分子生物学课程教学讲义朱玉贤(6)

八、蛋白质的生物合成核糖体是蛋白质合成的场所，mRNA是蛋白质合成的模板，tRNA是模板与氨基酸之间的接合体。此外，有20种以上的AA-tRNA及合成酶、10多种起始因子、延伸因子及终止因子，30多种tRNA及各种rRNA、mRNA和100种以上翻译后加工酶参与蛋白质合成和加工过程。蛋白质合成消耗了细胞中90%左右用于生物合成反应的能量。细菌细胞中的2万个核糖体，10万个蛋白质因子和20万个tRNAs 约占大肠杆菌干重的35%。在大肠杆菌中合成一个100个氨基酸的多肽只需5分钟。 1.蛋白质生物合成的主要步骤：翻译的起始——核糖体与mRNA结合并与氨基酰-tRNA生成起始复合物。肽链的延伸——核糖体沿mRNA5’端向3’端移动，导致从N端向C端的多肽合成。肽链的终止以及肽链的释放——核糖体从mRNA上解离，准备新一轮合成反应。主要分为五步 1、 Activation of Amino Acids (This reaction takes place in the cytosol, not on the ribosome). 2、 Initiation. The mRNA bearing the code for the polypeptide binds to the small ribosomal subunit and to the initiating aminoacyl-tRNA. 3、Elongation. Peptide bonds are formed in this stage. 4、Termination and Release. Completion of the polypeptide chain is signaled by a termination codon in the mRNA. 5、Folding and Post translational Processing. 肽链延伸分为三步 ① Binding of an incoming aminoacyl-tRNA. ② Peptide bond formation. ③ Translocation. 2.与蛋白质合成有关的因子起始因子Initiation factor（IF）延伸因子Elongation factor（EF）终止因子。原核中有RF1-3。RF-1 识别 UAA和UAG; RF-2 识别 UAA和UGA; RF-3 仅能促进RF-1和RF-2的功能。终止因子行使功能时需要GTP。真核生物中只有一个RF，能识别3个终止子。 3、蛋白质合成的起始蛋白质合成的起始复合物: 30S 核糖体小亚基模板mRNA fMet-tRNAfMet 起始因子 GTP 50S 核糖体大亚基 Mg2+ 合成的起始可分为三步: 1、30S 核糖体小亚基与起始因子IF –1和IF-3相结合，诱发模板mRNA与小亚基结合。 2、由30S 小亚基、起始因子IF –1和IF-3及模板mRNA所组成的复合物立即与GTP-IF-2及fMet-tRNAfMet相结合。反密码子与密码子配对。 3、上述六组分复合物再与50S大亚基结合，水解GTP生成并释放GDP和Pi。释放三个起始因子。表27-9 真核细胞中参与翻译起始的蛋白质因子及其功能真核因子功能 eIF2 促进Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合。 eIF2B eIF3 是最早与核糖体40S小亚基结合的促进因子，蛋白质合成反应的正常进行。 eIF4A 具有RNA解旋酶活性，解除mRNA模板的次级结构并使之与40S小亚基结合，形成eIF4F复合物。 eIF4B 与mRNA模板相结合，协助核糖体扫描模板序列，定位AUG。 eIF4E 与mRNA 5'的帽子结构相结合，形成eIF4F复合物。 eIF4G 与eIF4E和poly（A）结合蛋白（PAB）相结合，形成eIF4F复合物。 eIF5 促使多个蛋白因子与40S小亚基解体，以此帮助大小亚基结合形成80核糖体，形成翻译起始复合物。 eIF6 促进没有蛋白质合成活性的80S核糖体解离成40S和60S两个亚基。　4、肽链的延伸肽链延伸的基本要求是：有完整的起始复合物，有氨基酰-tRNA，有延伸因子EF-Tu, EF-Ts和EF-G，有GTP。肽链延伸也可被分为三步：第一步，与新进来的氨基酰-tRNA相结合。氨基酰-tRNA首先必须与GTP-EF-Tu复合物相结合，形成氨基酰-tRNA-GTP-EF-Tu复合物并与70S中的A位点相结合。此时，GTP水解并释放GDP-EF-Tu复合物。第二步，肽键形成。肽键形成之初，两个氨基酸仍然分别与各自的tRNA相结合，仍然分别位于A位点和P位点上。A位点上的氨基酸（第二个氨基酸）中的α-氨基作为亲核基团取代了P位点上的tRNA，并与起始氨基酸中的COOH基团形成肽键。本反应可能由peptidyl transferase 催化。第三步，移位（translocation）。核糖体向mRNA的3’方向移动一个密码子，使得带有第二个氨基酸（现已成为二肽）的tRNA从A位进入P位，并使第一个tRNA从P位进入E位。此时模板上的第三个密码子正好在A位上。核糖体的移位需要EF-G（translocase）和另一分子GTP水解提供能量。 5、肽链的终止当终止密码子进入核糖体A位点时，在释放因子RF1-3的作用下：（1）水解末端肽基tRNA；（2）释放新生肽和tRNA；（3）使70S核糖体解离成30S和50S两个亚基。 6、蛋白质合成的抑制剂抗菌素对蛋白质合成的作用可能是阻止mRNA与核糖体结合（氯霉素），或阻止AA-tRNA与核糖体结合（四环素类），或干扰AA-tRNA与核糖体结合而产生错读（链霉素、新霉素、卡那霉素等），或作为竞争性抑制剂抑制蛋白质合成。链霉素是一种碱性三糖，干扰fMet-tRNA与核糖体的结合，从而阻止蛋白质合成的正确起始，并导致mRNA的错读。若以poly（U）作模板，则除苯丙氨酸（UUU）外，异亮氨酸（AUU）也会掺入。对链霉素敏感位点在30S亚基上。嘌呤霉素是AA-tRNA的结构类似物，能结合在核糖体的A位上，抑制AA-tRNA的进入。它所带的氨基与AA- tRNA上的氨基一样，能与生长中肽链上的羧基生成肽键，这个反应的产物是一条3'羧基端挂了一嘌呤霉素。青霉素、四环素和红霉素只与原核细胞核糖体发生作用，从而阻遏原核生物蛋白质的合成，抑制细菌生长。氯霉素和嘌呤霉素既能与原核细胞核糖体结合，又能与真核生物核糖体结合，妨碍细胞内蛋白质合成，影响细胞生长。因此，前3种抗生素被广泛用于人类医学，后两种则很少在医学上使用。 --------------------------------------- 第四讲 DNA、RNA和蛋白质代谢 DNA是贮藏遗传信息的最重要的生物大分子。DNA分子中的核苷酸排列顺序不但决定了胞内所有RNA及蛋白质的基本结构，还通过蛋白质（酶）的功能间接控制了细胞内全部有效成份的生产、运转和功能发挥。贮藏在任何基因中的生物信息都必须首先被转录生成RNA，才能够得到表达。DNA和RNA虽然很相似，只有T或U及核糖的第二位碳原子上有所不同，但它们的生物学活性却很不同。 RNA主要以单链形式存在于生物体内，其高级结构很复杂；RNA既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活细胞在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。因此，活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运转和降解反应。 (责任编辑：泉水)

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