核酸与蛋白质的生物合成.ppt

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1、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

2、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

3、，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

4、、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

5、，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

6、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

7、，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，

8、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

9、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

10、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，

11、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。

12、,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

13、。,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

14、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

15、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

16、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3

17、5，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

18、，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

19、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RN

20、A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

21、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

22、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。,

23、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）

24、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

25、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

26、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

27、 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

28、 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

29、）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

30、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，

31、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、

32、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

33、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

34、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

35、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

36、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

37、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

38、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

39、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

40、-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

41、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，

42、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

43、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

44、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,