四川大学生物化学课件 蛋白质的生物合成

刘皓Email:liuhaoy@CellPhone皓内容提要讲授内容：14学时

a.蛋白质的生物合成

b.基因表达调控

c.基因重组与基因工程

d.细胞间信息传递专题讨论：2个，8学时

内容提要讲授内容：14学时第十二章

蛋白质的生物合成

（翻译）

ProteinBiosynthesis,Translation第十二章

蛋白质的生物合成

（翻译）

ProteinBi基因：DNA分子中为各种蛋白质或RNA编码的DNA功能片段。基因：DNA分子中为各种蛋白质或RNA编码的DNA功能片段。蛋白质的生物合成

——又称为翻译，它是指生物体以mRNA为模板按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。蛋白质的生物合成第一节蛋白质生物合成体系

(proteinbiosynthesissystem)

模板:mRNA原料:20种氨基酸运载体:tRNA装配场所：核糖体其它：蛋白质因子、酶、供能物质和某些无机离子第一节蛋白质生物合成体系

一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板

1.mRNA的结构顺反子(cistron):编码一个多肽的遗传单位多顺反子(polycistron):

原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质单顺反子(monocistron):真核细胞中一个结构基因转录生成一个mRNA分子，并只为一种蛋白质编码一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板1.mRNA四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成2.mRNA是遗传信息的携带者

密码子/三联体密码子（codon/tripletcodon）：在mRNA的开放阅读框架内按5´至3´方向每三个相邻的核苷酸组成一个密码子编码一个氨基酸。

起始密码:AUG

终止密码:UAA,UAG,UGA遗传密码（geneticcode）

2.mRNA是遗传信息的携带者四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成

开放阅读框架(openreadingframe)开放阅读框架(openreadingframe)开放阅读框架(openreadingframe)：

指从mRNA分子5´端起始密码子AUG到3´端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列并编码一条蛋白质多肽链。开放阅读框架(openreadingframe)：

遗传密码的特点

a.方向性(direction):

密码子及组成密码子的各碱基在mRNA序列中的排列具有方向性，翻译时的阅读方向只能按5´至3´方向。遗传密码的特点b.连续性(commaless):mRNA分子的阅读框架中，三联体密码子之间既无间断也无交叉，必须以3个为一组连续读下去，直至出现终止密码子为止。

框移突变(frameshiftmutation)b.连续性(commaless):mRNA分子的阅读框架c.简并性(degeneracy)c.简并性(degeneracy)d.通用性(universal)

e.摆动性(wobble)d.通用性(universal)

e.摆动性(wo二、核糖体是蛋白质生物合成的场所二、核糖体是蛋白质生物合成的场所四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器1．氨基酸的活化:氨基酸与特异tRNA

结合形成氨基酰-tRNA过程

氨基酰-tRNA合成酶

(aminoacyl-tRNAsynthease)

a.高度的专一性

b.校正活性1．氨基酸的活化:氨基酸与特异tRNA

结合

氨酰-tRNA的合成过程(1)氨基酸+ATP-酶→氨基酸-AMP-酶+PPi(2)氨基酸-AMP-酶+tRNA→氨酰-tRNA+AMP+E总反应式为：氨基酸+tRNA+ATP→氨酰-tRNA+AMP+PPi氨酰-tRNA的合成过程四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成2.氨基酰-tRNA的表示方法

表示方法:Arg-tRNAArgtRNAimet/tRNAemet

起始氨基酰－tRNA

原核生物：fMet-tRNAifMet

真核生物：Met-tRNAiMet2.氨基酰-tRNA的表示方法表示方法:Arg-tRNA第二节

肽链的生物合成过程

第二节

肽链的生物合成过程

蛋白质的生物合成过程从模板mRNA分子中阅读框架的5’-AUG开始，按三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码的出现整个过程可分为：起始(initiation)

延长(elongation)

终止(termination)蛋白质的生物合成过程从模板mRNA分子中阅读框架的5’一、肽链合成起始

指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合形成翻译起始复合物

(translationalinitiationcomplex)起始因子(initiationfactor,IF)/eIF

一、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖原核生物翻译起始复合物的生成核糖体大、小亚基分离mRNA在核糖体小亚基定位结合起始氨基酰-tRNA的结合核糖体大亚基的结合

原核生物翻译起始复合物的生成核糖体大、小亚基分离IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合mRNA在小亚基上的定位机制：mRNA在小亚基上的定位机制：IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fIF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖体大亚基结IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPiIF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTP二、肽链的延长指根据mRNA密码序列的指导，从N端至C端依次添加氨基酸使肽链延伸直至合成终止的过程核糖体循环(ribosomalcycle)

进位(entrance)/注册(registration)

成肽(peptidebondformation)

转位(translocation)延长因子(elongationfactor,EF)二、肽链的延长指根据mRNA密码序列的指导，从N端至C端依次1.进位：氨基酰tRNA根据mRNA上遗传密码的指引，进入核蛋白体的A位

1.进位：氨基酰tRNA根据mRNA上遗传密码的指引，进入核TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTPTuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP2.成肽:由转肽酶催化

2.成肽:由转肽酶催化3.转位:EF-G(转位酶)3.转位:EF-G(转位酶)fMetAUG5'3'fMetTuGTPfMetAUG5'3'fMetTuGTP进位转位成肽进位转位成肽三、肽链合成的终止当核蛋白体移动到其A位对应着mRNA的终止密码时，多肽链合成终止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大小亚基分离

释放因子(releasefactor,RF)三、肽链合成的终止当核蛋白体移动到其A位对应着mRNA的终止步骤:a.终止密码的辨认

b.肽链从肽酰-tRNA中水解出来

c.mRNA从核蛋白体中分离及大、小亚基的拆离步骤:四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成UAG5'3'RFCOO-UAG5'3'RFCOO-四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成多聚核蛋白体（polyribosome）

多聚核蛋白体（polyribosome）四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成第三节

蛋白质翻译后修饰和靶向输送

(PosttranslationalModification&

ProteinTargeting)

第三节

蛋白质翻译后修饰和靶向输送

(Posttransl一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质分子伴侣（molecularchaperon）(1)热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)

分子伴侣家族:HSP70HSP40GrpE一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质分子伴侣（molecular四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成HSP促进蛋白质折叠的机制HSP促进蛋白质折叠的机制(2)伴侣素(chaperonins):GroEL/GroES作用:

为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然构象的微环境机制:(2)伴侣素(chaperonins):GroEL/Gr四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成蛋白二硫键异构酶催化半胱氨酸间错配的二硫键断裂并形成正确的连接肽酰-脯氨酰顺反异构酶

多肽链中肽酰与脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体,肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进它们之间的转换,并在肽链合成需要顺式构型时，使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确的折叠蛋白二硫键异构酶二、一级结构的修饰

肽链N-端的修饰

脱甲酰基酶/氨基肽酶个别氨基酸的共价修饰

糖基化/羟基化/甲级化/磷酸化/二硫键的形成多肽链的水解修饰二、一级结构的修饰肽链N-端的修饰四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成三、高级结构的修饰亚基的聚合辅基连接疏水脂链的共价连接

在肽链的特定位点共价连接一个或多个疏水性强的脂链三、高级结构的修饰亚基的聚合四、蛋白质合成后的靶向输送靶向输送（proteintargeting）

指蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送到其最终发挥生物学功能的目标地点

去处:保留在胞浆进入细胞器分泌至体液信号序列四、蛋白质合成后的靶向输送靶向输送（proteintarg(一)分泌蛋白的靶向输送

信号肽(signalpeptide)

N端碱性区疏水核心区

C端加工区:含信号肽酶裂解位点(一)分泌蛋白的靶向输送信号肽(signalpepti

分泌蛋白进入内质网的过程

(1)信号肽识别颗粒

(signalrecongitionparticle,SRP)

由6条多肽链和一条7SRNA构成的核糖核酸蛋白质复合体,能识别结合带信号肽的核糖体和SRP受体分泌蛋白进入内质网的过程四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成(2)SRP受体由α、β两个亚基构成，其中α亚基能结合GTP，具GTP酶活性

(3)核蛋白体受体

(4)肽转位复合物形成跨内质网膜的蛋白通道(2)SRP受体四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成(二)线粒体蛋白的靶向输送

导肽:与蛋白质在线粒体的定位有关

线粒体基质蛋白的靶向输送

(二)线粒体蛋白的靶向输送导肽:与蛋白质在线粒体的定位外膜内膜膜间隙基质外膜内膜膜间隙基质线粒体基质蛋白的靶向输送线粒体基质蛋白的靶向输送(三)细胞核蛋白的靶向输送核定位序列

(nuclearlocalizationsequence,NLS)机制(三)细胞核蛋白的靶向输送核定位序列四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成第四节

蛋白质生物合成的干扰和抑制

(Interference&Inhibitionof

ProteinBiosynthesis)第四节

蛋白质生物合成的干扰和抑制

(Interferen一、抗生素类影响翻译起始的抗生素

伊短菌素作用位点：原核、真核核糖体小亚基原理：阻碍翻译起始复合物形成一、抗生素类影响翻译起始的抗生素影响翻译延长的抗生素(干扰进位)（引起读码错误）（影响肽键形成）影响翻译延长的抗生素(干扰进位)（引起读码错误）（影响肽键形二、其他干扰蛋白质合成的物质毒素(toxin)干扰素（interferon,IF）

二、其他干扰蛋白质合成的物质毒素(toxin)白喉毒素(diphtheriatoxin)的作用机理白喉毒素++延长因子-2（有活性）延长因子-2（无活性）白喉毒素(diphtheriatoxin)的作用机理白喉毒

干扰素的作用机理干扰素诱导的蛋白激酶dsRNAa.干扰素诱导eIF2磷酸化而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）Pi磷酸酶干扰素的作用机理干扰素诱导的蛋白激酶dsRNAa.干扰素b.干扰素诱导病毒RNA降解降解mRNAdsRNA干扰素AAPAPPPP252552-5AAPPPATP2-5A合成酶RNaseLRNaseL活化b.干扰素诱导病毒RNA降解降解mRNAdsRNA干扰素A总结1.定义多顺反子、单顺反子、开放阅读框架、多聚核蛋白体2.问题(1)蛋白质生物合成体系

a.遗传密码的特点/摆动配对的位置

b.各类RNA分子在蛋白质合成过程中的作用

c.核蛋白体的结构与功能

d.氨基酰tRNA-合成酶的功能特点

e.tRNA与氨基酸的连接方式

f.mRNA在核蛋白体小亚基上的定位结合机制总结1.定义(2)原核生物蛋白质生物合成过程

a.蛋白质因子及其作用

b.合成过程

c.能量消耗

d.翻译的保真性(2)原核生物蛋白质生物合成过程刘皓Email:liuhaoy@CellPhone皓内容提要讲授内容：14学时

a.蛋白质的生物合成

b.基因表达调控

c.基因重组与基因工程

d.细胞间信息传递专题讨论：2个，8学时

内容提要讲授内容：14学时第十二章

蛋白质的生物合成

（翻译）

ProteinBiosynthesis,Translation第十二章

蛋白质的生物合成

（翻译）

ProteinBi基因：DNA分子中为各种蛋白质或RNA编码的DNA功能片段。基因：DNA分子中为各种蛋白质或RNA编码的DNA功能片段。蛋白质的生物合成

——又称为翻译，它是指生物体以mRNA为模板按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。蛋白质的生物合成第一节蛋白质生物合成体系

(proteinbiosynthesissystem)

模板:mRNA原料:20种氨基酸运载体:tRNA装配场所：核糖体其它：蛋白质因子、酶、供能物质和某些无机离子第一节蛋白质生物合成体系

一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板

1.mRNA的结构顺反子(cistron):编码一个多肽的遗传单位多顺反子(polycistron):

原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质单顺反子(monocistron):真核细胞中一个结构基因转录生成一个mRNA分子，并只为一种蛋白质编码一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板1.mRNA四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成2.mRNA是遗传信息的携带者

密码子/三联体密码子（codon/tripletcodon）：在mRNA的开放阅读框架内按5´至3´方向每三个相邻的核苷酸组成一个密码子编码一个氨基酸。

起始密码:AUG

终止密码:UAA,UAG,UGA遗传密码（geneticcode）

2.mRNA是遗传信息的携带者四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成

开放阅读框架(openreadingframe)开放阅读框架(openreadingframe)开放阅读框架(openreadingframe)：

指从mRNA分子5´端起始密码子AUG到3´端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列并编码一条蛋白质多肽链。开放阅读框架(openreadingframe)：

遗传密码的特点

a.方向性(direction):

密码子及组成密码子的各碱基在mRNA序列中的排列具有方向性，翻译时的阅读方向只能按5´至3´方向。遗传密码的特点b.连续性(commaless):mRNA分子的阅读框架中，三联体密码子之间既无间断也无交叉，必须以3个为一组连续读下去，直至出现终止密码子为止。

框移突变(frameshiftmutation)b.连续性(commaless):mRNA分子的阅读框架c.简并性(degeneracy)c.简并性(degeneracy)d.通用性(universal)

e.摆动性(wobble)d.通用性(universal)

e.摆动性(wo二、核糖体是蛋白质生物合成的场所二、核糖体是蛋白质生物合成的场所四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器1．氨基酸的活化:氨基酸与特异tRNA

结合形成氨基酰-tRNA过程

氨基酰-tRNA合成酶

(aminoacyl-tRNAsynthease)

a.高度的专一性

b.校正活性1．氨基酸的活化:氨基酸与特异tRNA

结合

氨酰-tRNA的合成过程(1)氨基酸+ATP-酶→氨基酸-AMP-酶+PPi(2)氨基酸-AMP-酶+tRNA→氨酰-tRNA+AMP+E总反应式为：氨基酸+tRNA+ATP→氨酰-tRNA+AMP+PPi氨酰-tRNA的合成过程四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成2.氨基酰-tRNA的表示方法

表示方法:Arg-tRNAArgtRNAimet/tRNAemet

起始氨基酰－tRNA

原核生物：fMet-tRNAifMet

真核生物：Met-tRNAiMet2.氨基酰-tRNA的表示方法表示方法:Arg-tRNA第二节

肽链的生物合成过程

第二节

肽链的生物合成过程

蛋白质的生物合成过程从模板mRNA分子中阅读框架的5’-AUG开始，按三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码的出现整个过程可分为：起始(initiation)

延长(elongation)

终止(termination)蛋白质的生物合成过程从模板mRNA分子中阅读框架的5’一、肽链合成起始

指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合形成翻译起始复合物

(translationalinitiationcomplex)起始因子(initiationfactor,IF)/eIF

一、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖原核生物翻译起始复合物的生成核糖体大、小亚基分离mRNA在核糖体小亚基定位结合起始氨基酰-tRNA的结合核糖体大亚基的结合

原核生物翻译起始复合物的生成核糖体大、小亚基分离IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合mRNA在小亚基上的定位机制：mRNA在小亚基上的定位机制：IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fIF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖体大亚基结IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPiIF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTP二、肽链的延长指根据mRNA密码序列的指导，从N端至C端依次添加氨基酸使肽链延伸直至合成终止的过程核糖体循环(ribosomalcycle)

进位(entrance)/注册(registration)

成肽(peptidebondformation)

转位(translocation)延长因子(elongationfactor,EF)二、肽链的延长指根据mRNA密码序列的指导，从N端至C端依次1.进位：氨基酰tRNA根据mRNA上遗传密码的指引，进入核蛋白体的A位

1.进位：氨基酰tRNA根据mRNA上遗传密码的指引，进入核TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTPTuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP2.成肽:由转肽酶催化

2.成肽:由转肽酶催化3.转位:EF-G(转位酶)3.转位:EF-G(转位酶)fMetAUG5'3'fMetTuGTPfMetAUG5'3'fMetTuGTP进位转位成肽进位转位成肽三、肽链合成的终止当核蛋白体移动到其A位对应着mRNA的终止密码时，多肽链合成终止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大小亚基分离

释放因子(releasefactor,RF)三、肽链合成的终止当核蛋白体移动到其A位对应着mRNA的终止步骤:a.终止密码的辨认

b.肽链从肽酰-tRNA中水解出来

c.mRNA从核蛋白体中分离及大、小亚基的拆离步骤:四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成UAG5'3'RFCOO-UAG5'3'RFCOO-四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成多聚核蛋白体（polyribosome）

多聚核蛋白体（polyribosome）四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成第三节

蛋白质翻译后修饰和靶向输送

(PosttranslationalModification&

ProteinTargeting)

第三节

蛋白质翻译后修饰和靶向输送

(Posttransl一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质分子伴侣（molecularchaperon）(1)热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)

分子伴侣家族:HSP70HSP40GrpE一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质分子伴侣（molecular四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成HSP促进蛋白质折叠的机制HSP促进蛋白质折叠的机制(2)伴侣素(chaperonins):GroEL/GroES作用:

为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然构象的微环境机制:(2)伴侣素(chaperonins):GroEL/Gr四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成蛋白二硫键异构酶催化半胱氨酸间错配的二硫键断裂并形成正确的连接肽酰-脯氨酰顺反异构酶

多肽链中肽酰与脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体,肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进它们之间的转换,并在肽链合成需要顺式构型时，使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确的折叠蛋白二硫键异构酶二、一级结构的修饰

肽链N-端的修饰

脱甲酰基酶/氨基肽酶个别氨基酸的共价修饰

糖基化/羟基化/甲级化/磷酸化/二硫键的形成多肽链的水解修饰二、一级结构的修饰肽链N-端的修饰四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成三、高级结构的修饰亚基的聚合辅基连接疏水脂链的共价连接

在肽链的特定位点共价连接一个或多个疏水性强的脂链三、高级结构的修饰亚基的聚合四、蛋白质合成后的靶向输送靶向输送（proteintargeting）

指蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送到其最终发挥生物学功能的目标地点

去处:保留在胞浆进入细胞器分泌至体液信号序列四、蛋白质合成后的靶向输送靶向输送（proteintarg(一)分泌蛋白的靶向输送

信号肽(signalpeptide)

N端碱性区疏水核心区

C端加工区:含信号肽酶裂解位点(一)分泌蛋白的靶向输送信号肽(signalpepti

分泌蛋白进入内质网的过程

(1)信号肽识别颗粒

(signalrecongitionparticle,SRP)

由6条多肽链和一条7SRNA构成的核糖核酸蛋白质复合体,能识别结合带信号肽的核糖体和SRP受体分泌蛋白进入内质网的过程四川大学生物化学课件蛋白质的生物合成(2)SRP受体由α、β两个亚基构成，其中α亚