，兩者反向平行配對。兩者反向平行配對。l一、肽鏈延伸合成的方向和速度一、肽鏈延伸合成的方向和速度l（一）方向（一）方向l n 端端c端端l（二）速度（二）速度l 肽鏈延伸的速度極快，一個核糖體合成一條肽鏈延伸的速度極快，一個核糖體合成一條完整的血紅蛋白完整的血紅蛋白-鏈鏈(146個個aa)3分鐘分鐘, 0.8aa/秒秒. 大腸

11、桿菌大腸桿菌 20個個aa/秒秒l二、二、mrna 上翻譯的方向上翻譯的方向 1. 用人工合成的多核苷酸作模板證明用人工合成的多核苷酸作模板證明2. 翻譯方向：翻譯方向： 53三、原核生物蛋白質(zhì)生物合成的分子機制三、原核生物蛋白質(zhì)生物合成的分子機制 1. 部位部位:細胞質(zhì)細胞質(zhì) 2. 酶酶:氨酰氨酰-trna合成酶合成酶 3. 能量能量:消耗消耗2atp 4. 產(chǎn)物產(chǎn)物: 氨酰氨酰-trna 甲?；a(chǎn)物甲?；a(chǎn)物fmet-trna(原核生物起始原核生物起始aa)l氨基酸在摻入肽鏈前必須活化氨基酸在摻入肽鏈前必須活化, ,在在胞液中胞液中進行。進行。l氨基酸的活化是指各種參加蛋白質(zhì)合成的氨基酸的

12、活化是指各種參加蛋白質(zhì)合成的aaaa與攜與攜帶它的相應的帶它的相應的trnatrna結(jié)合成結(jié)合成氨酰氨酰- - trnatrna的過程?；畹倪^程?；罨磻诨磻诎滨０滨? -trnatrna 合成酶合成酶的催化下進行。的催化下進行。(一一)氨基酸的活化氨基酸的活化 2020種氨基酸中每一種都有各自特異的氨酰種氨基酸中每一種都有各自特異的氨酰- -trnatrna合成酶。合成酶。 氨酰氨酰- -trnatrna合成酶具有高度的專一性合成酶具有高度的專一性，它既它既能識別相應的氨基酸（能識別相應的氨基酸（l-l-構(gòu)型），又能識別與此構(gòu)型），又能識別與此氨基酸相對應的一個或多個氨基酸相對應的一個

13、或多個trnatrna 分子；即使分子；即使aaaa識別出現(xiàn)錯誤，此酶具有水解功能，可以將其水識別出現(xiàn)錯誤，此酶具有水解功能，可以將其水解掉。解掉。這種高度的專一性保證了氨基酸與其特定這種高度的專一性保證了氨基酸與其特定的的trna準確匹配，從而使蛋白質(zhì)的合成具有一準確匹配，從而使蛋白質(zhì)的合成具有一定的保真性。定的保真性。(二二)肽鏈合成的起始肽鏈合成的起始 1.70s1.70s起始復合物的形成起始復合物的形成 (1)(1)起始氨基酸及起始起始氨基酸及起始trnatrna 起始氨酰起始氨酰-trna-trnai i: : 甲硫氨酰甲硫氨酰-trna-trnai 甲?；柞；?起始氨基酸起始氨基

14、酸原核：甲酰甲硫氨酸原核：甲酰甲硫氨酸 fmet 真核：甲硫氨酸真核：甲硫氨酸 met 甲?；蟛拍芘c甲酰化后才能與if2 結(jié)合生成結(jié)合生成30s復合物復合物 甲酰化防止起始氨基酸進入延伸中的肽鏈甲?；乐蛊鹗及被徇M入延伸中的肽鏈 使使fmet-trna i 結(jié)合在核糖體結(jié)合在核糖體p部位部位 延長因子延長因子ef-tu識別未甲?；淖R別未甲酰化的 met-trna原核：甲酰甲硫氨酸原核：甲酰甲硫氨酸 ( fmet )l細菌中的起始因子細菌中的起始因子: :lifif1 1: : 結(jié)合在結(jié)合在30s30s亞基上作為完全起始復合物的一部分，亞基上作為完全起始復合物的一部分，起穩(wěn)定此復合物的作用

15、。起穩(wěn)定此復合物的作用。 lifif2 2: : 結(jié)合到特異的起始結(jié)合到特異的起始trnatrna（fmet-trnafmet-trna），并），并將起始將起始trnatrna置于小亞基上。置于小亞基上。 ifif3 3: :30s30s小亞基特異地與小亞基特異地與mrnamrna起始部位結(jié)合需要起始部位結(jié)合需要 ifif3 3 . .ifif3 3還作為還作為70s70s核糖體的解離因素，產(chǎn)生核糖體的解離因素，產(chǎn)生30s30s亞基。亞基。(2)70s(2)70s起始復合物的形成起始復合物的形成l(三三)肽鏈的延長肽鏈的延長 肽鏈的延長分為四個步肽鏈的延長分為四個步驟：驟： 進位進位 轉(zhuǎn)肽轉(zhuǎn)肽

16、 脫落脫落 移位移位-核糖體循環(huán)核糖體循環(huán) 1. 1. 進位：進位： 1) 1) 一個新的一個新的氨酰氨酰-trna進入進入a位，位， 2) 延長因子參加延長因子參加: 3) 消耗消耗1個個gtp 2. 2. 轉(zhuǎn)肽：轉(zhuǎn)肽： 1) 1) 肽?；鶑碾孽；鶑膒 p位轉(zhuǎn)到位轉(zhuǎn)到a a位位, ,肽鍵的形成；肽鍵的形成； 2) 2) 負責肽鍵合成的酶稱為肽酰轉(zhuǎn)移酶負責肽鍵合成的酶稱為肽酰轉(zhuǎn)移酶（peptityl transferasepeptityl transferase），簡稱轉(zhuǎn)肽酶。），簡稱轉(zhuǎn)肽酶。 3) 3) 肽的轉(zhuǎn)移是核糖體大亞基（肽的轉(zhuǎn)移是核糖體大亞基（50s50s或或60s60s）的）的功能

17、。功能。 4)4)抗菌素嘌呤霉素抑制蛋白質(zhì)合成抗菌素嘌呤霉素抑制蛋白質(zhì)合成, ,使新生的使新生的肽鏈在合成未完成之前就釋放出來。肽鏈在合成未完成之前就釋放出來。3. 脫落脫落 轉(zhuǎn)肽后，轉(zhuǎn)肽后，p部位上空載的部位上空載的trna經(jīng)出口位經(jīng)出口位點點 (e) 脫落脫落 4. 移位：移位： 1) 核糖體向核糖體向mrna 3端移動一個密碼子，端移動一個密碼子，移位移位導致肽酰導致肽酰trnatrna從從a a位點移出，進入位點移出，進入p p位點位點; ;空著空著的的a a位點為下一個密碼子對應的氨酰位點為下一個密碼子對應的氨酰trnatrna的進的進入作好準備。入作好準備。 2) 需要需要1個個g

18、tp 3) 3) 三位點模型三位點模型: : 19891989年德國的年德國的nierhausnierhaus等提等提出模型認為，細菌出模型認為，細菌trnatrna及及mrnamrna相對于核糖體發(fā)生相對于核糖體發(fā)生移位后，移位后，空載空載trnatrna并未立即從核糖體上解離下來，并未立即從核糖體上解離下來，而是移到了而是移到了e e位點（出口位點），當新的氨酰位點（出口位點），當新的氨酰trnatrna結(jié)合到結(jié)合到a a位點時，位點時，e e位點的空載位點的空載trnatrna才解離下才解離下來，此過程涉及到核糖體構(gòu)象的變化，該變化有來，此過程涉及到核糖體構(gòu)象的變化，該變化有利于核糖體對

19、正確氨基酰利于核糖體對正確氨基酰trnatrna的識別作用，從的識別作用，從而提供了蛋白質(zhì)合成的精確性。而提供了蛋白質(zhì)合成的精確性。 (四四) 肽鏈合成的終止與釋放肽鏈合成的終止與釋放l1. 終止信號終止信號 l 1) 終止密碼子終止密碼子: uaa、 uga 、uag l 正常細胞不含能和終止密碼子互補的反密碼正常細胞不含能和終止密碼子互補的反密碼子的子的trna，這些終止密碼子能被終止因子所，這些終止密碼子能被終止因子所識別。識別。l 2) 釋放因子（釋放因子（release factor，rfs）：）：l rf1 : 識別識別uaa 、 uag l rf2 : 識別識別uaa 、 uga

20、l rf3 : 不識別終止密碼子不識別終止密碼子,但刺激另外兩個因但刺激另外兩個因子的活性，協(xié)助肽鏈釋放子的活性，協(xié)助肽鏈釋放 2. 終止機制終止機制: 1) 釋放因子與終止密碼子結(jié)合使釋放因子與終止密碼子結(jié)合使轉(zhuǎn)肽酶活性轉(zhuǎn)肽酶活性變變成成水解酶活性水解酶活性，水解了水解了p p位點上多肽與位點上多肽與trnatrna之間之間的鍵，釋放出多肽和的鍵，釋放出多肽和trnatrna。l 2) 2) 在基因中，終止密碼子總是緊接在編碼最在基因中，終止密碼子總是緊接在編碼最后一個氨基酸的密碼子后面。任何一個三聯(lián)密碼后一個氨基酸的密碼子后面。任何一個三聯(lián)密碼發(fā)生無義突變時都足以終止其基因的蛋白質(zhì)合成。發(fā)

21、生無義突變時都足以終止其基因的蛋白質(zhì)合成。l 3) 3) 在原核生物的基因中，在原核生物的基因中，uaa是最常見的終是最常見的終止密碼，其它依次為止密碼，其它依次為uga和和uag，但閱讀，但閱讀ugauga存存在更多的錯誤。（錯誤閱讀終止密碼就是一個氨在更多的錯誤。（錯誤閱讀終止密碼就是一個氨基?；rnatrna對它產(chǎn)生錯誤反應，使蛋白質(zhì)合成繼對它產(chǎn)生錯誤反應，使蛋白質(zhì)合成繼續(xù)進行，直到另一個終止密碼出現(xiàn)）。續(xù)進行，直到另一個終止密碼出現(xiàn)）。l多核糖體多核糖體l 是一個是一個mrna分分子與一定數(shù)目的單子與一定數(shù)目的單個核糖體結(jié)合而成個核糖體結(jié)合而成的，形成念珠狀的，形成念珠狀 。每個核糖體可以獨每個核糖體可以獨立完成一條肽鏈的立完成一條肽鏈的合成，提高了翻譯合成，提高了翻譯的效率。的效率。l 原核生物原核生物 轉(zhuǎn)錄與翻譯相偶聯(lián)轉(zhuǎn)錄與翻譯相偶聯(lián)四、四、 蛋白質(zhì)合成所需的能量蛋白質(zhì)合成所需的能量v蛋白質(zhì)的合成是一個高耗能過