基因信息的傳遞-- 蛋白質(zhì)的生物合成

1、生化教研室生化教研室生物化學(xué)教研室生物化學(xué)教研室學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的特點(diǎn)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的特點(diǎn)。中心法則的過程及抗生素、干擾中心法則的過程及抗生素、干擾素等臨床用藥的作用機(jī)理。素等臨床用藥的作用機(jī)理。 能解釋酶和蛋白因子抑制劑的抗能解釋酶和蛋白因子抑制劑的抗腫瘤機(jī)理腫瘤機(jī)理 。Reverse transcriptionu中心法則1.白喉毒素，蓖麻蛋白毒性極強(qiáng)，機(jī)理？白喉毒素，蓖麻蛋白毒性極強(qiáng)，機(jī)理？2.諾氟沙星，環(huán)丙沙星，利福平，四環(huán)素，氯霉素，慶大霉素，諾氟沙星，環(huán)丙沙星，利福平，四環(huán)素，氯霉素，慶大霉素，3.鏈霉素，青霉素，紅霉素都能殺菌，有什么異同嗎？鏈霉素，青霉素，紅霉素

2、都能殺菌，有什么異同嗎？4.適量照太陽可以預(yù)防小孩佝僂病發(fā)生，但過度照射卻可引發(fā)癌適量照太陽可以預(yù)防小孩佝僂病發(fā)生，但過度照射卻可引發(fā)癌癥，如著色性干皮癥。為什么？癥，如著色性干皮癥。為什么？5.干擾素的作用機(jī)理是什么干擾素的作用機(jī)理是什么問題問題定義： 蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由 4 種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序 。 一、參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) （一）合成原料 20種編碼氨基酸。在一些生物體內(nèi)，另外兩種氨基酸，吡咯賴氨酸（pyrrolysine）和硒代半胱氨酸（selenocysteine）也可作為編碼氨基酸參

3、與蛋白質(zhì)的生物合成，它們分別由終止密碼子UAG和UGA編碼，并由特異的tRNA攜帶。 （二）酶及蛋白因子 1.氨基酰tRNA合成酶 在ATP的存在下，能催化氨基酸的活化以及對應(yīng)tRNA的結(jié)合反應(yīng)。該酶位于胞液，具有絕對專一性，對氨基酸及tRNA都能高度特異地識別。即一種氨基酸和相應(yīng)地tRNA對應(yīng)一種氨基酰tRNA合成酶。所以，在胞液種至少存在20種以上的該酶，這些酶的高度專一性是保證翻譯準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。 2.轉(zhuǎn)肽酶 存在于核糖體大亞基上，能催化“P位”的肽酰基轉(zhuǎn)移至“A位”的氨基酰-tRNA的氨基酸上，使?；桶被s合形成肽鍵。3.蛋白因子 翻譯還需要眾多蛋白質(zhì)因子的參與，包括起始因子（in

4、itiation factor，IF），延長因子（elongation factor，EF）和釋放因子（releasing factor，RF）。 IF是一些與多肽鏈合成起始有關(guān)的蛋白因子。原核生物中有3種起始因子（IF13）。真核生物中存在9種（eIF）。其作用主要是促進(jìn)核糖體小亞基與起始tRNA及模版mRNA的結(jié)合。 EF主要是促使氨基酰tRNA進(jìn)入核糖體的受位，并促進(jìn)移位過程。原核生物存在3種延長因子（EFTu，EFTs，EFG),真核生物存在2種（EF1，EF2）。 RF的功能是識別mRNA上的終止密碼，協(xié)助多肽的釋放。原核生物有RF13三種，真核生物只有1種。 （三）RNA 1.mR

5、NA 是蛋白質(zhì)生物合成的直接模版。 遺傳學(xué)將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。 原核細(xì)胞中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順反子(polycistron) 。 真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(single cistron) 。 原核生物的多順反子原核生物的多順反子真核生物的單順反子真核生物的單順反子非編碼序列非編碼序列核蛋白體結(jié)合位點(diǎn)核蛋白體結(jié)合位點(diǎn)起始密碼子起始密碼子終止密碼子終止密碼子編碼序列編碼序列PPP5 3 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)PPPmG -53 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) mRNA上存在遺傳密碼 mRNA分子上從5至3方向，

6、由AUG開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號，稱為三聯(lián)體密碼(triplet coden)。起始密碼(initiation coden): AUG 終止密碼(termination coden) UAA, UAG, UGA。 mRNA以三聯(lián)體遺傳密碼的方式，決定了蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序和基本結(jié)構(gòu)。生物體內(nèi)共64個密碼子，其中61個分別代表20種不同的編碼氨基酸。（如下表）遺遺傳傳密密碼碼表表遺傳密碼具有以下的特點(diǎn)：遺傳密碼具有以下的特點(diǎn)：連續(xù)性：指兩個相鄰的密碼子之間沒有任何特殊的符號加以間隔，翻譯時必須從某一特定的起始點(diǎn)開始，連續(xù)地一個密碼子挨著

7、一個密碼子“閱讀”下去，直到終止密碼子為止。mRNA上堿基的插入或缺失都會造成密碼子的閱讀框架改變，使翻譯出的氨基酸序列異常，產(chǎn)生“移碼突變”。簡并性：除蛋氨酸和色氨酸各有一個密碼子外，其余每種氨基酸都有26個密碼子。一種氨基酸具有2個或2個以上密碼子的現(xiàn)象，稱為遺傳密碼的簡并性。遺傳密碼的簡并性主要表現(xiàn)在密碼子的前2個堿基相同，第3個堿基不同，因此當(dāng)?shù)?個堿基突變時不會造成翻譯時氨基酸序列的改變。遺傳密碼的簡并性對于減少有害突變，保證遺傳的穩(wěn)定性具有一定的意義。方向性：起始密碼子位于mRNA鏈的5端，終止密碼子位于3端，翻譯時從起始密碼子開始，沿53方向進(jìn)行，直到終止密碼子為止，與此相應(yīng)多肽

8、鏈的合成從N端向C端延伸。通用性：一般來說，從病毒、細(xì)菌到人類都共用同一套遺傳密碼表，這稱為遺傳密碼的通用性。但在某些生物中，或在動物細(xì)胞線粒體及植物細(xì)胞的葉綠體中，遺傳密碼的通用性存在某些例外。擺動性：mRNA密碼子與tRNA反密碼子在配對辨認(rèn)時，有時不完全遵守堿基互補(bǔ)原則，尤其是密碼子的第3位堿基與反密碼子的第1位堿基，不嚴(yán)格互補(bǔ)也能相互辨認(rèn)，稱為密碼子的擺動性。擺動配對擺動配對密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象2.tRNA tRNA具有雙重作用，一方面可以氨基酸t(yī)RNA的形式攜帶活化氨基酸，另一方面又可識別mRNA分子上的遺傳密碼，通過其反密碼子與mRNA密碼子

9、的對應(yīng)結(jié)合，使它所攜帶的活化氨基酸在核糖體上按一定順序?qū)μ柸胱铣啥嚯逆?。在蛋白質(zhì)的生物合成中tRNA起接合器的作用，或?qū)⑵湟暈榘被岬陌徇\(yùn)工具。 每種氨基酸可由26種特異的tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)，但每一種tRNA只能特異地轉(zhuǎn)運(yùn)某一種氨基酸。tRNA憑借自身的反密碼子與mRNA鏈上的密碼子相識別，把所帶氨基酸放到肽鏈的一定位置。 氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet真核生物： Met-tRNAiMet原核生物中起始tRNA所攜帶的蛋氨酸被甲基化，因此用 fMet-tRNAifMet表示5ICCA-OH53CCA-OHG G CC C G密碼子

10、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。3.rRNA rRNA與多種蛋白共同構(gòu)成超分子復(fù)合體核糖體。核糖體是多肽鏈合成的場所，是蛋白質(zhì)生物合成的“裝配機(jī)”。 不同細(xì)胞核蛋白體的組成不同細(xì)胞核蛋白體的組成 核核蛋蛋白白體體的的組組成成核糖體在蛋白質(zhì)的生物合成中具有以下的功能：小亞基：有容納mRNA的通道，可結(jié)合模版mRNA。結(jié)合起始tRNA。結(jié)合和水解ATP大亞基：有三個tRNA的結(jié)合位點(diǎn)。第一個為受位或A位，是氨基酰tRNA進(jìn)入核糖體后占據(jù)的位置；第二個稱為給位或P位，是肽酰tRNA占據(jù)的位置；第三個稱為出位或E位是空載tRNA占據(jù)

11、的位置。由于核糖體與tRNA的結(jié)合是非特異性的，所以核糖體能結(jié)合各種氨基酰tRNA。具有轉(zhuǎn)肽酶活性，催化肽鍵的生成。在E. coli中，轉(zhuǎn)肽酶活性與核糖體大亞基上的23SrRNA有關(guān)，因此轉(zhuǎn)肽酶也是一種核酶。能夠結(jié)合參與翻譯的多種可溶性蛋白因子，如EF、IF、RF等。A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:（四）供能物質(zhì)及無機(jī)離子（四）供能物質(zhì)及無機(jī)離子 蛋白質(zhì)生物合成過程中需ATP或GTP提供能源，并需Mg2和

12、K參與。蛋白質(zhì)的生物合成的具體步驟，在原核生物和真核生物細(xì)胞基本類似。目前了解比較清楚的是大腸桿菌，下面以此為例來介紹翻譯過程。二、蛋白質(zhì)生物合成的過程翻譯（一）氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運(yùn) 氨基酸必須通過活化才能參與蛋白質(zhì)的生物合成，活化反應(yīng)是在氨基酸的羧基上進(jìn)行，由氨基酰tRNA合成酶催化，ATP供能，活化一分子氨基酸需要消耗2個高能磷酸鍵。氨基酸+ATP+tRNA +H2O氨基酰氨基酰-tRNA -tRNA 合成酶合成酶氨酰-tRNA+AMP+PPi氨基酸活化的總反應(yīng)式氨基酸活化的總反應(yīng)式Mg2第一步反應(yīng)第一步反應(yīng)氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E AMP PPi第二步反應(yīng)第二步反

13、應(yīng)氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E（二）核糖體循環(huán) 核糖體循環(huán)（ribosome cycle）是指活化的氨基酸，由tRNA攜帶至核糖體上，以mRNA為模版合成多肽鏈的過程。這一階段為蛋白質(zhì)合成的中心環(huán)節(jié)，通?？梢苑譃槿齻€階段：起始、延長和終止。1.肽鏈合成的起始 即起始復(fù)合物的形成，起始復(fù)合物包括：核糖體大小亞基，模版mRNA及起始tRNA。這一過程需GTP、三種IF及Mg2的參與。核糖體大小亞基拆離：在IF1和IF3的促進(jìn)下，核糖體大小亞基解離，IF3與30S小亞基結(jié)合防止大、小亞基重新聚合。mRNA與小亞基結(jié)合：原核生物mRNA5-端有一段富含嘌呤的特

14、殊序列，稱SD序列，可被核糖體的小亞基16S rRNA3-端辨認(rèn)結(jié)合。然后，核糖體小亞基沿mRNA模版向3-端滑動并準(zhǔn)確地識別起始密碼子AUG的部位。fMet-tRNAfMet的結(jié)合：fMet-tRNAfMet、IF2和GTP結(jié)合形成復(fù)合體，然后與核糖體小亞基結(jié)合，并使fMet-tRNAfMet定位于起始密碼子的相應(yīng)位置。50S大亞基結(jié)合：上述三步完成后IF3從小亞基上脫落，同時GTP被水解，使IF1和IF3也脫落。50S大亞基結(jié)合到30S小亞基上，形成70S起始復(fù)合物。此時，tRNAfMet的反密碼子5-CAU-3與mRNA上的起始密碼子5-AUG-3互補(bǔ)結(jié)合， fMet-tRNAfMet占

15、據(jù)在核糖體的P位，A位空缺。1. 核蛋白體大小亞基分離核蛋白體大小亞基分離IF-3IF-12. mRNA在小亞基定位結(jié)合在小亞基定位結(jié)合A U G53S-D序列序列 3.起始氨基酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結(jié)合到小亞基結(jié)合到小亞基IF-3IF-2GTPA U G534. 核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成A U G53IF-3IF-1IF-2PiGDPGTPA U G53IF-3IF-1IF-2GTP-GTPPiGDP2.肽鏈的延長 指根據(jù)mRNA密碼序列的指導(dǎo)，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。 肽鏈延長在核蛋

16、白體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步： 進(jìn)位(entrance) 成肽(peptide bond formation) 轉(zhuǎn)位(translocation)（1）注冊(registration) ：又稱進(jìn)位。指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進(jìn)入核蛋白體A位。 延長因子延長因子EF-T催化催化進(jìn)位（原核生物）進(jìn)位（原核生物）（2）成肽）成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。該反應(yīng)需Mg2、K的存在。（3）轉(zhuǎn)位）轉(zhuǎn)位延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶( translocase )活

17、性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3側(cè)移動 。進(jìn)進(jìn)位位成肽成肽轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位位3.肽鏈合成的終止肽鏈合成的終止 指已經(jīng)合成完畢的多肽鏈從核糖體水解釋放，以及原來結(jié)合在一起的核糖體大、小亞基，mRNA模版及tRNA相互分離的過程。 當(dāng)多肽鏈合成至A位上出現(xiàn)終止密碼子（UAA, UAG,UGA)時，可被釋放因子（RF）辨認(rèn)出，RF進(jìn)入A位。RF的結(jié)合可使轉(zhuǎn)肽酶的構(gòu)象發(fā)生改變，從而發(fā)揮水解酶的活性，使P位上的新生多肽被水解下來；然后由GTP提供能量，使tRNA及RF釋出，核糖體與mRNA分離。最后，在IF作用下，核糖體大、小亞基分離，并重新參與多肽鏈的合成。三、翻譯后的加工 從核蛋白體釋

18、放出的新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復(fù)雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白，這一過程稱為翻譯后加工，常見的有以下幾種。新生肽鏈的折疊 細(xì)胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都不是自動完成，一般需要在折疊酶（包括蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶 和肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 ）和分子伴侶的參與下才能完成。N端的甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：在去甲酰酶催化下將肽鏈合成的起始氨基酸-甲酰甲硫氨酸水解脫掉甲?；?，以便肽鏈形成所需的構(gòu)象。在氨肽酶催化下切去N末端一個或幾個氨基酸。氨基酸殘基側(cè)鏈的修飾 包括二硫鍵的形成，賴氨酸、脯氨酸的羥基化，絲氨酸。蘇氨酸的磷酸化，組氨酸的甲基化，谷氨酸的羧基化等。 輔基的連接和亞基的聚合 結(jié)合蛋白的合成過程中，多肽鏈合成后還需進(jìn)一步與輔基連接起來,才具有生物學(xué)功能，如糖蛋白中糖鏈的加入；血紅蛋白在各條多肽鏈合成后，還需通過非共價鍵將亞基聚合成多聚體，形成蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。水解修剪 一些多肽合成后需要在特異蛋白水解酶