1、第四章 生物信息的传递（下）从mRNA到蛋白质,第一节、遗传密码 第二节、tRNA 第三节、核糖体 第四节、蛋白质合成的生物学机制 第五节、蛋白质运转机制,蛋白质的生物合成步骤,翻译的起始 核糖体与mRNA结合并与氨酰-tRNA生成起始复合物。 肽链的延伸 由于核糖体沿mRNA5端向3端移动，开始了从N端向C端的多肽合成，这是蛋白质合成过程中速度最快的阶段。 肽链的终止及释放 核糖体从mRNA上解离，准备新一轮合成反应。,蛋白质的生物合成步骤,核糖体是蛋白质合成的场所。 mRNA是蛋白质合成的模板。 转移RNA(transfer RNA，tRNA)是模板与氨基酸之间的接合体。 在合成的各个阶段
2、有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与。参与蛋白质合成的各种组分约占细胞干重的35%。在真核生物中有将近300种生物大分子与蛋白质的生物合成有关。 蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化合物的参与。细胞用来进行合成代谢的总能量的90%消耗在蛋白质合成过程中。,蛋白质生物合成体系,41 遗传密码三联子,遗传密码：mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸称为密码，也叫三联子密码。,41 遗传密码三联子,411 三联子密码及其破译,首先从数学的角度来考虑：以一种核苷酸代表一种氨基酸则蛋白质中只能有4种氨基酸，不行。 以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码(二联子)，它们能代表的
3、氨基酸只有4216种，不足20种，也不行。 以3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有4364种密码，可以满足编码20种氨基酸的需要。,在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全部氨基酸序列。 若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样，后续密码子序列就不会变化，翻译得到的蛋白质序列就保持不变(除了发生突变的那个密码子所代表的氨基酸之外)。 如果同时删去3个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序列不发生变化。,4.1.1 三联子密码及其破译,4.1.1 三联子密码及其破译,对烟草坏死卫星病毒的研究发现。其外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，而相应的RNA片段长约1200个核
4、苷酸，与假设的密码三联子体系正好相吻合。 在20世纪60年代，由于体外蛋白质合成体系的建立和核酸人工合成技术的发展，科学家花了几年时间破译了遗传密码，即确定了代表每种氨基酸的具体密码。,4.1.1 三联子密码及其破译,4.1.1 三联子密码及其破译,3、核糖体结合技术破译遗传密码,2、从遗传学的角度证实三联子密码的构想,1、首先从数学的角度来考虑密码中的核苷酸数,412 遗传密码的性质,1、密码的连续性mRNA的读码方向从53，两个密码子之间无任何核苷酸隔开。mRNA链上碱基的插入、缺失和重叠，均造成框移突变。,412 遗传密码的性质,2、密码的简并性（degeneracy）按照1个密码子由3
5、个核苷酸组成的原则，4种核苷酸可组成64个密码子，现在已经知道其中61个是编码氨基酸的密码子，另外3个即UAA、UGA和UAG不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与tRNA的反密码子配对，能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。,遗传密码表,4.1.2 遗传密码的性质,密码子有61种而氨基酸只有20种。所以除色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。 由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子。 AUG和GUG既是met和val的密码子又是起始密码子。,4.1.2 遗传密码的性质,同义密码
6、子第一、二第位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变不一定影响所编码的氨基酸。 一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。精氨酸是个例外，因为在真核生物中CG双联子出现的频率较低，所以尽管有6个同义密码子，蛋白质中精氨酸的出现频率仍然不高。 对同义密码的理解有助于PCR引物设计。,4.1.2 遗传密码的性质,412 遗传密码的性质,3、 密码的普遍性与特殊性,蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。但已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体.,3、 密码的普遍性与特殊性,4.1.2 遗传密码的性质,412 遗传密码的性质,4、密码的摆动性
7、mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子配对辨认时，大多数情况遵守碱基配对规律，但也可出现不严格配对，尤其是密码子的第3位碱基与反密码子的第1位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种现象称为摆动配对。例如mRNA密码子第3位碱基A(或C、U)可与tRNA反密码子第1位碱基I配对。,4、密码的摆动性,412 遗传密码的性质,在蛋白质生物合成过程中，tRNA的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与mRNA上的密码子相互作用的。,5、密码子与反密码子的相互作用,5、密码子与反密码子的相互作用,5、密码子与反密码子的相互作用,4.1.2 遗传密码的性质,5、密码子与反密码子的相互作用,4.1.2 遗传
8、密码的性质,5、密码子与反密码子的相互作用,在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动“，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。一个tRNA究竟能识别多少个密码子是由反密码子的第一位碱基的性质决定的，反密码子第一位为A或C时只能识别1种密码子，为G或U时可以识别2种密码子，为I时可识别3种密码子。,5、密码子与反密码子的相互作用,4.1.2 遗传密码的性质,如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的tRNA。第一、二位碱基相同的密码子，则共用一种tRNA。 原核生物中有3045种tRNA。 真核细
9、胞中存在50种左右tRNA。,4.1.2 遗传密码的性质,5、密码子与反密码子的相互作用,42 tRNA,42 tRNA,42 tRNA,tRNA在蛋白质合成中为每个三联密码子翻译成氨基酸提供接合体，为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体，它又被称为第二遗传密码。各种tRNA在结构上存在大量的共性。由于小片段碱基互补配对，形成三叶草形的二级结构。三叶草形tRNA分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手臂。,受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；3端有未配对的34个碱基；3端的CCA，最后一个碱基2烃基可被氨酰化。 TC臂：其中表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸
10、。 反密码子臂：位于套索中央有三联反密码子。 D臂：含有二氢尿嘧啶。,42 tRNA,tRNA的结构,最常见tRNA有76个碱基。所有tRNA含7495个核苷酸。tRNA长度的不同主要是由其中的两条手臂引起。在D臂中存在多至3个可变核苷酸位点。 tRNA分子中最大的变化发生多余臂上。只含有一条仅为35个核苷酸的多余臂的tRNA占所有tRNA的75%; 其余是有较大多余臂的tRNA ，包括杆状结构上的5个核苷酸和套索结构上的311个核苷酸。,42 tRNA,tRNA富含稀有碱基（约70余种）。每个tRNA分子至少含有2个稀有碱基，最多有19个，在反密码子3端邻近部位出现的频率最高，这对于维持反密
11、码子环的稳定性及密码子、反密码子之间的配对是很重要的。 当tRNA与核糖体的P位点和A位点结合时，tRNA分子三叶草形顶端突起部位通过反密码子和密码子的配对与mRNA相结合，其3末端恰好将所运转的氨基酸送到正在延伸的多肽上。,42 tRNA,42 tRNA,tRNA的三级结构，都呈L形折叠式，而这种结构是靠二级结构中未配对碱基间所形成的氢键来维持的。tRNA的三级结构与氨酰-tRNA合成酶对tRNA的识别有关。,tRNA的L形三级结构,受体臂和TC臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，D臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。TC臂和D臂的套索状结构位于“L“的转折点。所以，受体臂顶端的碱基位于
12、“L“的一个端点，反密码子臂的套索状结构生成了“L“的另一个端点。,42 tRNA,tRNA的L形三级结构,42 tRNA,tRNA的L形三级结构,tRNA高级结构上的特点是研究其生物学功能的重要线索：tRNA上所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的多肽合成位点，而反密码子必须与小亚基上的mRNA相配对，所以分子中两个不同的功能基团是最大限度分离的。这个结构形式满足了蛋白质合成过程中对tRNA的各种要求而成为tRNA的通式，研究证实tRNA的性质是由反密码子而不是它所携带的氨基酸所决定的。,42 tRNA,42 tRNA,转录：DNARNA；结构上相似；碱基配对；一对一。 翻译：mRNA
13、蛋白质；结构极不相同；复杂。信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联密码子形式存在的，tRNA的解码机制完成翻译。,tRNA的功能,氨基酸在合成蛋白质之前先通过AAtRNA合成酶活化，在消耗ATP的情况下结合到tRNA上，生成有蛋白质合成活性的AA-tRNA，由AAtRNA上的反密码子与mRNA上的密码子相互识别并配对，将AA带到mRNA-核糖体复合物上，插入到正在合成的多肽链的适当位置上。,42 tRNA,将 14C-Cys-tRNACys，经Ni催化生成14C-Ala-tRNACys，再把14C-Ala-tRNACys加进含血红蛋白mRNA的兔网织细胞核糖体的蛋白质合成系统中，结果发现14C-A
14、la-tRNACys插入了血红蛋白分子通常由半胱氨酸占据的位置上，这表明在这里起识别作用的是tRNA而不是氨基酸。,42 tRNA,有一类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。 原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸(fMet)，原核生物中Met-tRNAfMet必须首先甲酰化生成fMet一tRNAfMet才能参与蛋白质的生物合成。 真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸(Met)。,1起始tRNA和延伸tRNA,42 tRNA,tRNA的种类,42 tRNA,一种氨基酸可能有多个密码子，代表一种氨基酸的多个tRNA以不同的反密码子为特征，从而可
15、以识别mRNA上代表一种氨基酸的多个密码子。几个代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。,2同工tRNA,tRNA的种类,在一个同工tRNA组内，所有tRNA均专一于相同的氨酰-tRNA合成酶，即在一个同工tRNA组内tRNA只专一地结合一种氨基酸。 同工tRNA既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同性，能被相同的AAtRNA合成酶识别。同工tRNA组内具备了区分其他tRNA组的特异构造，保证合成酶准确无误进行选择。tRNA的二级和三级结构对它的专一性起了重要作用。,42 tRNA,2同工tRNA,42 tRNA,1、 无义突变的校正tRNA：在蛋白质的结构
16、基因中，一个核苷酸的改变使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子(UAG、UGA、UAA)，使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变称为无义突变。无义突变的校正tRNA可通过改变其反密码子区校正无义突变而依然合成原氨基酸。,3校正tRNA,42 tRNA,1、无义突变的校正tRNA,42 tRNA,错义突变是由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码。错义突变的校正tRNA通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽链上，合成正常的蛋白质。,2、错义突变的校正tRNA,如某大肠杆菌细胞色氨酸合成酶中的一个甘氨酸密码子GGA错义突变成AGA(编码精氨酸)，
17、指导合成错误的多肽链。甘氨酸校正tRNA的校正基因突变使其反密码子从CCU变成UCU，它仍然是甘氨酸的反密码子但不结合GGA而能与突变后的AGA密码子相结合，把正确的氨基酸(甘氨酸)放到AGA所对应的位置上。,42 tRNA,42 tRNA,氨酰-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶。其反应包括两步: 第一步是氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。AA+ATP+酶(E) EAAAMP+PPi 第二步是氨酰基转移到tRNA3末端腺苷残基的2或3羟基上。EAAAMP+tRNAAAtRNA+E+AMP,氨酰-tRNA合成酶,蛋白质合成的真实性主要决定于tRNA能否把正确的氨基酸放到新
18、生多肽链的正确位置上，而这一步主要决定于AAtRNA合成酶是否使氨基酸与对应的tRNA相结合。 AA-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又要能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性。,42 tRNA,氨酰-tRNA合成酶,氨酰-tRNA合成酶,43 核糖体,核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大小两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的二倍。每个亚基都含有一个分子质量较大的rRNA和许多蛋白质分子。 原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。真核生物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。,43 核糖体,大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成；大亚基由36种蛋白质组成。真核
19、细胞核糖体大亚基含有49种蛋白质；小亚基有33种蛋白质。 核糖体分子可容纳两个tRNA和约40bp长的mRNA。,431 核糖体,4.3.1 核糖体的结构,4.3.1 核糖体的结构,4.3.2 核糖体RNA,1、5S rRNA 细菌5S rRNA含有120或116个核苷酸。5S rRNA有两个高度保守的区域，其中一个区域含有保守序列CGAAC，这是与tRNA分子TC环上的GTCG序列相互作用的部位，是5S rRNA与tRNA相互识别的序列。另一个区域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，与23S rRNA中的一段序列互补，这是5S rRNA与50S核糖体大亚基相互作用的位点，在结构上有其
20、重要性。,其长度在1475-1544个核苷酸之间，含有少量修饰碱基。该分子全部压缩在30S小亚基内。 16S rRNA的结构十分保守，其中3端一段ACCUCCUUA的保守序列，与mRNA5端翻译起始区富含嘌呤的序列互补。 在16S rRNA靠近3端处还有一段与23SrRNA互补的序列，在30S与50S亚基的结合中起作用。,4.3.2 核糖体RNA,2、16S rRNA,2、16S rRNA,4.3.2 核糖体RNA,2、16S rRNA-SD序列,4.3.2 核糖体RNA,23S rRNA包括2904个核苷酸，在大肠杆菌23S rRNA第19842001核苷酸之间，存在一段能与tRNAMet序
21、列互补的片段，表明核糖体大亚基23S rRNA与tRNAMet的结合有关。,3、23S rRNA,在23S rRNA靠近5端(143-157位核苷酸之间)有一段12个核苷酸的序列与5S rRNA上第72-83位核苷酸互补，表明在50S大亚基上这两种RNA之间可能存在相互作用。核糖体50S大亚基上约有20种蛋白质能不同程度地与23S rRNA相结合。,3、23S rRNA,4.3.2 核糖体RNA,4.3.2 核糖体RNA,4、5.8S rRNA 这是真核生物核糖体大亚基特有的rRNA，长度为160个核苷酸，含有修饰碱基。它还含有与原核生物5S rRNA中的保守序列CGAAC相同的序列，可能是与
22、tRNA作用的识别序列，这说明5.8S rRNA可能与原核生物的5S rRNA具有相似的功能。,5、18S rRNA 酵母18S rRNA由1789个核苷酸组成，它的3端与大肠杆菌16S rRNA有广泛的同源性。其中酵母18S rRNA、大肠杆菌16S rRNA和人线粒体12S rRNA在3端有50个核苷酸序列相同。 6、28S rRNA 长度约在38904500bp左右，目前还不清楚该rRNA的功能 。,4.3.2 核糖体RNA,433 核糖体的功能,核糖体包括5个以上活性中心，即mRNA结合部位、接受AA-tRNA部位(A位)、结合肽基tRNA的部位、肽基转移部位(P位)及形成肽键的部位(
23、转肽酶中心)。此外，还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。,一、核糖体的活性中心,核糖体小亚基负责对模板mRNA进行序列特异性识别，如起始部分的识别、密码子与反密码子的相互作用等，mRNA的结合位点也在小亚基上。 大亚基负责携带AA-tRNA、肽键的形成、AA-tRNA与肽链的结合、A位、P位、转肽酶中心等在大亚基上。,433 核糖体的功能,二、核糖体大小亚基的功能,433 核糖体的功能,A位点(aminoacyl site)氨酰-tRNA结合位点； P位点(Peptidyl site) 肽酰-tRNA结合位点； E位点 (exit site)去氨酰-tRNA结合位点。,三、核糖体的3个t
24、RNA结合位点,mRNA的结构,原核生物mRNA的结构,mRNA的结构,真核生物mRNA的结构,44 蛋白质合成的生物学机制,蛋白质的生物合成包括： 氨基酸活化； 肽链的起始、伸长； 肽链的终止及新合成多肽链的折叠和加工。,4.4.1 氨基酸的活化,1、Met+tRNAfMet+ATP Met-tRNAfMet+AMP+PPi,2、N10-甲酰四氢叶酸+Met-tRNAfMet 四氢叶酸+Met-tRNAfMet,氨基酸的活化由以下两步反应合成,4.4.1 氨基酸的活化,蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基、起始tRNA和几十个蛋白因子。在mRNA编码区5端形成核糖体-mRNA-起始tRNA复合
25、物并将甲硫氨酸放入核糖体P位点。 原核生物的起始tRNA是fMet-tRNAfMet，而真核生物是Met-tRNAMet。原核生物中30S小亚基首先与mRNA相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合。,在真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80SmRNAMet-tRNAMet起始复合物。起始复合物的生成需要GTP提供能量，需要Mg2、NH4及3个起始因子(IF-l、IF-2、IF-3)的参与。,4.4.1 氨基酸的活化,氨基酸是生物合成蛋白质的原料，氨基酸在氨酰-tRNA合成酶的作用下生成活化氨基
26、酸AA-tRNA才能被准确地运送到核糖体中，参与多肽链的起始或延伸。 存在20种以上具有氨基酸专一性的氨酰RNA合成酶，能够识别并通过氨基酸的竣基与tRNA3端腺苷酸核糖基上3OH缩水形成二酯键。同一氨酰-tRNA合成酶具有把相同氨基酸加到两个或更多个带有不同反密码子tRNA分子上的功能。,4.4.1 氨基酸的活化,tRNA与相应氨基酸的结合是蛋白质合成中的关键步骤，只有tRNA携带了正确的氨基酸，多肽合成的准确性才有保障。在细菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸；所以，与核糖体小亚基相结合的是N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet，可以与延伸中的Met-tRNAMet区分开。,4.4.1 氨基酸的活化
27、,真核生物中，多肽合成是从生成甲硫氨酰tRNAiMet开始的，体内存在两种tRNAMet。只有甲硫氨酰tRNAiMet能与40S小亚基相结合，起始肽链合成，普通tRNAMet携带的甲硫氨酸只能被掺入正在延伸的肽链中。,4.4.1 氨基酸的活化,4.4.1 氨基酸的活化,甲硫氨酰tRNAiMet,4.4.2 翻译的起始,细菌中翻译的起始需要如下7种成分:30S小亚基，模板mRNA，fMet-tRNAfMet，3个翻译起始因子(IF-l、IF-2和IF-3)，GTP，50S大亚基，Mg2。翻译起始又可被分成3步。,第一步，30S小亚基与翻译起始因子IF-l，IF-3的作用下通过mRNA 的SD序列
28、与之相结合。 第二步，在IF-2和GTP的帮助下，fMet-tRNAfMet进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。 第三步，带有tRNA、mRNA及3个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合；然后，释放翻译起始因子。,4.4.2 翻译的起始,4.4.2 翻译的起始,4.4.2 翻译的起始,30S亚基具有专一性的识别和选择mRNA起始位点的性质，而IF-3能协助该亚基完成这种选择。30S亚基通过其16S rRNA的3端与mRNA5端起始密码子上游碱基配对结合。所有原核生物mRNA上都有一个5-AGGAGGU-3序列，这个富嘌呤区与30S亚基上16S rRNA3
29、端的富嘧啶区序列5-GAUCACCUCCUUA-3相互补。,4.4.2 翻译的起始,各种mRNA的核糖体结合位点中能与16S rRNA配对的核苷酸数目及这些核苷酸到起始密码子之间的距离是不一样的，这反映了起始信号的不均一性。互补的核苷酸越多，30S亚基与mRNA起始位点结合的效率也越高。互补的核苷酸与AUG之间的距离也会影响mRNA-核糖体复合物的形成及其稳定性。,4.4.2 翻译的起始,细菌核糖体上一般存在3个与氨酰tRNA结合的位点，即A位点(aminoacyl site)，P位点(Peptidyl site)和E位点(exit site)。只有fMet-tRNAfMet能与第一个P位点相
30、结合，其他所有tRNA都必须通过A位点到达P位点，再由E位点离开核糖体。 IF-2对于30S起始复合物与50S亚基的连接是必需的，IF-l在70S起始复合物生成后促进IF-2的释放，从而完成蛋白质合成的起始过程。,4.4.2 翻译的起始,翻译的起始,famation of 70s initiation complex,真核生物翻译的起始机制与原核生物基本相同，其差异是核糖体较大、起始因子较多、mRNA有m7GpppNp帽子、Met-tRNAMet不甲酰化，mRNA5端的帽子和3端的多聚A都参与形成翻译起始复合物。 首先，甲硫氨酰tRNAiMet与40S小亚基相结合；接着核糖体上专一位点识别mR
31、NA的帽子，使mRNA与核糖体结合，帽子在mRNA与40S亚基结合过程中起稳定作用。带帽子的mRNA5端与18S rRNA的3端序列之间存在碱基配对型相互作用。,4.4.2 翻译的起始,翻译的起始,除了识别帽子结构以外，40S小亚基还能识别mRNA上的起始密码子AUG。40S小亚基先结合在mRNA5端的任何序列上，然后沿mRNA移动直至遇到AUG发生较为稳定的相互作用，最后与60S亚基一道生成80S起始复合物。40S小亚基之所以能在AUG处停下，是由于Met-tRNAiMet的反密码子与AUG配对的结果。,4.4.2 翻译的起始,443 肽链的延伸,起始复合物形成以后，第二个AA-tRNA在延
32、伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNAEF-TuGTP复合物，然后结合到核糖体的A位上。,1、后续AA-tRNA与核糖体结合,443 肽链的延伸,443 肽链的延伸,模板上的密码子决定了哪种AA-tRNA能被结合到A位上。由于EF-Tu不能与fMettRNA起反应，所以起始tRNA不会被结合到A位上，这就是mRNA内部的AUG不会被起始tRNA读出，肽链中间不会出现fMet的原因。,443 肽链的延伸,443 肽链的延伸,经过上一步反应后，在核糖体mRNAAAtRNA复合物中，AA-tRNA占据A位，fMet-tRNA fMet占据P位。在肽基转移酶的催化下，A位上的AA-tRN
33、A转移到P位，与fMet-tRNA fMet上的氨基酸生成肽键。A位点腾空准备接受新的AA-tRNA，进行下一轮合成反应。起始tRNA则离开了核糖体P位点。,2、肽键的生成,肽键延伸过程中最后一步，核糖体向mRNA3端方向移动一个密码子。此时，仍与第二个密码子相结合的二肽基tRNA，从A位进入P位，去氨酰-tRNA被挤入E位，mRNA上的第三位密码子则对应于A位。,443 肽链的延伸,3移位,443 肽链的延伸,3 移位,444 肽链的终止,肽链在延伸过程中，当终止密码子出现在核糖体的A位时，没有相应的AA-tRNA能与之结合，而释放因子能识别终止密码子并与之结合，水解P位上多肽链与tRNA之
34、间的酯键。新生的肽链和tRNA从核糖体上释放，核糖体解体，蛋白质合成结束。释放因子RF催化GTP水解促使肽链与核糖体解离。,细菌细胞内存在3种不同的终止因子(或称释放因子): RFl、RF2、RF3。RFl能识别UAG和UAA，RF2识别UGA和UAA。一旦RF与终止密码相结合，它们就能诱导肽基转移酶把一个水分子加到延伸中的肽链上，使肽和tRNA的酯键形成各自的COOH和OH。RF3与核糖体的解体有关。 真核细胞只有一个(RF)终止因子。,444 肽链的终止,444 肽链的终止,4.4.5 蛋白质前体的加工,新生多肽链的加工修饰 1N端fMet或Met的切除：细菌蛋白质N端的甲酰基能被脱甲酰化
35、酶水解，原核生物和真核生物N端的甲硫氨酸在多肽链合成完毕之前被切除。 2二硫键的形成 二硫键是蛋白质合成后通过两个半胱氨酸的氧化作用生成的。,4.4.5 蛋白质前体的加工,3特定氨基酸的修饰 氨基酸侧链的修饰包括磷酸化(如核糖体蛋白质)、糖基化(如各种糖蛋白)、甲基化(如组蛋白、肌肉蛋白质)、乙基化(如组蛋白)、羟基化(如胶原蛋白)和竣基化等。糖蛋白是通过蛋白质中天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基侧链上加上糖基形成的，胶原蛋白上的脯氨酸和赖氨酸为羟基化的。内质网是蛋白质N-糖基化的主要场所。,新生多肽链的加工修饰,4.4.5 蛋白质前体的加工,生物体内最常见的被修饰的氨基酸及其修饰产物,4.4.5
36、蛋白质前体的加工,新合成得到前胰岛素原，切去信号肽变成胰岛素原，再切去C-肽变成有活性的胰岛素。 不少多肽类激素和酶的前体也要经过加工才能变为活性分子。 蜂毒素能溶解动物细胞，也能溶解蜜蜂自身的细胞，在细胞内合成没有活性的前毒素，分泌进入刺吸器后，N端的22个氨基酸残基被蛋白酶水解生成毒素。,4、切除新生链中非功能片段,4.4.5 蛋白质前体的加工,4.4.5 蛋白质前体的加工,4.4.6 蛋白质生物合成抑制剂,主要是抗生素、核糖体灭活蛋白等。是治疗细菌感染的重要药物。 抗菌素对蛋白质合成的作用：1、阻止mRNA与核糖体结合；2、阻止AA-tRNA与核糖体结合；3、干扰AA-tRNA与核糖体结
37、合而产生错读；4、作为竞争性抑制剂抑制蛋白质合成。如链霉素能干扰fMet-tRNA与核糖体的结合，而阻止蛋白质合成的正确起始，也会导致mRNA的错读。,青霉素、四环素和红霉素只与原核细胞核糖体发生作用，从而阻遏原核生物蛋白质的合成，抑制细菌生长。被广泛用于人类医学。 氯霉素和嘌呤霉素既能与原核细胞核糖体结合，又能与真核生物核糖体结合，妨碍细胞内蛋白质合成，影响细胞生长。氯霉素有时也用于治病，但剂量和周期受到较严控制。,4.4.6 蛋白质生物合成抑制剂,45 蛋白质运转机制,翻译运转同步机制：蛋白质的合成和运转同时发生；如分泌蛋白质、膜蛋白等。 翻译后运转机制：蛋白质从核糖体上释放后才发生运转。
38、如细胞器蛋白、膜蛋白等。,蛋白质运转机制的类型,信号肽：蛋白质定位的信息存在于该蛋白质自身结构中，并且通过与膜上特殊受体的相互作用得以表达。信号肽紧接在起始密码之后，大部分是疏水氨基酸。信号肽的长度在1336个残基。 信号肽的特点：1、1015个疏水氨基酸；2、N端有带正电荷的氨基酸；3、C端接近切割点处有数个极性氨基酸；4、C端氨基酸侧链短。,4.5.1 翻译-运转同步机制,4.5.1 翻译-运转同步机制,分泌蛋白的生物合成开始于核糖体，翻译到大约50个氨基酸残基，信号肽开始从核糖体的大亚基露出，被内质网膜上的受体识别并与之结合。信号肽过膜后被内质网腔的信号肽酶水解，新生肽随之通过蛋白孔道穿
39、越疏水的双层磷脂。当核糖体移到mRNA的“终止”密码子，蛋白质合成即告完成，翻译体系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖体重新处于自由状态。,4.5.1 翻译-运转同步机制,4.5.2 翻译后运转机制,叶绿体和线粒体中有许多蛋白质和酶是由细胞质提供的，其中绝大多数以翻译后运转机制进入细胞器内。,4.5.2.1 线粒体蛋白质跨膜运转,线粒体蛋白质跨膜运转特征: 1、通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以前体形式存在，它由成熟蛋白质和位于N端的一段前导肽(leader peptide)共同组成,前导肽约含2080个氨基酸残基，当前体蛋白过膜时，前导肽被多肽酶所水解，释放成熟蛋白质。,4.5.2.1 线粒
40、体蛋白质跨膜运转,2、蛋白质通过线粒体膜运转时，首先由外膜上的Tom受体复合蛋白识别与分子伴侣相结合的待运转多肽，通过Tom和Tim组成的膜通道进入线粒体内腔。蛋白质跨膜运转时的能量来自线粒体Hsp70引发的ATP水解和膜电位差。,4.5.2.1 线粒体蛋白质跨膜运转,4.5.2.2 前导肽的作用与性质,拥有前导肽的线粒体蛋白质前体能够跨膜运转进入线粒体，在这一过程中前导肽被水解，前体转变为成熟蛋白，则失去继续跨膜能力。因此，前导肽对线粒体蛋白质的识别和跨膜运转起着关键作用。,前导肽具有如下特性:带正电荷的碱性氨基酸(特别是精氨酸)含量较为丰富，它们分散于不带电荷的氨基酸序列之间;缺少带负电荷
41、的酸性氨基酸；羟基氨基酸(特别是丝氨酸)含量较高;有形成两亲(既有亲水又有疏水部分)-螺旋结构的能力。,4.5.2.2 前导肽的作用与性质,4.5.3 核定位蛋白的运转机制,蛋白质一般通过核孔进入细胞核。核糖体蛋白首先在细胞质中合成，运转到细胞核内，在核仁中被装配成40S和60S核糖体亚基，然后运转回到细胞质中去合成蛋白质。RNA、DNA聚合酶、组蛋白、拓扑异构酶及大量转录、复制调控因子都必须从细胞质进入细胞核才能正常发挥功能。,在多细胞真核生物中，每当细胞发生分裂时，核膜被破坏，等到细胞分裂完成后，核膜被重新建成，分散在细胞内的核蛋白必须被重新运入核内，因此，为了核蛋白的重复定位，这些蛋白质
42、中的信号肽被称为核定位序列(nuclear localization sequence, NLS)一般都不被切除。NLS可以位于核蛋白的任何部位。,4.5.3 核定位蛋白的运转机制,蛋白质向核内运输的过程,蛋白质向核内运输过程需要核运转因子、和一个GTP酶(Ran)。和组成的异源二聚体是核定位蛋白的可溶性受体，与核定位序列相结合的是亚基。由上述3个蛋白组成的复合物停靠在核孔处，依靠Ran GTP酶水解GTP提供的能量进入细胞核，和亚基解离，核蛋白与亚基解离，和分别通过核孔复合体回到细胞质中，起始新一轮蛋白质运转。,蛋白质向核内运输的过程,mRNA定位到特定位置的三种机理。（）除了特定位置外其他
43、地点的mRNA都发生降解；（）在特定位置捕捉mRNA ；（） mRNA向特定位置的主动转运,通过mRNA定位确定合成蛋白的位点,通过mRNA定位确定合成蛋白的位点,mRNA定位调控实例。-肌动蛋白被特异性的转运到成纤维细胞的移动头中。在到达移动头前ZBP1 防止发生翻译。Src蛋白在-肌动蛋白mRNA到达移动头后将ZBP1移走。通过这样的动作将-肌动蛋白集中到最需要的地方,4.5.4 蛋白质的降解,生物体内蛋白质的降解过程是一个有序的过程。在大肠杆菌中，蛋白质的降解是通过一个依赖于ATP的蛋白酶(称为Lon)来实现的。当细胞中出现错误的蛋白质或半衰期很短的蛋白质时，该酶就被激活。Lon蛋白酶每切除一个肽键要消耗两个分子的ATP。,一、原核生物蛋白质的降解,4.5.4 蛋白质的降解,真核生物中，蛋白质的降解依赖于泛素(ubiquitin)，该蛋白只有76个氨基酸残基，序列高度保守(从酵母和人细胞中提取的泛素几乎完全相同)，生物细胞内即将被降解的蛋白首先在ATP的作用下与泛素相连，这个过程需有E1、E2、E3三个降解因子参与。一旦被降解蛋白与泛素相连接，这个复合体就能被运送到相对分子质量高达1x106的蛋白降解体系中直到完全降解。,二、真核生物蛋白质的降解,依赖于泛素的蛋白降解过程,谢谢,
