第13章蛋白质生物合成.

1、Transcription initiation in prokaryotest ProwiotfRMA coding mquooco RNA polirrvwrasoClosed pre«notor co<npimco iKtor-10 real on -IOptra promotn corpptoxnucleotideDirection ©< transcription ANA polynwx5l RNAONA hybridnr .UHRi <5J"二仙RNA coding Mqxeoe第十三章蛋白质的生物合成()Protein Biosyn

2、thesis> Translation本章内容第一节 蛋白质生物合成体系的组成 第二节蛋白质生物合成分为五个阶段第三节翻译后的折叠和加工修饰第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制蛋白质生物合成，即翻译翻译的过程就是将核酸中由4种碱基序列组成的 遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋 白质中的20种氨基酸排列顺序.5 GCAGTACATGTC 3编码链模板链或非编码链I转录5 -GCAGIJACAUGUC 3'翻译niRNA-蛋白质合成的模板蛋白质储存的遗传信息的DNA不是蛋白质合成的直接模板第一节蛋白质生物合成体系的组成Component Required for Protein

3、Biosynthesis蛋白质生物合成非常复杂真核生物细胞合成蛋白质需要7()多种核糖体蛋白, 2()多种活化氨基酸酶10多种辅助酶和其他蛋白 质因子参加；-10()多种辅助附加酶类.40多种tRNA. rRNA； 总计300多种不同的大分子参与多肽的合成； 原核生物和真核生物合成机制非常相似，参与蛋白质合成的大分子种类和数昴也极相似。蛋白质合成速度非常惊人大肠杆菌在379条件下合成100个残基组成的蛋 白质只需要5S；蛋白质合成数量和种类受严格调节控制，使蛋白 质浓度维持在细胞生理需要的水平，蛋白质合成要消耗大量能量约占全部生物合成反应总耗能量的90%,主要由ATP和GTP提供参与蛋白质生物

4、合成的物质包括三种RNAmRNA （messenger RNA. 使RNA） -rWNA （ribnsomuIRMA,核蛋白体RNA） -tRNA （transfer KNA,转移RNA） 20种氮基酸（AA）作为原料酶及众多彊白因子，如IF、elFATP、GTP>无机离子（一）mRNA的发现年有人报道，当噬菌休感染了细菌后会产生一 种很不稳定的RNA,且大多数是和核糖体结合在一 起的；>Brenner,Jacob等人用,"N标记蛋白质，用 标记核酸的方法证实了这是一种新的RNA分子，命 名为信使RNA.即mRNA （m, messenger）;”1961年，Spielm

5、an创造了分子杂交法，通过 mRNADNA杂交分子证明了 mRNA的存在。mRNA是蛋白质合成的模板球DNA被转录为mRNA,其含有从DNA转录的遗传信息，也是蛋白质合成的模板遗传密码 DNA只存在于细胞核中，蛋白质的合成在细胞质中进行， 细胞核中的遗传信息如何转达到细胞质中呢？开放阅读框架区与编码蛋白质的基因相对应；开放阅读框是基因序列的一部分，包含一段可以编码蛋白 的碱基序列，不能被终止子打断.DNA是遗传的物质基础有了一定结构的DNA,才能产生一定结构的蛋白质， 由一定结构的蛋白质才有一定形态和生理特征，所以根据 DNA的特定遗传密码产生的蛋白质就代表特定生物的遗传 性。在遗传过程中DN

6、A的具体作用:(1) 在细胞分裂时按照自己的结构精确复制传给后代(2) 作为模板将所贮遺传信息传给mRNA.DNA如何储存并表达遗传信息？通过摩尔根、艾弗里、赫尔希和沃森、克里克尊几代科学 家的研究，已经使生物遗传机制建立在遺传物质DNA的基 础之上.这个间题引起了很多物理学家的兴趣1945年，薛定诲在生命是什么一书中提出了遗传密码 的概念； 1954年，物理学家伽莫夫提出三联体密码的概念：1961年，尼伦伯格和马太利用三联体密码合成了由苯丙氨 酸组成的多肽长链。4种核昔酸怎样排列组合才足以代表20种氨基酸?Marshall Warren Nirenberg (1927美国生物学家尼伦伯格 (

7、Nirenberg)等人衽1961年期 间成功破译了還传密码. 构建了一个包括20反应管 的反应体系，CT。标记的20 种AA,以无可辩驳的科学 依据证实了氨基酸的密码 子的遺传机制1968年获 得诺贝尔生理学医学奖。密码子的发现统计学方法四种碱基 1961年Crick和Brenner的实验得出三个核普酸编码-个 AA,将这种三位一体的核昔酸编码称为遗传密码或三联 体密码，即64种不同的密码；核糖体结合试验：1965年.Nifcnlwfg用fwlyu加入C4标记 的20种AA,仅有苯丙氨酸的寡St UUL=苯丙氨酸，用此 法破译了全部密码，编出遗传密码表.(一) mRNA上存在64个遗传密码子

8、,mRNA分子上从5,至3方向，由AUG开始，每3 个核昔酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或 蛋白质合成的起始、终止信号.称为三联体密 码(triplet code)起始密码(initiation coden) : AUG终止密码(termination coden):UAA, UAG, UGA遗传密码表uuuPhoucuStrUAUTyr TyrucuCyaVUGPheuccSerUACUGCCyaWAl小UGAScrUAAStopUGASlop TrpUUG3ucuSerUAQStopUGOCUULeuecuProCAUtinCGUArg ArgcueLeuCCCProCACHisCOCC

9、UALeuCCAProCAAGinCGAArg ArgCUGLeuCCGProCAGGLnCGGAUUHeACUThrAAUAri)AGUS«rAUCACCThrAACAsnAGOSerAUAIteACAThrA A. AACAArg ArgAUGMetACGThrAAG5AGGGUUVaiGCUAlaGAUAsp AspGGUGlyGUCVlGCCAI&GACGGCGlyCUAVaiGCAAlaGAAGluGCAGlyGUGVaiGCGAlaGAG；luGCGGbrUCSecond letter of codon（二）遗传密码的特点 从病毒直到人类，细胞核DNA指导的蛋白质

10、 合成都使用同一套遗传密码即通用性（Universal）已经发现少数例外，如动物细胞的线粒体、梢物细 胞的叶绿体。 mRNA密码子的排列具有方向性方向性-mRNA分子上由起始密码AUG开始，从&3,方向 阅读密码子，直至终止密码. 连续性三联体密码连续性表现为中间无标点，连续阅读。m RN A开放阅读框架内发生一个或两个碱基捕入或缺 失,可引起译码突变。移码突变（框移突变） 简并性(Degeneracy )密码了叛H梅码muAla4LeuArg6Ly»2Asn2MetIAsp2Pbe2Cys2Pro4Gin2SerfiGlu2Thr4Gly4Try1HU2Tyr2De3Va!

11、4?有多个密码子特异地破译同一个氨基酸,"遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其 余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。密码子.反密码子配对的摆动现象反密码子第一位碱基密码子第三位诫基（三）原核生物和真核生物mRNA的特点原核生物mRNA常以多顺反子的形式存在。真核生 物mRNA 一般以单顺反子的形式存在顺反子（伽mn）是遗传学将编码一个多肽的遗传单位.厂即原核生物的一段mRNA常常编码几种功能相关的 蛋白质，这种mRNA被称为多顺反子（pol、cistmii）。真核生物的一段mRNA常常只能编码一条多肽链, 这种mRNA被称为单顺反子cistronl.原核生物

12、mRNA多顺反子歸真核生物mRNA单顺反子财体帥3二1编跡刑 I非编码序列B券止卵了mRNA结构组成原核生物的mRNA>-5Mhfi译区(5r-UTR)k开放阅读框架区(open reading rranw,ORF)：从mRNA5囑起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核昔酸序列, 各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链."3 非翻译区(3' UTR真核生物"常端帽子结构，3,端多聚A尾结构。原核生物mRNA的起始 原核生物n】RN A上起始密码一般是AUG ；多肽的合成起始并不是从W端的第一个核昔酸开始，有一 段短序列约25个核昔酸残基处开始。还有富含嗦

13、吟的序列-S-D （Shine-Dalgaino）序列，与 16SrRNA 互补.mRNA上的SD序列又称为核蛋白体结合位点（RBS）.紧接 A（；（；A的小段核昔酸，又可以被核蛋白体小亚基蛋白（rps-I） 辨认结合。J mRNA结合核蛋白体小亚基：1）互补序列指引（SD序列）（核酸-核酸）2）核酸蛋白质的辨认SD序列3CACUAGGC核茨白体小亚茶 上的!6S-rRNAuccuSD疔列rpSJ识别序列二、核蛋白体是肽链合成的场所核糖体(Ribosome)细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein particle), 主要由RNA和蛋白质构成；-1958年Roberts根

14、据化学成份命名为核糖核蛋白体，简称核 糖体，又称核蛋白体；核糖体无骐结构，主要由蛋白质(40%)和RNA 60%)构 成。核糖体按沉降系数分为两类，一类(70S)存在于细菌等 原核生物中，另一类(80S)存在于真核细胞的细胞质中；每个大肠杆菌细胞含15 000个或更多核糖体；"超分子的复合物，占细胞内RNA总量的80%以上.核蛋白体的组成M. 4* x E&8rRNA23S rRNAMftaiaMrXH>l(r5S tRNA 2fcS rRNA5.8S rKNAlMrtWA aattan小科笊Afr O.» x IO*IOS rKNA n "fl不同

15、细胞核蛋白体的组成原核生物真核生物核蛋 白体小亚華大亚基白体小亚奉大亚華s70S30S50S80S4OS60S5S-rRNA 2AS-rRNA2SS-rRNArRNA16S-rRNA18S-rRNASSrRNA 5.8SrRNA蛋白质rpS21 种rpL 36种rpS 33 种rpL49 种原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式其功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多虺 肚 所以核旃体是细胞内蛋白质合成的分F机器P位肽酰位(pptidyl site) A位：氨基酰位 (aminoacylE位:排出位(exit site!rRNA结构的研究运用化学、物理学和免疫学方法，完成了对Hwli核糖体5

16、种蛋白质氨基 战序列及三种RNA -级和二级结构的测定，初步认识了核糖体颗粒的基 本锤造 larchltbcturv).主要技术包括：(I)电子显微锐术(EM)；Q)免疫学方法；中子衍射技术(neulon scattering)；2)双功能试剂交联法：(5)不同染料间m态单态能就转移 (singlet-singlet eni?rgj trunsrerll定 価)活性核萌体赖粒重建等方法.三位科学家因核糖体研究获诺贝尔化学奖 2009年10月7日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，英国剑桥大学科学家攵卡特拉曼拉马克里希南、美国科学家托马斯施泰茨和以色列科学家阿达约纳特因“对核糖体 结构和功能的研究

17、”而共同获得2009年诺贝 尔化学奖。文卡特拉曼拉马克里希南, 美国科学家.1952年出生 于印度南部舉米尔纳18邦 的占电伯勒娼.英国医学 研究理事会剑桥分子生物 学实鲨室的责裸科学冢.茨匡科学家.叭年出生 于威眾康1L州的空尔沃山 耶命人字分子生物物理学 和生物化学系的教授，以 及崔华径休斯区学硏究所 的硏究员。丿色列科学家 19刖年 出生于邛略撤"的一个 贫困狀家庭 1970年 尢訥斷回到以色列.协 助设立了以色列的首个 贺白殛晶体学实鲨室.伟大成就采用了X射线蛋白质晶体学的技术，标识出了构成核糖体 的成千上万个瓯子.科学家们不仅让我们知晓了核糖体的“外貌”，而且在原 子层面上

18、揭示了核糖体功能的机理。 “认识核糖体内在工作的机理.对于科学理解生命非常車 要.这些知识可以立刻应用于实际。”构筑了三维模型来显示不冏的抗生素是如何抑制核糖体功 能的，“这些模型已被用于研发新的抗生素，直接帮助减 轻人类的病痛，拯救生命”三、IRNA是氨基酸转运的工具（一）tRNA的结构和功能三叶草型的二维结构具有4个臂各种WNA均含有7（1。个碱基，其中22个碱基是恒 定的.（2） 5端和3端配对（常为7bp）形成茎区，称为受体臂 或称氨基酸骨。在F端永远是4个碱基（XCCA）的单 链区，在其末端有2，OH或y-on,是被氨基酰化位点 此臂负责携带特异的氨基酸 gC常由5bp的茎和7Nt和

19、环组成。此臂负贵和核糖体上 的rRNA识别结合：(4) 反密码子怦常由5bp的茎区和7Nt的环区组成，它负责对 密码子的识别与配对；(5) D环的茎区长度常为4bp,也称双氢尿喘喘环。负责和 贺基酰tRNA聚合胡结合；(6) 额外环可变性大，从4 NI到21 Nt不等，其功能是任 tRNA的L型三维结构中负责连接两个区域(D坏一反密码 子环和TqiC受体借)tRNA的三级结构倒L型结构(1) D环和Tg环形成了“ "的转角.(2) 氨基酸受体脅位于L型的一侧，距反密码子环约70 A(3) 在一些保守和半保守的碱基之间形成很多的三级氢键， 使分于形成I形b并使结构稳定。(J)使得三维结

20、构得以形成的这些碱基配对涉及到与磷酸核 糖主链相互作用的三级结构的磷酸二酣键分布在核糖的 2*-OH±.(5) 几乎所有的碱基平面之间产生堆积的作用.(6) 在尺密码子茎中仅有很少的三级氢键.tRNA的碱基堆积(二) (RNA对氨基酸的识别(1) tRNA怎样接受特定的氨基酸，氨基酰-IRNA 合成酶怎样识别tRNA?(2) (RNA中的哪些结构和接受特定氨基酸有关？蛋白质合成的四个位点氮基酸的结合位点：IRISA的3末Jffl-CCA-OH”氨St-tRNA合成酶的位点：识别«St-tRNA合成酶核糖体识别位点：使延长中的肽链附着于核糖体上厂反密码子位点：(RNA分子的反

21、密码环与mRNA上的密码配对 由密码一反密码氨基酸之间的“对号入座”，保 证了从核酸到蛋白质信息传递的准确性。氨基酰tRNA合成酶特征厂氨基酰tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都 有高度特异性；氨基St-tRN/Y合成酶具有校正活性（proofreading activity）；（三）氨基酰tRNA的表示方法氨基酰4RNA书写规贝IJ； ua-tRNAu,； Arg-tRNzArs. 原核生物：起始密码（AUG、GUG、LUG） 编码N.甲酰甲硫氨酸1X13、IRNA严，fMet-tRNArMrt5真核生物：起始密码（AUG）编码甲硫飙酸Met. Met-tRNA:翻译过程：密码（AUG）编

22、码甲硫贾酸Met、Met-IRNA严。第二节蛋白质生物合成分为五个阶段Protein BiosynthesisTakes Place in five Stages氨基酸的活化 在核糖体上合成多肽 翻译的起始译的延伸 翻译的终止折叠与加工修饰一.氨基酸的活化氨基酰YRNA合成酶(aminoacyl-tRNA letase)氨基SUrna含成酶氨基酸+ tRNA 7氨基酰tRNAATPAMP + PPiRNA在氨基酰(RNA合成酵的帮助下，能够识别相应的 氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的3<()H与氨基酸的竣基形 成活化脂氨基酰-tRZA氨扶酸与ATP作用，形成城爪酰腺嚟吟核打酸第一步反应第

23、二步反应艮基 5I-AMP-E + (RNA氨基BttRNA+AMP+IRNAVtt-IRNA存成腸AMP紅鼻瞰-AMP氨基酰基转移到IRN八的3OH端上形成©BR-tRNA二、在核糖体上合成多肽(-)肽链合成起始甲硫氨酰tRNA与niRNA结合到核蛋白体上，牛成翻译起始复介物(translational initiation complex)原核和真核均需要起始因子原核；起始因子三种，IF-k 2和3真核：起始因子十种：elF翻译起始：1) F3结合核蛋白体30S亚基，使大、小亚基拆离;2) IF1协助IF3结合和亚基拆离：3) 单独的30S亚基易于与inRNA及起始IRNA结合.

24、4) IF2促进fMet-tRNA结合mRNA及核蛋白体.翻译起始因子IF和elF起始步骤原核IF真核eLE亚基分离IF, (IF,)MFjmRNAM核酸-核酸，核酸-蛋白质 之何的辨认结合叫dFW eIF4tt,CBP-l dF4E (CBP-2)起始就位IFj. GTP (IFj)eIFj,eI%大亚基结合各种IF脱落"GTP水解期叫原核生物翻译起始复合物1、IF3、IF1结合解聚的30S核糖体小亚基 翻译过程是在核糖体上进行，在翻译延长过程中，核糖体大小 亚基是聚合的2. mRNA在小亚基定位结合3起始氨基酰(RNA( fMet-tRNA1)结合到 小亚基GTP4核蛋白体大亚基

25、结合，起始复合物形成起始気基酰JRMi（fMZRMA严） 结合到小亚基上核蛋白体大亚 基结合真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位;核蛋白体大亚基结合。(二)肽链合成延长根据mRNA密码序列的指导，顺序添加的氨基 酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程.肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称 为核蛋白体循环(ribosomal cycle)每次循环增加 一个氨基酸，包括以下三步：-进位(entrance)一 成肽(pt pt id e bond formation)一转位(translocation)(1) P位：即肽位

26、(pcptidyl site),或给位，在延长 成肽之后，3躺连接肽链的肽酰IRNA占据的位置, 肽链转位至此，延长继续。(2) A位;即氨基酰位(aminoacylsite),或称受位, 每次延长，氨基酰tRNA就加入到A位上，延长成 肽中，此位因接受肽酰基链，故名受位。(3) E位：推出位(exit site)肽链延伸过程需要延长因子(延长因子elongation factor, EF)原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1 . EF-2肽链合成的延长因子与功能原核延长 因子生物功能对应真核延 长因子EF-lu促进氨基酰“RNA进入A位， 结合分解GTP

27、EF-1-aEF-Is调节亚基有转位酶活性，促进niRNA-EF-l.p7EFG肽酰tRNA由A位前移到P位,促进卸載tRNA释放EF-2指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰 tRNA进入核蛋白体 A位。(1)进位又称注册(registration)GDP<2）成肽转駄蔚催化 核蛋白体大亚基上的量白质（rpL）P 位-fMet-tRNArk, + A 位""tRNA 肚（fMet 成（酰基）（氨基）为N末端）（A位上） A位成肽后.卩位留下空载tRNA从核蛋白体上脱落.P位留空；S3<8-25I破如定星获拒S3S(羞PK雀岸E)£讚垛ffir

28、 "忖*Xo(3)转位 (Translocation)转位酶(Translocase)延长因子EFG有转位酶活性，可结合并水解一分 子GTP,促进核蛋白体向mRNA的3,侧移动。I成肽（三）肽链合成终止（Termination）厂终止密码的辨认及肽链从肽酰tRNA水解出;丁 niRNA从核蛋白体中分离及大小亚基的拆开;厂终止过程也需蛋白质因子被称为释放因子（RF,RR）。终止相关的蛋白因子称为释放因子(release factor, RE)原核生物释放因子:RF-1, RF-2, RF-3真核生物释放因子：eRF释放因子的功能1.识别终止密码，如RF1特异识别UAA. UAG；而RF

29、2 可识别UAA、UGA.2诱导转肽醯改变为酣酶活性，相当于催化肽酰基转移到 水分子-OH±,使肽链从核蛋白体上释放。原核肽链合成终止过程第三节.翻译后的折叠和加工修饰Folding and PosttranslationalProcessing从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质 生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才 转变为天然构象的功能蛋白主要包括多肽链折叠为天然的三维结构肽链一级结构的修饰高级结构修饰蛋白质前体的加工 N端fVI讥或Met的切除；二硫键的形成；修饰作用；切除新生肚链中非功能所需的片段。第四节蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference & Inhibition of ProteinBiosy