第11部分蛋白质的生物合成

1、第11部分蛋白质的生物合成 引 言 中心法则的补充与完善 在细胞分裂过程中，通过DNA的复制把遗传信息由亲代传递给子代； 在子代的个体发育过程中，遗传信息由DNA传递到RNA，然后翻译成特异的蛋白质，表现出与亲代相似的遗传性状。这种遗传信息的流向，称为中心法则。 中心法则DNARNA蛋白质转录翻译复制狭义的中心法则 在某些情况下，RNA也是重要的遗传物质，如RNA病毒中RNA具有自我复制的能力，并同时作为mRNA指导蛋白质的生物合成。 在致癌RNA病毒中，RNA还以逆转录的方式将遗传信息传递给DNA分子。 中心法则的补充与完善 中心法则RNADNA蛋白质转录翻译复制反转录RNA复制复制：以亲代

2、DNA分子的双链为模板，按照碱基配对的原则，合成出与亲代DNA分子相同的双链DNA的过程。 转录：以DNA分子中一条链的部分片段为模板，按照碱基配对原则，合成出一条与模板DNA链互补的RNA分子的过程。翻译：把mRNA上的遗传信息按照遗传密码转换成蛋白质中特定的氨基酸序列的过程。“翻译”又叫“转译”。 中心法则的补充与完善几个基本重要的概念第一节 蛋白质合成体系的组分 蛋白质的合成是一个十分复杂的过程，蛋白质的合成要求100多种大分子物质参与和相互协作，这些大分子物质包括rRNA、tRNA、核糖体、多种活化酶及各种蛋白质因子。 蛋白质的合成不只是氨基酸之间形成肽键的问题，更重要的在于安排氨基酸

3、的排列顺序，以形成千差万别的蛋白质。 一、遗传密码 mRNA是蛋白质合成过程中直接指令氨基酸参入的模板。那么mRNA上的遗传信息是如何传递给蛋白质的？即mRNA的核苷酸序列是如何对应于蛋白质中的氨基酸序列的？其对应关系来自遗传密码 mRNA(或DNA)中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系，称为遗传密码。 mRNA(或DNA)中三个连续的核苷酸可编码一种氨基酸，这种核苷酸三联体称为密码子。 一、遗传密码 1954年物理学家G. Gamov首先对遗传密码进行探讨。蛋白质由20种基本氨基酸组成，而mRNA只含有4种核苷酸，由4种核苷酸构成的序列是如何决定多肽链中多至20种氨基酸的序列的呢

4、？显然，在核苷酸和氨基酸之间不能采取简单的一对一的对应关系。2个核苷酸决定一个氨基酸也只能编码16种氨基酸，如果用3个核苷酸决定一个氨基酸，43=64，就足以编码20种氨基酸了，这说明可能需要3个或更多个核苷酸编码一个氨基酸。 一、遗传密码 1961年Francis Crick及其同事的遗传实验进一步肯定3个碱基编码一个氨基酸，此三联体碱基即称为密码子。他们研究T4噬菌体位点A和B两个顺反子变异的影响，这两个基因与噬菌体能否感染大肠杆菌株有关。 他们的研究发现，在上述位点缺失一个核苷酸产生的突变体，不能感染大肠杆菌株。 一、遗传密码碱基序列CATCATCATCATCATCAT1CATCACAT

5、CATCATCATC11 CATCACAXTCATCATCAT2CATXCAXTCATCATCAT3CAX TXCATX CAT CAT CAT 缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变 一、遗传密码 在理论上，遗传密码可以通过简单的比较 mRNA的碱基序列及其所编码的多肽的氨基酸序列进行确定，然而在 20 世纪 60 年代，此方法不可行，因为当时分离 mRNA 并测定其序列的方法尚未建立。 2.遗传密码的解读 1961年 Nirenberg 等用大肠杆菌无细胞体系，外加 20 种氨基酸的混合物（其中有一种氨基酸被同位素标记）及 poly U，经保温反应后，得到了被标记的苯丙氨酸的多聚体，从而证明

6、 poly U起了信使 RNA 的作用， UUU是编码苯丙氨酸的密码子。用同样的方法证明 CCC 编码脯氨酸，AAA 编码赖氨酸。这样，这三个密码子最早被解译出来了。 2.遗传密码的解读 Nirenberg 和 Ochoa 等又进一步用两种核苷酸或三种核苷酸的共聚物作模板，重复上述实验。例如，用U和G 随机排列组成的共聚物可以出现 8 种不同的三联体，即GGG，GGU，GUG，UGG，UUG，UGU，GUU，UUU。 酶促合成共聚核苷酸时，根据加入核苷酸底物的比例可以计算出各种三联体出现的频率，而标记氨基酸掺入新合成的肽链的相对量与三联体密码出现的频率相符合 2.遗传密码的解读 UUUGUUG

7、GU2.遗传密码的解读 1964年Nirenberg等发现在无蛋白质合成的情况下，三联核苷酸能促进特异的tRNA与核糖体结合。例如，加入pUpUpU促进脯氨酸tRNA与之结合，pApApA促进赖氨酸tRNA与之结合进一步要解决的问题是密码子中三个碱基的排列顺序2.遗传密码的解读 将结合的氨酰- tRNA-三核苷酸-核糖体吸附在硝酸纤维素滤膜上，这样，凡是结合在核糖体（带特定氨基酸）上的tRNA分子在通过硝酸纤维素滤膜时被截留下来，而未结合的tRNA则可通过。由于三核苷酸模板只能与一定的tRNA对应，而一定的tRNA又只与特定的氨基酸结合，所以只要带标记的氨基酸被滤膜，就可以测出三联体对应氨基酸

8、的密码子。2.遗传密码的解读 利用此系统，通过合成所有64种可能的三联体，测定每种三联体对20种氨基酸相应的tRNA与核糖体结合的影响，已使50多种密码子被解译出来。但还有一些三联体编码的氨基酸不能肯定，需要用其他方法来破译。 2.遗传密码的解读 与此同时，Khorana 应用合成的具有重复序列的多核苷酸如UCUCUCUC进行体外蛋白质人工合成，发现产物为丝氨酸与亮氨酸交替出现的多肽：SerLeuSerLeu，说明UCU编码丝氨酸，而CUC编码亮氨酸。 2.遗传密码的解读 当一合成的三联核苷酸重复序列，如 poly（UUC）作模板时，由于阅读框架不同，得到的产物是三种不同的均聚多肽：多聚苯丙氨

9、酸、多聚丝氨酸和多聚亮氨酸，说明UUC编码苯丙氨酸、 UCU编码丝氨酸、 CUU编码亮氨酸。 通过分析各种两个和三个核苷酸重复序列编码的多肽，确认了许多密码子的一致性并填补了遗漏的遗传密码。 2.遗传密码的解读 UUUGUUGGU2.遗传密码的解读 密码的无标点性、无重叠性 3.遗传密码的特点 密码子的简并性一个氨基酸可以有几个不同的密码子的特性。同义密码子：编码同一个氨基酸的一组密码子。注意：Trp 和 Met只有一个密码子。Leu、Arg、Ser 均有6个密码子。ATG CGG AAA TGG CCG AAT GAT 密码子的通用性和例外 密码子的通用性是指生物细胞共同使用同一套遗传密码字

10、典。只有在一些线粒体中使用的遗传密码与通用密码有所区别。所以说遗传密码基本通用，但非绝对通用。3.遗传密码的特点 起始密码子和终止密码子 在64个密码子中，有3个密码子不编码任何氨基酸，从而成为肽链合成的终止信号，称为终止密码子或无义密码子，它们是UAA、UAG、UGA。其余的61个密码子均编码不同的氨基酸，其中AUG既是Met的密码子，又是肽链合成的起始信号，称为起始密码子。 密码子的摆动性 密码子的专一性主要是由前两位的碱基决定，而第三位碱基有较大的灵活性。3.遗传密码的特点二、 mRNA mRNA的功能结构 mRNA上能够编码一条多肽链合成的区段叫做编码区。原核生物 mRNA：其一条mR

11、NA链可编码多个多肽链，称为多顺反子的mRNA。 编码区的第一个密码子必定是AUG，最后一个密码子必定是UAA或UAG或UGA，从第一个密码子到最后一个密码子之间间隔3n个核苷酸。3非编码区5非编码区编码区非编码区编码区非编码区编码区二、 mRNA真核生物mRNA：其一条mRNA链只能编码一个多肽链，称为单顺反子的mRNA。编 码 区5非编码区帽子PolyA尾巴3非编码区 mRNA的功能结构 三、 核糖体核糖体是合成蛋白质的场所。 1955年，Paul Zamecnik通过实验确认核糖体是蛋白合成的场所。他将放射性同位素标记的氨基酸注射到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离心后分成细胞核

12、、线粒体、微粒体和可溶部分。发现微粒体中的放射性强度最高，若将微粒体部分进一步分级分离，可在核糖体中大量回收到所掺入的放射性，这说明核糖体是合成蛋白质的部位。 1. 核糖体的存在部位 三、 核糖体 真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，另一部分与内质网结合，形成粗面内质网。此外在其线粒体和叶绿体中也有核糖体。原核生物的核糖体存在于细胞质中；核糖体是一个巨大的核糖核蛋白体 2. 核糖体的组成核糖体rRNA蛋白质原核生物70S30S16S21种50S23S、5S31种真核生物80S40S18S30-32种60S28S、5S、5.8S36-50种 三、 核糖体2. 核糖体的组成 三、 核糖体A

13、 three-dimensional model for the E.coli ribosomemRNA结合部位： 大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳mRNA； 此外，小亚基的16S rRNA可以与mRNA相互作用，从而参与mRNA与核糖体的结合。 3. 核糖体上的活性部位(1) 结合部位 三、 核糖体3. 核糖体上的活性部位tRNA结合部位：有2个 氨酰基部位（A位） 氨酰tRNA的结合部位 肽基部位 （P位） 正在延长的多肽基 tRNA的结合部位； tRNA的这两个结合部位有一小部分在30S亚基内，大部分在50S亚基内。 三、 核糖体催化肽键形成的部位： 称为肽基转移酶，又叫转肽酶。位于大

14、亚基上。 1992年发现该活性是由23S rRNA提供的。 3. 核糖体上的活性部位(2) 催化部位催化GTP水解的部位： 位于大亚基上，在核糖体移位期间将GTP水解成GDP和Pi。(1) 结合部位 三、 核糖体 四、tRNAThe general structure of tRNA molecules 四、tRNA被特定的氨酰-tRNA合成酶所识别。识别mRNA链上的密码子，这是因为tRNA上有3个特定碱基组成的一个反密码子与mRNA链上的密码子配对，保证氨基酸按mRNA的碱基顺序入号。tRNA将多肽链联结在核糖体上。tRNA的功能 五、辅助因子 在蛋白质合成体系中，还有溶解在胞质中的蛋白质

15、，在蛋白质合成的不同阶段起作用，分别有： 起始因子（IF）：原核生物中有IF1、IF2、IF3延长因子（EF）：原核生物中有EF-Tu、EF-Ts、EF-G终止因子（RF）：原核生物中有RF1、RF2、RF3蛋白质因子 五、辅助因子 ATP、GTP、Mg2+其它因子第二节 蛋白质的生物合成一、氨基酸的活化 游离氨基酸掺入多肽链以前必须活化即氨基酸与特异tRNA形成氨酰-tRNA。原因有两个：第一，蛋白质的合成依赖于tRNA的接头作用，以保证正确的氨基酸得到整合，每个氨基酸为了参与蛋白质合成必须共价连接到tRNA分子上。第二，氨基酸与tRNA之间形成的共价键是一个高能键，它使氨基酸和正在延伸的多

16、肽链末端反应形成新的肽键，因此, 这一氨酰-tRNA的合成过程被称为氨基酸的活化1.氨酰-tRNA的形成 氨基酸的活化是指氨基酸与tRNA相连，形成氨酰-tRNA的过程。 氨基酸的活化在细胞质中进行。反应由氨酰-tRNA合成酶（又称氨基酸活化酶）催化。1.氨酰-tRNA的形成氨基酸羧基通过酸酐键与AMP上的5-磷酸基相连 氨酰-tRNA合成酶：此酶具有较高专一性，能有效识别tRNA和相应的氨基酸。此酶具有校对功能。活化一个氨基酸消耗2分子ATP。1）识别mRNA的起始密码子为AUG，而AUG对应的氨基酸为Met。2）有两种甲硫氨酸专一性的tRNA：tRNAfmet只与起始密码子结合tRNAmm

17、et只与肽链内部的AUG有关在原核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲酰甲硫氨酸。 2. 起始氨酰tRNA的形成在真核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲硫氨酸tRNAimet只与起始密码子结合tRNAmet只与肽链内部的AUG有关 2. 起始氨酰tRNA的形成原核生物中的fMet-tRNA的合成Met + ATP + tRNA Met tRNA + AMP + PPi甲硫氨(蛋氨)酰tRNA合成酶原核生物中的fMet-tRNA的合成 Met-tRNA在转甲酰酶的作用下，在其Met的-NH2上甲酰化。fMet tRNA在翻译的起始阶段，还需有3种蛋白质因子 起始因子(IF)的参与，即IF1、IF2、I

18、F3。 此时核糖体的P位被起始氨酰-tRNA占据，A位空着，等待能与第二个密码子匹配的氨酰-tRNA进位。起始复合物的结构： 二、多肽链合成的过程1. 起始 指核糖体与mRNA及起始氨酰-tRNA结合成起始复合物(1) 核糖体的小亚基30S与mRNA结合 小亚基识别mRNA上翻译的起始信号，并结合在这个部位，它的P位正好落在起始密码子AUG处。形成“小亚基 - mRNA”二元复合物。1. 起始 起始氨酰-tRNA与mRNA上的起始密码子结合（通过反密码子与密码子之间的碱基互补配对），形成“小亚基 mRNA fMet-tRNA”三元复合物(2) 起始氨酰-tRNA结合上去 形成起始复合物，即“核

19、糖体 mRNA fMet-tRNA”三元复合物(3) 大亚基结合上去形成70S起始复合物1. 起始 这一阶段是在fMet（或肽链）的C末端逐个的添加aa，使肽链不断延伸。每延伸一个aa，需要经历三步： 1）进位与A位处的密码子相对应的aa-tRNA进入核糖体的A位2. 肽链的延长2. 肽链的延长2）转肽P位tRNA上的甲酰甲硫氨基转移至A位tRNA上的aa的氨基上，形成肽键。3）移位核糖体在mRNA上向3端移动一个密码子的距离，这样，原P位空载的tRNA离开了核糖体，原A位的肽酰- tRNA落在P位，而A位空了出来。2. 肽链的延长 通过以上三步，完成了氨基酸的一轮添加。每延伸一个氨基酸，需要

20、消耗 2 分子GTPGDP。（进位和移位） 此过程还需要一些蛋白质因子的参与，称为延长因子（EF） 随着核糖体在mRNA上从 53 方向滑动，新生链从 N端C端 延伸。mRNA上的核苷酸序列被“翻译”成多肽链上的氨基酸序列2. 肽链的延长三、肽链合成的终止与释放 当核糖体在mRNA上由53移动至终止密码子（UAA、UAG、UGA）时，由于没有与之相应的tRNA，终止因子RF进入A位。 1 终止因子使肽基转移酶的活性转变为水解酶活性 (肽基不再转移到氨酰tRNA上，而是转移给水分子)，从而将肽酰tRNA水解。这样肽链被释放。2 空载的tRNA也离开核糖体。3核糖体的大小亚基解离并离开mRNA。4

21、四、多肽链合成的能量消耗蛋白质的生物合成是个高耗能过程。仅翻译过程，其能量消耗情况如下：NTP高能磷酸键氨基酸的活化ATP2/aa肽链合成的起始GTP1肽链的延伸GTP2/轮aa添加肽链合成的终止 0例：以游离的氨基酸为原料，起始合成一个100肽，至少需要消耗多少ATP？（注：ATPAMP折算成2个ATP，GTP折算成ATP）解法一：分阶段累计 2100 1 299 399五、多肽链合成的能量消耗解法二：以aa为单位累计 每个游离的氨基酸参入到正在合成的多肽链中，至少需要消耗 4 个高能磷酸键（活化 2个；氨酰tRNA进入A位 1个；核糖体移位 1个）。 但起始的氨基酸要少消耗1个GTP（可理

22、解成它直接进入P位，不要移位） 4n1 41001五、多肽链合成的能量消耗 六、多肽链合成的速度 蛋白质的生物合成的速度极快。在最适条件下，合成一条含400个氨基酸残基的多肽链大约只要10秒钟。 多核糖体：在一条mRNA链上，可以有多个核糖体同时进行翻译，每个核糖体上都附着一条正在延长的多肽链，越靠近mRNA的3端的核糖体上的肽链越长。这种结构叫做多核糖体。 多核糖体：在一条mRNA链上，可以有多个核糖体同时进行翻译，每个核糖体上都附着一条正在延长的多肽链，越靠近mRNA的3端的核糖体上的肽链越长。这种结构叫做多核糖体。 mRNA上核糖体的多少，视 mRNA 链长而定。一般每隔40个核苷酸有一

23、个核糖体。多核糖体的结构可大大提高mRNA的翻译效率。 六、多肽链合成的速度 多肽链的折叠是指从多肽链氨基酸序列形成正确的三维结构的过程。 蛋白质二硫键异构酶（protein disulfide isomerase）和肽基脯氨酸异构酶（peptidyl prolyl isomerase）参与蛋白质的折叠过程。 前者能加速蛋白质正确二硫键的形成。后者则加速脯氨酸亚氨基肽键的顺-反异构化。 七、多肽链合成后的加工1. 多肽链的折叠 Structure and function of the GroEL-GroES complexGroEL GroES GroEL 多肽链的修饰是指多肽链中氨基酸残基

24、被切除或在氨基酸残基中添加和改变一些基团,从而使多肽链形成具有一定高级结构和生物活性的蛋白质分子的过程。 2. 多肽链的修饰 (1) 末端氨基的去甲酰化和N-甲硫氨酸的切除 原核细胞多肽N-末端的甲酰甲硫氨酸的甲酰基可在去甲酰酶的催化下被除去。 在原核和真核细胞中多肽N-末端的甲硫氨酸均可被氨肽酶除去。 原核细胞究竟采取去甲酰基还是去甲酰甲硫氨酸，常决定于邻近氨基酸。如果第二个氨基酸是Arg，Asn，Asp，Glu，Ile或Lys，则以前者为主，如果第二个氨基酸是Ala，Gly，Pro，Thr或Val，则以后者为主。 (2) 一些氨基酸残基侧链被修饰 有些氨基酸没有相应的遗传密码，而是在肽链从

25、核糖体释放后经化学修饰形成的。如胶原蛋白中含有大量的羟脯氨酸和羟赖氨酸，分别是脯氨酸和赖氨酸经羟化而成的。有些蛋白质中的天冬酰胺、丝氨酸和苏氨酸发生糖基化形成糖蛋白，丝氨酸磷酸化成为磷酸丝氨酸。 (3) 二硫键的形成 多肽链的半胱氨酸残基可在蛋白质二硫键异构酶的作用下形成二硫键，肽链内或肽链间都可形成二硫键，二硫键在维持蛋白质的空间构象中起了很重要的作用。 (4) 多肽链的水解断裂 许多具有一定功能的蛋白质如酶、激素蛋白，在体内常以无活性的前体肽的形式产生，这些前体在一定情况下经体内蛋白酶的水解切去部分肽段，才能变成有活性的蛋白质，如胰岛素原变成胰岛素，胰蛋白酶原变为胰蛋白酶等。 无论是原核还是真核细胞都是一个高度有序的结构，新生的蛋白质要被准确地运送到细胞的各个部分，如溶酶体、线粒体、叶绿体、细胞质和细胞核等，以更新其结构组成和维持其功能, 这一过程称为蛋白质的定位。 八、蛋白质的定位 多肽的转运有两种类型即共翻译转移（co-translational translocation）和翻译后转移（post-translational trans