第三十九章 蛋白质的生物合成及其在细胞内的降解

常见的tRNA的个性（大肠杆菌） tRNA 丙氨酸 丝氨酸 缬氨酸 谷氨酰胺 苯丙氨酸 异亮氨酸 蛋氨酸 个性 受体茎中的G3:U70碱基对 受体茎中G1:C72、G2:C71、A3:U70碱基 对,D茎中的C11:G24碱基对 反密码子 反密码子,特别是其中的U 反密码子,D环中的G20, 3′端的A73 U35 反密码子
aaRS的校对机制
装载前编辑
1. 2. 3. 有时aaRS激活错误的氨基酸 正确的tRNA与酶的结合诱导aa-AMP的水解，而不是装载 aa-AMP被转移到酶的编辑中心而水解 有时 aaRS 激活错误的氨基酸，并将其转移到tRNA上 错误的aa-tRNA在被释放之前被转移到酶的编辑中心水解


第三十九章 蛋白质的生物 合成及其在细胞内的降解
提纲
一．
二．
三．
参与翻译的主要生物大分子 翻译的一般特征 翻译的详细机制
细菌的蛋白质合成 真核生物的细胞质翻译系统 细．
五． 六．
mRNA的质量控制 翻译的抑制剂 蛋白质在细胞内的降解
核糖体的主要功能定位
UGUGUGUGUG...
蛋白质含 有Ala
遗传密码的破译

Marshall Nirenberg和Heinrich Matthaei 建立了大肠杆菌无细胞翻译系统
无细胞抽取物
•核糖体 •各种tRNA •氨基酸 •aaRS •ATP, GTP
+ mRNA = 蛋白质
破译第一个遗传密码
他们使用多聚核苷酸磷酸化酶得到同聚物 即：nNDPs → (NMP)n + nPi
核糖体的分类与组成
核糖体的三维结构模型和主要的功能部位
原核细胞核糖体的各种功能部位
细菌核糖体的各种功能部位
真核细胞多聚核糖体的结构
细菌多顺反子mRNA和真核生物单顺反子mRNA的翻译
tRNA的结构与功能
二级结构与三级结构 同工受体tRNA-携带同种氨基酸的不同 tRNA个性- “第二套遗传密码” 某些特殊的tRNAs 1. 起始tRNA: tRNAf Met 和 tRNAiMet 2. 校正tRNA 3. tmRNA
装载后编辑
1. 2.
双筛机制
1. 2. 难以建立完美的活性中心 活性中心和编辑中心层层把关，排除错误的氨基酸
使用双筛机制的实例-IleRS
一筛：酶活性中心优先结合正确的同源氨基酸，体 积比同源氨基酸大的因为无法进入活性中心首先被 排除； 二筛：酶的编辑中心对错误的非同源氨基酸进行编 辑，大小合适小的误载的氨酰-AMP 或氨酰-tRNA 在校对中心被水解“出局”。 以 IleRS为例，如果Val进入它的活性中心，并发生 了第一步反应，生成Val-AMP，但Val-AMP 会被送 入编辑中心进行编辑，水解误载的Val。由于aaRS 具有内在的校对机制，因此在细胞内形成误载的氨 酰-tRNA的可能性非常低。

校对机制- 在装载氨基酸水平的质量控制
aaRS是对氨基酸“身份”进行检查唯一的场所 核糖体不在乎哪一种氨基酸与tRNA相连 实载的tRNA被修饰后仍然能起作用 装载前和装载后编辑 双筛机制
1. 2. 3. 4. 5.
两类氨酰-tRNA合成酶的催化机理
两类aaRS
第一是单体酶，含有一个平行β-折叠核心和由两段同源的氨基酸 一致序列HIGH和KMSKS组成的Rossman折叠，该结构模体参与 ATP的结合和酶的催化。此类 aaRS识别的tRNA个性通常包括反 密码子环内的核苷酸残基和受体茎，一般在受体茎小沟一侧与 tRNA结合，紧握反密码子环，将tRNA接受氨基酸的一端置于活 性中心，最后总是先将氨基酸转移到tRNA 3′端腺苷酸的2′-OH上， 然后再通过转酯反应转移到3′-OH 。由此类酶催化的氨基酸有 Arg、Cys、Gln、Glu、Ile、Leu、Met、Trp、Tyr和Val。 第二类通常为寡聚酶，具有另外的保守序列，由它们形成三种首 尾相连的同源结构基序，其中第一种参与二聚体的形成，另一种 是 “签名”模体，由7段反平行的β折叠、3段相邻的α-螺旋和一 种不多见的负责结合核苷酸的折叠组成，由它和第三种结构基序 一起组成了酶活性中心的核心部分。这些酶结合tRNA分子的另 一面（受体茎大沟一侧），识别的个性不包括反密码子环，最后 总是将氨基酸转移到tRNA3'-端腺苷酸的3′-OH上（苯丙氨酰tRNA除外）。由此类酶催化的氨基酸有Ala、Asn、Gly、Asp、 His、Lys、Phe、Pro、Ser和Thr。
摆动规则
反密码子第一个碱基 密码子第三个碱基
A C G U I
U G C、U A、G A、C、U
在核糖体上同源tRNA的 识别是诱导契合的过程
以细菌为例，在A部位上同源tRNA与mRNA的结合诱 导A1492和A1493 从16SrRNA螺旋44的内部环中被挤 出来，同时还造成通用保守的G530从原来的顺式构象 编成反式构象。在新的构象之中，A1493和A1492分别 与密码子/反密码子的前两个碱基对螺旋相互作用，而 G530 同时与反密码子的第二个位置和密码子的第三个 位置相互作用。这些构象诱导变化的结果是密码子/反 密码子的前两个碱校对受到核糖体的检查，以区分正 确的Watson-Crick碱基对和错配的碱基对，而“摇摆” 位置似乎能够容忍摆动规则允许的碱基对。
一种人工合成的保留有G3:U70的微螺旋仍能携带Ala
氨酰-tRNA合成酶（aaRS）

两步反应机制：
1. ATP + 氨基酸 (AA) --> AA-AMP + PPi 2. tRNA + AMP-AA --> AA-tRNA + AMP

分类
1. 第一类 aaRS 2. 第二类II aaRS
1. A部位—氨酰tRNA结合部位，也称为受体 部位； 2. P部位—肽酰tRNA结合部位； 3. E部位—空载tRNA临时结合的部位； 4. 肽酰转移酶活性部位——催化肽键形成的 部位； 5. mRNA结合部位； 6. 多肽链离开通道——正在延伸的多肽链离 开核糖体的通道； 7. 一些可溶性蛋白质因子（起始因子、延伸 因子和终止因子）的结合部位。
氨酰-tRNA合成酶的双筛机制
辅助蛋白因子
蛋白质合成的每一步都需要一些特殊的 可溶性的蛋白质因子的参与，包括起始 因子（IF）、延伸因子（EF）、释放因 子（RF）和核糖体循环因子（RRF）， 它们分别参与肽链合成的起始、延伸、 肽链释放和核糖体循环。其中的某些蛋 白质因子为小G蛋白。
细菌参与翻译的起始因子、延伸因子和终止因子的结构与功能
大肠杆菌在翻译的五个阶段所必需的主要成分
翻译的详细机制
4步骤反应：
1. 2. 3. 4. 氨基酸的活化 起始 延伸 终止和释放
细菌的蛋白质合成
氨基酸的活化
1. fMet-tRNAfMet的形成 2. 其他氨酰-tRNA的形成
起始阶段
1. 起始密码子的识别 2. 起始复合物的形成
延伸阶段：在起始复合物形成以后，翻译即 进入延伸阶段，延伸阶段所发生的主要事件 是进位、转肽和移位且不断的循环。 多肽链合成的终止与释放
核糖体结合技术
19AAs + [14C]-Pro + aaRSs
使用NC滤膜过滤
放射性在滤出液
19AAs + [14C]-Phe + aaRSs
使用NC滤膜过滤
放射性留在滤膜上
标准的遗传密码表
遗传密码的主要性质
1. 2. 3. 4. 5. 6. 简并与兼职 密码子的选定不是随机的 通用和例外 不重叠 无标点 同一种氨基酸的不同密码子使用的频率不 尽相同
无活性的 70S核糖体
SD 序列
30S 起始复合物
GDP + Pi
70S起始复合物
多肽链合成的延伸
每添加一个氨基酸需要三步反应——进位、转 肽和移位 三步反应循环多次，循环的次数取决于mRNA上 的密码子的数目 原核生物和真核生物在延伸循环上非常相似 快：15-20个氨基酸/秒 精确：每参入~10 000氨基酸出现1个错误
实验 (1962)：证明正确的氨基酸的 参入与tRNA所携带的氨基酸无关
tRNACys-ACA
无细胞抽取物, 氨基酸,aaRS
反密码子 (识别编码Cys的 UGU 密码子)
Cys-tRNA -ACA
Cys
RNA模板
UGUGUGUGUG...
蛋白质含 有Cys
使用金属镍催化 剂，去除巯基
RNA模板
Ala-tRNACys-ACA
证明多肽链生长的方向总是从N-端→C-端的实验
兔网质红细胞
降低温度以降低翻译的速率 [3H]-Leu
在不同的时段完成标记
纯化全长的多肽
使用胰蛋白酶消化，分 离肽段，用放射性对肽 端位置作图
在保温60分钟后分离出的α珠蛋白几乎所有的Leu残 基都是带放射性的。而在保温仅几分钟后分离到的α 珠蛋白，其带放射性的Leu则集中在肽链的C-端
在1961年，Matthaei发现，当将Poly U加到大肠杆 菌无细胞翻译系统中以后，一种仅由苯丙氨酸组 成的多肽即多聚苯丙氨酸被合成了，这就意味着 他们成功破译出第一个密码子即UUU的密码子。
破译其余的遗传密码
在1964年，由Nirenberg发明的核糖体结合技术使得 遗传密码最终完全得以破译。 该技术是建立在两个基本的事实上：一是人工合成 的三聚核苷酸可以作为模板；二是在无GTP时，三 聚核苷酸可以促进同源的氨酰-tRNA结合在核糖体 上，而不生成蛋白质。这样，利用由核糖体和三聚 核苷酸及其同源的氨酰-tRNA形成的三元复合物能 被硝酸纤维素滤膜吸附的性质，可将结合的氨酰tRNA与其它没有结合的氨酰-tRNA分开。通过分析 结合在硝酸纤维素滤膜上的氨酰-tRNA上氨基酸的 性质和原来的三聚核苷酸序列可以弄清某种氨基酸 的密码子。