生物化学教学课件：Chapte 12 蛋白质代谢 2

1、第十二章第十二章 蛋白质代谢蛋白质代谢Chapter 12 Metabolism of Proteins (2)1主要内容主要内容第一节第一节 概述概述Overview第二节氨基酸的代谢Metabolism of amino acids第三节第三节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成Biosynthesis of proteins2 蛋白质的生物合成(protein biosynthesis)是生物细胞以是生物细胞以mRNA为模板，为模板，就是将mRNA分子中核苷酸排列顺序（核苷酸排列顺序（碱基序列）所组成所组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（t

2、ranslation)。第三节第三节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 (protein biosynthesis)生物性状生物性状3第三节第三节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成l 蛋白质的生物合成是生命科学基本而重大的研究课题之一。细胞代谢生命活性物质的产生基因工程产物的表达l 蛋白质中氨基酸的序列氨基酸的序列是由DNADNA的碱基序列的碱基序列所含的遗传信息决定的。涉及的本质是基因的表达：肽键的形成和氨基酸系列的确定。4基因表达（基因表达（Gene Expression）u基因表达基因表达(gene expression)-基因转录及翻基因转录及翻译的过程。译的过程。RNA的合成。的合成

3、。蛋白质的合成。蛋白质的合成。u基因表达产物基因表达产物各种各种RNA(tRNA、mRNA和和rRNA)以及蛋白质、多以及蛋白质、多肽。肽。5Coupling of Transcription and Translation6一、遗传密码一、遗传密码 模板：模板：mRNA（遗传密码）（遗传密码） 底物（原料）：底物（原料）：22种编码氨基酸种编码氨基酸 合成场所：合成场所：核糖体核糖体 氨基酸转运工具：氨基酸转运工具：tRNA 主要酶和蛋白质因子：氨酰主要酶和蛋白质因子：氨酰-tRNA合成酶、转肽酶、转位酶、合成酶、转肽酶、转位酶、起始因子、延伸因子、释放因子等起始因子、延伸因子、释放因子等

4、能源物质和无机离子：能源物质和无机离子：ATP、GTP、Mg2+、 K+u 蛋白质生物合成体系：蛋白质生物合成体系：重点了解重点了解7mRNA是蛋白质生物合成的直接模板是蛋白质生物合成的直接模板nmRNA的基本结构的基本结构Start of genetic messageCapEndTail5-端非翻译区端非翻译区 5 3 3-端非翻译区端非翻译区 开放阅读框架开放阅读框架 从从mRNA 5 -端端起始密码子起始密码子AUG到到3 -端端终止密码子终止密码子之间的核苷酸序列，称为之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架开放阅读框架(open reading frame, ORF)。8uNirenbe

5、rgNirenberg、KhoranaKhorana因遗传密码的破译而与另一位科学家因遗传密码的破译而与另一位科学家HolleyHolley分享了分享了19681968年年诺贝尔生理学奖诺贝尔生理学奖。遗传密码遗传密码u遗传密码遗传密码: mRNA 上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遗传密码。u密码子密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核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（triplet codons）。 64个密码子中，除了3个终止密码外，只有61个密码子个密码子编码20种氨基酸种氨基酸，称为编码子编码子。9遗传密码遗传密码

6、1011Initiation codon (起始密码子起始密码子)：AUG（90%）、）、GUG、UUGAUG codes for methionine（甲硫氨酸）（甲硫氨酸） and also acts as an initiation (Start) codon。 GUGandUUGalsocodesforAAs.Termination codon (终止密码子终止密码子) ：UAA、UAG、UGAThe codons UAG, UGA and UAA are called termination codons or Stop codons. UAA do not specify AAs.

7、UGA codesforSelenocysteine(硒代半胱氨酸硒代半胱氨酸)()(第第2121种种AA)AA)UAGcodesforpyrrolysine(吡咯赖氨酸吡咯赖氨酸)( (第第2222种种AA)AA)u起始密码子和终止密码子：起始密码子和终止密码子：遗传密码遗传密码12（1 1）通用性）通用性(universal)(universal)u蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 u密码子的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。u已发现少数例外。（2 2）简并性）简并性(degeneracy)(degeneracy)u即一种氨基酸具有几种密码子编码的性质。甲硫氨酸、色

8、氨酸甲硫氨酸、色氨酸、硒代半胱氨酸、吡咯赖氨酸、硒代半胱氨酸、吡咯赖氨酸仅有一个密码子。其余18种氨基酸都有2 2种以上的密码子种以上的密码子。密码子的简并性主要在于第三位核苷酸第三位核苷酸的变化，这有利于提高蛋白质种类的稳定性。遗传密码的特点遗传密码的特点13遗传密码的特点遗传密码的特点（3 3）不重叠性（）不重叠性（non-overlapnon-overlap）每个三联体密码都独立地代表一种氨基酸。不会出现4个或5个核苷酸代表2个氨基酸的情形。密码子间无交叉。（4 4）无间隔性）无间隔性(non-punctuated)(non-punctuated)密码子之间是连续的，无其他的核苷酸隔开。

9、开始于起始密码子，终止于终止密码子。（5 5）方向性）方向性(directional)(directional)翻译时，密码子的阅读方向也是从mRNA的为5 3。（6 6）密码的兼职性）密码的兼职性起始密码子和终止密码子中，UAAUAA是唯一的“专职专职”密码密码，其他都是“兼职”的。14二、核糖体（二、核糖体（ribosome）uRibosome is a non-covalent assembly of many proteins and few RNA molecules。其中蛋白质与rRNA的重量比约为60%和40%。颗粒状，存在于细胞质内；核糖体颗粒分为大小两个亚基，两个亚基都含有蛋

10、白质和rRNA。核糖体可理解为巨大 的多酶复合体。原核生物核糖体原核生物核糖体（The prokaryotic 70S ribosome）15原核生物核糖体的组成原核生物核糖体的组成Composition of ribosomes in prokaryotic 16核糖体是蛋白质合成的场所核糖体是蛋白质合成的场所 结合AA-tRNA部位（A位）位）氨酰基位点aminoacyl site 结合肽基tRNA部位（P位）位）肽酰基位点peptidyl site 空载tRNA移出部位（E位）位）u核糖体发挥生物学功能核糖体发挥生物学功能的的3 3个基本部位：个基本部位：A位点、P位点位于大小亚基接触界

11、面上。17核糖体上还结合有很多其他蛋白质因子，起重要作用：核糖体上还结合有很多其他蛋白质因子，起重要作用： 起始因子（起始因子（initiation factor，IF） 延伸因子（延伸因子（elongation factor，EF） 释放因子（释放因子（release factor，RF） 转移酶（转移酶（transferaase）蛋白质因子蛋白质因子18参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类生物学功能起始因子起始因子IF-1占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-2促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合IF-3

12、促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA的敏感的敏感性性延伸因子延伸因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合并分解位，结合并分解GTPEF-Ts调节亚基调节亚基EF-G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位移至位移至P位，位，促进促进tRNA卸载与释放卸载与释放释放因子释放因子RF-1特异识别特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶，诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异识别特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯酶，诱导转肽酶转变为酯酶RF-3可与核蛋白体其他部位结合，有可与核蛋白体其他部位结合，有

13、GTP酶活性，能介导酶活性，能介导RF-1及及RF-2与核蛋白体的相互作用与核蛋白体的相互作用19参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类生物学功能起始因子起始因子eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2B, eIF-3最先结合小亚基，促进大小亚基分离最先结合小亚基，促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除解螺旋酶活性，能解除mRNA5 -端的端的发夹结构，使其与小亚基结合发夹结构，使其与小亚

14、基结合eIF-4B结合结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA 5 帽子帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和和PolyA 结合蛋白结合蛋白eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基延伸因子延伸因子eIF1-促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合分解位，结合分解GTP，相当于，相当于EF-TueIF1-调节亚基，相当于调节亚基，相当于E

15、F-TseIF-2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位移至位移至P位，促进位，促进tRNA卸载与释放，相当于卸载与释放，相当于EF-G 释放因子释放因子eRF识别所有终止密码子，具有原核生物各类识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能的功能20多核糖体多核糖体l 一条一条mRNAmRNA链上同时具有许多个核糖体。链上同时具有许多个核糖体。同时进行蛋白质多肽链的合成。21三、蛋白质合成的分子机制三、蛋白质合成的分子机制蛋白质合成系统示意图蛋白质合成系统示意图22蛋白质的合成过程蛋白质的合成过程1. Activation of amino acids En

16、zymatic synthesis of aminoacyl-tRNA molecules2. Protein Synthesis Process Initiation of translation Elongation Termination and ribosome recycling3. Post-translational processing and modification Catalyzed by a variety of enzymes231. 氨基酸的激活氨基酸的激活氨酰氨酰-tRNA的合成的合成氨基酸的活化：氨基酸的活化：氨基酸必须先行活化才能形成肽链，即在氨酰-tRNA合

17、成酶、ATP的作用下，将氨基酸的羧基以酯键连接于tRNA的3端羟基上，形成氨酰形成氨酰-tRNA。氨基酸臂氨基酸臂反密码环反密码环t RNA的结构的结构OH24氨基酸氨基酸 + tRNA氨酰氨酰- tRNAATP AMPPPi氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶 氨基酸的活化反应氨基酸的活化反应(aminoacyl-tRNA synthetase)u 总反应为：总反应为：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PP25u反应（反应（1）：）：氨基酸氨基酸ATPE 氨酰氨酰-AMP-EAMP PP

18、i 氨基酸的活化反应氨基酸的活化反应氨酰氨酰-AMP26u 反应（反应（2 2）：）：氨酰氨酰-AMP-E tRNA 氨酰氨酰-tRNA AMP E 氨基酸的活化反应氨基酸的活化反应氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶氨酰氨酰-AMP氨酰氨酰-tRNA27AminoAcyl tRNA28 氨基酸的活化反应氨基酸的活化反应2930氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶u 氨酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 既能识别既能识别22种氨基酸种氨基酸 又能识别转运氨基酸的又能识别转运氨基酸的tRNAu 氨酰-tRNA合成酶具有校正活性校正活

19、性(proofreading activity) 。 保证了蛋白质合成的正确性。312. 蛋白质合成过程蛋白质合成过程l Three Steps of Protein Synthesis Initiation of translation （起始）（起始） BindingofmRNAandN-formylmethionine（甲酰甲硫氨甲酰甲硫氨酰酰-tRNA ）toribosome Elongation （延伸）（延伸） Bindingofaminoacyl-tRNAstoribosome Formationofpeptidebonds Termination （ （终终止）止） Termi

20、nationcodoninmRNAreachesribosome翻译过程从mRNA的5端的起始密码子开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。 32 多肽链合成的起始氨基酸多肽链合成的起始氨基酸甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNA其能够识别起始密码子其能够识别起始密码子 翻译起始复合物起始复合物（initiation complex）的形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。翻译的起始翻译的起始 (initiation)l翻译的起始翻译的起始 (initiation)：mRNAmRNA和起始和起始氨酰氨酰- -tR

21、NAtRNA分别与核糖体结合分别与核糖体结合而形成而形成翻译起始复合物。翻译起始复合物。33ONH2SCH3OHMetONHSCH3O HCOHfMet保护氨基u多肽链合成的起始氨基酸多肽链合成的起始氨基酸 甲酰甲酰甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNAfMet）的合成：的合成：Met-tRNAifMetfMet-tRNAifMet转甲酰基酶N10-CHO FH4Met活化产物起始肽链合成的氨酰起始肽链合成的氨酰- -tRNAtRNA34起始复合物起始复合物（initiation complex）的）的形成形成30S mRNA IF3- IF1复合物复合物30S mRNA GTP- f

22、Met tRNAfMet- IF2- IF1复合物复合物 mRNA-30S-IF3IF2-GTP-fMet-tRNAfMetIF350S50S亚基亚基IF2+ IF1+GDP+PiIF1 mRNA-30S-IF330S-IF3 mRNA30S亚基亚基IF370S50S70S- mRNA-fMet tRNAfMet 起始复合物起始复合物35Initiation (1)uIF1 and IF3 bind to 30SuThe mRNA is guided to the 30S subunit（亚基）uFormylmethionine tRNA (甲酰甲硫氨酰-tRNA) in complex wi

23、th IF-2-GTP binds to the peptidyl site.36l Large 50S subunit combines with the 30S subunit l GTP hydrolysis l Initiation Factors and GDP releasedl Forming the initiation complex (70S- mRNA-fMet tRNAfMet )Initiation (2)38Elongation of peptides （延伸）（延伸）u 肽链的延伸指按照mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从从N N端向端向C C端端延伸肽链，直

24、到合成终止的过程。 u 肽链的延伸是在核糖体上连续性循环式进行的，称为狭义的核糖体体循环（核糖体体循环（ribosomal cycleribosomal cycle），），每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位进位 (entrance) 转肽转肽 (peptide bond formation) 移位移位 (translocation)u 核糖体阅读mRNA密码子的方向是53，肽链合成从NC端进行的。39原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移

25、到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 l延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF)(elongation factor, EF)40指根据指根据mRNA下一组下一组遗传密码指导，使相应遗传密码指导，使相应氨氨酰酰-tRNA进入核糖体进入核糖体A位位。进位进位 (entrance)mRNA41转肽转肽 (peptide bond formation)uSecond Elongation Step: Peptide Bond Formation 4243移位移位 (translocation)u

26、延长因子EF-G有转位酶（translocase ）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3侧移动。44进位进位 (entrance)转肽转肽 (peptide bond formation)移位移位 (translocation)cyclingElongation of peptides （延伸）（延伸）45Termination （ （终终止）止）uTermination （终止）（终止）：指核糖体A位出现mRNA的终止密码子后，由于tRNA不含有识别终止密码子的反密码子，因此多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等发生分离。 u 终止阶段需要终止终止因子因子 (释放因子释放因子) RF-1、 RF-2和和 RF-3参与。识别终止密码子诱导改变转肽酶的活性，使之称为水解酶，使肽链从tRNA上分离出来，生成一条新合成的蛋白质分子。46uWhen the stop codon (UAG) reaches ribosome a release factor （ （释释放因子）放因子） binds to the A site（ （A位点）位点）uThe linkage between nascent（新生的） polypeptide and tRNA i