06 第六章 蛋白质的生物合成.ppt

第1页：第六章 蛋白质的生物合成 概述

第六章蛋白质的生物合成

蛋白质生物合成又称翻译（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白质中的氨基酸序列。

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第3页：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。

第4页：第一节遗传密码

第一节遗传密码

• 一、遗传密码
• 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途径。mRNA上由三个碱基代表一种氨基酸，称为密码子（codon）。
• 生物体内存在多个密码子代表一种氨基酸的情况。

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1954年

物理学家George Gamov根据在DNA中存在四种核苷酸，在蛋白质中存在二十种氨基酸的对应关系，提出三个核苷酸为一个氨基酸编码是最理想的。因为在有四种核苷酸的条件下，64（43=64）是能满足为20种氨基酸编码的最小数，这也符合生物体在亿万年进化过程中形成的和遵循的经济原则。

第6页：密码子的破译

密码子的破译

是分子生物学发展史上的一件大事。主要运用了两项技术，一项是1961年由Nirenberg等报道的人工合成多聚核苷酸体外翻译技术；另一项是1964年Nirenberg和Leder发明的核糖体结合技术。

第7页：破译密码的实验研究

破译密码的实验研究

先后由三个实验室逐步发展了四种破译方法，于1965年完成。

第8页：2)混合共聚物(mixed copolyme

2)混合共聚物(mixed copolymers)实验

对密码子中碱基组成的测定1963年，Speyer和Ochoa等发展了用两个碱基的共聚物破译密码的方法。例如以A和C原料，合成polyAC。但这个方法不能确定碱基的排列方式，而只能显示密码子中碱基组成及组成比例。另外，通过反复改变共聚物成份比例的方法亦十分麻烦和费时。

第9页：3) aa-tRNA

3) aa-tRNA

与确定的三核苷酸序列(密码子)结合（核糖体结合技术）Nirenberg和Leder于1964年建立了破译密码子的新方法，即tRNA与确定密码子结合实验。即是在缺乏蛋白质合成所需的因子的条件下，特异氨基酸-tRNA(aa-tRNA)也能与核糖体-mRNA复合物结合。最重要的是这种结合并不一定需要长的mRNA分子。但有一些三核苷酸序列与核糖体结合并不象UUU或GUU等那样有效。

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第11页：4)用重复共聚物(repeating cop

4)用重复共聚物(repeating cop

olymers)破译密码Jones，和Khorana等人应用有机化学和酶学技术，制备了已知的核苷酸重复序列。蛋白质在核糖体上的合成可以在这些有规律的共聚物的任一点开始，并把特异的氨基酸参入肽链。例如，重复序列CUCUCUCUCU......是多肽Leu-Ser-Leu-Ser......或者是多肽Ser-Leu-Ser......的信使分子。

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第13页：遗传密码的简并性

除甲硫氨酸和色氨酸外

其他的氨基酸均有两种以上的密码子。多种密码子编码一种氨基酸的现象称为简并（degeneracy），代表同一种氨基酸的密码子称为同义密码子（synonyms）。

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第15页：一种氨基酸的几个密码子

一种氨基酸的几个密码子

的差异通常在第三个碱基，说明了密码子的第三个碱基具有一定的灵活性。

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第18页：线粒体的遗传密码子存在较多的例外情况

线粒体的遗传密码子存在较多的例外情况

其中最常见的一种变化是UGA由终止密码子变为色氨酸的密码子，这可能是进化上最早期的变化。

第19页：二、密码子和反密码子的相互作用

二、密码子和反密码子的相互作用

• 密码子决定氨基酸是通过mRNA与tRNA相互作用实现的，这种作用实质上是碱基间的配对。
• 密码子与反密码子（anticodon）间的正确识别是遗传信息正确传递的保证。

第20页：一般来说，生物体内tRNA的种类要少于

一般来说，生物体内tRNA的种类要少于

编码氨基酸的密码子。密码子的前两位碱基在和反密码子配对时遵循Watson-Crick原则，而第三位碱基则有一定的灵活性，这就是摆动假说（wobble hypothesis）。

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第22页：在不同生物体内，存在多种方式

在不同生物体内，存在多种方式

使少数的tRNA识别61种编码氨基酸的密码子，不同的生物所采用的途径也不同。

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第24页：第二套密码系统的概念和特征

第二套密码系统的概念和特征

1988年，Christian deDuve在Hou和Schimmel等人的研究基础上，提出了第二套密码系统的概念或学说。该学说认为: tRNA氨基酸接受柄有一辅密码区(paracodon region)，可以被氨基酰tRNA合成酶(aaRS)识别，并决定tRNA的负载特异性。他认为第二套密码系统蕴含于aaRS结构中。

第25页：与经典密码系统不同

与经典密码系统不同

辅密码子密码系统或第二套密码系统是非简并性的(non-degenerate)。可能只有20种aaRS，每种aaRS能够识别特异于某种氨基酸的所有tRNA，这种识别与该种特异tRNA的不同特征有关。第二套密码系统比经典的密码系统对氨基酸更具有决定性，这与辅密码子和相应的氨基酸间的立体化学相互反应有关。

第26页：Christian deDuve认

Christian deDuve认

为，第二套密码系统仅仅是辅密码子与aaRS-aa-AMP或aa-aaRS复合物的一个简单反应，而tRNA则起着删除错误氨基酰的作用。

第27页：第二套密码系统比经典的密码系统更原始

第二套密码系统比经典的密码系统更原始

一些作者猜测tRNA起源于携带氨苷酰的寡核苷酸，其原始形式能与氨基酸直接反应。

第28页：第二节tRNA的功能

第二节tRNA的功能

• 所有的tRNA都有相同的二级（三叶草型）和三级结构（倒L型）。这种结构上的一致性是其功能所必需的。因为不同的tRNA分子都具有相同的功能特征。
• tRNA在翻译中转运氨基酸的作用，将氨基酸经过密码子与反密码子的相互识别定位在肽链中。从这一点上看，tRNA是起具体翻译作用的分子。

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第35页：一、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之间的反应。携带同一种氨基酸的tRNA可有多种，称为同工tRNA（iso-accepting tRNA）。可将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应的氨基酸结合。

第36页：氨酰tRNA合成酶有三个结合位点

氨酰tRNA合成酶有三个结合位点

分别是氨基酸结合位点、ATP结合位点和tRNA结合位点。它催化的反应可分为两步：第一步氨基酸和ATP形成腺苷酸化氨基酰，释放焦磷酸；第二步活化型的氨基酸被转移至tRNA，释放AMP。

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第46页：tRNA沿着L型的一面与合成酶结合

tRNA沿着L型的一面与合成酶结合

所有的tRNA均是以两个端点与合成酶结合，大部分的序列不被合成酶识别。

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第51页：第三节核糖体的结构

第三节核糖体的结构

核糖体（ribosome），又称核糖核蛋白颗粒（ribonucleoprotein particle），是细胞内进行蛋白质合成的场所，在蛋白质合成中起着中心作用。核糖体提供了蛋白质合成过程中所需的各种生物活性。

第52页：一、核糖体的组成

一、核糖体的组成

• 原核生物、真核生物和细胞器的核糖体组成差别很大，但其三维结构非常相似。
• 不论何种来源的核糖体，均由大小两个亚基组成。两个亚基均由RNA和一定数量的蛋白质组成，其共同特征是RNA的含量比蛋白质高。

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第54页：核糖体RNA（rRNA）的纯化相

核糖体RNA（rRNA）的纯化相

对比较容易，可以用苯酚抽提核糖体以去除蛋白质而获得。rRNA的大小可以通过超速离心来确定。

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第62页：大肠杆菌70S核糖体

大肠杆菌70S核糖体

由30S小亚基和50S大亚基两部分组成。30S小亚基由一个16S rRNA和21种核糖体蛋白组成，而50S大亚基则含有两个rRNA（5S和23S）和34种核糖体蛋白。

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第64页：组成核糖体的RNA

组成核糖体的RNA

和蛋白质一般只有一个拷贝。RNA和蛋白质相互作用，形成一个复杂而有序的结合体。

第65页：二、核糖体的结构

二、核糖体的结构

• 核糖体的直径只有可见光波长的十分之一。因此，单个的核糖体不能反射可见光，我们也就不能在光学显微镜下看到核糖体。
• 20世纪70年代，James Lake（1976）利用负染色电镜技术（negative staining techniques）不仅观察到了核糖体两个亚基的形状，还得到了在完整的核糖体内它们是如何配合在一起的信息。

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第69页：30 S核糖体亚基结构

30 S核糖体亚基结构

包括头（head）、基部（base）、平台（platform）以及缝隙（cleft）等；50 S核糖体亚基的结构包括中央突（central protuberance）、茎（stalk）、嵴（ridge）以及谷（valley）等。核糖体30S小亚基的平台伸入到50S大亚基的谷中而嵌和在一起。

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第74页：Joachim Frank等（1995）利用

Joachim Frank等（1995）利用

一种更高分辨率的技术－冷冻电子显微镜技术对大肠杆菌70S核糖体进行了更为细致的描述。他们利用计算机将4300张图象组合起来，形成了核糖体的三维立体图。

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第76页：mRNA经

mRNA经

由30S亚基颈部的通道形成一个U型的转弯，在转弯处与两个亚基之间A位点和P位点上的tRNA发生相互作用，最后mRNA通过30S亚基的平台和头之间的缝隙离开核糖体。

第77页：最近，核糖体晶体衍射结构领域

最近，核糖体晶体衍射结构领域

的研究取得了迅速的进展。不仅表现在两个亚基和整体核糖体的晶体衍射分辨率有了很大的提高，还克服了很多晶体衍射图象的难点问题。

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第80页：大部分的核糖体蛋白，特别

大部分的核糖体蛋白，特别

是那些大亚基核糖体蛋白，都有手指状的突起伸到rRNA核心内以稳定rRNA的结构。核糖体蛋白对亚基的rRNA核心起着修饰的作用。

第81页：解码位点和肽酰转移酶中心都没有蛋白成分

解码位点和肽酰转移酶中心都没有蛋白成分

现在已经确定，距离肽酰转移酶中心最近的核糖体蛋白没有催化作用，它们的功能主要是维持活性位点的构象。

第82页：现在发现在翻译的各阶段均有rRNA

现在发现在翻译的各阶段均有rRNA

的参与，rRNA的正确结构是蛋白质发挥催化功能所必需的。在翻译起始过程中，rRNA的3’端直接与mRNA作用；16S rRNA在A和P位直接与反密码子作用；23S rRNA与肽酰-tRNA的CCA端直接作用；大小亚基的结合可能涉及到16S和23S rRNA间的碱基配对关系。

第83页：16S rRNA的二级结构可以分

16S rRNA的二级结构可以分

为三个各自独立的折叠结构域：5’、3’和中央结构域，最大限度的分子内碱基配对使它成为最稳定的分子。

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第86页：三、核糖体的活性位点

三、核糖体的活性位点

核糖体可以分为翻译区域（translationdomain）和逐出区域（exit domain），翻译区域占2/3，逐出区域占1/3，与膜系统结合。

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第88页：30S亚基与mRNA的结合需要S1蛋白

30S亚基与mRNA的结合需要S1蛋白

S1蛋白和S18与S21组成一个活性区域，位于小亚基的峡部，参与起始tRNA识别AUG。

第89页：16S rRNA部分

16S rRNA部分

位于A位，它在1392～1407有一保守区，称为1400区。肽酰-tRNA和氨基酰-tRNA均与该区域结合。

第90页：A位和P位要同时结合tRNA

A位和P位要同时结合tRNA

每个tRNA结合一个密码子，二者相距很近。只有P位结合了肽酰-tRNA后，氨基酰-tRNA才能与A位结合，P位影响A位的活性。