核酸与蛋白质的生物合成.ppt

第十一章 核酸与蛋白质的生物合成Biosynthesis of Nucleic Acid and Protein,DNA的复制与修复 DNA的复制 DNA的修复 DNA的反转录RNA的转录与加工 RNA的转录 RNA的加工蛋白质的生物合成 蛋白质合成的分子基础 蛋白质的翻译,中心法则,DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。中心法则：DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给mRNA，再传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。,反中心法则,在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。,第一节 DNA的复制与修复一、DNA复制的特点1、半保留复制,DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。,2、有一定的复制起点origin,DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点（复制子）。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。,3、需要引物primer,参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。,4、双向复制与复制叉,DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。DNA复制时，局部双链解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。,5、半不连续复制,由于DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须为35。因此，分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为53，这一条链被称为前导链(leading strand)。而以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53，这条链被称为后随链(lagging strand)。由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此后随链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由后随链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段。冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为200个核苷酸。,二、参与DNA复制的分子1、底物,以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。2、模板templateDNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。,3、RNA引物 primer,在DNA复制中需要许多个RNA引物，它们由引发体合成。引发体(primosome)由引发前体与引物酶（primase）组装而成。引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体。在原核生物中，引发前体至少由六种蛋白因子构成。分别与引物的预合成和复制起始点识别有关。引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶，该酶以DNA为模板，合成一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。,4、DNA聚合酶polymerase1）DNA聚合酶的种类和生理功能,DNA聚合酶催化DNA链的延伸，即DNA聚合反应。在原核生物如大肠杆菌中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶(pol)、DNA聚合酶(pol)、DNA聚合酶(pol)，这三种酶都具有多种酶活性。参与DNA复制的主要是pol和pol。polI为单一肽链的大分子蛋白质,可被特异的蛋白酶水解为两个片段，大片段称为Klenow片段，具有53聚合酶活性和35外切酶的活性，小片段具有53外切酶活性。pol由十种亚基组成，其中亚基具有53聚合酶活性，因而具有复制DNA的功能；而亚基具有35外切酶的活性，因而与DNA复制的校正功能有关。,原核生物DNA聚合酶,真核生物DNA聚合酶,在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种，分别命名为DNA聚合酶(pol)、DNA聚合酶(pol)、DNA聚合酶(pol)、DNA聚合酶(pol)、DNA聚合酶(pol)。其中，参与染色体DNA复制和修复的是pol（延长前导链和后随链）和pol（延长后随链），参与线粒体DNA复制和修复的是pol，pol与引物的合成有关，pol与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关。,2）DNA复制的保真性,为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关：a.遵守严格的碱基配对规律；b.DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择；c.对复制过程中出现的错误及时进行校正。,5、DNA连接酶ligase,DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，从而使两段DNA连接起来。DNA连接酶催化的条件是：需一段DNA片段具有3-OH，而另一段DNA片段具有5-Pi基；未封闭的切口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的，但T4 DNA连接酶能连接平头双链DNA；需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。,6、单链DNA结合蛋白 single-strand binding protein SSB,单链DNA结合蛋白是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作用为：使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代DNA；保护单链DNA，避免核酸酶的降解。,7、解螺旋酶/解链酶helicase,解螺旋酶又称解链酶或rep蛋白，用于解开DNA双链，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。8、拓扑异构酶拓扑异构酶可使DNA双链中的一条链切断，松开双螺旋后再将DNA链连接起来，而避免出现链的缠绕。拓扑异构酶如DNA旋转酶gyrase可切断DNA双链，使DNA的超螺旋松解后，再将其连接起来。,三、DNA的复制过程1、复制的起始,DNA复制的起始由预引发和引发两步构成：预引发解旋解链，形成复制叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。SSB结合在两条单链DNA上，形成复制叉。引发体组装：由蛋白因子（如DnaA等）识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引物酶一起组装形成引发体。引发在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段，从而获得3端自由羟基（3-OH）。,2、复制的延长,延伸子代DNA 由DNA聚合酶催化，以35方向的亲代DNA链为模板，从53方向延伸子代DNA链。在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶；而在真核生物中，是DNA聚合酶(延长后随链)和（延长前导链）。引发体移动 引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，后随链重新合成RNA引物，继续进行链的延长。,3、复制的终止,a.去除引物填补缺口在原核生物中，由DNA聚合酶来水解去除RNA引物，并由该酶催化延长引物缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键切口。而在真核生物中，RNA引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由DNA聚合酶来延长。b.连接冈崎片段在DNA连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。,c.真核生物端粒telomere的形成,端粒是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。其共同的结构特征是由一些富含G、C的短重复序列构成，可重复数十次至数百次。线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解可能出现缩短。故需在端粒酶(telomerase)的催化下进行延长反应。端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。,四、DNA的修复1、DNA的损伤,由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤，也称为突变mutation。常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。,1）引起突变的因素a.自发因素,自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。每日可达近万个核苷酸残基。自发脱氨基：胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶,腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基。复制错配：复制时碱基配对错误引起损伤，发生频率较低。,b.物理因素,由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。,c.化学因素,脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成I。烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。断链剂：如过氧化物，巯基化合物等,可引起DNA链的断裂。,2）DNA突变的类型,3）DNA突变的效应,同义突变：基因突变导致mRNA密码子第三位碱基的改变但不引起密码子意义的改变，其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变，但有时可引起翻译效率降低。误义突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换，其意义发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。无义突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换而改变成终止密码子，引起多肽链合成的终止。移码突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。,2、损伤的修复,DNA损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类.,1）直接修复,a.光复活光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。光复活酶识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物,在300600nm可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体打开，使之完全修复，酶解离。b.转甲基作用在转甲基酶的催化下，将DNA上的被修饰的甲基去除。此时，转甲基酶自身被甲基化而失活。c.直接连接DNA断裂形成的缺口，可以在DNA连接酶的催化下，直接进行连接而封闭缺口。,2）取代修复a.切除修复,b.重组修复,这是DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。,c.SOS修复,这是一种在DNA分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，以SOS借喻细胞处于危急状态。DNA分子受到长片段高密度损伤，使DNA复制过程在损伤部位受到抑制。损伤诱导一种特异性较低的新的DNA聚合酶，以及重组酶等的产生。由这些特异性较低的酶继续催化损伤部位DNA的复制，复制完成后，保留许多错误的碱基，从而造成突变。,五、DNA的反转录,DNA反转录由反转录酶催化，反转录酶催化的聚合反应要求有RNA模板、引物、四种dNTP、Mg2+，模板方向35，新链合成方向53。反转录酶是一种多功能酶，其专一性不高，除催化反转录合成DNA外，还具有以下功能：以DNA为模板，合成互补的DNA链，形成DNA双螺旋；具有53，35外切酶活力；有核糖核酸酶H活力,专门水解RNA-DNA杂种分子中的RNA。反转录酶不仅可利用其病毒RNA为模板合成DNA，还可以利用其他RNA为模板合成DNA，因此，该酶可作为工具酶。,反转录过程,第二节 RNA的转录与加工,在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录(transcription)。经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和hnRNA。,一、RNA转录的特点1、不对称性,转录的不对称性就是指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。能够转录RNA的那条DNA链称为有义链(模板链），而与之互补的另一条DNA链称为反义链（编码链）。,有意义链,反意义链,5,5,3,3,5,5,2、连续性,RNA转录时，以DNA作为模板，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行连接。合成的RNA中，如只含一个基因的遗传信息，称为单顺反子；如含有几个基因的遗传信息，则称为多顺反子。3、单向性RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖的模板DNA链的方向为35，而RNA链的合成方向为53。,4、有特定的起始点和终止位点,RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点，特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一个转录单位，通常由转录区和有关的调节顺序构成。,二、参与RNA转录的分子,1、底物四种核糖核苷酸，即ATP，GTP，CTP，UTP。2、模板以一段单链DNA作为模板。3、RNA聚合酶这是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶。该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从53聚合RNA。,1）原核生物的RNA聚合酶,原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即2。亚基与转录起始点的识别有关，而在转录合成开始后被释放，余下的部分（2）被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。,大肠杆菌RNA聚合酶全酶,2）真核生物的RNA聚合酶,真核生物中的RNA聚合酶有三种，均由1012个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，功能也不同。,4、终止因子,蛋白：这是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为50kd。该蛋白因子能识别终止信号，并能与RNA紧密结合，导致RNA的释放。nusA蛋白：为一分子量69kd的酸性蛋白，它能与RNA及RNA聚合酶相结合，在终止部位使两者被释放。5、激活因子目前已知激活因子为降解产物基因激活蛋白（CAP），又称为cAMP受体蛋白（CRP）。是一种二聚体蛋白质，亚基分子量为23kd。该蛋白与cAMP结合后，刺激RNA聚合酶与起始部位结合，从而起始转录过程。,三、RNA转录过程1、识别,原核生物RNA聚合酶中的因子识别转录起始点（启动子），并促使核心酶结合形成全酶复合物。被辨认的区段就是位于转录起始点-35区的TTGACA序列(通用启动子的)。酶与该区结合后，即滑动至-10区的TATAAT序列（Pribnow盒），并启动转录。位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA顺序称为启动子（promoter）。,原核生物中转录起始区的共同序列,真核生物的转录起始,真核生物的转录起始区上游也存在一段富含TA的顺序，被称为Hogness盒或TATA盒。除此之外，在真核生物中还可见到其他带共性的序列，如CAAT盒及GC盒等。真核生物的转录起始较为复杂。目前已知RNA聚合酶至少有六种不同的蛋白因子参与转录复合体的形成。这些蛋白因子被称为转录因子（transcriptional factor,TF)。包括 TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TF-I。,2、起始,RNA聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化ATP或GTP与另外一个三磷酸核苷聚合，形成第一个3,5-磷酸二酯键。3、延长因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。,RNA转录的延长,4、终止,RNA转录合成的终止机制有两种：自动终止模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。,4、终止,依赖辅助因子的终止由终止因子(因子)识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。DNA链上提供转录终止信号的序列叫做终止子，都具有发卡结构。协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子则称为终止因子.有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶得以越过终止子继续转录，这种现象称为通读。这类引起抗终止作用的蛋白叫抗终止因子。,四、RNA的加工1、转录后mRNA的加工1）加帽(adding cap),加帽发生在细胞核内，即在mRNA的5-端加上m7GTP的结构。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸(鸟苷酰转移酶)，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。,2）加尾(adding tail),加尾也在细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去3-端一些过剩的核苷酸，然后由多聚腺苷酸聚合酶加入polyA。polyA结构与mRNA的半寿期有关。3）剪接（splicing）真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因。结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序被称为外显子，而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为内含子。,真核生物mRNA的转录后加工修饰,4）内部甲基化,由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲基化处理。,2、转录后tRNA的加工,主要有以下几种加工方式切断剪接化学修饰,3、转录后rRNA的加工,一般以大片段形式转录，其中包括多种rRNA，通过间隔区或tRNA分开，转录后经修饰、剪切形成成熟rRNA。真核生物在核仁中完成。,第三节 蛋白质的生物合成,蛋白质的生物合成，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体地解译为蛋白质中氨基酸的排列顺序，这一过程被称为翻译(translation)。,一、蛋白质合成的分子基础,生物体内的各种蛋白质都是利用约20种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，指导蛋白质的合成；mRNA决定多肽链中氨基酸的排列顺序。tRNA：在蛋白质合成时负责氨基酸的转运。核糖体（核蛋白体）：作为蛋白体生物合成的场所，负责蛋白质的合成。酶及其他蛋白质因子：催化、协助蛋白质的合成及合成后的加工及到位。供能物质及无机离子。,1、蛋白质合成的模板mRNA,mRNA编码区内每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体称为密码子(coden)。共有64种不同的密码子。mRNA的碱基排列顺序 三联体密码（遗传密码）蛋白质的氨基酸排列顺序,1）遗传密码的特点连续性,遗传密码不重叠、无标点。The genetic code is based on the sequence of bases along a nucleic acid.,2）遗传密码的通用性,遗传密码通用；但在线粒体或叶绿体中特殊，也有偏好。,3）遗传密码的简并性,一种氨基酸有多种同义密码的现象称为密码简并性，它对保持物种的遗传稳定性具有重要意义。同义密码：同一氨基酸具有两种以上的不同密码子。Each codon,a sequence of 3 bases in mRNA,codes for a particular amino acid,or for chain termination.Some amino acids are specified by 2 or more codons.Synonyms(multiple codons for the same amino acid)in most cases differ only in the 3rd base.相似的碱基编码相同的氨基酸。Similar codons tend to code for similar amino acids.Thus effects of mutation are minimized.,4）遗传密码的方向性及起始密码子与终止密码子,方向性：即密码子的解读方向为5 3。起始密码子：AUG（也是Met的密码子）。终止密码子：UAG、UAA、UGA。,5）遗传密码的摆动性/变偶性,摆动性：密码子与反密码子识别时有些碱基的配对碱基多样。主要是密码子第三位的碱基与反密码子的摆动配对（非严格配对）。Wobble during reading of the mRNA allows some tRNAs to read multiple codons that differ only in the 3rd base.,遗传密码的摆动性,2、蛋白质合成的氨基酸载体tRNA,在氨酰tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨酰tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码子，此三联体称为反密码子(anticoden)。,1）tRNA反密码子的识别,反密码子对密码子的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A-U，G-C配对。但反密码子的第一个核苷酸与密码子的第三个核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则：如反密码子第一个核苷酸为，则可与A、U或C配对；如反密码第一个核苷酸为U，则可与A或G配对。这种配对称为不稳定配对/摆动配对。,反密码与密码之间的不稳定配对,2）起始tRNA,能够识别mRNA中5端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰甲硫氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带甲硫氨酸的tRNA，即tRNAimet。在原核生物和真核生物中，都存在另一种携带甲硫氨酸的tRNA，识别非启动部位的甲硫氨酸密码子AUG，即tRNAmet。,3、蛋白质合成的场所核糖体,核糖体是蛋白质合成的场所原核核糖体70S 50S大亚基：5S rRNA，23S rRNA和 35种蛋白质 30S小亚基：16S rRNA和21种蛋白质真核核糖体80S 60S大亚基：28S rRNA，5.8S rRNA，5S rRNA和约50种蛋白质 40S小亚基：18S rRNA和约33种蛋白质,核糖体的功能,核糖体的大、小亚基分别有不同的功能。可以形成多聚核糖体。小亚基：可与mRNA、GTP和起始tRNA结合。大亚基：具有两个不同的tRNA结合点和转肽酶活性A位(右)：受位或氨酰基位，可与新进入的氨酰-tRNA结合；P位(左)：给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰-tRNA结合。转肽酶活性将给位(P位)上的肽酰基转移给受位(A位)上的氨酰-tRNA，形成肽键。它具有GTPase活性，通过水解GTP获得能量；还有起始因子、延长因子及释放因子的结合部位。,4、蛋白质合成所需的其它因子1）起始因子Initiation Factor,起始因子是一些与多肽链合成起始有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。真核生物中存在9种起始因子（eIF）。起始因子的作用主要是促进核糖体小亚基与起始tRNA及模板mRNA相结合。,2）延长因子Elongation Factor,原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种延长因子（EF1，EF2）。延长因子的作用主要是在多肽链延伸过程中，促使氨酰-tRNA进入核蛋白的受位，并可促进移位过程。,3）释放因子Release Factor,原核生物中有4种释放因子，真核生物中只有1种释放因子。释放因子的主要作用是识别终止密码子，协助多肽链的释放。,5、氨酰tRNA合成酶,氨酰-tRNA合成酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨酰-tRNA的合成有关。每种氨酰-tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带此氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码(遗传密码第二)。,Aminoacyl-tRNA Synthetase(aaRS),Domains of tRNA recognized by an aaRS are in the acceptor stem&anticodon loop.,6、供能物质和无机离子,多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。,二、蛋白质的翻译,翻译时，mRNA从5-端向3-端解读，合成的多肽链从N-端向C-端延伸。在翻译前，先要使所需的氨基酸活化形成氨酰-tRNA。氨酰-tRNA合成酶催化特定氨基酸与特定tRNA的3-腺嘌呤核苷酸的2-或3-OH通过高能酯键结合；一种tRNA专一携带一种氨基酸；一种氨基酸可分别被几种tRNA专一携带；tRNA凭借自身的反密码子与mRNA上的密码子相识别，从而把携带的氨基酸定位在肽链的特定位置上。,1、氨基酸的活化与装载,氨基酸的活化与装载由氨酰tRNA合成酶催化。反应分两步进行。第一步：氨基酸+ATP 氨酰-AMP+PPi,氨基酸的活化与装载,第二步：氨酰-AMP 氨酰-tRNA+AMP,氨酰-tRNA的正确装载,氨酰tRNA合成酶对氨酰-tRNA正确装载的作用主要通过两种机制来完成：酶对底物的专一性纠错部位对错配 氨基酸的水解,氨酰-tRNA的作用,在此反应中，特异的tRNA3端CCA上的2或3位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨酰-tRNA，从而使活化的氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。氨酰-tRNA的合成，可使氨基酸 活化；搬运；定位。,2、蛋白质合成的起始1）核糖体小亚基与mRNA结合形成起始复合物,起始因子与小亚基的结合起始甲硫氨酰tRNA的引入小亚基与mRNA起始位点的结合先识别后结合：真核生物核糖体小亚基先与mRNA 5端结合，然后向另一端滑动直到起始甲硫氨酰tRNA反密码子找到结合位点。具有类似GCCGCCpurCCAUGG的序列增强起始反密码子与AUG的结合。原核生物有多个翻译起始位点，起始位置的识别受SD序列（富含嘌呤碱基）的促进。,2）大亚基与起始复合物的结合,起始因子催化GTP水解，使大亚基和起始复合物结合，同时释放起始因子。,3、多肽链的延伸,延伸因子催化氨酰-tRNA与密码子结合 在氨酰-tRNA识别密码子后，EF-Tu-GTP（真核EF-1-GTP）使氨酰-tRNA与A位点密码子结合，同时放出GDP。EF-Tu-GTP+氨酰-tRNA EF-Tu+GDP+A-氨酰-tRNAEF-Tu-GTP的再生 由EF-Ts催化（真核EF-1）。EF-Tu+GTP EF-Tu-GTP EF-1+GTP EF-1-GTP,多肽链的延伸,肽酰转移酶催化肽键的形成 EF-Tu脱离核糖体后，核糖体RNA即催化新掺入的氨酰-tRNA的氨基与前一个氨基酸的羰基反应。核糖体的移位 由移位因子EF-G(真核EF-2)催化,需要GTP，相当于使A位点的空出，使之可进一步结合新的氨酰tRNA。而在P位点上，则形成了肽酰tRNAiMet。A位点再引入氨酰tRNA重复以上五步反应，直到终止密码子进入A位点。,肽链合成的起始与延伸,4、翻译的终止,终止密码子进入A位点核糖体催化活性改变 多肽释放因子识别终止密码子，引起核糖体大亚基活性改变，使P位点多肽脱离tRNA。核糖体解离 核糖体释放因子催化核糖体脱离mRNA。,原核生物与真核生物中蛋白质的合成,5、多核糖体结构,多核糖体：一条mRNA上结合有多个核糖体的念珠状结构。许多核糖体可同时翻译，提高mRNA的翻译效率。,附：原核生物的核蛋白体循环,活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。核蛋白体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物中类似，现以原核生物中的过程加以介绍。起始密码子：AUG；起始氨酰-tRNA：甲酰甲硫氨酸fMet-tRNAf。,1）起动阶段,30S起始复合物的形成：在起始因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起始部位、起始tRNA（fmet-tRNAfmet）和GTP结合，形成起始复合体。通过SD序列（mRNA-10位）mRNA+30S亚基 IF3、GTP mRNA-30S复合物；mRNA-30S复合物+fMet-tRNAf IF1,IF2,GTP 30S起始复合物。,30S起始复合物,mRNA的起始部位,原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。,70S起始复合体的形成,70S起始前复合体的形成：IF3从30S起始复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起始前复合体。70S起始复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时，tRNAfmet的反密码 UAC与mRNA上的起始 密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋 白的给位（P位）。,2）肽链延长阶段,进位：与mRNA下一个密码相对应的氨酰tRNA进入核蛋白体的受位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。成肽：在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。,肽链延长阶段,移位：核蛋白体向mRNA的3-端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰-tRNA从受位移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相对应的氨酰-tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。,3）肽链终止阶段,核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。,6、肽链的加工和运输,肽链合成后多数还要经过加工处理，才能变为有生物活性的蛋白质分子，这个过程称为后修饰作用。主要包括：N-端甲酰基以及多余氨基酸的切除；蛋白质内部某些氨基酸的修饰；切除非必需肽段，如信号肽等；糖侧链的连接；辅基等的附加；二硫键的形成。,1）一级结构的加工修饰,N端甲酰甲硫氨酸或甲硫氨酸的切除N端甲酰甲硫氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。去甲酰化 甲酰化酶 甲酰甲硫氨酸-肽 甲酸+甲硫氨酸-肽去甲硫氨酰基 甲硫氨酸氨基肽酶 甲硫氨酰-肽 甲硫氨酸+肽,一级结构的加工修饰,氨基酸的修饰 由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。二硫键的形成 由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。肽段的切除 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。,2）高级结构的形成,构象的形成 在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。亚基的聚合辅基的连接,3）蛋白质合成后的到位,蛋白质的到位：蛋白质在核糖体上合成后，被送往细胞的各个部位去执行生理功能的过程。蛋白质合成后到位的信息由其自身决定，如信号肽、糖基化等。原核细胞蛋白质的去向：胞浆、质膜、胞外。真核细胞游离核糖体合成：胞浆、线粒体、叶绿体、细胞核蛋白质；内质网核糖体合成：胞外、质膜、溶酶体的蛋白质。,靶向输送,蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。常见的信号肽由10-40个氨基酸残基组成，N端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水的核心区，而C端由小分子氨基酸残基组成，可被信号肽酶识别并裂解。分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号识别颗粒SRP识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的对接蛋白DP识别并结合，将所携带的蛋白质送出细胞。,分泌型蛋白质的靶向输送,