核酸与蛋白质的生物合成

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,*,*,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

2、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

3、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50～100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,

4、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5’→3’方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须为3’→5’。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3‘→5’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5‘→3’，这一条链被称为前导链(,leading strand,)。而以5‘→3’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

5、也是5‘→3’，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1000～2000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template,,DNA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

6、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polymerase,1） 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

7、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Ⅰ(polⅠ)、DNA聚合酶Ⅱ(polⅡ)、DNA聚合酶Ⅲ(polⅢ)，这三种酶都具有多种酶活性。参与DNA复制的主要是polⅢ和polⅠ。,,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5‘→3’聚合酶活性和3‘→5’外切酶的活性，小片段具有5‘→3’外切酶活性。,,polⅢ由十种亚基组成，其中α亚基具有5'→3'聚合酶活性，因而具有复制DNA的功能；而ε亚基具有3'→5'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D

8、NA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α(polα)、DNA聚合酶β(polβ)、DNA聚合酶γ(polγ)、DNA聚合酶δ(polδ)、DNA聚合酶ε(polε)。,,其中，参与染色体DNA复制和修复的是polδ（延长前导链和后随链）和polε（延长后随链），参与线粒体DNA复制和修复的是polγ，polα与引物的合成有关， polβ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

9、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

10、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Ⅰ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Ⅱ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,

11、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3‘→5’方向的亲代DNA链为模板，从5‘→3’方向延伸子代DNA链。在原核生物中，

12、参与DNA复制延长的是,DNA聚合酶Ⅲ,；而在真核生物中，是,DNA聚合酶δ,(延长后随链)和,ε,（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Ⅰ,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，

13、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

14、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

15、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

16、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300～600nm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

17、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

18、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、Mg,2+,，模板方向3´→5´，新链合成方向5´→3´。,,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5´→3´， 3´→5´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

19、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,RN

20、A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3‘→5’，而RNA链的合成方向为5‘→3’。,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

21、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5'→3'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α2ββ'σ。,,σ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（α2ββ'）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10～12个大小不同的亚基所组成，结构非常

22、复杂，功能也不同。,4、 终止因子,ρ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σ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

23、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Ⅱ至少有六种不同的蛋白因子参与转录复合体的形成

24、。这些蛋白因子被称为转录因子（transcriptional factor, TF)。包括 TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-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,,σ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,RN

25、A,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(,ρ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

26、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

27、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：,,①,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

28、列顺序。,,②,tRNA,：在蛋白质合成时负责氨基酸的转运。,,③,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。,,④,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。,,⑤,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 bas

29、ed 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 spec

30、ified by 2 or more codons.,Synonyms,(multiple codons for the same amino acid) in most cases differ only in the 3,rd,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）

31、。,,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。

32、,,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Ⅰ，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tRN

33、A,。,,在原核生物中，,起始,tRNA是一种携带甲酰甲硫氨酸的tRNA，即tRNA,i,fmet,；而在真核生物中，,起始,tRNA是一种携带甲硫氨酸的tRNA，即tRNA,i,met,。,,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tRNA,met,。,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

34、 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

35、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（EFT,U,，EFT,S,，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

36、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

37、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Mg,2+,、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

38、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-tR

39、NA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,,,①活化；②搬运；③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,GCCGCCpurCC,AUG

40、,G,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-tRNA,,EF-Tu-GTP的再生,,由EF-Ts催化（真核EF-1）。,,EF-Tu +

41、 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tRNAi,Met,。,,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

42、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

43、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-tRNA,f,。,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-tRNA,fmet,）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-tRNA,f,,IF1,IF2,GTP,,30S,起始复合物。,30S起始复合物,mRNA的起始部位,原

44、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，,,tRNA,fmet,的反密码,,UAC与mRNA上的起始,,密码AUG互补结合，,,tRNA,fmet,结合在核蛋,,白的给位（P位）。,2）肽链延

45、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，Mg,2+,，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α-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg,2+,，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Mg,2+,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

46、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

47、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

48、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,