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第十七章 蛋白質(zhì)的生物合成與修飾 Protein Synthesis and modification 第一節(jié) 概述 主講老師：華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 　　　　　陳文利

翻 譯 生物體合成mRNA后，mRNA中的遺傳信息轉(zhuǎn)變成為蛋白質(zhì)中氨基酸排序的過程稱為翻譯。 條件： 1、原料 20種氨基酸 2、能量 ATP和GTP 3、催化劑： 酶、蛋白質(zhì)因子、無機離子（Mg+，K + ） 4、運載工具：tRNA 5、模板：mRNA（每個A.A由三個堿基確定） 6、裝配機：核糖體(rRNA、蛋白質(zhì))

第二節(jié) 遺傳密碼的破譯

第三節(jié) 遺傳密碼的幾個重要特性 遺傳密碼： mRNA分子上從5’?3’的方向，每三個堿基形成的三聯(lián)體，組成一個遺傳密碼子（codon）。

遺傳密碼表：共有64個密碼子，其中61 個是編碼氨基酸。其中AUG ↗起始密碼子 ↘Met的密碼子。 有三個密碼子是終止密碼子：UAA、UAG、UGA， 這三組密碼子不能被tRNA閱讀，只能被 肽鏈釋放因子識別。

遺傳密碼的基本特點（5個性）： 1、密碼子的簡并性 2、密碼子的連續(xù)性 3、密碼子的不重疊性 4、密碼子的擺動性 5、密碼子的通用性 6、特殊密碼子 返回

1、密碼子的簡并性 一個氨基酸具有多個密碼子的現(xiàn)象稱為密碼子的簡并性（degeneracy）。 這些編碼同一種氨基酸的多個密碼子稱為同義密碼子（synonymous codon） 遺傳密碼的基本特點

2、密碼子的連續(xù)性 要正確閱讀密 碼必須按一定的密碼框架（reading frame） 從一個正確的起點開始，一個不漏地挨 著讀下去，直到碰到終止信號為止。 遺傳密碼的基本特點

3、密碼子的不重疊性(non-overlapping) 絕大多數(shù)生物中讀碼規(guī)則是不重疊的。少數(shù)大腸桿菌噬菌體的RNA基因組中，部分基因的遺傳密碼卻是重疊的。 遺傳密碼的基本特點

4、密碼子的擺動性 P423 密碼子的第一、第二位專一性很強，第三位專一性就弱。 已證明，密碼子的專一性主要由頭兩位堿基決定，Crick對第三位堿基的這一特性給于一個專門的術(shù)語，稱“擺動性” wobble. 遺傳密碼的基本特點

1966年F.Crick提出的擺動假說（wobble hypothesis）

tRNAs ? Secondary & Tertiary structure ? Isoacceptor tRNAs (同工受體tRNA） Different tRNAs carrying the same aa ? tRNA identity- “2nd genetic code” P431 Special sequence elements on tRNAs that can be recognized by aaRS and then determine which aa is charged Positive elements & Negative elements ? Some special tRNAs 1) Initiator tRNA: tRNAfMet & tRNAiMet 2) Suppressor tRNA（校正tRNA） 3) tmRNA

5、密碼子的通用性 遺傳密碼表屬于完全通用 。 返回 遺傳密碼的基本特點

General features ? With mRNA as template, tRNA as carrier for aa, ribosome as assembly site ? Translational polarity 1) Extends in N-end → C-end how to prove? 2) Reads mRNAs in 5’ → 3’ ? Triplet codon 1) How many bases determine one aa? “three determine one” 2) Cracking of the genetic code 3) Features of the genetic code ? Ribosomes recognize aa-tRNA just by virtue of the base-pairing interaction between codons and anticodons ? Wobble hypothesis

The Nature of the Genetic Code ? All the codons have meaning: 61 specify amino acids, and the other 3 are "nonsense" or "stop" codons ? The code is unambiguous - only one amino acid is indicated by each of the 61 codons (wobble密碼子的擺動性) ? The code is degenerate - except for Trp and Met, each amino acid is coded by two or more codons (密碼子的簡并性) ? Codons representing the same or similar amino acids are similar in sequence

2nd base pyrimidine: usually nonpolar amino acid 2nd base purine: usually polar or charged aa The code is not overlapping(密碼子的不重疊性) The base sequence is read from a fixed starting point, with no punctuation(密碼子的連續(xù)性) Universal & Unusual

第四節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成 一、核糖體（ribosome）是一個復(fù)雜的超分子結(jié)構(gòu) 核糖體可以看作是一個大分子的機構(gòu)，它具有許多精密的配合部分，來挑選并管理參與蛋白質(zhì)合成的各個組分。它參與多肽鏈的啟動，延長和終止的各種因子的識別。

二、核糖體（ribosome） 原核生物核糖體 5S rRNA， 23S rRNA 50S 34種蛋白質(zhì) 70S 16S rRNA 30S 21種蛋白質(zhì)

真核生物核糖體 5SrRNA，5.8SrRNA，28SrRNA 60S 49種蛋白質(zhì) 80S 18SrRNA 40S 33種蛋白質(zhì)

二、轉(zhuǎn)移RNA具有特征性結(jié)構(gòu) tRNA是氨基酸的搬運工具。 氨基酸的同工受體：能夠運輸同一種氨基酸的多種tRNA分子。 tRNA分子上與蛋白質(zhì)生物合成有關(guān)的位 點至少有四個: 1)3端—CCA上的氨基酸接受位點 2)識別氨酰—tRNA合成酶的位點 3)核糖體識別位點，使延長中的肽鏈 附著于核糖體上 4)反密碼子位點

Functional sites on Ribosome ? Three sites for tRNA 1) The A (acceptor) site - where aa-tRNAs come in (except the first one) and where peptidyl-tRNA is after peptide bond formation and before translocation. 2) The P (peptidyl-tRNA) site - where peptidyl-tRNA is before peptide bond formation. 3) The E (exit) site - where the uncharged tRNA from the P site goes after translocation. ? Peptidyl transferase - the active site that catalyzes formation of the peptide bond (23S rRNA in Prokaryotes) ? Polypeptide exit channel ? mRNA binding site

三、氨酰-tRNA合成酶和它們催化的反應(yīng) P429 四、一些氨酰-tRNA合成酶具有校對功能 氨酰—tRNA合成酶 , 酶的專一性表現(xiàn)在： a)識別氨基酸 b)識別tRNA(倒L型的三級結(jié)構(gòu)) c)進(jìn)行二次核對作用

E.Coli蛋白質(zhì)的生物合成: 1.氨基酸的活化： 由高度特異的氨酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase)催化，反應(yīng)分兩步 總反應(yīng)式

五、氨酰-tRNA合成酶對tRNA的識別 六、多肽鏈的合成從氨基末端開始

七、一個特定氨基酸起始蛋白質(zhì)的合成 起始氨酰-tRNA的形成(P432) 現(xiàn)已清楚，原核細(xì)胞中多肽的合成都有 自甲硫氨酸開始，但并不是以甲硫氨酰-tRNA作起始物，而是以N-甲酰甲硫氨酰-tRNA的形式起始。

在E.Coli和其它原核生物中與這起始密碼（AUG）相對應(yīng)的tRNA是甲酰甲硫氨酰—tRNA（fMet-tRNAfMet），這是起始tRNA。在E.Coli和其它原核生物中與這起始密碼（AUG）相對應(yīng)的tRNA是甲酰甲硫氨酰—tRNA（fMet-tRNAfMet），這是起始tRNA。

起始tRNA怎樣形成？由甲硫氨酰-tRNA甲酰化 甲酰基 甲酰基轉(zhuǎn)移酶 tRNA Met-tRNA Met N10－甲酰FH4 FH4 （fMet－tRNAf）

Structure of N-formyl-methionyl-tRNA[Met] Differences with other tRNAs

細(xì)胞內(nèi)有2種可攜帶Met的tRNA，它們都識別同樣的AUG密碼子，但它們的一級結(jié)構(gòu)和功能不同。細(xì)胞內(nèi)有2種可攜帶Met的tRNA，它們都識別同樣的AUG密碼子，但它們的一級結(jié)構(gòu)和功能不同。 （1）tRNAfMet帶上Met后能甲酰化，是起始tRNA，用于肽鏈合成的起始。 （2）tRNAmMet帶上Met后不能甲酰化，用于肽鏈的內(nèi)部，在肽鏈延伸中起作用。 所以AUG和GUG是兼職密碼子，它們既可以作為起始密碼子，作為肽鏈合成的起始信號，這時與之對應(yīng)的氨基酸是甲酰Met。另外也可作肽鏈內(nèi)部相應(yīng)aa的密碼，這時AUG編碼Met,GUG編碼val。

八、多肽合成起始的三個步驟 1、30S-mRNA復(fù)合物的形成 此反應(yīng)須起始因子3（IF3） P位：肽基的結(jié)合部位 A位：氨酰基的結(jié)合部位 起始密碼定位在P位上 SD序列 Shine-Dalgarno發(fā)現(xiàn)在AUG的前 方有一段富嘌呤AG區(qū)，與30S中的16SrRNA富含嘧啶的區(qū)結(jié)合

mRNAs Prokaryotic mRNAs Usually polycistronic Eukaryotic mRNAs Usually monocistronic

Shine-Dalgarno Sequences recognized by E.coli ribosomes

2．肽鏈的起始： ? mRNA中的起始密碼是AUG，少數(shù)是GUG。 ? 起始密碼子的上游約10個核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列稱SD序列（Shine-Dalgarno序列），一般為3～10個核苷酸，它與核糖體16srRNA 3ˊ端的核苷酸序列互補，可促使核糖體與mRNA的結(jié)合。

2、30S預(yù)起始復(fù)合物（IF1,IF2,GTP） 消耗一個高能鍵 IF1起協(xié)助作用，促進(jìn)IF3,IF2的作用，然后在IF1參與下，mRNA-30S-IF3進(jìn)一步與fMet-tRNAf,GTP相結(jié)合，并釋 放出IF3形成 一個30S起始復(fù)合物， 30S核糖體—mRNA-fMet-tRNAf。 肽鍵的合成

SD sequence inactive 70S ribosome 30S initiation complex

GDP + Pi 70S initiation complex

3. 肽鏈的延長： 肽鏈的延長需要一些延長因子或稱延伸因子（elongation factor,EF） 原核生物的EF有EF-T和EF-G兩類: ? EF-T：延伸因子“T”，開始誤認(rèn)為這類延伸因子有肽基轉(zhuǎn)移酶的活性peptidyl transferase，所以取轉(zhuǎn)移酶的第一個字母“T” 。 ? EF-G：這類延伸因子與核糖體結(jié)合時需要GTP，當(dāng)GTP水解時，這類延伸因子就從核糖體上解離下來，總之涉及GTP，所以用GTP的第一個字母“G”，EF-G。

EF-T是由Tu和Ts兩個亞基組成的二聚體， ? EF-Ts：s是stable的意思，是穩(wěn)定蛋白質(zhì)， ? EF-Tu: u是unstable，不穩(wěn)定蛋白質(zhì)。 ? EF-Tu直接參加了氨酰-tRNA與核糖體的結(jié)合。

肽鏈的延長包括3步: ? 氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體的A位 ? 肽鍵的形成 ? 移位

（1）氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體的A位 這是個比較復(fù)雜的過程，需Ts、Tu，還要 消 耗GTP。EF-Tu與GTP和氨酰-tNRA首先形成三元 復(fù)合物，才能進(jìn)入A位。

（2）肽鍵的形成 通過一個轉(zhuǎn)肽作用（transpeptidation），由肽酰轉(zhuǎn)移酶（peptidyl transferase）催化，使一個酯鍵變成了肽鍵，肽基轉(zhuǎn)移酶的活性由核糖體大亞基的23s rRNA承擔(dān)（肽基轉(zhuǎn)移酶是一種ribozyme）。嘌呤霉素對蛋白質(zhì)的抑制作用就發(fā)生在肽鍵形成這一步。