第十四章 蛋白质合成

1、第十四章蛋白质的生物合成第十四章蛋白质的生物合成中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所上所携带的遗传信息携带的遗传信息,到多肽链上所携带的遗传信息的传到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为为模板的蛋白质合成过程为翻译翻译(translation)。 翻译过程十分复杂，需要翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参

2、与。在此过程中和多种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合为合成的模板，成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为的方向为NC端。端。思考思考遗传信息传递的遗传信息传递的 中心法则中心法则蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储生物的遗传信息以密码的形式储存在存在DNA分子上，表现为特定的核苷分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过通过DNA复制复制把亲代细胞所含

3、的遗传把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过传信息通过转录转录传递给传递给RNA，再由，再由RNA通过通过翻译翻译转变成相应的蛋白质多转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的病毒能以自己的RNA为模板为模板复制复制出新出新的病毒的病

4、毒RNA，还有一些，还有一些RNA病毒能以病毒能以其其RNA为模板合成为模板合成DNA，称为，称为逆转录逆转录这是中心法则的补充。这是中心法则的补充。 中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。遗遗传传信信息息流流动动

5、示示意意图图核糖体核糖体DNAmRNAtRNA第一节 蛋白质合成体系第二节 蛋白质合成的机理第三节 肽链合成后的修饰与折叠第四节 蛋白质定位二、二、t RNA三、三、核糖体核糖体一、一、mRNA和和遗传密码遗传密码四、四、辅助因子辅助因子mRNA (messenger RNA)是蛋白质生物合成过程是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。原核生物和真核生物原核生物和真核生物mRNA的比较的比较 遗传密码遗传密码: DNA（或（或mRNA）中的核苷酸序）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为列与蛋白质中氨基酸序列

6、之间的对应关系称为遗传密码。遗传密码。 密码子密码子(codon)：mRNA上每上每3个相邻的核个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。遗传密码字典遗传密码字典三联体密码的破译三联体密码的破译遗传密码的性质遗传密码的性质2、以随机共聚合指导多肽的合成、以随机共聚合指导多肽的合成例：以随机共聚物例：以随机共聚物A、C为模板，任意排列可为模板，任意排列可 出现出现8种三体，获得六种氨基酸组成的多肽。种三体，获得六种氨基酸组成的多肽。1、以均聚物为模板指导多肽的合成以均聚物为

7、模板指导多肽的合成3、以特定的共聚物为模板指导多肽的合成以特定的共聚物为模板指导多肽的合成4、核糖体结合技术核糖体结合技术以均聚物为模板指导多肽的合成PolyU为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为PolyphePolyA为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为PolylysPolyC为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为Polypro（1）以多聚二核苷酸作模板可合成由以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基个氨基酸组成的多肽、酸组成的多肽、PolyUG的模板，合成产物为的模板，合成产物为Lys和和Val。（2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨

8、基酸组成的多肽。基酸组成的多肽。技术要点：保温 分析留在滤膜上的-AAtRNA 确定与核糖体结合的AA以人工合成的以人工合成的+AA-tRNA遗传密码字典遗传密码字典UACGUCAGUCAG第二位第二位 第一位第一位（5） 第三位第三位（3）UCAGUCAGUCAG1、密码子是近于完全、密码子是近于完全的。的。2、密码的、密码的：由一种以上密码子编码同一个：由一种以上密码子编码同一个 氨基酸的现象称为简并，对应于同一氨基酸的密码氨基酸的现象称为简并，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子子称为同义密码子(Synonymous codon)。3、密码的密码的变偶性变偶性：多数情况下同义密码子的第

9、一多数情况下同义密码子的第一第二个碱基相同，第三个碱基不同，说明密码的专第二个碱基相同，第三个碱基不同，说明密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定。一性主要是由第一第二个碱基所决定。4、密码是、密码是的且相邻密码子的且相邻密码子。5、64组密码子中，组密码子中，既是的密码，又是既是的密码，又是；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的成的：UAG、UAA、UGA。1966年年Crick根据立体化学原理提出：根据立体化学原理提出：（2）有些反密码子的第一个碱基（按）有些反密码子的第一个碱基（按5-3）决定了）决定了 该该tRNA识别密码子的数目。识

10、别密码子的数目。（3）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他们的第一）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他们的第一 和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的tRNA 来识别。来识别。（1）mRNA上的密码子的第一、第二个碱基上的密码子的第一、第二个碱基 与与tRNA上上 的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一 性主要是由这两个碱基对的性主要是由这两个碱基对的 作用。作用。原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点5 3 顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺

11、序末端顺序AGGAGGUSD区区原核生物原核生物mRNA的特点的特点半衰期短半衰期短许多原核生物许多原核生物mRNAmRNA以多顺反子形式存在以多顺反子形式存在 AUGAUG作为起始密码；作为起始密码；AUGAUG上游上游7 71212个核苷酸处有一被称为个核苷酸处有一被称为SDSD序列的序列的保守区，保守区， 16S rRNA3- 16S rRNA3- 端反向互补而使端反向互补而使mRNAmRNA与核糖体结合。与核糖体结合。真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5 ppp-N-3 p帽子结构功能帽子结构功能使使mRNAmRNA

12、免遭核酸酶的破坏免遭核酸酶的破坏使使mRNAmRNA能与核糖体小亚基结合并开始能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因子所识别，从被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。而促进蛋白质的合成。是是mRNAmRNA由细胞核进入细胞质由细胞核进入细胞质所必需的形式所必需的形式 它大大提高了它大大提高了mRNAmRNA在细胞质在细胞质中的稳定性中的稳定性AAAAAAA-OH tRNA （transfer ribonucleic asid）在蛋白质合成中处于关键地）在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无位，它不但为每个

13、三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。1、tRNA的结构特征的结构特征三叶草型二级结构三叶草型二级结构2、tRNA的功能的功能（1）被特定的氨酰）被特定的氨酰- tRNA合成酶识别，使合成酶识别，使tRNA接受正确的活化氨基酸（接受正确的活化氨基酸（同工受体同工受体tRNA） 。（2）识别）识别mRNA链上的密码子。链上的密码子。（3）在蛋白质合成过程中，）在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生长起着连结生长的多肽链与核的多肽链与核 糖体的作用。糖体的作用。 密密码码子子与与反反密密码码子子的的配配对

14、对关关系系tRNAU A GA U C5 3 密码子密码子反密码子反密码子mRNA53321123根据变偶学说的碱基配对根据变偶学说的碱基配对核糖体核糖体核核 糖糖 体体 是由是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质的合成就是在这种核糖体上蛋白颗粒，蛋白质的合成就是在这种核糖体上进行的。进行的。1、核糖体的结构和组成、核糖体的结构和组成2、核糖体的活性位点、核糖体的活性位点3、核糖体的功能、核糖体的功能核核糖糖体体的的组组成成原核生物核原核生物核糖体的组成糖体的组成原核生物核糖

15、体结构示意图原核生物核糖体结构示意图 核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点：化位点：（1）与）与mRNA的结合位点；的结合位点；（2）A位点：氨酰基位点，与新掺入的氨酰位点：氨酰基位点，与新掺入的氨酰tRNA结合；结合；（3）P位点：肽酰基位点，与延伸中的酰肽位点：肽酰基位点，与延伸中的酰肽tRNA结合；结合；（4）E位点：肽酰转移后与即将释放的位点：肽酰转移后与即将释放的tRNA结合；结合；（5）与肽酰）与肽酰tRNA从从A位点转移到位点转移到P位点有关的转移酶的结位点有关的转移酶的结合位点；合位点；（6）肽酰转移酶的催化位点

16、：）肽酰转移酶的催化位点：核糖体中最主要的活性部位核糖体中最主要的活性部位是肽酰转移酶的催化位点是肽酰转移酶的催化位点。2.核糖体的活性位点核糖体的活性位点核糖体的功能位点核糖体的功能位点A位：氨基酰位位点位：氨基酰位位点(aminoacyl site)P位：肽酰基位点位：肽酰基位点(peptidyl site)E位：排出位点位：排出位点(exit site)2.核糖体的活性位点核糖体的活性位点 过去一直认为在核糖体中一定有某种或某类蛋白质在催化蛋过去一直认为在核糖体中一定有某种或某类蛋白质在催化蛋白质合成中起重要作用。但目前认为，在核糖体中白质合成中起重要作用。但目前认为，在核糖体中rRNA

17、是起主是起主要作用的结构成分，主要功能为：要作用的结构成分，主要功能为：（1）具有肽酰转移酶活性；）具有肽酰转移酶活性；（2）为）为tRNA提供结合位点（提供结合位点（A位点、位点、P位点和位点和E位点）；位点）；（3）为多种蛋白质合成因子提供结合位点；）为多种蛋白质合成因子提供结合位点；（4）在蛋白质合成起始时参与同）在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地结合以及肽链选择性地结合以及肽链延伸时与延伸时与mRNA结合。结合。 对核糖体蛋白的功能有多种推测对核糖体蛋白的功能有多种推测：（：（1）对）对rRNA折叠成有折叠成有功能的三维结构十分重要；（功能的三维结构十分重要；（2）对核糖体的构象

18、变化起到微调）对核糖体的构象变化起到微调作用；（作用；（3）在核糖体的结合位点及催化位点上与）在核糖体的结合位点及催化位点上与rRNA共同作共同作用。用。3.核糖体的功能核糖体的功能 2000年，原子水平的核糖年，原子水平的核糖体结构图诞生，并证实了体结构图诞生，并证实了RNA分子发生复杂的折叠，但有大分子发生复杂的折叠，但有大量的蛋白质支持。亮点是蛋白量的蛋白质支持。亮点是蛋白质合成的活性位点。活性位点质合成的活性位点。活性位点由由RNA（白色链）构成，而不（白色链）构成，而不是蛋白质（桔色）。是蛋白质（桔色）。3.核糖体的功能核糖体的功能真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子真核和原核细胞参与

19、翻译的蛋白质因子阶段阶段原核原核 真核真核 功功 能能IF1IF2 eIF2 参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成IF3 eIF3、eIF4C起始起始CBP I 与与mRNA帽子结合帽子结合 eIF4A B F 参与寻找第一个参与寻找第一个AUGeIF5 协助协助eIF2 、 eIF3、eIF4C的释放的释放eIF6 协助协助60S亚基从无活性的核糖体上解离亚基从无活性的核糖体上解离EF-Tu eEF1 协助氨酰协助氨酰-tRNA进入核糖体进入核糖体延长延长EF-Ts eEF1 帮助帮助EF-Tu 、 eEF1 周转周转 EF-G eEF2 移位因子移位因子RF-1终止终止 eRF 释放完

20、整的肽链释放完整的肽链RF-2氨基酸的活化原核生物多肽链的合成过程真核生物多肽链的合成多核糖体与核糖体循环氨氨基基酸酸的的活活化化EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸氨基酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸第一步第一步第二步第二步氨氨基基酸酸的的活活化化3-氨酰氨酰-tRNAN-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNAffMet的形成的形成CHOCHO-HN-CH-COO-tRNA-HN-CH-COO-tRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S COO- COO- + +H H2 2N-CH-COO-tRNAN-CH-COO-tRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S

21、COO- COO-Met-tRNAffMetfMet-tRNAffMet转甲酰酶转甲酰酶 ：一是对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。二是对tRNA 具有极高专一性。 ：氨酰- tRNA合成酶的水解 部位可以水解错误活化的氨基酸。 原核生物多肽链的合成分为三个阶段：肽链合成的起始、肽链的延伸、肽链合成的终止和释放。1、肽链合成的起始2、肽链的延长3、肽链合成的终止及释放肽链合成的起始肽链合成的起始30S亚基亚基 mRNA IF3- IF1复合物复合物30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物复合物70S起始复合物起

22、始复合物codonanticodonA位位P位位 mRNA +30S亚基亚基-IF3IF-3IF2GTPIF3 IF2 IF1IF2-GTP-fRNA-tRNAIF350S50S亚基亚基IF2+ IF1+GDP+PiIF-1IF11、30S 核糖体小亚基与起始核糖体小亚基与起始因子因子IF 1和和IF-3相结合，诱发相结合，诱发模板模板mRNA与小亚基结合与小亚基结合。蛋白质合成的起始蛋白质合成的起始mRNAmRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合 (1) (1)原核生物原核生物mRNAmRNA通过通过55端端SDSD序列配对结合到核序列配对结合到核蛋白体小亚基上的蛋白体小亚基上的16S 16

23、S rRNArRNA近近3-3-末端处（有末端处（有一段短序列一段短序列UCCUUCCU）。）。IF-3IF-3对此有固定作用。对此有固定作用。 (2)(2)紧接紧接SDSD序列的小段序列的小段核苷酸，又可以被核蛋核苷酸，又可以被核蛋白体小亚基蛋白白体小亚基蛋白(rps-l)(rps-l)辨认结合。辨认结合。 SDSD序列：在翻译起始密码子序列：在翻译起始密码子AUGAUG的上游，相距约的上游，相距约813813个核个核苷酸处，有一段由苷酸处，有一段由4-94-9个核苷酸组成的富含嘌呤的序列。这一序个核苷酸组成的富含嘌呤的序列。这一序列以列以AGGAAGGA为核心，因其发现者是为核心，因其发现

24、者是Shine-DalgarnoShine-Dalgarno而得名。而得名。mRNAmRNA上的上的SDSD序列又称为序列又称为核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点(RBS)(RBS)。mRNAmRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合2 2、由、由30S 30S 小亚基、起始因小亚基、起始因子子IF-1IF-1和和IF-3IF-3及模板及模板mRNAmRNA所所组成的复合物立即与组成的复合物立即与GTP-GTP-IF-2IF-2及及fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet相结合。相结合。反密码子与密码子配对。反密码子与密码子配对。蛋白质合成的起始蛋白质合成的起始3 3、上述六组分复合物

25、再、上述六组分复合物再与与50S50S大亚基结合，水解大亚基结合，水解GTPGTP生成并释放生成并释放GDPGDP和和PiPi。释放三个起始因子。释放三个起始因子。蛋白质合成的起始蛋白质合成的起始肽链的延长TuTs循环循环肽键的形成肽键的形成肽基转移酶肽基转移酶（1 1）释放因子）释放因子RFRF1 1或或RFRF2 2进入核糖体进入核糖体A A位。位。 （2 2）多肽链的释放）多肽链的释放（3 3）70S70S核糖体解离核糖体解离tRNARFRF多核糖体第一个编码区第一个编码区第一个编码区第一个编码区第二个编码区第二个编码区第二个编码区第二个编码区终止终止起始起始终止终止起始起始mRNAmR

26、NA多多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1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2、起始氨基酸为Met，不是fMet；3、肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首 先识别mRNA的5端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG；4、起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子；5、真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。一、肽链合成后的修饰一、肽链合成后的修饰1 1、肽链末端的修饰（、肽链末端的修饰（N-N-端端fMetfMet或或MetMet的切除

27、）的切除）2 2、信号序列的切除、信号序列的切除3 3、二硫键的形成、二硫键的形成4 4、部分肽段的切除（内含肽）、部分肽段的切除（内含肽）5 5、个别氨基酸的修饰、个别氨基酸的修饰6 6、糖基侧链的添加、糖基侧链的添加7 7、辅基的加入、辅基的加入示例：酶原的激活示例：酶原的激活NC新生多肽链新生多肽链末端加工末端加工多蛋白加工多蛋白加工(polyprotein) 去除的末端去除的末端活性蛋白活性蛋白三个活性蛋白三个活性蛋白通过蛋白酶剪切进行加工通过蛋白酶剪切进行加工NC内含肽内含肽NC剪接剪接内含肽的剪接内含肽的剪接 内含肽内含肽是蛋白质的内部片段，翻译后很快被去除，从而使是蛋白质的内部片

28、段，翻译后很快被去除，从而使两个外部片段和外显肽连接到一起。两个外部片段和外显肽连接到一起。 内含肽剪接位点的序列：内含肽剪接位点的序列：第一个氨基酸通常是第一个氨基酸通常是Cys，有时，有时为为Ser，最后两个氨基酸基本上是，最后两个氨基酸基本上是His后接后接Asn。下游外显肽的。下游外显肽的第一个氨基酸是第一个氨基酸是Cys、Ser或或Thr。胰岛素原的加工胰岛素原的加工A链区链区B链区链区间插序列（间插序列（C肽区）肽区）HSSHSHSHHSHS信号肽信号肽NC核糖体上合成出无规核糖体上合成出无规则卷曲的则卷曲的前胰岛素原前胰岛素原切除切除C肽后，形成肽后，形成成熟的胰岛素分子成熟的胰

29、岛素分子切除信号肽后切除信号肽后折叠成稳定构折叠成稳定构象的胰岛素原象的胰岛素原SSSSNNCCA链链B链链胰岛素胰岛素CNSSSS胰岛素原胰岛素原SS胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶胰蛋白酶六肽六肽肠肠激激酶酶活性中心活性中心胰蛋白酶原的激活示意图胰蛋白酶原的激活示意图二、肽链合成后的折叠二、肽链合成后的折叠 肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具有正确三肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具有正确三维空间结构的蛋白质的过程。维空间结构的蛋白质的过程。 体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白质参与，体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白质参与，称为助折叠蛋白称为助折叠蛋白: :（1 1）酶：蛋白质二硫键异构酶（）酶：蛋白质二硫键异构酶（PDIPDI）；（；（2 2）分子伴侣）分子伴侣 Lasky Lasky于于19781978年首先提出分子伴侣（年首先提出分子伴侣（mulecular mulecular chaperonechaperone）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在原核构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白