第七章 蛋白質生物合成

1、第一節(jié) 遺傳密碼一、遺傳密碼二、密碼子和反密碼子的相互作用三、第二套密碼系統(tǒng)的概念和特征第二節(jié) trna的功能一、氨酰trna合成酶第三節(jié) 核糖體的結構一、核糖體的組成二、核糖體的結構三、核糖體的活性位點第七章第七章 蛋白質的生物合成蛋白質的生物合成n蛋白質生物合成又稱翻譯（translation），是指由rna參與的蛋白質生物合成的過程，它將核酸的堿基序列轉變?yōu)榈鞍踪|中的氨基酸序列。n參與翻譯的rna分子有trna、rrna和mrna。trna的功能是轉運氨基酸，rrna與作為翻譯進行的場所，mrna作為翻譯的模板。n經(jīng)過三種rna以及多種蛋白質的相互作用，使正確地傳遞到蛋白質。第一節(jié)第一節(jié)

2、 遺傳密碼遺傳密碼n1954年，物理學家george gamov根據(jù)在dna中存在四種核苷酸，在蛋白質中存在二十種氨基酸的對應關系 ，提出。因為在有四種核苷酸的條件下，64 （43=64）是能滿足為20種氨基酸編碼的最小數(shù)，這也符合生物體在億萬年進化過程中形成的和遵循的經(jīng)濟原則 。n密碼子的破譯是分子生物學發(fā)展史上的一件大事。主要運用了兩項技術，一項是1961年由nirenberg等報道的人工合成多聚核苷酸體外翻譯技術；另一項是1964年nirenberg和leder發(fā)明的核糖體結合技術。n這兩項技術的出現(xiàn)，為密碼子的破譯奠定了基礎。n破譯密碼的研究先后由三個實驗室逐步發(fā)展了四種破譯方法，于1

3、965年完成。 n2) 混合共聚物(mixed copolymers)實驗對密碼子中堿基組成的測定： 1963年，speyer和ochoa等發(fā)展了用兩個堿基的共聚物破譯密碼的方法。例如以a和c原料，合成polyac。但這個方法，而只能堿基組成及組成比例。另外，通過反復改變共聚物成份比例的方法亦十分麻煩和費時。n3) aa-trna與確定的三核苷酸序列(密碼子)結合（） nirenberg和leder于1964年建立了破譯密碼子的新方法，即trna與確定密碼子結合實驗： 即是在的條件下，。最重要的是這種結合 。但有一些三核苷酸序列與核糖體結合并不象uuu或guu等那樣有效 。n4) 用重復共聚物

4、(repeating copolymers)破譯密碼： jones，和khorana等人應用有機化學和酶學技術，?？梢栽谶@些有規(guī)律的共聚物的任一點開始，并。例如，重復序列cucucucucu.是多肽leu-ser-leu-ser.或者是多肽ser-leu-ser.的信使分子 。n除甲硫氨酸和色氨酸外，其他的氨基酸。多種密碼子編碼一種氨基酸的現(xiàn)象稱為（degeneracy），代表同一種氨基酸的密碼子稱為（synonyms）。n氨基酸的和它在蛋白質中。n一種氨基酸的幾個密碼子的差異通常在第三個堿基，說明了。n在，密碼子字典幾乎是的，這已被所證實。終止密碼子嘌呤n線粒體的遺傳密碼子存在較多的例外情況

5、，其中最常見的一種變化是uga由終止密碼子色氨酸的密碼子，這可能是進化上最早期的變化。n一般來說，生物體內trna的種類要。n密碼子的前兩位堿基在和反密碼子配對時遵循watson-crick原則，而第三位堿基則有一定的靈活性，這就是（wobble hypothesis）。n在不同生物體內，存在多種方式使少數(shù)的trna識別61種編碼氨基酸的密碼子，不同的生物所采用的途徑也不同。中含有較多的修飾堿基。均會對密碼子和反密碼子的作用產生影響。n在三、第二套密碼系統(tǒng)的概念和特征三、第二套密碼系統(tǒng)的概念和特征 n1988年，christian deduve在hou和schimmel等人的研究基礎上，提出了

6、第二套密碼系統(tǒng)的概念或學說。該學說認為: trna氨基酸有一輔密碼區(qū)(paracodon region)，可以，并決定trna的負載特異性。n他認為第二套密碼系統(tǒng)蘊含于aars結構中n與經(jīng)典密碼系統(tǒng)不同。輔密碼子密碼系統(tǒng)或第二套密碼系統(tǒng)是非簡并性的(non-degenerate)。可能只有20種aars，這種識別與該種有關。n第二套密碼系統(tǒng)，這與輔密碼子立體化學相互反應有關。nchristian deduve認為，第二套密碼系統(tǒng)僅僅是與aars-aa-amp或aa-aars復合物的一個簡單反應，而則起著刪除錯誤氨基酰的作用 。naars上的某些區(qū)域含有一些殘基，但無法把所有氨基酸側鏈與trna

7、的核苷酸匹配起來。因此，一些科學家提出第二套密碼系統(tǒng)，而不應存在于aars結構中。n第二套密碼系統(tǒng)比經(jīng)典的密碼系統(tǒng)更原始。一些作者猜測于攜帶氨苷酰的寡核苷酸，其原始形式能與氨基酸直接反應。n破譯第二密碼系統(tǒng)的意義不僅僅限于trna分子本身生物學功能的認識，更重要的是將對生物化學，生物起源，分子生物學及遺傳學產生重大影響。第二節(jié)第二節(jié) trna的功能的功能n所有的trna都有相同的二級（三葉草型）和三級結構（倒l型）。這種的。因為不同的trna分子都具有。ntrna在翻譯中轉運氨基酸的作用，將氨基酸經(jīng)過密碼子與反密碼子的相互識別定位在肽鏈中。從這一點上看，trna是起具體翻譯作用的分子。腺苷一、

8、氨酰一、氨酰trna合成酶合成酶n氨酰trna合成酶催化氨基酸與trna之間的反應。攜帶的trna可有多種，稱為（iso-accepting trna）。可將trna分為20個同工trna組。在特定的合成酶催化下與相應的氨基酸結合。n氨酰trna合成酶有三個結合位點，分別是氨基酸、atp和trna。它催化的反應可分為兩步：第一步形成腺苷酸化氨基酰，釋放焦磷酸；第二步活化型的氨基酸t(yī)rna，釋放amp。n氨酰trna合成酶所催化的反應有特異性，即能選擇相應的trna和氨基酸。一種合成酶只能識別一種氨基酸和該氨基酸的幾種同工trna。同詞源的,同類的同類的腺苷酸化 纈氨酸ntrna沿著l型的一面與

9、合成酶結合。所有的trna均是以兩個端點與合成酶結合，。n第一類和第二類合成酶。經(jīng)晶體結構分析，兩類酶，所形成的復合物互成鏡像結構。第三節(jié)第三節(jié) 核糖體的結構核糖體的結構n核糖體（ribosome），又稱核糖核蛋白顆粒（ribonucleoprotein particle），是細胞內進行蛋白質合成的場所，。n核糖體提供了蛋白質合成過程中所需的各種生物活性。一、核糖體的組成一、核糖體的組成n原核生物、真核生物和細胞器的核糖體，但其三維結構非常相似。n不論何種來源的核糖體，均由大小兩個亞基組成。兩個亞基均由rna和蛋白質組成，其共同特征是rna的含量比蛋白質高。n核糖體rna（rrna）的純化，可

10、以用苯酚抽提核糖體以去除蛋白質而獲得。rrna的大小可以通過超速離心來確定。n核糖體蛋白則是非常復雜的混合物，其純化和分子量的大小只能用來確定。1970年，e. kaldschmidt和h. g. wittman用雙向電泳（two-dimensional gel electrophoresis）的辦法對組成兩個亞基的蛋白進行了近乎完全的解析。n大腸桿菌由30s小亞基和50s大亞基兩部分組成。小亞基由一個16s rrna和21種核糖體蛋白組成，而大亞基則含有兩個rrna（5s和23s）和31種核糖體蛋白。n真核生物細胞質核糖體更為復雜，沉降系數(shù)為，由40s小亞基和60s大亞基組成。小亞基由18s

11、 rrna和33種蛋白組成，而大亞基則含有三個rrna分子（5s，5.8s和28s）和50種核糖體蛋白。n組成核糖體的rna和蛋白質一般只有一個拷貝。，形成一個復雜而有序的結合體。n核糖體的數(shù)目與生物合成蛋白質的活性密切相關。二、核糖體的結構二、核糖體的結構n核糖體的直徑只有可見光波長的十分之一。因此，單個的核糖體不能反射可見光，我們也就。n20世紀70年代，james lake（1976）利用（negative staining techniques）不僅觀察到了核糖體兩個亞基的形狀，還得到了在完整的核糖體內它們是如何配合在一起的信息n30 s核糖體亞基結構包括頭（head）、基部（base

12、）、平臺（platform）以及縫隙（cleft）等；n50 s 核糖體亞基的結構包括中央突（central protuberance）、莖（stalk）、嵴（ridge）以及谷（valley）等。核糖體30s小亞基的平臺伸入到50s大亞基的谷中而嵌合在一起。和中的核糖體結構有區(qū)別，說明在蛋白質合成過程中有一定的靈活性。njoachim frank等（1995）利用一種更高分辨率的技術對大腸桿菌70s核糖體進行了更為細致的描述。他們利用計算機將4300張圖象組合起來，形成了核糖體的三維立體圖。n他們還觀察到了核糖體的幾個新特征，包括上的一個距（spur）、30s亞基頸部的一個通道（channe

13、l）以及起始于（interface canyon）的（tunnel）。nmrna經(jīng)由30s亞基頸部的通道形成一個u型的轉彎，在轉彎處與兩個亞基之間a位點和p位點上的trna發(fā)生相互作用，最后mrna通過30s亞基的平臺和頭之間的縫隙離開核糖體。n分叉隧道的作用可能是為提供了的通路。n最近，核糖體結構領域的研究取得了迅速的進展。不僅表現(xiàn)在和的晶體衍射分辨率有了很大的提高，還克服了很多晶體衍射圖象的難點問題。n兩個亞基在水平上的晶體衍射圖以及整體核糖體在5.0分辨率的分子模型都已經(jīng)發(fā)表 。n大部分的核糖體蛋白，特別是那些大亞基核糖體蛋白，都有手指狀的突起以穩(wěn)定rrna的結構。n核糖體蛋白對起著修飾

14、的作用。n核糖體的功能中心是富含rna的 ，亞基相互作用的主要位點也是由rna組成，而核糖體蛋白只在和中發(fā)揮作用 。n解碼位點和肽酰轉移酶中心都沒有蛋白成分 ?，F(xiàn)在已經(jīng)確定，距離肽酰轉移酶中心核糖體蛋白沒有催化作用，它們的功能主要是維持活性位點的構象。n盡管，核糖體蛋白也發(fā)揮著非常重要的作用。沒有了蛋白成分，核糖體既不能裝配也不會發(fā)揮其功能。 n現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)在翻譯的各階段均有rrna的參與，rrna的正確結構是蛋白質發(fā)揮催化功能所必需的。n在翻譯起始過程中，rrna的3端直接與mrna作用；16s ；23s rrna與肽酰-trna的cca端直接作用；大小亞基的結合可能涉及到關系。n在翻譯的各個階

15、段，抑制翻譯的抗生素幾乎都作用于rrna，說明了rrna的重要性。n16s rrna的二級結構可以分為三個各自獨立的折疊結構域：5、3和中央結構域 ，最大限度的分子內堿基配對使它成為最穩(wěn)定的分子。n16s rrna的二級結構確定以后，其三維排布以及在完整的核糖體亞基內與核糖體蛋白位置之間的關系成為分子生物學家急需回答的問題。三、核糖體的活性位點三、核糖體的活性位點n核糖體可以分為翻譯區(qū)域（translation domain）和逐出區(qū)域（exit domain），占2/3，占1/3，與膜系統(tǒng)結合。n30s亞基與mrna的結合需要。s1蛋白和s18與s21組成一個活性區(qū)域，位于小亞基的峽部，參與。ns1蛋白對單鏈核酸有很強的親和力，并能，以利于翻譯的進行。n16s rrna部