第九章 蛋白质的生物合成

1、 蛋白质的合成过程是指蛋白质的合成过程是指遗传信息遗传信息从从DNA传递给传递给RNA，再，再从从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从程。也可以从DNA传递给传递给DNA，即完成，即完成DNA的复制过程。的复制过程。这是所有有这是所有有细胞结构细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的生物所遵循的法则。在某些病毒中的的RNA自我复制（如自我复制（如烟草花叶病毒烟草花叶病毒等）和在某些病毒中能等）和在某些病毒中能以以RNA为模板为模板逆转录逆转录成成DNA的过程（某些致癌病毒）是的过程（某些致癌病毒）是对中心法则的补充。对中心

2、法则的补充。 中心法则强调的是遗传信息传递的方向。中心法则强调的是遗传信息传递的方向。由由DNA到到DNA这代表这代表DNA复制，复制， DNA到到RNA代表转录，代表转录，RNA到蛋白到蛋白质质代表翻译，代表翻译，RNA到到RNA代表代表某些某些RNA病毒在宿主细胞中进行病毒在宿主细胞中进行RNA复复制，制，RNA到到DNA指某些逆转录病毒指某些逆转录病毒（HIV、致癌病毒）在宿主细胞中进行逆、致癌病毒）在宿主细胞中进行逆转录过程，该过程需要逆转录酶。所以转录过程，该过程需要逆转录酶。所以中心法则全过程包括中心法则全过程包括5个生理过程。个生理过程。 第一节蛋白质合成体系的重要组成成分第一节

3、蛋白质合成体系的重要组成成分 蛋白质的合成是一个非常复杂的过程，在蛋白质的合成是一个非常复杂的过程，在此过程中参与合成的主要物质：此过程中参与合成的主要物质： mRNA、tRNA、核糖体、酶及多种蛋白质、核糖体、酶及多种蛋白质因子，同时还需要无机离子、因子，同时还需要无机离子、ATP和和GTP等参与，这些物质共同组成蛋白质合成体等参与，这些物质共同组成蛋白质合成体系。系。一、mRNA与遗传密码 （一）（一）mRNA mRNA是单链线状大分子，约有是单链线状大分子，约有400-4000个核苷酸组成，约占个核苷酸组成，约占RNA总量的总量的5%。其主。其主要功能是把从要功能是把从DNA传递来的遗传

4、信息，带传递来的遗传信息，带到细胞质中的核糖体内，再以到细胞质中的核糖体内，再以mRNA为直为直接模板合成蛋白质。接模板合成蛋白质。含有密码子含有密码子阅读方向阅读方向5到到3起始密码和终止密码起始密码和终止密码（二）遗传密码 遗传信息是指遗传信息是指DNA分子中的核苷酸排列顺分子中的核苷酸排列顺序。在蛋白质的合成中，序。在蛋白质的合成中，DNA把遗传信息把遗传信息转录到转录到mRNA分子上，再由分子上，再由mRNA分子中分子中的核苷酸排列顺序决定蛋白质中氨基酸的的核苷酸排列顺序决定蛋白质中氨基酸的顺序。因此，我们所讨论的遗传密码就是顺序。因此，我们所讨论的遗传密码就是指指mRNA分子中分子中

5、决定蛋白质中氨基酸排列决定蛋白质中氨基酸排列顺序的核苷酸组。顺序的核苷酸组。 遗传密码又称遗传密码又称密码子密码子、遗传密码子、三联体密、遗传密码子、三联体密码。指信使码。指信使RNA(mRNA）分子上从）分子上从5端到端到3端方端方向，由起始密码子向，由起始密码子AUG开始，每三个核苷酸组成开始，每三个核苷酸组成的三联体。它决定肽链上每一个的三联体。它决定肽链上每一个氨基酸氨基酸和各氨基和各氨基酸的合成顺序，以及酸的合成顺序，以及蛋白质蛋白质合成的起始、延伸和合成的起始、延伸和终止。终止。 遗传密码是一组规则，将遗传密码是一组规则，将DNA或或RNA序列以三序列以三个核苷酸为一组的密码子转译

6、为蛋白质的氨基酸个核苷酸为一组的密码子转译为蛋白质的氨基酸序列，以用于蛋白质合成。几乎所有的生物都使序列，以用于蛋白质合成。几乎所有的生物都使用同样的遗传密码，称为标准遗传密码；即使是用同样的遗传密码，称为标准遗传密码；即使是非细胞结构的病毒，它们也是使用标准遗传密码。非细胞结构的病毒，它们也是使用标准遗传密码。但是也有少数生物使用一些稍微不同的遗传密码。但是也有少数生物使用一些稍微不同的遗传密码。破解历史基本简介破解历史基本简介 遗传密码的发现是遗传密码的发现是20世纪世纪50年代的一项奇妙想象和严密年代的一项奇妙想象和严密论证的伟大结晶。论证的伟大结晶。mRNA由四种含有不同碱基腺嘌呤（简

7、称由四种含有不同碱基腺嘌呤（简称A）、尿嘧啶（简称）、尿嘧啶（简称U）、胞嘧啶（简称）、胞嘧啶（简称C）、鸟嘌呤（简称）、鸟嘌呤（简称G）的核苷酸组成。最初科学家猜想，一个碱基决定一种氨基）的核苷酸组成。最初科学家猜想，一个碱基决定一种氨基酸，那就只能决定四种氨基酸，显然不够决定生物体内的二酸，那就只能决定四种氨基酸，显然不够决定生物体内的二十种氨基酸。那么二个碱基结合在一起，决定一个氨基酸，十种氨基酸。那么二个碱基结合在一起，决定一个氨基酸，就可决定十六种氨基酸，显然还是不够。如果三个碱基组合就可决定十六种氨基酸，显然还是不够。如果三个碱基组合在一起决定一个氨基酸，则有六十四种组合方式，看来

8、三个在一起决定一个氨基酸，则有六十四种组合方式，看来三个碱基的三联体就可以满足二十种氨基酸的表示了，而且还有碱基的三联体就可以满足二十种氨基酸的表示了，而且还有富余。猜想毕竟是猜想，还要严密论证才行。富余。猜想毕竟是猜想，还要严密论证才行。自从发现了自从发现了DNA的结构，科学家便开始致力研究有关制的结构，科学家便开始致力研究有关制造蛋白质的秘密。伽莫夫指出需要以三个核酸一组才能为造蛋白质的秘密。伽莫夫指出需要以三个核酸一组才能为20个氨基酸编码。个氨基酸编码。1961年，美国国家卫生院的年，美国国家卫生院的Matthaei与马歇与马歇尔尔沃伦沃伦尼伦伯格在无细胞系统环境下，把一条只由尿嘧啶组

9、尼伦伯格在无细胞系统环境下，把一条只由尿嘧啶组成的成的RNA转释成一条只有苯丙氨酸的多肽，由此破解了首个转释成一条只有苯丙氨酸的多肽，由此破解了首个密码子。随后哈尔密码子。随后哈尔葛宾葛宾科拉纳破解了其它密码子，接着罗伯科拉纳破解了其它密码子，接着罗伯特特W霍利发现了负责转录过程的霍利发现了负责转录过程的tRNA。1968年，科拉纳、年，科拉纳、霍利和尼伦伯格分享了诺贝尔生理学或医学奖霍利和尼伦伯格分享了诺贝尔生理学或医学奖遗传密码的破译遗传密码的破译 4种碱基如何对应种碱基如何对应20种基本氨基酸？种基本氨基酸？ 1个碱基对应一种个碱基对应一种AA 4（41） 2个碱基对应一种个碱基对应一种

10、AA 16（42） 3个碱基对应一种个碱基对应一种AA 64（43）密码子为三联体密码子为三联体遗传密码的基本特点遗传密码的基本特点 编码性编码性：在：在64个密码子中，有个密码子中，有61个是氨基酸的密码子，其中个是氨基酸的密码子，其中AUG不仅是甲硫氨酸的密码子，也是蛋白质合成的起始密码；不仅是甲硫氨酸的密码子，也是蛋白质合成的起始密码；UAA、UAG、UGA是终止密码，它们不代表任何氨基酸。是终止密码，它们不代表任何氨基酸。 连续性连续性：mRNA的读码方向从的读码方向从5端至端至3端方向，两个密码子端方向，两个密码子之间无任何核苷酸隔开。之间无任何核苷酸隔开。mRNA链上链上碱基碱基的

11、插入、缺失和重的插入、缺失和重叠，均造成框移突变。叠，均造成框移突变。 简并性：简并性：指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子。密码指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子。密码子的第三位碱基改变往往不影响氨基酸子的第三位碱基改变往往不影响氨基酸翻译翻译。 通用性通用性：蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都：蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。但已发现少数例外，如动物细胞的通用。但已发现少数例外，如动物细胞的线粒体线粒体、植物细胞、植物细胞的的叶绿体叶绿体。 每种每种AA都都至少有一种至少有一种tRNA负责转运负责转运 书写方式：书写方式：tRNAPhe、 tRNASer

12、通常一种通常一种AA具有几种具有几种tRNA（2-6种）种）二、二、tRNASee movietRNA分子具有：分子具有： 3CCA-OH氨基酸接受位点氨基酸接受位点 识别氨酰识别氨酰-tRNA合成酶位点合成酶位点 核糖体识别位点核糖体识别位点 反密码子位点反密码子位点三、rRNA与核糖体 核糖体核糖体RNA：即：即rRNA，是最多的一类，是最多的一类RNA，也，也是是3类类RNA（tRNA,mRNA,rRNA)中相对分子质中相对分子质量最大的一类量最大的一类RNA，它与蛋白质结合而形成核糖，它与蛋白质结合而形成核糖体，其功能是作为体，其功能是作为mRNA的支架，使的支架，使mRNA分子分子在

13、其上展开，实现蛋白质的合成。在其上展开，实现蛋白质的合成。rRNA占占RNA总量的总量的82%左右。左右。rRNA单独存在时不执行其功能，单独存在时不执行其功能，它与多种蛋白质结合成核糖体，作为它与多种蛋白质结合成核糖体，作为蛋白质生物蛋白质生物合成合成的的“装配机装配机”。 核糖体是蛋白质合成的工厂核糖体是蛋白质合成的工厂 A：aminoacyl site P：peptide site E：exit site（大部分在大亚基上）（大部分在大亚基上）核糖体的结构 在核蛋白体上有结合在核蛋白体上有结合mRNA的部位，的部位，还有结合不同形式氨基酸的部位。其还有结合不同形式氨基酸的部位。其中能结合

14、中能结合肽酰肽酰-tRNA的部位称的部位称肽酰位肽酰位(Petidyl site，P位位)；能结合；能结合氨基酰氨基酰-tRNA的部位称的部位称氨基酰位氨基酰位(aminoacyl site，A位位)。原核生物核蛋白体结构模式原核生物核蛋白体结构模式 30S小亚基：有小亚基：有mRNA结合位点结合位点50S大亚基：大亚基： E位：排出位（位：排出位（Exit site）转肽酶活性转肽酶活性大小亚基共同组成：大小亚基共同组成：A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)四、辅助因子四、辅助因子 1、起始因子：、起始因子：IF-1、

15、IF-2、IF-3三类共同参三类共同参与完成翻译的起始。与完成翻译的起始。 2、延长因子、延长因子EFT：由：由EFTu和和EFTs两个亚两个亚基组成，其作用是协助氨基酰基组成，其作用是协助氨基酰-tRNA进入进入A位，具有位，具有GTP活性活性 3、释放因子、释放因子RF能辨认终止密码，激活酯能辨认终止密码，激活酯酶，使大亚基转肽酶将酶，使大亚基转肽酶将“给位给位”上已合成上已合成的肽链水解释放的肽链水解释放 。一、氨基酸的活化一、氨基酸的活化氨酰氨酰-tRNA的生成的生成第二节第二节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基

16、酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶（一）氨基酰（一）氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸ATPE 氨基酰氨基酰-AMP-EAMP PPi第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E 氨基酸的活化形式：氨基酸的活化形式：氨基酰氨基酰tRNAtRNA氨基酸的活化部位：氨基酸的活化部位：羧基羧基氨基酸与氨基酸与tRNAtRNA连接方式：连接方式：酯键酯键氨基酸活化耗能：氨基酸活化耗能：2 2个个PP说明 氨酰氨酰-tRNA合成酶对氨基酸和合成酶对氨基酸和tRNA具有高具有高度的特异

17、性，它既能识别特异的氨基酸，度的特异性，它既能识别特异的氨基酸，又能识别特异的又能识别特异的tRNA。 原核生物中起始氨基酸活化后，还要甲酰原核生物中起始氨基酸活化后，还要甲酰化，形成甲酰甲硫氨酰化，形成甲酰甲硫氨酰-tRNA，而真核生物，而真核生物细胞没有此过程。细胞没有此过程。原核生物中的甲酰原核生物中的甲酰Met fMet - tRNAiMet真核生物：真核生物： Met-tRNAiMet原核生物：原核生物： fMet-tRNAifMet（二）起始肽链合成的氨基酰（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA蛋白质合成中蛋白质合成中mRNA模板的方向：模板的方向：5 3；蛋白质的合成方向：蛋白质的

18、合成方向：N端端 C端。端。蛋白质合成过程：蛋白质合成过程：起始起始延长延长终止终止二、肽链合成的起始二、肽链合成的起始指指mRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA分别与分别与核蛋白体结合而形成核蛋白体结合而形成翻译起始复合物翻译起始复合物 (translational initiation complex)。参与起始过程的蛋白质因子称起始因参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（子（initiation factor，IF）。）。参与起始过程的蛋白质因子称起始因参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（子（initiation factor，IF）。原核生物起）。原核生物起始因子有三种：始因子有三种

19、：IF-1：占据：占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNA。IF-2：促进起始：促进起始tRNA与小亚基结合。与小亚基结合。IF-3：促进大小亚基分离，提高：促进大小亚基分离，提高P位对位对结合起始结合起始tRNA敏感性。敏感性。（一）原核生物翻译起始复合物形成（一）原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。IF-3IF-11. 核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离A U G53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合在小亚

20、基定位结合IF-3IF-1IF-2GTPA U G533. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA与小亚基结合与小亚基结合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiA U G534. 核蛋白体大亚基结合核蛋白体大亚基结合IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始过程消耗起始过程消耗1个个GTP。三、肽链的延长三、肽链的延长指按照指按照mRNA密码序列的指导，依次添密码序列的指导，依次添加氨基酸加氨基酸从从N端向端向C端端延伸肽链，直到合成延伸肽链，直到合成终止的过程。终止的过程。 肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循

21、环（进行，又称为核蛋白体循环（ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，分为，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：以下三步： 进位进位（entrance） 成肽成肽（peptide bond formation） 转位转位（translocation）原核延原核延长因子长因子生物功能生物功能对应真核对应真核延长因子延长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，位，结合分解结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，位，促进卸载促进卸载tRNA释放释

22、放EF-2肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 （一）进位（一）进位指根据指根据mRNA下一组遗传密码指下一组遗传密码指导，使相应氨基酰导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白进入核蛋白体体A位。位。延长因子延长因子EF-T催化催化进位（原核生物）进位（原核生物）Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP（二）成肽（二）成肽是由转肽酶（是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽）催化的肽键形成过程。键形成过程。（三）转位（三）转位延长因子延长因子EF-G有转位酶有转位酶（translocase ）活性，可结合并水解）活性，可结合并水解1分分子子GTP，促进核蛋白体向，促进核蛋白体向

23、mRNA的的3侧移动。侧移动。fMetA U G53fMetTuGTP进进位位转转位位成肽成肽 四、肽链合成的终止四、肽链合成的终止当当mRNA上终止密码出现后，多肽链上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。为肽链合成终止。终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF) 识别终止密码，如识别终止密码，如RF-1特异识别特异识别UAA、UAG；而而RF-2可识别可识别UAA、UGA。 诱导转肽酶改变为酯酶活性，使

24、肽链从核蛋诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。白体上释放。 释放因子的功能释放因子的功能原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF 原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 U A G53COO- 原核生物蛋白质合成的原核生物蛋白质合成的能量计算能量计算氨基酸活化：氨基酸活化：2个个PATP起始：起始： 1个个GTP延长：延长： 2个个GTP结论：结论：每合成一个肽键至少消耗每合成一个肽键至少消耗4个个P。 多聚核蛋白体多聚核蛋白体 （polysome)一个一个mRNA分子可分子可同时有多个核蛋白体在同时有多个核蛋

25、白体在进行同一种蛋白质的合进行同一种蛋白质的合成，这种成，这种mRNA和多个和多个核蛋白体的聚合物称为核蛋白体的聚合物称为多聚核蛋白体。多聚核蛋白体。多核糖体与核糖体循环多核糖体与核糖体循环合成完毕合成完毕的肽链的肽链多核糖体多核糖体3mRNA延伸中的肽链延伸中的肽链5核糖体循环核糖体循环六、肽链合成后的加工与折叠六、肽链合成后的加工与折叠 新生肽链（蛋白质前体）的加工新生肽链（蛋白质前体）的加工 由由mRNA翻译出来的多肽链通常是没有生翻译出来的多肽链通常是没有生物活性的，称为蛋白质前体。前体经过加工物活性的，称为蛋白质前体。前体经过加工改造才能成为有功能的蛋白质分子。前体的改造才能成为有功

26、能的蛋白质分子。前体的加工方式大致有以下几种：加工方式大致有以下几种：1.氨基末端的修饰：氨基末端的修饰：除去一般功能蛋白质除去一般功能蛋白质 N端端所没有的甲酰甲硫氨酸（原核）或甲硫氨酸所没有的甲酰甲硫氨酸（原核）或甲硫氨酸（真核）。（真核）。 2.个别氨基酸残基的修饰：个别氨基酸残基的修饰： 蛋白质分子内某些氨基酸残基的修饰如蛋白质分子内某些氨基酸残基的修饰如磷酰化、糖基化、甲基化、乙酰化和羟基磷酰化、糖基化、甲基化、乙酰化和羟基化等。化等。3.切除肽段切除肽段：切除功能蛋白质中不需要的：切除功能蛋白质中不需要的而存在于前体中的肽段。而存在于前体中的肽段。4.二硫键的形成二硫键的形成：通过氧化新生肽链上的：通过氧化新生肽链上的二个半胱氨酸的巯基生成许多功能蛋白质二个半胱氨酸的巯基生成许多功能蛋