三、氨基酸和蛋白质的生物合成（一）氨基酸的生物合成（二）蛋白质的生物合成 蛋白质的生物合成在细胞代谢中占有十分重要的地位。以大肠肝菌为例,蛋白质占细胞干重50%左右,每个细胞约有3000种不同的蛋白质分子,每种蛋白质又有无数分子,而大肠肝菌的分裂周期不过20分钟,可见蛋白质合成速度之快。 按中心法则,DNA贮存遗传信息传递给mRNA,mRNA是蛋白质合成的模板,但是mRNA蛋白质之间遗传信息的传递并不像转录的碱基配对那样简单。 从mRNA的核苷酸顺序到多肽链上的AA顺序,即蛋白质合成过程称为翻译或转译（Translation)。 翻译的过程非常复杂,几乎涉及到细胞内所有种类的RNA和几十种蛋白质因子。 1、遗传密码的基本单位：密码子 密码子：编码确定一个氨基酸的核苷酸的三联体顺序。 从数理上讲，密码子必须是3个或3个以上核苷酸顺序。 密码子的确定与密码表 Nirenborg,1961开始，1965完成。 1）用随机多核苷酸顺序确定，体外翻译 2）用tRNA-AA-核糖体结合法确定 3）用重复序列多核苷酸确定。 结果：密码表 密码子的方向：53 三联体密码的破译 1954年Gamov确认核酸分子中三个碱基决定一个氨基酸 1961年Crick等用遗传学方法也证实三联体密码子学说是正确的 Nirenberg以均聚物共聚物为模板指导多肽的合成,寻找到了破译遗传密码的途径Khorana以共聚物指导多肽的合成，加快了破译遗传密码的步伐以均聚物为模板指导多肽的合成 Poly U 为模板，产生的多肽链为Poly Phe Poly A 为模板，产生的多肽链为Poly Lys Poly C 为模板，产生的多肽链为Poly Pro 以特定的共聚物为模板指导多肽的合成以特定的共聚物为模板指导多肽的合成 （1）以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽,如以Poly UG 为模板，合成产物为Poly Lys-Val。 （2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨基酸组成的多肽。 遗传密码的基本特点（1）通用性 病毒、原核生物、真核生物都使用同样的密码子。到目前为止,只发现线粒体、叶绿体与纤毛原生动物相同，其遗传密码有个别的变化。 （2）简并性 多个密码子编码同一AA. or : 一个AA可以被1个以上的密码子编码的性质。编码同一种AA的密码子称为同义密码子. e.g. Glu: CAA CAG ; Asp: GAU GAC; Leu 、Ser有6个code. 意义：可忍受置换突变，增加遗传稳定性。 （3）不重叠性 阅读框架确定后，相邻的密码子互不重叠。 CAA GAU GACCAG 不会读成：C AAG AUG ACC AG （4）密码子之间无分隔. 密码子之间没有任何信号加以隔开, 如果在中间插入或减少一个碱基, 就会造成这一位点以后的读码发生错误, 即移码。 可解变阅读框架，增加DNA信息量。 （5）特殊密码子 64个code中，有61个编码AA 3个终止密码子：UAG、UAA、UGA 起始密码子：AUG 唯一密码子：AUG（Met)、UGG(Trp) （6） 摆动性（变偶性） 密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定，tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时，密码子的第一、二位碱基是严格的，第三位碱基可以有一定的变动（要求不严格）。Crick称这一为变偶性（wobble） tRNA的反密码子中5含有I、I对mRNA密码子的3碱基要求不严格。I 能与U、C、A形成氢键配对，e.g. tRNAArg5ICG3 反密码子3G C I G C I G C I 密码子5C G A C G U C G C 均为Arg 通过一系列考查,Crick得出结论: 大多数密码子的第三个碱基与它的反密码子相对应的碱基（5）之间配对是比较疏松的,这些密码子的第三个碱基具有摆动性,称为摆动假说,也叫变偶假说。 (1)密码子由前两个碱基决定专一性。 (2)反密子的第一个碱基（5-）决定tRNA识别密码的数目： C、A 识别一种 G、U 识别二种 I 识别三种 （3）翻译20种AA的61个密码子最少有32种tRNA。 2、蛋白质合成体系的组分 细胞内蛋白质合成需要大约200多种生物大分子来协同完成。其中包括mRNA、tRNA、rRNA及核糖体以及许多酶和辅助因子。 （1）mRNA 方向53与AA：NC 相对应。 多肽链的蓝图，密码子载体。 （2）tRNA 被氨酰-tRNA合成酶识别，专一运载氨基酸的氨酰基 反密码子,识别mRNA链上的密码子 连接多肽链与核糖体 tRNA与mRNA之间存在变偶性：一种tRNA可以识别一种以上的同一氨基酸的密码子。 （3）核糖体 70S核糖体(30S-50S),含有两个结合部位: 氨酰基部位: A位，氨酰-tRNA结合部位 肽基部位：P位，多肽基tRNA的结合部位 A位、P位有一小部分在30S亚基内,大部分在50S亚基内。 （4）辅助因子 起始因子：IF1、IF2 、IF3 、e1F2 参与起始 延长因子: EF-TU 、EF-TS，EF-G参与多肽合成 终止因子：RE1、RE2、eRF 释放完整的肽链 ( IF: Initial Factors EF: Extent Factors RF: Release Factors ) 3、多肽链的生物合成 （1）氨基酸的活化 两AA之间不能直接形成肽键,这一能障是通过活化AA形成活化中间体：氨酰tRNA加以克服。在蛋白质合成中,必须经过活化才能形成肽键。 有两个意义: 1.AA只有与自已相对应的tRNA连接，才能运转至核糖体,才能识别mRNA上的密码子。运输与识别，保证合成准确性。 2.氨酰键储存了能量，具有相当高的转移势能,用于以后肽键的形成。也就降低了形成肽键的能障。 （2）起始氨酰-tRNA的形成 真核生物中起始AA是Met（甲硫氨酸） 原核生物中起始AA是fMet（N-甲酰甲硫氨酸） 两类生物中，起始密码子只有1个：AUG 原核生物： 识别起始密码子AUG的tRNA 为：tRNAffMet 它与fMet组成起始氨酰-tRNA: fMet-tRNAf fMet 识别非起始AUG（中间的）的tRNA表示为： tRNAmMet 它携带Met, 组成中间的氨酰-tRNA: Met-tRNAmMet 真核生物：起始 Met-tRNAiMet 中间 Met-tRNAmMet fMet-tRNAffMet分两步形成:(1)Met + tRNAfMet+ ATPMet tRNAffMet-AMP + Ppi合成酶 (2)转甲酰酶、甲酰甲氢叶酸为甲酰基供体形成fMet-tRNAfffMet 两种tRNA者都带有相同的反密码子3UAC5, 是如何识别起始和内部的AUG ？ 1）核糖体小亚基内16S rRNA与起始密码子AUG前一段有互补的SD序列即AGGAGGU，这样16S rRNA便起着选择起始密码子的作用。 2）转甲酰酶只能催化fMet与tRNAfffMet的结合。 3）fMet的-NH2甲基化，不能与AA形成肽键，不可能在中间出现。 3、原核生物多肽链合成过程（1）肽链合成起始 形成一个具有肽链合成功能的70S起始复合物： ( mRNA-fMet-tRNAffMet-70S核糖体-IF1、2、3) 1） 30S-mRNA复合物的形成 核糖体分解成30S、50S两个亚基; IF3与30S亚基结合，使30S与50S不能结合; 30S.IF3结合到mRNA上,使AUG正确定位于P位内,形成30S、mRNA复合物 mRNA的SD序列与16S rRNA 3互补,确定起始AUG。 2）30S预起始复合物的形成 fMet-tRNAffMet与GTP+IF2结合到30S mRNA的复合物上,形成预起始复合物。 fMet-tRNAffMet座落在P位 起始tRNA的反密码子与mRNA的AUG配对。 IF1协助GTP-IF2再生 3）70S起始复合物的形成 50S结合到30S预起始物上,结合在IF2上的GTP被水解成GDP和Pi并被释放。IF3、IF2也离开核糖体,结果便形成了一个包含有mRNA和起始fMet-tRNAffMet在内的有功能的70S核糖体,称为70S起始复合物。 此时状态：P位占满,A位空着。核糖体A、P位占据2个密码子位置 （2）肽链的延长 参与的组分: 70S起始复合体； 多种氨酰-tRNA; 延长因子EF-Tu, EF-Ts、EF-G GTP。 以循环的方式将AA加到正在合成的肽链的羧基端，形成肽键。 每一循环分为四步: 进位、转肽、移位、脱落 1.进位：新的（第2个）氨酰-tRNA进入核糖体A位 (1)EF-TU、GTP与氨酰tRNA结合形成三元复合物：氨酰-tRNA.EF-Tu.GTP, 然后进入A位氨酰-tRNA的反密码子与mRNA上处于A位的密码子配对,GTP水解成GDP和Pi，同时EF-TU、GDP释放出来。 (2) EF-TU.GTP复合物再生 EF-TU.GDP + EF-TS EF-TU.EF-TS + GDP EF-TU.EF-TS + GTP EF-TU.GTP + EF-TS 消耗1个GTP (3) fMet-tRNAffMet不能与EF-TU.GTP结合,所以fMet不会参与到肽链的中间合成中。 2. 转肽：肽键的形成 氨酰-tRNA进入核糖体A位以后,P位与A位均被占满：P（fMet-tRNAffMet) A(AA2-tRNAAA2) P位的fMet-fRNAfMet上的fMet在肽基转移酶的作用下转移到A位上的AA的氨基上,从而形成第一个肽键。 结果:A位上形成一个二肽基-tRNA, P位是空载的tRNAffMet (空的起始tRNA） 3. 移位 EF-G、GTP与核糖体结合推动核糖体沿mRNA 53方向移动一个密码子的距离. 结果： 二肽基tRNA从A位进为P位,仍与mRNA结合； 原来在P位中的tRNAfMet便离开P位露出； mRNA上的下一个(第3个）密码子恰好处于核糖体的A位,供下一个氨酰-tRNA的进位。 EF-G也称移位酶，消耗1个GTP。 4.脱落：露出核糖体的空载tRNA从mRNA上脱落。 （3）肽链合成的终止及释放 当核糖体沿mRNA移动至终止密码子(UAA、UAG、UGA)进入A位时，再没有氨酰-tRNA进位，肽链的延长停止。 终止因子: RF1, 识别UAA、UAG RF2, 识别UAA、UGA RF3与GTP结合，并水解GTP,用其能量促进多肽链释放。 分三个阶段: 1.终止因子RF1 or RF2进入A位与终止密码子结合。 2.多肽链的释放：RF1 or RF2诱导肽基转移酶将位于P位tRNA上的多肽基转移到H2O分子上，RF3-GTP作用使多肽链与最后一个tRNA脱离并离开核糖体，终止因子与空载的tRNA也离开。 3. 70S核糖体解离 多肽合成所需的能量： 氨基酸活化 2 ATP （ATPAMP） 起始 1 GTP 延长 2 GTP（进位1、移位1） 终止 1 GTP n个AA的多肽：2N+2（N-1）+2 = 4N 真核生物多肽链合成的特点与原核细胞相比有如下不同：1）核糖体为80S（40S+60S），以多聚核糖体形式进行。2）起始AA、起始tRNA不同，Met-tRNAiMet3）原核生物合成多肽受抗菌素抑制，真核不受抑制。4）真核肽链合成的起始：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AUG；5）能量供体不同：原核GTP、真核ATP6）真核IF有12种、但只有2种EF和1种RF。7）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。 肽链合成后的加工新生肽链不具有生物活性，不是最后产物,要加以修饰。 主要有以下方式: 1.末端修饰 原核生物中的fMet、真核生物中的Met被酶切除 去甲酰基酶 甲酰甲硫氨酰肽-甲酸+甲硫氨酰肽 Met氨肽酶 甲硫氨酰肽-多肽+Met 真核生物中50% N端被乙酰化,C端有时也修饰。 2.信号肽的切除 多肽上N端一段用于多肽穿膜运输的肽链（18-35aa)，由疏水AA组成的特殊序列。 3. 氧化形成二硫键，再形成二级或高级结构 4.部分中间肽段的切除：有利于形成作用中心 5.个别AA的修饰：甲基化、-OH、-COOH、磷酸化 6. 其它基团添加：糖基侧链、金属离子、辅基 总结：Pro生物合成的5个阶段 1. AA活化ATPAMP, AA-AMP.E氨酰-tRNA 2.形成70S起始复合物：mRNA.30S+fMet-tRNAfMet.50S大亚基，AUG定位于P位。 3.肽链的延长:进位：氨酰-tRNAA位 转肽：肽基转移到A位、形成肽链 移位：核糖体移动一个code 脱落：空的tRNA脱离mRNA 4.终止与释放:核糖体沿mRNA移动至它的A位遇终止密码停止合成,释放新生的肽链。 5合成后的修饰与加工