农学大学生物化学课件

第九章蛋白质的生物合成第九章本章教学目的和要求：掌握蛋白质的生物合成过程以及合成体系中的重要组分，了解蛋白质合成后的加工和运送特点。重点、难点：蛋白质的生物合成过程。本章教学目的和要求：目录第一节蛋白质合成体系第二节蛋白质合成过程第三节蛋白质定位（自学）目录第一节蛋白质合成体系第二节蛋白中心法则蛋白质生物合成:是指mRNA分子上4种核苷酸的遗传信息，变成蛋白质多肽链的20种氨基酸排列顺序的过程，类似一种语言翻译成另一种语言时的情形，所以也称为翻译。中心法则蛋白质生物合成:是指mRNA分子上4种核苷酸的遗传信遗传信息流动示意图核糖体DNAmRNAtRNADNAmRNA核糖体tRNA遗传信息流动示意图核糖体DNAmRNAtRNADNAmRNA第一节蛋白质合成体系第一节

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mRNA、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的排列顺序，以形成千差万别的蛋白质。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

20种氨基酸（AA）作为原料

酶及众多蛋白因子，如IF、eIF

ATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括：三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）合成方向：N→C端20种氨基酸（AA）作为原料参与蛋白质生物合成的物质包括：在蛋白质合成中，tRNA按mRNA模板的要求将相应的氨基酸搬运到蛋白质合成的场所-----核糖体(ribosome)上，所以把核糖体称作蛋白质合成的工厂，氨基酸之间以肽键连接，生成具有一定排列顺序的蛋白质。蛋白质合成的原料是氨基酸，反应所需能量由ATP和GTP提供。在蛋白质合成中，tRNA按mRNA模板的要求mRNA(messengerRNA)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。一、mRNA原核生物和真核生物mRNA的比较mRNA(mess遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。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（polycistron）。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（singlecistron）。遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistro多顺反子单顺反子真核生物原核生物非编码序列多顺反子单顺反子真核生物原核生物非编码序列遗传密码

遗传密码:

mRNA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。

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1个氨基酸，这3个核苷酸就称为1个密码子或三联体密码。遗传密码

遗传密码:mRNA中的核苷酸序列与mRNA及遗传密码1．mRNA作为蛋白质生物合成的直接模板。2．mRNA分子中核苷酸顺序与蛋白质分子中氨基酸排列顺序通过遗传密码相沟通。3．每三个核苷酸组成一个密码子，四种碱基可组成64种密码子，代表20种氨基酸，AUG既是起始密码，同时也是蛋氨酸密码子;UAA、UAG、UGA作为终止密码。mRNA及遗传密码1．mRNA作为蛋白质生物合成的直接模板。遗传密码字典UACGUCAGUCAG第二位第一位（5ˊ）第三位（3ˊ）UCAGUCAGUCAG遗传密码字典UACGUCAGUCAG第二位第一位（5ˊ）(1)连续性和方向性:两个密码子之间无任何核苷酸加以隔开和重叠，如插入/删除碱基，可发生移码突变.方向5′——3′遗传密码的特点5′….UACGGACAUCUG….3′5′….UACCGGACAUCUG….3′酪甘组蛋酪精苏半胱5′….UACGACAUCUG….3′酪天异亮插入缺失(1)连续性和方向性:两个密码子之间无任何核苷酸加以隔开和重(2)简并性:是指大多数氨基酸都可以具有几组不同的密码子。如UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG六组密码子都编码亮氨酸。编码同一个氨基酸的一组密码称为同义密码子。只有色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子。(2)简并性:是指大多数氨基酸都可以具有几组不同的密码子。如遗传密码的简并性遗传密码的简并性（3）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。如人线粒体中UGA不再是终止密码子，而编码色氨酸。所以说遗传密码基本通用，但非绝对通用。（3）密码子的通用性和例外密码子的通用性是指

（4）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。但细菌例外，在细菌中GUG表示起始的甲酰蛋氨酸（5）密码子的摆动性（变偶性）

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。（4）起始密码子和终止密码子在64个密二、tRNA在蛋白质合成中，tRNA是搬运活性氨基酸的工具。它将氨基酸按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序搬运到蛋白质合成的场所----核糖体的特定部位。二、tRNA在蛋白质合成中，tRNA是搬运活性氨基tRNA的二级结构示意图tRNA的二级结构示意图tRNA的三级结构示意图1、3‘端CCA上氨基酸接受位点2、识别氨酰－tRNA合成酶的位点（DHU、反密码环氨基酸臂）3、核糖体识别位点(TΨC)4、反密码子位点在tRNA链上有三个特定的碱基，组成一个反密码子，反密码子与密码子的方向相反。tRNA的三级结构示意图1、3‘端CCA上氨基酸接受位点由于密码的简并性，绝大多数氨基酸需要一种以上的tRNA作为转运工具。运输同一种氨基酸的不同tRNA称为同工受体tRNA。蛋氨酸有两种tRNA：

tRNAffmet—只与起始密码子结合tRNAmmet—负责把MET运到肽链中间真核生物起始tRNA表示为：tRNAimet用于肽链延伸的表示为：tRNAmet由于密码的简并性，绝大多数氨基酸需要一种以上的被特定的氨酰-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的功能被特定的氨酰-tRNA合成酶所识别。tRNA的功能三、核糖体核糖体是合成蛋白质的场所。

1955年，PaulZamecnik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、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、核糖体核糖体是合成蛋白质的场所。1955年，P核糖体是由rRNA（ribosomalribonucleicasid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。每个细菌细胞内平均约有2000个核糖体，每个真核细胞内大约含106-107个核糖体线粒体和叶绿体也有自己的核糖体核糖体是由rRNA（ribosomalribonuclei真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，参与细胞固有蛋白质的合成。另一部分与内质网结合，形成粗糙内质网。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；功能：核糖体相当于装配机，大亚基有转肽酶活性，促进氨基酸合成肽真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，参与细胞固核糖体的组成原核生物核糖体的组成原核生物核糖体结构示意图核糖体rRNA蛋白质原核生物70S30S16S21种50S23S、5S34种真核生物80S40S18S30-32种60S28S、5S、5.8S36-50种核糖体的组成原核生物核糖体的组成原核生物核糖体结构示意图核糖核蛋白体的组成核蛋白体的组成mRNA结合部位：小亚基由头部、基部和平台组成，平台和头部之间有一个裂缝。大亚基有一个柄、一个中央凸出部和一个脊；大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳mRNA；此外，小亚基的16SrRNA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mRNA结合部位：3.核糖体上的活性部位(1)结合部位与tRNA结合部位：有2个氨酰基部位（A位）——新参入的氨酰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的这两个结合位点在核糖体上紧挨在一起，各占据一个密码子的空间。有一小部分在30S亚基内，大部分在50S亚基内。与tRNA结合部位：有2个氨酰基部位（A位）——新原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位P位：肽酰催化肽键形成的部位：称为肽基转移酶，又叫转肽酶。位于大亚基上。1992年发现该活性是由23SrRNA提供的。

(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。催化肽键形成的部位：(2)催化部位催化GTP水解的部位：多核糖体一mRNA上同时结合多个核蛋白体进行蛋白质多肽链合成，每个核糖体独立完成一条多肽链的合成。多核糖体一mRNA上同时结合多个核蛋白体进行蛋白质多肽链合成电镜下的多聚核蛋白体现象电镜下的多聚核蛋白体现象游离核糖体及核糖体亚基：以单体形式存在的非功能性核糖体。是处于储备状态的核糖体。核糖体亚基是从mRNA释放的。核糖体循环：核糖体在三种状态（多核糖体、游离核糖体、核糖体亚基）之间的转换。游离核糖体及核糖体亚基：四、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，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释放因子（RF）：原核生物中有RF1、RF2、RF3蛋白质因子四、辅助因子在蛋白质合成体系中，还有溶解在胞质中的蛋ATP、GTP、Mg2+其它因子ATP、GTP、Mg2+其它因子第二节蛋白质的生物合成过程★氨基酸的活化★多肽链合成的起始★肽链的延长★肽链合成终止与释放（以原核为例）★翻译后加工第二节蛋白质的生物合成过程★氨基酸的活化一、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。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溶胶中进行。反应由氨酰-tRNA合成酶（又称氨基酸活化酶）催化。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分三步：1、形成酶-氨基酸-ATP复合物氨基酸+ATP+酶→[氨基酸•ATP]•酶2、形成酶-氨基酸-AMP复合物[AA.ATP]·酶→[氨基酸.AMP]·酶+PPi3、形成氨酰-tRNA[AA.AMP]·酶+tRNA→氨酰tRNA+AMP+酶分三步：氨酰-tRNA合成酶：此酶具有较高专一性。每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，形成氨酰-tRNA，对D-氨基酸不起作用。对tRNA具有极高专一性。此酶具有校对功能。氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。活化一个氨基酸消耗2分子ATP。氨酰-tRNA合成酶：5.AA的活化部分是羧基。在氨酰—tRNA中氨基酸的羧基通过高能酯键连接在tRNA3ˊ端CCA腺苷酸残基3ˊ—或2ˊ—羟基上；一旦酰基化后，便可在3ˊ或2ˊ位间转移，在转肽时，可能只有在3ˊ羟基上时才有活力。6.第三步反应专一性很高，前面形成不正确的中间络合物，可以在此步被催化水解。5.AA的活化部分是羧基。在氨酰—tRNA中氨基酸的羧二、肽链合成的起始蛋白质合成的起始涉及核糖体亚基和起始氨酰tRNA在起始因子的参与下识别mRNA上的起始信号，并组装成起始复合物。二、肽链合成的起始蛋白质合成的起始涉及核糖体亚基和起始氨酰t1）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tRNAmmet—只与肽链内部的AUG有关1）识别mRNA的起始密码子为AUG，而AUG对应的氨基酸为(一)起始密码子(起始信号)的识别蛋白质合成的起始过程很复杂，多肽的合成并不是从mRNA的5ˊ-端第一个核苷酸开始的。被转译的头一个密码子(AUG)往往位于5ˊ-端的第25个核苷酸以后。在距离起始密码子10个核苷酸处往往有一段富含嘌呤的序列（SD序列），与16SrRNA3'端核苷酸序列的碱基互补。(一)起始密码子(起始信号)的识别蛋白质合成的起S-D序列：

在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在4~9个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS)

S-D序列：

在原核生物mRNA起始密码AUG上游，49

是指mRNA和起始氨基酰－tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。(二)起始复合物的形成现已清楚，原核细胞中多肽的合成都自甲硫氨酸开始，但并不是以甲硫氨酸-tRNA作起始物，而是以N-甲酰甲硫氨酸-tRNA（缩写fMet-tRNAf）的形式起始。即一种特殊的tRNA将甲酰甲硫氨酸携带到核糖体上起始蛋白质的合成过程。是指mRNA和起始氨基酰－tRNA分别与核蛋白原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核蛋白体大亚基结合。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IF-3IF-1核蛋白体大小亚基分离IF-3IF-1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S-DmRNA在小亚基定位结合S-D起始氨基酰tRNA结合到小亚基S-DIF-3起始氨基酰tRNA结合到小亚基S-DIF-3核蛋白体大亚基结合形成起始复合物IF-2GDPPPiIF-3IF-1核蛋白体大亚基结合形成起始复合物IF-2GDPPPiIF-3

真核生物翻译起始的特点核蛋白体是80S；起始因子种类多；起始tRNA的Met不需甲酰化；mRNA的5’帽子和3’polyA尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关；起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA 真核生物翻译起始的特点57肽链合成延长肽链合成的延长是指根据mRNA密码序列的指导依次添加氨基酸从N向C端延伸肽链，直到合成的终止。分三步：进位转肽移位肽链合成延长肽链合成的延长是指根据mRNA密码序列的进位TuEFGTP是指根据mRNA下一组遗传密码指导，使氨基酰－tRNA进入核蛋白体A位GTP水解成GDP和Pi,同时EF-Tu-GTP分解为EF-Tu-GDP释放出来。进位TuEFGTP是指根据mRNA下一组遗传密码指导，使氨基fMetGTPTuGDPEFGTPfMet根据mRNA下一组遗传密码指导，使氨基酰－tRNA进入核蛋白体A位GTP水解成GDP和Pi,同时EF-Tu-GTP分解为EF-Tu-GDP释放出来。fMetGTPTuGDPEFGTPfMet根据mRNA下一组E位fMet转肽是转肽酶催化的肽键形成的过程.肽基转移酶把P位的甲酰甲硫氨酰基(或肽基)从P位转移到A位的氨酰-tRNA的氨基上形成第一个肽键(或一个新的肽键)。肽基转移酶活性位于P位和A位的连接处，靠近tRNA的接受臂E位fMet转肽是转肽酶催化的肽键形成的过程.肽基转移酶把E位fMet移位移位因子EF-G和GTP结合到核糖体上，由核糖体上具有GTPase活性的某一组分将GTP水解，促进核糖体沿mRNA的5ˊ→3ˊ方向移动。每次移动一个密码子的距离。移位的结果使原来在A位上的肽基-tRNA又回到P位，原来在P位上的无负载的tRNA被移到E位，这是脱酰基tRNA离开核糖体的出口部位。E位fMet移位移位因子EF-G和GTP结合到核E位fMetAA3EF-TuGTP移位原来在P位的无负荷的tRNA随即离开核糖体，同时一个新的密码子进入空着的A位。E位fMetAA3EF-TuGTP移位原来在P位的无负荷的t

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，需要消耗2分子GTP→GDP。（进位和移位）而氨基酸活化需消耗2个高能磷酸键，每增加1个氨基酸残基实际消耗4个高能磷酸键.

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5'→3'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通过以上三步，完成了氨基酸的一轮添加。每延伸一个氨基进位成肽移位进位成肽移位肽链合成的终止与释放

当核糖体在mRNA上由5'→3'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

终止因子使肽酰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肽链合成的终止与释放当核糖体在mRNA上由5'→3'终止RFRF1识别终止信号UAA和UAG，RF2识别UAA或UGA，RF3可与GTP结合，水解GTP为GDP与磷酸，激活RF1与RF2。终止RFRF1识别终止信号UAA和UAG，RF2识别U翻译过程的能量消耗每个氨基酸活化消耗两个高能磷酸键氨酰-tRNA进入核糖体A位时需要水解一个GTP；形成肽键后，核糖体沿mRNA移位水解一个GTP；每掺入一个氨基酸至少消耗四个高能磷酸键。翻译过程的能量消耗每个氨基酸活化消耗两个高能磷酸键第三节肽链合成后的折叠与加工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。第三节肽链合成后的折叠与加工从核蛋白体释放出的新生多肽链蛋白质的折叠是指具有特定一级结构的蛋白质分子形成正确的三维空间结构的过程。目前证明至少两类蛋白质参与体内的折叠过程。统称为助折叠蛋白。1.蛋白质的折叠

蛋白质的折叠是指具有特定一级结构的蛋白质分子形成正确的三酶：蛋白质二硫键异构酶(二硫键)和肽酰辅酰顺反异构酶（催化肽脯氨酰之间肽键的旋转反应。）酶：蛋白质二硫键异构酶(二硫键)和肽酰辅酰顺反异构酶（催化肽蛋白二硫键异构酶：在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。蛋白二硫键异构酶：肽-脯氨酰顺反异构酶：肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。肽-脯氨酰顺反异构酶：分子伴侣：细胞内一类能帮助新生肽链正确组装、成熟，自身却不是终产物分子的成分的蛋白质，类似酶但又无酶的专一特征，所以称为分子伴侣。分子伴侣：细胞内一类能帮助新生肽链正确组装、成熟，自身却不是伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程伴侣素的主要作用——为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程伴侣素的

蛋白质的修饰是指蛋白质中氨基酸残基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.蛋白质的修饰

蛋白质的修饰是指蛋白质中氨基酸残基被切除或在氨基酸残(1)N-端修饰原核细胞多肽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。

(1)N-端修饰原核细胞多肽N-末端的甲酰甲硫氨酸(2)氨基酸侧链被修饰

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。(2)氨基酸侧链被修饰有些氨基酸没有相应的遗传密(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。(3)二硫键的形成多肽链的半胱氨酸残基可在蛋白质(4)多肽链的水解切除

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。(4)多肽链的水解切除许多具有一定功能的蛋白质如(5)糖基化修饰糖蛋白是在翻译后的肽链上以共价键与单糖或寡糖连接而成，是细胞蛋白质组成的重要成分。(5)糖基化修饰糖蛋白是在翻译后的肽链上以共价3.蛋白质生物合成的抑制剂

四环素族(tetracyclines)四环素抑制氨酰-tRNA与原核细胞核糖体的结合，从而抑制多种细菌的蛋白质合成。氯霉素(chloramphenicol)氯霉素能与原核细胞核糖体的50s亚基结合，阻断肽键的形成。3.蛋白质生物合成的抑制剂

四环素族(tetracyclin链霉素和卡那霉素：能与原核细胞核糖体30s亚基结合，改变其构象，引起读码错误，以致合成错误蛋白。嘌呤霉素：氨基酰-tRNA类似物，进位后引起未成熟肽链脱落。亚胺环己酮：对真核细胞有作用，能抑制80s核糖体上的肽酰转移酶。链霉素和卡那霉素：能与原核细胞核糖体30s亚基结合，改变其构第四节蛋白质定位（自学）

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。第四节蛋白质定位（自学）无论是原核还是真核细胞都本课程结束！本课程结束！第九章蛋白质的生物合成第九章本章教学目的和要求：掌握蛋白质的生物合成过程以及合成体系中的重要组分，了解蛋白质合成后的加工和运送特点。重点、难点：蛋白质的生物合成过程。本章教学目的和要求：目录第一节蛋白质合成体系第二节蛋白质合成过程第三节蛋白质定位（自学）目录第一节蛋白质合成体系第二节蛋白中心法则蛋白质生物合成:是指mRNA分子上4种核苷酸的遗传信息，变成蛋白质多肽链的20种氨基酸排列顺序的过程，类似一种语言翻译成另一种语言时的情形，所以也称为翻译。中心法则蛋白质生物合成:是指mRNA分子上4种核苷酸的遗传信遗传信息流动示意图核糖体DNAmRNAtRNADNAmRNA核糖体tRNA遗传信息流动示意图核糖体DNAmRNAtRNADNAmRNA第一节蛋白质合成体系第一节

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mRNA、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的排列顺序，以形成千差万别的蛋白质。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

20种氨基酸（AA）作为原料

酶及众多蛋白因子，如IF、eIF

ATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括：三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）合成方向：N→C端20种氨基酸（AA）作为原料参与蛋白质生物合成的物质包括：在蛋白质合成中，tRNA按mRNA模板的要求将相应的氨基酸搬运到蛋白质合成的场所-----核糖体(ribosome)上，所以把核糖体称作蛋白质合成的工厂，氨基酸之间以肽键连接，生成具有一定排列顺序的蛋白质。蛋白质合成的原料是氨基酸，反应所需能量由ATP和GTP提供。在蛋白质合成中，tRNA按mRNA模板的要求mRNA(messengerRNA)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。一、mRNA原核生物和真核生物mRNA的比较mRNA(mess遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。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（polycistron）。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（singlecistron）。遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistro多顺反子单顺反子真核生物原核生物非编码序列多顺反子单顺反子真核生物原核生物非编码序列遗传密码

遗传密码:

mRNA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。

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1个氨基酸，这3个核苷酸就称为1个密码子或三联体密码。遗传密码

遗传密码:mRNA中的核苷酸序列与mRNA及遗传密码1．mRNA作为蛋白质生物合成的直接模板。2．mRNA分子中核苷酸顺序与蛋白质分子中氨基酸排列顺序通过遗传密码相沟通。3．每三个核苷酸组成一个密码子，四种碱基可组成64种密码子，代表20种氨基酸，AUG既是起始密码，同时也是蛋氨酸密码子;UAA、UAG、UGA作为终止密码。mRNA及遗传密码1．mRNA作为蛋白质生物合成的直接模板。遗传密码字典UACGUCAGUCAG第二位第一位（5ˊ）第三位（3ˊ）UCAGUCAGUCAG遗传密码字典UACGUCAGUCAG第二位第一位（5ˊ）(1)连续性和方向性:两个密码子之间无任何核苷酸加以隔开和重叠，如插入/删除碱基，可发生移码突变.方向5′——3′遗传密码的特点5′….UACGGACAUCUG….3′5′….UACCGGACAUCUG….3′酪甘组蛋酪精苏半胱5′….UACGACAUCUG….3′酪天异亮插入缺失(1)连续性和方向性:两个密码子之间无任何核苷酸加以隔开和重(2)简并性:是指大多数氨基酸都可以具有几组不同的密码子。如UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG六组密码子都编码亮氨酸。编码同一个氨基酸的一组密码称为同义密码子。只有色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子。(2)简并性:是指大多数氨基酸都可以具有几组不同的密码子。如遗传密码的简并性遗传密码的简并性（3）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。如人线粒体中UGA不再是终止密码子，而编码色氨酸。所以说遗传密码基本通用，但非绝对通用。（3）密码子的通用性和例外密码子的通用性是指

（4）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。但细菌例外，在细菌中GUG表示起始的甲酰蛋氨酸（5）密码子的摆动性（变偶性）

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。（4）起始密码子和终止密码子在64个密二、tRNA在蛋白质合成中，tRNA是搬运活性氨基酸的工具。它将氨基酸按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序搬运到蛋白质合成的场所----核糖体的特定部位。二、tRNA在蛋白质合成中，tRNA是搬运活性氨基tRNA的二级结构示意图tRNA的二级结构示意图tRNA的三级结构示意图1、3‘端CCA上氨基酸接受位点2、识别氨酰－tRNA合成酶的位点（DHU、反密码环氨基酸臂）3、核糖体识别位点(TΨC)4、反密码子位点在tRNA链上有三个特定的碱基，组成一个反密码子，反密码子与密码子的方向相反。tRNA的三级结构示意图1、3‘端CCA上氨基酸接受位点由于密码的简并性，绝大多数氨基酸需要一种以上的tRNA作为转运工具。运输同一种氨基酸的不同tRNA称为同工受体tRNA。蛋氨酸有两种tRNA：

tRNAffmet—只与起始密码子结合tRNAmmet—负责把MET运到肽链中间真核生物起始tRNA表示为：tRNAimet用于肽链延伸的表示为：tRNAmet由于密码的简并性，绝大多数氨基酸需要一种以上的被特定的氨酰-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的功能被特定的氨酰-tRNA合成酶所识别。tRNA的功能三、核糖体核糖体是合成蛋白质的场所。

1955年，PaulZamecnik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、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、核糖体核糖体是合成蛋白质的场所。1955年，P核糖体是由rRNA（ribosomalribonucleicasid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。每个细菌细胞内平均约有2000个核糖体，每个真核细胞内大约含106-107个核糖体线粒体和叶绿体也有自己的核糖体核糖体是由rRNA（ribosomalribonuclei真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，参与细胞固有蛋白质的合成。另一部分与内质网结合，形成粗糙内质网。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；功能：核糖体相当于装配机，大亚基有转肽酶活性，促进氨基酸合成肽真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，参与细胞固核糖体的组成原核生物核糖体的组成原核生物核糖体结构示意图核糖体rRNA蛋白质原核生物70S30S16S21种50S23S、5S34种真核生物80S40S18S30-32种60S28S、5S、5.8S36-50种核糖体的组成原核生物核糖体的组成原核生物核糖体结构示意图核糖核蛋白体的组成核蛋白体的组成mRNA结合部位：小亚基由头部、基部和平台组成，平台和头部之间有一个裂缝。大亚基有一个柄、一个中央凸出部和一个脊；大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳mRNA；此外，小亚基的16SrRNA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mRNA结合部位：3.核糖体上的活性部位(1)结合部位与tRNA结合部位：有2个氨酰基部位（A位）——新参入的氨酰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的这两个结合位点在核糖体上紧挨在一起，各占据一个密码子的空间。有一小部分在30S亚基内，大部分在50S亚基内。与tRNA结合部位：有2个氨酰基部位（A位）——新原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位P位：肽酰催化肽键形成的部位：称为肽基转移酶，又叫转肽酶。位于大亚基上。1992年发现该活性是由23SrRNA提供的。

(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。催化肽键形成的部位：(2)催化部位催化GTP水解的部位：多核糖体一mRNA上同时结合多个核蛋白体进行蛋白质多肽链合成，每个核糖体独立完成一条多肽链的合成。多核糖体一mRNA上同时结合多个核蛋白体进行蛋白质多肽链合成电镜下的多聚核蛋白体现象电镜下的多聚核蛋白体现象游离核糖体及核糖体亚基：以单体形式存在的非功能性核糖体。是处于储备状态的核糖体。核糖体亚基是从mRNA释放的。核糖体循环：核糖体在三种状态（多核糖体、游离核糖体、核糖体亚基）之间的转换。游离核糖体及核糖体亚基：四、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，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释放因子（RF）：原核生物中有RF1、RF2、RF3蛋白质因子四、辅助因子在蛋白质合成体系中，还有溶解在胞质中的蛋ATP、GTP、Mg2+其它因子ATP、GTP、Mg2+其它因子第二节蛋白质的生物合成过程★氨基酸的活化★多肽链合成的起始★肽链的延长★肽链合成终止与释放（以原核为例）★翻译后加工第二节蛋白质的生物合成过程★氨基酸的活化一、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。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溶胶中进行。反应由氨酰-tRNA合成酶（又称氨基酸活化酶）催化。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分三步：1、形成酶-氨基酸-ATP复合物氨基酸+ATP+酶→[氨基酸•ATP]•酶2、形成酶-氨基酸-AMP复合物[AA.ATP]·酶→[氨基酸.AMP]·酶+PPi3、形成氨酰-tRNA[AA.AMP]·酶+tRNA→氨酰tRNA+AMP+酶分三步：氨酰-tRNA合成酶：此酶具有较高专一性。每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，形成氨酰-tRNA，对D-氨基酸不起作用。对tRNA具有极高专一性。此酶具有校对功能。氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。活化一个氨基酸消耗2分子ATP。氨酰-tRNA合成酶：5.AA的活化部分是羧基。在氨酰—tRNA中氨基酸的羧基通过高能酯键连接在tRNA3ˊ端CCA腺苷酸残基3ˊ—或2ˊ—羟基上；一旦酰基化后，便可在3ˊ或2ˊ位间转移，在转肽时，可能只有在3ˊ羟基上时才有活力。6.第三步反应专一性很高，前面形成不正确的中间络合物，可以在此步被催化水解。5.AA的活化部分是羧基。在氨酰—tRNA中氨基酸的羧二、肽链合成的起始蛋白质合成的起始涉及核糖体亚基和起始氨酰tRNA在起始因子的参与下识别mRNA上的起始信号，并组装成起始复合物。二、肽链合成的起始蛋白质合成的起始涉及核糖体亚基和起始氨酰t1）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tRNAmmet—只与肽链内部的AUG有关1）识别mRNA的起始密码子为AUG，而AUG对应的氨基酸为(一)起始密码子(起始信号)的识别蛋白质合成的起始过程很复杂，多肽的合成并不是从mRNA的5ˊ-端第一个核苷酸开始的。被转译的头一个密码子(AUG)往往位于5ˊ-端的第25个核苷酸以后。在距离起始密码子10个核苷酸处往往有一段富含嘌呤的序列（SD序列），与16SrRNA3'端核苷酸序列的碱基互补。(一)起始密码子(起始信号)的识别蛋白质合成的起S-D序列：

在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在4~9个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS)

S-D序列：

在原核生物mRNA起始密码AUG上游，134

是指mRNA和起始氨基酰－tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。(二)起始复合物的形成现已清楚，原核细胞中多肽的合成都自甲硫氨酸开始，但并不是以甲硫氨酸-tRNA作起始物，而是以N-甲酰甲硫氨酸-tRNA（缩写fMet-tRNAf）的形式起始。即一种特殊的tRNA将甲酰甲硫氨酸携带到核糖体上起始蛋白质的合成过程。是指mRNA和起始氨基酰－tRNA分别与核蛋白原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核蛋白体大亚基结合。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IF-3IF-1核蛋白体大小亚基分离IF-3IF-1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S-DmRNA在小亚基定位结合S-D起始氨基酰tRNA结合到小亚基S-DIF-3起始氨基酰tRNA结合到小亚基S-DIF-3核蛋白体大亚基结合形成起始复合物IF-2GDPPPiIF-3IF-1核蛋白体大亚基结合形成起始复合物IF-2GDPPPiIF-3

真核生物翻译起始的特点核蛋白体是80S；起始因子种类多；起始tRNA的Met不需甲酰化；mRNA的5’帽子和3’polyA尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关；起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA 真核生物翻译起始的特点142肽链合成延长肽链合成的延长是指根据mRNA密码序列的指导依次添加氨基酸从N向C端延伸肽链，直到合成的终止。分三步：进位转肽移位肽链合成延长肽链合成的延长是指根据mRNA密码序列的进位TuEFGTP是指根据mRNA下一组遗传密码指导，使氨基酰－tRNA进入核蛋白体A位GTP水解成GDP和Pi,同时EF-Tu-GTP分解为EF-Tu-GDP释放出来。进位TuEFGTP是指根据mRNA下一组遗传密码指导，使氨基fMetGTPTuGDPEFGTPfMet根据mRNA下一组遗传密码指导，使氨基酰－tRNA进入核蛋白体A位GTP水解成GDP和Pi,同时EF-Tu-GTP分解为EF-Tu-GDP释放出来。fMetGTPTuGDPEFGTPfMet根据mRNA下一组E位fMet转肽是转肽酶催化的肽键形成的过程.肽基转移酶把P位的甲酰甲硫氨酰基(或肽基)从P位转移到A位的氨酰-tRNA的氨基上形成第一个肽键(或一个新的肽键)。肽基转移酶活性位于P位和A位的连接处，靠近tRNA的接受臂E位fMet转肽是转肽酶催化的肽键形成的过程.肽基转移酶把E位fMet移位移位因子EF-G和GTP结合到核糖体上，由核糖体上具有GTPase活性的某一组分将GTP水解，促进核糖体沿mRNA的5ˊ→3ˊ方向移动。每次移动一个密码子的距离。移位的结果使原来在A位上的肽基-tRNA又回到P位，原来在P位上的无负载的tRNA被移到E位，这是脱酰基tRNA离开核糖体的出口部位。E位fMet移位移位因子EF-G和GTP结合到核E位fMetAA3EF-TuGTP移位原来在P位的无负荷的tRNA随即离开核糖体，同时一个新的密码子进入空着的A位。E位fMetAA3EF-TuGTP移位原来在P位的无负荷的t

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，需要消耗2分子GTP→GDP。（进位和移位）而氨基酸活化需消耗2个高能磷酸键，每增加1个氨基酸残基实际消耗4个高能磷酸键.

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5'→3'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通过以上三步，完成了氨基酸的一轮添加。每延伸一个氨基进位成肽移位进位成肽移位肽链合成的终止与释放

当核糖体在mRNA上由5'→3'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

终止因子使肽酰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肽链合成的终止与释放当核糖体在mRNA上由5'→3'终止RFRF1识别终止信号UAA和UAG，RF2识别UAA或UGA，RF3可与GTP结合，水解GTP为GDP与磷