第三十七章第三十七章遗传密码和蛋白质的遗传密码和蛋白质的

生物合成生物合成

第三十七章第三十七章遗传密码和蛋白质的遗传密码和蛋白质的

生物合成生物合成

一、 DNA 是遗传信息的携带者

（一）细胞含有恒定量的 DNA

• DNA 含量不受外界环境、营养条件 和细胞本身代谢状态的影响• DNA 含量与生物机体的复杂性有关• C 值矛盾（重复序列、染色体外基因、细胞器基因）

（二） DNA 是细菌的转化因子

二、遗传密码的破译

4 种碱基如何对应 20 种基本氨基酸？• 1 个碱基对应一种 AA 4

• 2 个碱基对应一种 AA 16

• 3 个碱基对应一种 AA 64

——密码子为三联体

插入 / 缺失核苷酸的突变体实验证明：• 三联体密码的正确性• 非重叠性• 连续性（无标点符号）

Nirenberg 均聚核苷酸实验• Poly U —— 指导 Phe 的合成• Poly C —— 指导 Pro 的合成• Poly A —— 指导 Lys 的合成• Poly G —— 易形成多股螺旋• 高浓度的 Mg2+使密码子的阅读起点为任意

• 2/3 种核苷酸的共聚物为模板– Poly UG ：UUU UUG UGU GUU

GUG GGU UGG GGG

八种不同的三联体可根据底物的比例计算：三联体出现的频率（标记 AA 掺入频率）

可确定 20 种 AA 密码子组成，但排列顺序未知

• 核糖体结合技术直接测定三联体对应的 AA

人工合成三核苷酸取代 mRNA

↓

无 GTP 时不能合成 Pr

三联体及对应的氨酰 tRNA 结合于核糖体↓

反应混合物通过硝酸纤维素膜留在膜上

• 利用化学合成和酶促合成法的结合……UGUGUGUGUGUGUGU……

……UGUGUGUGUGUGUGU……

……UGUGUGUGUGUGUGU……

……UGUGUGUGUGUGUGU……

UGU ： Cys GUG ： Val

聚二核苷酸

…UUCUUCUUCUUCUUCUUC…

Phe Phe Phe Phe Phe Phe

…UUCUUCUUCUUCUUCUUC…

Ser Ser Ser Ser Ser

…UUCUUCUUCUUCUUCUUC…

Leu Leu Leu Leu Leu

聚三核苷酸

…UUAC UUAC UUAC UUAC …

Leu Leu Thr Tyr

UUA 和 CUU ： Leu

ACU ： Thr

UAC: Tyr

聚四核苷酸

三、遗传密码的基本特性（ 1 ）简并性（ degeneracy ） 一种 AA 有 2 个或以上的密码子 同义密码子 ——对应于同一种 AA 的不同密码子

Met 和 Trp 仅一个密码子 简并性的生物意义在于减少有害突变

64 个密码子• 20 个有意义、 44 个无意义突变使肽链合成提前终止的概率大大提高三个终止密码子： UAA 、 UAG 、 UGA

• 碱基的改变仍有可能编码原来的 AA

（ 2 ）变偶性（ wobble ）

I ： A 、 U 、 C

“三配二”反密码子第 1 位与密码子第 3 位的任意 4 种碱基配对。

（ 3 ）密码通用性和变异性• 生物界有共用的一套遗传密码• 线粒体 DNA 具有独特的编码方式 ——tRNA 识别两个或四个密码子 2 个：密码子第三位为 A/G 、 C/U

4 个：密码子第三位为 A/U/C/G

线粒体中Met具有 个密码子？

• 特定生物细胞基因组密码出现变异 UGA：Trp UAA/UAG： Gln• 密码子含义的变化 大肠杆菌中GUG（Val）和UUG（Leu） 作为起始密码子• 翻译过程掺入修饰AA

第 21 个氨基酸

硒代半胱氨酸

（大肠杆菌中）• 一类低丰度的丝氨酸 tRNA

• 识别 ORF 中的 UGA

丝氨酸 tRNA 携带 Ser 后↓

经酶催化生成硒代半胱氨酸↓

识别特定的二级结构（∽插入序列）↓

将∽掺入蛋白质

（ 4 ）密码的防错系统• 密码子第 2 位决定 AA 的极性 U ：非极性、疏水和支链的 AA

C ：非极性或不带电荷的极性侧链 A/G ：亲水性 A/C A/G 第 3 位可以为任意碱基： 具有可解离极性侧链的碱性 AA

（ AGN ：酸性亲水侧链 AA ）

• 密码子第 3 位决定简并性• 密码子中一个碱基的置换导致：

–编码相同的 AA

–理化性质接近的 AA

四、蛋白质的生物合成 合成场所：核糖体 原料： AA 、 tRNA 、 mRNA 、

rRNA

其他蛋白因子、 ATP 、 GTP

• 粗面内质网

（一）蛋白质合成的分子基础1 、模板是 mRNA

• 含有密码子• 阅读方向 5’到 3’

• 起始密码和终止密码• 3’端：真核生物有 PolyA尾巴• 5’端：决定起始密码的选择

原核生物 mRNA 5’端的 SD 序列——识别 16S rRNA

核糖体结合位点序列

• 真核生物 5’端有核糖体进入部位 帽子结构帮助识别 向 3’扫描至 AUG

2 、 tRNA 转运活化的 AA到模板上• 每种 AA都至少有一种 tRNA负责转运• 书写方式： tRNAPhe 、 tRNASer

• 通常一种 AA 具有几种 tRNA

See movie

tRNA分子具有：• 3’CCA-OH 氨基酸接受位点• 识别氨酰 -tRNA 合成酶位点• 核糖体识别位点• 反密码子位点

Cys*

半胱氨酰 tRNA 合成酶

tRNACys

半胱氨酰 * - tRNACys

↓

↓

丙氨酰 * - tRNACys

↓

Ala 插入蛋白中 Cys 的位置

形成氨酰 tRNA 后去向由 tRNA决定

3 、核糖体是蛋白质合成的工厂

（二）蛋白质合成的步骤1 、氨酰 tRNA 的生成

氨酰 tRNA 合成酶

氨酰 AMP

形成 2’ 形式的酯

氨酰基团在 2’ 3’间交换

形成 3’ 形式的酯

形成 3’ 形式的酯

2 、氨酰 tRNA 合成酶识别： AA 、 tRNA 、ATP

Ⅰ型和Ⅱ型酶

3 、氨酰 tRNA 合成酶的校正功能 ——水解非正确组合的 AA 和 tRN

A

• 异亮氨酰 – tRNAIle

• 缬氨酰 – tRNAVal

缬氨酰 – tRNAIle则被水解：缬氨酸 + tRNAIle

4 、一个特殊的 tRNA启动蛋白的合成

• 翻译起始于 Met 的参与 tRNAMet：携带 Met 掺入蛋白内部 tRNAi

Met ：起始 Met 掺入 ——由同一种 tRNA 合成酶合成 起始因子识别 tRNAi

Met

延伸因子识别 tRNAMet

原核生物中的甲酰 Met

fMet - tRNAiMet

5 、翻译起始于 mRNA 与核糖体的结合

原核生物借助 SD 序列6 、蛋白因子帮助合成的起始 原核生物（大肠杆菌） 三个起始因子（ initiation facto

r ） IF1 、 IF2 、 IF3

真核生物

①IF1 、 IF3 与 30S小亚基结合 IF3防止 30S亚基与 50S亚基过早结合

mRNA 与小亚基结合

② fMet – tRNAiMet进入

③50S 大亚基的结合

• A ： aminoacyl site• P ： peptide site• E ： exit site （大部分在大亚基上）

7 、蛋白合成的延伸（ elongation ）

延伸因子 EF-Tu EF-Ts真核： EF-1

①进位

②转肽：肽酰转移酶（核糖体参与催化）

③移位： EF-G （ EF-2 ）

8 、翻译的终止（ terminate ）• 没有识别终止密码子的 tRNA

• 释放因子• 核糖体释放因子

肽酰转移酶活性变为酯酶活性

RF1 ： UAA/UAGRF2 ： UGARF3 ：刺激活性

多核糖体（ polysome ）

多核糖体与核糖体循环

合成完毕的肽链

多核糖体3ˊmRNA

延伸中的肽链

5ˊ

核糖体循环

9 、蛋白质合成的抑制剂

抗菌素（ antibiotics）毒素抗代谢物干扰素

（ 1）抗菌素

链霉素、卡那霉素、新霉素 主要抑制 G-菌 Pr合成三个阶段：①起始复合物形成—使氨基酰 tRNA 从复合物脱落；②肽链延伸阶段—使氨基酰 tRNA与 mRNA 错配；③终止阶段—阻碍终止因子与核蛋白体结合， 已合成的多肽链无法释放， 抑制 70S核糖体的解离

四环素（土霉素、金霉素）①作用于细菌 30S小亚基，抑制起始复合物形成②抑制氨酰 tRNA进入核糖体 A 位，阻滞肽链延伸；③影响终止因子与核糖体的结合四环素类抗生素对真核细胞核糖体也有抑制但不能通过真核生物细胞膜对 70S 核糖体的敏感性更高

氯霉素——广谱抗生素①与核糖体 A 位紧密结合，阻碍氨基酰 tRNA进入②抑制肽酰转移酶活性，肽链延伸受到影响

50S 大亚基蛋白组分

（ 2）毒素

白喉霉素共价修饰使 EF-2 失活一条多肽单链， 2 个二硫键， 2 个结构域β 结构域与细胞表面受体结合→毒素蛋白水解断裂二硫键还原，产生 A 、 B 两片段：B协助 A 通过细胞膜， A 为蛋白修饰酶

催化蛋白发生 ADP- 核糖基化

（ 3）抗代谢物

•结构与天然代谢物相似•竞争性抑制代谢中酶 /反应嘌呤霉素结构与 Tyr-tRNA Tyr相似，进入核糖体 A 位连于肽链的 C 端，形成肽酰嘌呤霉素，容易脱落，肽链合成提前终止嘌呤霉素对原 /真核生物翻译过程均有干扰用于肿瘤治疗

（ 4 ）干扰素（ interferon ， IFN ）

•病毒感染的宿主细胞产生 白细胞（ α）、成纤维～（ β）、免疫～（ γ）干扰素结合于细胞膜，活化抗病毒蛋白基因诱导产生：蛋白激酶使 eIF2磷酸化失活；2’—5’腺嘌呤寡聚核苷酸合成酶2’—5’A激活磷酸二酯酶水解mRNA

真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子阶段　原核　 真核 功 能

　　　 IF1

　　　 IF2　　 eIF2 参与起始复合物的形成　

　　　 IF3　　 eIF3 、 eIF4C

起始　　　　　 CBP I 与 mRNA帽子结合

　　　　　　　 eIF4A B F 参与寻找第一个 AUG

　　　　　　　 eIF5 协助 eIF2 、 eIF3 、 eIF4C 的释放

　　　　　　　 eIF6 协助 60S亚基从无活性的核糖体上解离

　　　 EF-Tu　 eEF1 协助氨酰 -tRNA进入核糖体

延长　 EF-Ts　 eEF1 帮助 EF-Tu 、 eEF1周转

　　　 EF-G　 eEF2 移位因子

　　　 RF-1

终止　 eRF 释放完整的肽链

　　　 RF-2

阶段　原核　 真核 功 能

　　　 IF1

　　　 IF2　　 eIF2 参与起始复合物的形成　

　　　 IF3　　 eIF3 、 eIF4C

起始　　　　　 CBP I 与 mRNA帽子结合

　　　　　　　 eIF4A B F 参与寻找第一个 AUG

　　　　　　　 eIF5 协助 eIF2 、 eIF3 、 eIF4C 的释放

　　　　　　　 eIF6 协助 60S亚基从无活性的核糖体上解离

　　　 EF-Tu　 eEF1 协助氨酰 -tRNA进入核糖体

延长　 EF-Ts　 eEF1 帮助 EF-Tu 、 eEF1周转

　　　 EF-G　 eEF2 移位因子

　　　 RF-1

终止　 eRF 释放完整的肽链

　　　 RF-2

五、蛋白质的运输及翻译后修饰

真核生物多肽链的合成（自学）真核生物多肽链的合成（自学）1 、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2 、起始氨基酸为 Met ，不是 fMet ；3 、肽链合成的起始：由 40S 核糖体亚基首 先识别mRNA 的 5’ 端 - 帽子，然后沿 mRNA 移动寻找 AU

G ；4 、起始因子有 12 种，但只有 2 种延长因子和 1 种终止因子；5 、真核细胞中线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。

肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具有正确三维空间结构的蛋白质的过程。 体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白质参与，称为助折叠蛋白 : （ 1 ）酶：蛋白质二硫键异构酶（ PDI ）； （ 2 ）分子伴侣

肽 链 的 折 叠肽 链 的 折 叠

Lasky 于 1978年首先提出分子伴侣（ mulecular chaperone ）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在。

1 、肽链末端的修饰： N-端 fMet 或 Met 的切除2 、信号序列的切除3 、二硫键的形成4 、部分肽段的切除5 、个别氨基酸的修饰6 、糖基侧链的添加7 、辅基的加入

蛋白质的加工修饰蛋白质的加工修饰

实例：胰岛素原的加工

胰岛素原的加工

A链区

B链区

间插序列（ C肽区）

HS

SH

SH

SH

HS

HS

信号肽NC

核糖体上合成出无规则卷曲的前胰岛素原

切除 C肽后，形成成熟的胰岛素分子

切除信号肽后折叠成稳定构象的胰岛素原

SS

SS

N

NC

CA链

B链

胰岛素

C

N

S－ S

SS

胰岛素原

SS

多核糖体

第一个编码区第一个编码区

第一个编码区第一个编码区

第二个编码区第二个编码区

第二个编码区第二个编码区

终止终止 \\ 起始起始

终止终止

起始起始

mRNAmRNA

mRNAmRNA

55´́

55´́

33´́

33´́

蛋白质定位

1、分泌蛋白

● 信号肽假说简图

● 分泌蛋白质的合成和胞吐作用

2、线粒体与叶绿体蛋白

● 蛋白质向线粒体的定位机制

信号肽假说简图

3ˊ

5ˊ

SRP循环

mRNA

内质网膜

内质网腔信号肽酶信号肽

一些真核细胞多肽链上 N-端的信号肽的结构

分泌蛋白质的合成和胞吐作用

内质网 高尔基体

泡 泡

泡融入质膜

核糖体

芽泡