第十五章蛋白质的合成 第三节核糖体 核糖体又称核蛋白体,它是蛋白质合成的场所:标记各种aa,注入大鼠体内,在不同时 间取出肝脏,匀浆,离心分离各种亚细胞器,分析放射性蛋白的分布,证实蛋白质的合成是 在核糖体上进行的。对于真核细胞来说,核糖体按其在细胞质中的位置分为游离核糖体(合 成细胞质蛋白)和内质网核糖体(合成分泌蛋白和细胞器蛋白)。 不论原核细胞还是真核细胞,一条mRNA可以被同时几个核糖体阅读,把同时结合并翻 译同一条mRNA的多个核糖体称为多核糖体。 核糖体的结构与组成 核糖体是由核糖核酸(称为核糖体核酸,rRNA)和几十种蛋白质分子(核糖体蛋白)组 成的一个巨大的复合体。不同类型生物中核糖体的结构高度保守,尽管其rRNA和核糖体蛋 白的一级结构有所不同,但其三级结构却惊人的相似 核糖体的大亚基上有两个重要的位点:P位点是结合肽酰tRNA的肽酰基的位点,A位 点是结合氨酰tRNA的氨酰基的位点。 每个核糖体是由大小两个亚基组成,每个亚基都有自己不同的rRNA和蛋白质分子,表 P307 二、rRNA与核糖体蛋白的结构与功能 (一)、rRNA的结构与功能 结构:有大量的茎环(发夹)结构,结构复杂,可能是核糖体的钢筋骨架。 功能: (1)蛋白质合成的施工平台(骨架) (2)催化肽键形成的转移酶活性存在于23SRNA上 有人小心的去掉细菌核糖体的蛋白质组分,保持rRNA的相对完整性,发现蛋白质的合 成仍可进行。 (3)参与tRNA与mRNA的结合 可能的情况是:mRNA先识别rRNA的特定序列并结合固定下来,然后tRNA再识别并固 定到rRNA特定的部位,其反密码子才与mRNA密码子配对。已经知道16SRNA上有一段 序列与原核mRNA上的SD序列相结合 (4)在大小亚基的聚合中起重要作用
6 第十五章 蛋白质的合成 第三节 核糖体 核糖体又称核蛋白体，它是蛋白质合成的场所：标记各种 a.a，注入大鼠体内，在不同时 间取出肝脏，匀浆，离心分离各种亚细胞器，分析放射性蛋白的分布，证实蛋白质的合成是 在核糖体上进行的。对于真核细胞来说，核糖体按其在细胞质中的位置分为游离核糖体（合 成细胞质蛋白）和内质网核糖体（合成分泌蛋白和细胞器蛋白）。 不论原核细胞还是真核细胞，一条 mRNA 可以被同时几个核糖体阅读，把同时结合并翻 译同一条 mRNA 的多个核糖体称为多核糖体。 一、 核糖体的结构与组成 核糖体是由核糖核酸（称为核糖体核酸, rRNA）和几十种蛋白质分子（核糖体蛋白）组 成的一个巨大的复合体。不同类型生物中核糖体的结构高度保守，尽管其 rRNA 和核糖体蛋 白的一级结构有所不同，但其三级结构却惊人的相似。 核糖体的大亚基上有两个重要的位点：P 位点是结合肽酰 tRNA 的肽酰基的位点，A 位 点是结合氨酰 tRNA 的氨酰基的位点。 每个核糖体是由大小两个亚基组成，每个亚基都有自己不同的 rRNA 和蛋白质分子，表 P307 二、 rRNA 与核糖体蛋白的结构与功能 (一)、 rRNA 的结构与功能 结构：有大量的茎环（发夹）结构，结构复杂，可能是核糖体的钢筋骨架。 功能： （1）蛋白质合成的施工平台（骨架） （2）催化肽键形成的转移酶活性存在于 23SrRNA 上 有人小心的去掉细菌核糖体的蛋白质组分，保持 rRNA 的相对完整性，发现蛋白质的合 成仍可进行。 （3）参与 tRNA 与 mRNA 的结合 可能的情况是：mRNA 先识别 rRNA 的特定序列并结合固定下来,然后 tRNA 再识别并固 定到 rRNA 特定的部位，其反密码子才与 mRNA 密码子配对。已经知道 16SrRNA 上有一段 序列与原核 mRNA 上的 SD 序列相结合。 （4）在大小亚基的聚合中起重要作用
第十五章蛋白质的合成 (5)在翻译的校正和翻译的调控方面有重要功能(如可结合调控因子) 总的来说,RNA分子似乎是整个核糖体的活跃的活性中心。 (二)、核糖体蛋白的结构与功能 结构ε大多数核糖体蛋白呈纤维状(可能起骨架作用),少数呈球状(可能起生物功能)。 功能: (1)维持核糖体的结构 (2)新发现:一些核糖体蛋白具有DNA结( helix-tum-lleiⅸ模块);还有些真核核糖 体蛋白具有DNA修复功能 问题: 既然蛋白质是在核糖体中合成的,那么第一个核糖体中的蛋白组分又是怎样合成的?第 个核糖体又是怎样出现的? 先有DNA还是先有蛋白质? 大多数科学家越来越支持RNA起源论,既然核糖体中既有蛋白质又有RNA,那么彻底 搞清楚核糖体的结构与功能及其起源也许会弄清生命的起源和演化。 RNA起源论: 第一个生活细胞里出现的是RNA分子,他同时具有信息储藏和生物演化的双重特性,也 就是说既可以在一定程度上复制自己,又可以催化一些最初的生化反应,后来,随着活细胞 的进化,DNA逐渐出现并成为更为稳定的遗传信息储存分子。 第四节蛋白质合成的机理 真核生物和原核生物在蛋白质合成方面有许多共同之处,因此,我们先学习蛋白质合成 的一般过程,然后分别看一下原核和真核蛋白质合成的具体过程。 游离氨基酸在掺入肽链以前必须活化以获得额外的能量,每一种游离氨基酸首须在专 的氨酰tRNA合成酶的帮助下与专一的tRNA相连(有人称装载,LOAD),然后由tRNA负 责将它带到核糖体上的特定位点(A位点上)并添加到正在合成的肽链C末端,这种从游离 氨基酸到形成氨酰tRNA的过程既是氨基酸的活化过程,也是肽链每合成一步或延伸一步的 必经准备阶段。下边我们先看一下这个过程是怎样完成的? 氨酰tRNA合成酶:氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成 基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白质生物合成的第一步,由氨酰tRNA合成酶催化。 氨酰tRNA合成酶既能识别氨基酸,又能识别tRNA
7 第十五章 蛋白质的合成 （5）在翻译的校正和翻译的调控方面有重要功能（如可结合调控因子） 总的来说，RNA 分子似乎是整个核糖体的活跃的活性中心。 (二)、 核糖体蛋白的结构与功能 结构：大多数核糖体蛋白呈纤维状（可能起骨架作用），少数呈球状（可能起生物功能）。 功能： (1)维持核糖体的结构 (2)新发现：一些核糖体蛋白具有 DNA 结（Heilix—turn—Heilix 模块）；还有些真核核糖 体蛋白具有 DNA 修复功能 问题： 既然蛋白质是在核糖体中合成的，那么第一个核糖体中的蛋白组分又是怎样合成的？第 一个核糖体又是怎样出现的？ 先有 DNA 还是先有蛋白质？ 大多数科学家越来越支持 RNA 起源论，既然核糖体中既有蛋白质又有 RNA，那么彻底 搞清楚核糖体的结构与功能及其起源也许会弄清生命的起源和演化。 RNA 起源论： 第一个生活细胞里出现的是 RNA 分子，他同时具有信息储藏和生物演化的双重特性，也 就是说既可以在一定程度上复制自己，又可以催化一些最初的生化反应，后来，随着活细胞 的进化，DNA 逐渐出现并成为更为稳定的遗传信息储存分子。 第四节 蛋白质合成的机理 真核生物和原核生物在蛋白质合成方面有许多共同之处，因此，我们先学习蛋白质合成 的一般过程，然后分别看一下原核和真核蛋白质合成的具体过程。 游离氨基酸在掺入肽链以前必须活化以获得额外的能量，每一种游离氨基酸首须在专一 的氨酰 tRNA 合成酶的帮助下与专一的 tRNA 相连（有人称装载，LOAD），然后由 tRNA 负 责将它带到核糖体上的特定位点（A 位点上）并添加到正在合成的肽链 C 末端，这种从游离 氨基酸到形成氨酰 tRNA 的过程既是氨基酸的活化过程，也是肽链每合成一步或延伸一步的 必经准备阶段。下边我们先看一下这个过程是怎样完成的？ 一、 氨酰 tRNA 合成酶：氨基酸的活化和氨酰 tRNA 的合成 基酸的活化和氨酰 tRNA 的合成是蛋白质生物合成的第一步，由氨酰 tRNA 合成酶催化。 氨酰 tRNA 合成酶既能识别氨基酸，又能识别 tRNA
第十五章蛋白质的合成 (一)、活化 在Mg2+的存在下,氨酰tRNA合成酶首先识别并结合专一的配体氨基酸,然后氨基酸的 羧基与细胞环境中的ATP发生反应形成一个酸酐型的高能复合物(氨酰AMP中间复合物) 该中间复合物暂时结合在酶上 酶 氨基酸+ATP 夙AMP酶+PPI (二)、连接 由于氨酰tRNA合成酶上还存在专一的tRNA识别位点,因此特定的游离tRNA就会识 别并结合到氨酰AMP-酶复合物的活性部位,此时氨基酸就会被转移到tRNA的3端,其羧基 与tRNA3端的自由-OH形成氨酰酯键,从而形成氨酰tRNA,这也是一个高能化合物,其能 量足以形成肽键。由于氨酰tRNA能量低于氨酰AMP,所以这一过程是可以自发的。 氨酰AMP酶PNA 氨酰tRNA+AMP+酶 氨基酸一旦与tRNA形成氨酰tRNA后进一步的去向就由tRNA来决定了,tRNA凭借自 身的反密码子与mRNA上的密码子相识别,从而把所携带的氨基酸送到肽链的一定位置上 每一个密码子对应的肽链位置上都能掺入正确的氨基酸。 结论 (1)氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白质生物合成的第一步,每一种氨基酸在被 掺入肽链之前都首先被活化和连接在专一tRNA上,活化和连接都发生在氨基酸的羧基上。 (2)载体tRNA凭借自身的反密码子与mRNA上的密码子相识别而把所携带的氨基酸 送到肽链的一定位置上 (3)遗传信息是通过mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子间碱基配对作用翻译出 来的 氨酰tRNA合成酶: 每一种氨基酸都有至少一种专一的氨酰tRNA合成酶,它即能识别氨基酸,又能识别 tRNA,从而把特定的氨基酸连到对应的tRNA上,有人也把氨酰tRNA合成酶的双向识别功 能称为第二遗传密码。 不同的氨酰邙RNA合成酶在分子量、氨基酸序列、亚基组成上差异较大。它是如何识别 氨基酸的呢?仍不甚清楚。一些氨基酸由于结构上的显著特征容易识别如大小不同(Tp与 Gly),带正负电荷( lys, asp),而一些氨基酸结构极其相似,如Ie与val仅差一个甲基。尽 管如此tRNA合成酶也能正确识别,但有时也能错误的形成Val- tUnable,但是每一种氨酰
8 第十五章 蛋白质的合成 (一)、 活化 在 Mg2+的存在下，氨酰 tRNA 合成酶首先识别并结合专一的配体氨基酸，然后氨基酸的 羧基与细胞环境中的 ATP 发生反应形成一个酸酐型的高能复合物（氨酰 AMP 中间复合物）。 该中间复合物暂时结合在酶上。 氨基酸 + ATP 氨酰 AMP-酶 + PPI (二)、 连接 由于氨酰 tRNA 合成酶上还存在专一的 tRNA 识别位点，因此特定的游离 tRNA 就会识 别并结合到氨酰 AMP-酶复合物的活性部位，此时氨基酸就会被转移到 tRNA 的 3 端，其羧基 与 tRNA 3 端的自由-OH 形成氨酰酯键，从而形成氨酰 tRNA，这也是一个高能化合物，其能 量足以形成肽键。由于氨酰 tRNA 能量低于氨酰 AMP，所以这一过程是可以自发的。 氨酰 AMP-酶 氨酰 tRNA + AMP + 酶 氨基酸一旦与 tRNA 形成氨酰 tRNA 后进一步的去向就由 tRNA 来决定了，tRNA 凭借自 身的反密码子与 mRNA 上的密码子相识别，从而把所携带的氨基酸送到肽链的 一定位置上。 每一个密码子对应的肽链位置上都能掺入正确的氨基酸。 结论： （1）氨基酸的活化和氨酰 tRNA 的合成是蛋白质生物合成的第一步，每一种氨基酸在被 掺入肽链之前都首先被活化和连接在专一 tRNA 上，活化和连接都发生在氨基酸的羧基上。 （2）载体 tRNA 凭借自身的反密码子与 mRNA 上的密码子相识别而把所携带的氨基酸 送到肽链的一定位置上 （3）遗传信息是通过 mRNA 上的密码子与 tRNA 上的反密码子间碱基配对作用翻译出 来的 。 氨酰 tRNA 合成酶： 每一种氨基酸都有至少一种专一的氨酰 tRNA 合成酶，它即能识别氨基酸，又能识别 tRNA，从而把特定的氨基酸连到对应的 tRNA 上，有人也把氨酰 tRNA 合成酶的双向识别功 能称为第二遗传密码。 不同的氨酰 tRNA 合成酶在分子量、氨基酸序列、亚基组成上差异较大。它是如何识别 氨基酸的呢？仍不甚清楚。一些氨基酸由于结构上的显著特征容易识别如大小不同（Trp 与 Gly），带正负电荷（lys,asp），而一些氨基酸结构极其相似，如 Ile 与 Val 仅差一个甲基。尽 管如此 tRNAIle 合成酶也能正确识别，但有时也能错误的形成 Val –tRNAIle，但是每一种氨酰 酶 / Mg2+ tRNA
第十五章蛋白质的合成 tRNA合成酶都有一个校正位点,由于大小原因,只有 al -tonal才能结合到校正位点,然 后合成酶将Val又从 tRNaile上将其水解下来。 氨酰RNA合成酶还能正确的识别和结合tRNA,对于一些酶来说,tRNA上的反密码子 是其识别特征,此外,tRNA上的受体茎环( acceptor stem)也是识别特征 tRNA分子的突变与校正基因 可以说tRNA是一个万能接头: (1)对氨酰tRNA合成酶的识别位点(接头合成酶) (2)3端CCA上的氨基酸运载位点(接头氨基酸,装载) (3)对核糖体的识别位点(将氨基酸运送到目的地) (4)反密码子位点(接头MRNA,验货并卸载) 同复突变:突变型生物有时重所获得其原有的性状,这是通过突变型遗传物质的化学变 化而发生的。这种变化使遗传物质恢复到有功能的状态,重所获得原有的表型,这种过程称 为回复,被回复的生物称为回复子 回复突变的原因很多,其中有一种回复突变是由其在基因上发生一个突变引起的,这称 为基因校正突变。大多数较正突变发生在tRNA基因上。 举例:基因间校正突变 当有某种tRNA突变分子出现时,必定还有可以识别正常密码子的该种tRNA存在 蛋白质合成的一般过程 蛋白质合成的一般过程如图18.3 可以分为三个阶段:起始、延伸、终止,分别由不同的起始因子、延伸因子和终止因子 (释放因子)参与 (一)、翻译起始 (1)小亚基与mRNA结合 (2)起始氨酰tRNA进入P位点,它的反密码子与mRNA上的起始密码子AUG碱基配 对 (3)大亚基与小亚基结合形成起始复合物。 (二)、延伸 方向:mRNA5′ 新生肽:NC
9 第十五章 蛋白质的合成 -tRNA 合成酶都有一个校正位点，由于大小原因，只有 Val –tRNAIle 才能结合到校正位点，然 后合成酶将 Val 又从 tRNAIle 上将其水解下来。 氨酰-tRNA 合成酶还能正确的识别和结合 tRNA，对于一些酶来说，tRNA 上的反密码子 是其识别特征，此外，tRNA 上的受体茎环（acceptor stem）也是识别特征。 tRNA 分子的突变与校正基因 可以说 tRNA 是一个万能接头： （1）对氨酰- tRNA 合成酶的识别位点（接头合成酶） （2）3 端-CCA 上的氨基酸运载位点（接头氨基酸，装载） （3）对核糖体的识别位点（将氨基酸运送到目的地） （4）反密码子位点（接头 MRNA，验货并卸载） 同复突变：突变型生物有时重所获得其原有的性状，这是通过突变型遗传物质的化学变 化而发生的。这种变化使遗传物质恢复到有功能的状态，重所获得原有的表型，这种过程称 为回复，被回复的生物称为回复子。 回复突变的原因很多，其中有一种回复突变是由其在基因上发生一个突变引起的，这称 为基因校正突变。大多数较正突变发生在 tRNA 基因上。 举例：基因间校正突变 图 当有某种 tRNA 突变分子出现时，必定还有可以识别正常密码子的该种 tRNA 存在。 二、 蛋白质合成的一般过程 蛋白质合成的一般过程如图 18.3， 可以分为三个阶段：起始、延伸、终止，分别由不同的起始因子、延伸因子和终止因子 （释放因子）参与。 (一)、 翻译起始 （1）小亚基与 mRNA 结合 （2）起始氨酰 tRNA 进入 P 位点，它的反密码子与 mRNA 上的起始密码子 AUG 碱基配 对。 （3）大亚基与小亚基结合形成起始复合物。 (二)、 延伸 方向：mRNA 5/ 3 / 新生肽： N/ C/