《生物化學(xué)：第十三章 蛋白質(zhì)的生物合成》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《生物化學(xué)：第十三章 蛋白質(zhì)的生物合成（50頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、華東理工大學(xué)生物化學(xué)精品課程組上海市精品課程系列學(xué)習(xí)要求理解三種RNA在蛋白質(zhì)合成中的作用 。了解遺傳密碼的破譯方法。 掌握遺傳密碼的特性。了解蛋白質(zhì)的合成過程，了解多聚核糖體的概念。了解多肽鏈的折疊與加工過程；了解各類蛋白質(zhì)的傳遞過程。DNA將其遺傳信息轉(zhuǎn)移到mRNA，再由mRNA將這種遺傳信息表達(dá)為蛋白質(zhì)中氨基酸順序的過程叫做翻譯。蛋白質(zhì)合成的必要條件：20種氨基酸，mRNA、tRNA、核蛋白體、酶和蛋白因子、無機(jī)離子、ATP 、GTP 合成方向：NC端 13.1 信使RNA和遺傳密碼13.2 翻譯相關(guān)的生物大分子13.3 蛋白質(zhì)合成步驟13.1 信使RNA和遺傳密碼p信使RNA和遺傳信息
2、的傳遞p遺傳密碼的破譯p密碼子的特性返回信使RNA和遺傳信息的傳遞蛋白質(zhì)合成的信息來自于DNA，合成的模板是mRNA。蛋白質(zhì)的合成是在核糖體上進(jìn)行的，而遺傳信息載體DNA存在于核中，必然有一種中間物來傳遞DNA上的信息。推測這種中間物極不穩(wěn)定，在蛋白質(zhì)合成時(shí)產(chǎn)生，合成結(jié)束后又分解，半壽期很短。后來科學(xué)家用實(shí)驗(yàn)證明這種中間物就是mRNA。信使RNA和遺傳信息的傳遞mRNA上的三個(gè)核苷酸決定一個(gè)氨基酸。1954年,物理學(xué)家Gamouv G首先對遺傳密碼進(jìn)行探討。他認(rèn)為核酸分子中只有四種堿基，顯然堿基與氨基酸的關(guān)系不是一對一的關(guān)系。若兩個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸只能編碼16種氨基酸，也是不夠的；而三個(gè)堿基
3、對一個(gè)氨基酸，四個(gè)堿基可產(chǎn)生64個(gè)密碼，足以編碼20種氨基酸，所以編碼氨基酸的最低堿基數(shù)是3，即密碼子可能是三聯(lián)體。 信使RNA和遺傳信息的傳遞1961年，Crick FHC等人用遺傳學(xué)的方法證明了三聯(lián)密碼子的學(xué)說是正確的。在E.coli的T4DNA上的一個(gè)基因缺失（或增加）一個(gè)或二個(gè)核苷酸會造成缺失（或增加）部位以后的全部氨基酸誤譯。若同時(shí)缺失（或增加）三個(gè)核苷酸，前后核苷酸表達(dá)仍和正常一樣。必須假設(shè)密碼子是三聯(lián)體才能完滿地解釋以上這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。噬菌體T4的“+ +”“-”突變型和它們的表型 類別基因型 表型說明I+或-突變型單個(gè)位點(diǎn)II+或-突變型同一類型中的雙突變III+或-+或-突變型
4、同一類型中四個(gè)或五個(gè)突變組合在一起IV+-正常不同類型的兩個(gè)突變組合在一起V+或+-或-正常同一類型中三個(gè)突變組合在一起，或三的倍數(shù)突變組合在一起信使RNA和遺傳信息的傳遞mRNA順序( 根 據(jù) 氨 基酸推測)移碼雙突變（回復(fù)子）蛋白質(zhì)順序(分析結(jié)果)AA AGU CCA UCA CUU AAU GCAG 賴 絲 脯 絲 亮 天酰 丙加入GU(ej17)加入G(ej44)AA AGU GUC CAU CAC UUA AUG GCAG賴 絲 纈 組 組 亮 甲硫 丙蛋白質(zhì)順序(分析結(jié)果)野生型mRNA順序( 根 據(jù) 氨 基酸推測) 遺傳學(xué)上把由于密碼移位而造成的突變稱為移碼突變信使RNA和遺傳信
5、息的傳遞生物化學(xué)上的證據(jù)：煙草壞死衛(wèi)星病毒中有一分子RNA可編碼外殼蛋白的一個(gè)亞基，此RNA由1200個(gè)核苷酸組成，而此亞基由400個(gè)氨基酸組成，也由此證明三個(gè)核苷酸決定一個(gè)氨基酸。返回遺傳密碼的破譯遺傳密碼的概念：mRNA 上的核苷酸順序與蛋白質(zhì)中的氨基酸之間的對應(yīng)關(guān)系稱為遺傳密碼。mRNA上每三個(gè)連續(xù)核苷酸對應(yīng)一個(gè)氨基酸，這三個(gè)核苷酸就稱為一個(gè)密碼子，或三聯(lián)體密碼（triplet codons）。1961年，Nirenberg 等人用大腸桿菌的無細(xì)胞體系在各種RNA的人工模板下合成多肽，從而推斷出各氨基酸的密碼子，后來他與Khorana以及霍利分享了1968年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。以下是三個(gè)不同
6、的證明遺傳密碼是mRNA上3個(gè)連續(xù)的核苷酸殘基構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)。 遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是1961年由美國的M.Nirenberg等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一條由相同核苷酸組成的多核苷酸鏈,用它作模板,利用大腸桿菌蛋白提取液和GTP在體外合成蛋白質(zhì)。發(fā)現(xiàn)多聚(U)導(dǎo)致多聚Phe的合成,表明多聚(U)編碼多聚Phe；類似的實(shí)驗(yàn)表明,多聚(A)編碼多聚Lys；多聚(C)編碼多聚Pro (上圖A)。遺傳密碼的破譯第二個(gè)實(shí)驗(yàn)（核糖體結(jié)合技術(shù)）是1964年也是由美國的M.Nirenberg等人完成的。即是用一個(gè)人工合成的三核苷酸代替mRNA，在含有核糖體和 14C-氨基酰-t
7、RNA的緩沖系統(tǒng)中，無需酶促核糖體便可以和帶有特定氨基酰-tRNA及三核苷酸結(jié)合，例如三核苷酸為pUpUpU時(shí)，則只有14C-苯丙氨酰-tRNA結(jié)合到核體上。用硝酸纖維制成的濾膜過濾，結(jié)合有氨基酰-tRNA的核糖體保留在濾膜上，未結(jié)合的氨基酰tRNA被洗脫，測定濾膜上的放射性，就可知道和核糖體上的三核苷酸結(jié)合的是哪一種氨基酸。該實(shí)驗(yàn)對于幾種密碼編碼同一個(gè)氨基酸提供了直接的、最好的證據(jù)（上圖B）。三聯(lián)體結(jié)合試驗(yàn)-核糖體結(jié)合技術(shù)遺傳密碼的破譯第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是由Jones,Khorana等人完成的。他們利用有機(jī)化學(xué)和酶法制備了已知的核苷酸重復(fù)序列，以此多聚核苷酸作模板，在體外進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，發(fā)現(xiàn)可以生成
8、三種重復(fù)的多肽鏈（上圖C）。若從A翻譯，則合成出多聚Ile，即AUC對應(yīng)Ile；若從U翻譯，則合成出多聚Ser，即UCA對應(yīng)Ser；若從C翻譯，則合成出多聚His，即CAU對應(yīng)His。這是因?yàn)轶w外合成是無調(diào)控的合成，可以隨機(jī)地從A、或U、或C翻譯，所以有三種重復(fù)的多肽鏈生成。遺傳密碼的破譯返回密碼子的特性方向性：密碼子的閱讀方向是從5 3簡并性和擺動性：同一種氨基酸可以由兩種或兩種以上的密碼子所決定，這幾種密碼子稱為同義密碼子。密碼子的擺動學(xué)說（wobble hypothesis）：mRNA的密碼子的前兩個(gè)堿基總是與tRNA上反密碼子上的相應(yīng)堿基形成強(qiáng)有力的Watson-Crick堿基配對，因
9、而提供了主要的編碼特異性。通用性：無論是病毒、原核細(xì)胞，還是真核細(xì)胞，使用的都是同一套氨基酸編碼方法。不重疊：密碼間無標(biāo)點(diǎn)，順著核苷酸5 3的方向一個(gè)接一個(gè)地閱讀。密碼子的特性終止密碼子（即UAA、UGA和UAG），它們并不代表任何一種氨基酸，所以也稱為無意義密碼子，在多肽合成中起著終止的作用。 “簡并”現(xiàn)象，即同一種氨基酸可以由兩種或兩種以上的密碼子所決定。決定同一氨基酸的密碼子稱為簡并密碼子，也稱同義密碼子。 在密碼子中還有一個(gè)密碼子是“兼職”的，即一個(gè)密碼子有兩種作用，這就是AUG，它既是起始密碼子，又是甲硫氨酸的密碼子。 蛋白質(zhì)組分中的胱氨酸、羥脯氨酸則沒有相應(yīng)的密碼子，說明這兩種氨基
10、酸是在多肽形成之后通過氧化或其他反應(yīng)生成的。重疊基因在有些生物（主要指病毒）中，同一段基因可以編碼幾種蛋白質(zhì)，但這段基因在編碼蛋白質(zhì)時(shí)只能分別閱讀而并不重疊。例如X-174是一種DNA病毒，同一段基因可以編碼兩種蛋白質(zhì)，但各蛋白質(zhì)使用的閱讀框是不同的，因而產(chǎn)生了不同氨基酸順序的蛋白質(zhì)。例如：返回13.2 翻譯相關(guān)的生物大分子與轉(zhuǎn)譯相關(guān)的生物大分子主要有核糖體和tRNA兩種。13.2 翻譯相關(guān)的生物大分子核糖體是裝配蛋白質(zhì)的機(jī)器tRNA的反密碼子譯出mRNA的密碼子tRNA的活化tRNA反密碼子與mRNA密碼子的識別參與蛋白質(zhì)合成的蛋白質(zhì)因子返回核糖體是裝配蛋白質(zhì)的機(jī)器核糖體（或稱核糖核蛋白體）
11、由蛋白質(zhì)和rRNA組成。是存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的微小顆粒。核糖體的基本功能：1、是結(jié)合mRNA，在mRNA上選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)域開始翻譯2、密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）的正確配對3、肽鍵的形成核糖體可游離存在，真核中，也可同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，形成粗糙的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。原核中，與mRNA形成多聚核糖體。多聚核糖體多聚核糖體是在同一條mRNA上同時(shí)存在著幾個(gè)或幾十個(gè)核糖體，同時(shí)進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成，形成多聚核糖體的結(jié)構(gòu)。核糖體的功能活性部位E.coli的小亞基能單獨(dú)與mRNA結(jié)合成為30s核糖體-mRNA復(fù)合體，后者可以與tRNA專一性結(jié)合，而大亞基則不能。核糖體上可區(qū)分出4個(gè)功能部位：A部位：也稱受位，主要位于大
12、亞基上，是接受氨?；?tRNA的部位。P部位：也稱肽?；课换蚬┪?，主要在小亞基上，是肽?；?tRNA移交新生肽鏈的部位。E部位：也稱退出位點(diǎn)，位于小亞基，是失去氨基酰的tRNA從核糖體退出的地方肽基轉(zhuǎn)移酶部位：肽基轉(zhuǎn)移酶也稱肽合成酶，簡稱T因子，位于大亞基上，其作用是在肽鏈合成過程中催化氨基酸與氨基酸間形成肽鍵。GTP酶部位：GTP酶也稱轉(zhuǎn)位酶，簡稱G因子，能分解GTP分子，并將肽?；?tRNA由A部位移到P部位。核糖體的功能活性部位圖示蛋白質(zhì)返回tRNA的活化:氨基酰-tRNA 合成酶催化tRNA與特定氨基酸結(jié)合返回tRNA的活化氨基酸 + ATP + tRNA + H2O 氨基酰-tRN
13、A + AMP + PPi每一種氨基酸至少有一種對應(yīng)的氨基酰-tRNA 合成酶。它既催化氨基酸與ATP的作用，也催化氨基?；D(zhuǎn)移到tRNA。氨基酰-tRNA 合成酶具有高度的專一性。 每一種氨基酰-tRNA 合成酶只能識別一種相應(yīng)的tRNA。tRNA 分子能接受相應(yīng)的氨基酸，決定于它特有的堿基順序，而這種堿基順序能夠被氨基酰-tRNA 合成酶所識別。返回tRNA反密碼子與mRNA密碼子的識別aa-tRNA是在蛋白質(zhì)因子的作用下，通過TC環(huán)與核糖體5S rRNA（真核細(xì)胞為5.8S rRNA）分子的互補(bǔ)關(guān)系而進(jìn)入核糖體的。但某一特定aa-tRNA的進(jìn)入與否取決于aa-tRNA的反密碼子與mRNA
14、密碼子是否能相互識別。反密碼子與密碼子的配對并不十分嚴(yán)格，由于同一種氨基酸與不同tRNA結(jié)合的現(xiàn)象，所以只是密碼子的前兩個(gè)堿基必需準(zhǔn)確配對，而第三個(gè)堿基可以錯(cuò)配（搖擺），這就是搖擺學(xué)說所要說明的現(xiàn)象。如果編碼蛋白質(zhì)的基因發(fā)生了點(diǎn)突變，tRNA也隨著發(fā)生突變以校正上述基因的突變，以合成一條正常的多肽鏈，這種tRNA叫做校正tRNA，它的作用機(jī)制也是以密碼子與反密碼子間不十分嚴(yán)密的配對為基礎(chǔ)的。返回參與蛋白質(zhì)合成的蛋白質(zhì)因子蛋白質(zhì)的合成過程可分為起始、延伸和終止三個(gè)過程，每個(gè)過程都有許多蛋白質(zhì)因子參加。起始因子：蛋白質(zhì)合成的起始過程是形成核糖體mRNAtRNA三元復(fù)合物的過程，必須在蛋白因子的幫助
15、下進(jìn)行。與起始復(fù)合物形成有關(guān)的所有蛋白質(zhì)因子統(tǒng)稱為起始因子。延伸因子：蛋白質(zhì)合成的延伸過程包括aa-tRNA進(jìn)入核糖體、肽鏈形成和移位等過程。在真核細(xì)跑中這一過程需要EF-1和EF-2等延伸因子的作用。釋放因子：當(dāng)mRNA分子上密碼子閱讀進(jìn)入終止密碼（UAA, UAG, UGA）時(shí)，aa-tRNA不再與核糖體結(jié)合，此時(shí)釋放因子與終止密碼子結(jié)合，阻止mRNA的進(jìn)一步閱讀。返回13.3 蛋白質(zhì)合成步驟13.3 蛋白質(zhì)合成步驟肽鏈合成的起始肽鏈合成的延伸肽鏈合成的終止與釋放合成肽鏈的輸送與加工蛋白質(zhì)分子的折疊與分子伴侶抑制蛋白質(zhì)生物合成的抗生素返回肽鏈合成的起始決定甲硫氨酸和決定纈氨酸的密碼子就是起
16、始密碼子，即AUG和GUG。起始密碼的識別：核糖體小亞基上的16S rRNA和mRNA的SD序列（位于起始位點(diǎn)上游413個(gè)富含嘌呤堿基的核苷酸）結(jié)合。N-甲酰甲硫氨酸-tRNA的活化形成起始復(fù)合物（E.coli）。fmet- tRNA、mRNA、30S亞基三者結(jié)合時(shí)還需要三種蛋白質(zhì)因子(IF1、IF2、IF3）和提供能量的GTP參與。一旦70S核糖體-mRNA-fmet-tRNA復(fù)合體形成，則fmet-tRNA 占據(jù)P位，空出A位準(zhǔn)備接受一個(gè)氨酰tRNA ，起始即告完成。肽鏈合成的起始返回肽鏈合成的延伸結(jié)合（或稱進(jìn)位）對應(yīng)于mRNA上第二個(gè)密碼子的氨基酰-tRNA（aa-tRNA）進(jìn)入A位與核
17、糖體結(jié)合，這是一個(gè)需能的反應(yīng)，GTP是直接能源。轉(zhuǎn)肽結(jié)合過程一旦完成立即進(jìn)行轉(zhuǎn)肽。通過肽基轉(zhuǎn)移酶的催化使P位上的fmet- tRNA（肽基tRNA）轉(zhuǎn)到A位上的aa-tRNA的游離氨基上，形成肽鍵，并釋放出原來在P位上的tRNA。這個(gè)反應(yīng)不需能量。肽基轉(zhuǎn)移酶是50S核糖體亞基上的一個(gè)蛋白質(zhì)組分。移位核糖體從mRNA的5向3方向移動一個(gè)三聯(lián)體的距離，于是攜帶著肽基的tRNA連同mRNA從核糖體的A位移到P位：這個(gè)過程稱為移位，由移位酶（或稱G因子）催化，并須有供能的GTP參與。返回識別mRNA的終止密碼子，水解所合成肽鏈與tRNA間的酯鍵，釋放肽鏈R1識別UAA、UAGR2識別UAA、UGAR3
18、影響肽鏈的釋放速度肽鏈合成的終止與釋放返回合成肽鏈的輸送與加工合成肽鏈的輸送：多肽輸送信號由新合成多肽N端的信號肽所控制，而真核細(xì)胞中，識別信號肽的機(jī)構(gòu)是一個(gè)稱為信號識別體的核蛋白體（SRP）來完成。它具有識別信號肽，并與核糖體相結(jié)合暫停新生肽延伸的功能。一旦剛合成的多肽找到安全去向（越膜）后，SRP就脫離核糖體，暫停的肽鏈就可以繼續(xù)完成合成過程。合成肽鏈的輸送與加工合成肽鏈的加工：許多剛合成好的多肽，并不是最終產(chǎn)物，須經(jīng)一系列加工過程，才能成為有功能的蛋白多肽。2、切除新生肽中不必需的肽段5、泛素化作用與不正常多肽的處理4、多肽中氨基酸側(cè)鏈的修飾 3、蛋白質(zhì)中二硫鍵的形成1、新生多肽N端氨基
19、酸的除去(Met或fMet） 6、蛋白質(zhì)分子的剪接加工返回切除新生肽中不必要的肽段有的蛋白質(zhì)，如循環(huán)系統(tǒng)的蛋白酶或一些功能蛋白等，其剛合成好的多肽，除切去信號肽外，還需切去過長的末端肽段或內(nèi)部的連接肽等，才能成熟為有功能的蛋白質(zhì)或酶蛋白。如：蛋白酶，胰島素等返回蛋白質(zhì)中二硫鍵的形成在遺傳密碼中，人們尚未找到過胱氨酸的密碼子，而不少蛋白質(zhì)或酶卻會有一個(gè)或若干個(gè)胱氨酸二硫鍵，這對形成特定的蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)十分必需。經(jīng)研究分析，這是在蛋白質(zhì)合成后，其空間位置相鄰的兩個(gè)一組半胱氨酸殘基被氧化而生成二硫鍵。返回多肽中氨基酸側(cè)鏈的修飾許多蛋白質(zhì)中氨基酸殘基的側(cè)鏈基因需經(jīng)進(jìn)一步共價(jià)修飾，才能成熟為功能蛋白。如
20、羥基化、乙?；?、甲基化、磷酸化、糖基化等。返回泛素化作用與不正常多肽的處理泛素：由序列高度保守的76個(gè)氨基酸組成。其功能之一是可以協(xié)助機(jī)體，把細(xì)胞中合成的不正常蛋白或已發(fā)生變質(zhì)的缺陷蛋白多肽識別和檢出，并將它送往處理場所進(jìn)行降解。這種處理是通過將不正常多肽進(jìn)行泛素化作用而實(shí)現(xiàn)的。 返回蛋白質(zhì)分子的剪接加工蛋白質(zhì)剪接這一過程包括兩個(gè)肽鍵斷裂以切除1個(gè)肽段，再通過形成新的肽鍵將兩個(gè)肽段連接完整的多肽鏈。上述過程是自發(fā)進(jìn)行的自我剪接，不依賴于酶。被切除的片段往往位于折疊蛋白分子的表面。 蛋白質(zhì)剪接的發(fā)現(xiàn)具有重要意義，它使人們對中心法則有了更新的了解，即成熟的蛋白序列不一定和成熟的mRNA序列共線性。
21、 返回蛋白質(zhì)分子的折疊與分子伴侶Lasky于1978年首先提出分子伴侶（mulecular chaperone）的概念，這是一類在細(xì)胞內(nèi)能幫助新生肽鏈正確折疊與裝配組裝成為成熟蛋白質(zhì)，但其本身并不構(gòu)成被介導(dǎo)的蛋白質(zhì)組成部分的一類蛋白因子，在原核生物和真核生物中廣泛存在。返回抑制蛋白質(zhì)生物合成的抗生素有很多抗生素和毒素可以抑制原核或真核生物的蛋白合成，它們的抑制機(jī)理各不相同。例如抗生素嘌呤霉素（puromycin）的結(jié)構(gòu)非常類似于氨酰-tRNA的3末端的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)入核糖體的A位。肽酰轉(zhuǎn)移酶催化新生成的多肽轉(zhuǎn)移至嘌呤霉素的游離的氨基上（下圖）。由于肽酰嘌呤霉素在A位處的結(jié)合弱，很快就從核糖體上解
22、離，因此就可終止蛋白質(zhì)的合成。抑制蛋白質(zhì)生物合成的抗生素抑制蛋白質(zhì)生物合成的抗生素四環(huán)素（Tetracycline）和氯霉素（Chliramphenicol）是兩個(gè)能特異抑制細(xì)菌翻譯的抗生素。四環(huán)素可以和原核生物核糖體的30S亞基結(jié)合，阻止氨酰-tRNA進(jìn)入A位。氯霉素可以與核糖體的50S亞基相互作用，抑制肽酰轉(zhuǎn)移酶。抑制蛋白質(zhì)生物合成的抗生素鏈霉素、卡那霉素、新霉素等，主要抑制革蘭氏陰性細(xì)菌蛋白質(zhì)合成的三個(gè)階段：抑制起始復(fù)合物的形成，使氨基酰tRNA從復(fù)合物中脫落；在肽鏈延伸階段，使氨基酰tRNA與mRNA錯(cuò)配；在終止階段，阻礙終止因了與核蛋白體結(jié)合，使已合成的多肽鏈無法釋放，而且還抑制70S核糖體的介離。 抑制蛋白質(zhì)生物合成的抗生素由白喉?xiàng)U菌所產(chǎn)生的白喉霉素（Diphtheria toxin）是真核細(xì)胞蛋白質(zhì)合成抑制劑。它對真核生物的延長因子-2（EF-2）起共價(jià)修飾作用，從而使EF-2失活，它的催化效率很高，只需微量就能有效地抑制細(xì)胞整個(gè)蛋白質(zhì)合成，而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因而白喉毒素是已知的最有潛力的毒素。蓖麻毒蛋白（Ricin）是從蓖麻中分離出來的，其作用模式是通過切斷N苷鍵除去腺嘌呤堿基使真核生物的28S rRNA失活，導(dǎo)致翻譯終止。返回
生物化學(xué)：第十三章 蛋白質(zhì)的生物合成
