蛋白质的生物合成课件

第十三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具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息,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相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译(translation)。翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为N—C端。遗传信息传递的中心法则蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA遗传信息流动示意图核糖体DNAmRNAtRNA第一节RNA在蛋白质生物

合成中的重要功能一、mRNA和遗传密码原核生物mRNA的结构：4个特点mRNA的半衰期很短,很不稳定,一旦完成其使命后很快就被水解掉。mRNA的分子大小差异大。mRNA的合成是在DNA指导下的RNA聚合酶的催化下先合成mRNA的前体，即核内不均一RNA（hnRNA）。hnRNA在细胞核内加工成mRNA，然后转移到细胞质中。

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。mRNA原核生物和真核生物mRNA的比较真核细胞mRNA的结构特点5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-N-3´p帽子结构功能使mRNA免遭核酸酶的破坏使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。Poly(A)尾巴的功能是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性AAAAAAA-OH(一)遗传密码的破译1.三联体密码与阅读框

遗传密码:DNA（或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。2.人工合成多核苷酸和

无细胞体系蛋白质合成1961年，M.W.Nirenberg等人,大肠杆菌的无细胞体系中外加poly(U)模板、20种标记的氨基酸，经保温后得到了多聚phe-phe-phe，于是推测UUU编码phe。利用同样的方法得到CCC编码pro，GGG编码gly，AAA编码lys。如果利用poly（UC），则得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推测UCU编码Ser，CUC编码Leu.到1965年就全部破译了43=64组密码子。M.W.Nirenberg等,1968年获诺贝尔生理医学奖.3.三核苷酸诱导安酰tRNA对核糖体的特异结合保温

硝酸纤维滤膜过滤分析留在滤膜上的核糖体-AAtRNA

确定与核糖体结合的AA技术要点：人工合成三核苷酸为模板+核糖体+AA-tRNA（二）遗传密码的性质1、密码是无标点符号的且相邻密码子互不重叠。编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个地线形排列，密码子之间既不重叠也不间隔，从起始密码子到终止密码子（不包括终止子）构成一个完整的读码框架，又称开放阅读框架（ORF）。方向：从mRNA的5’到3’。3‘起始密码子5‘如果在阅读框中插入或删除一个碱基就会使其后的读码发生移位性错误（称为移码）。3、密码的摆动性：密码子中第三位碱基与反密码子第一位碱基的配对有时不一定完全遵循A-U、G-C的原则，Crick把这种情况称为摇摆性，有人也称摆动配对或不稳定配对。反密码子第一位的G可以与密码子第三位的C、U配对，U可以与A、G配对，I可以和密码子的U、C、A配对，这使得该类反密码子的阅读能力更强。tRNA分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于反密码子环上。3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG密码子与反密码子的阅读方向均为5‘3’，两者反向平行配对。4、密码子是近于完全通用的。这是如火如荼的转基因的前提。目前只发现线粒体和叶绿体内有列外情况。64组密码子中，AUG既是编码蛋氨酸的密码，又是起始密码；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子：UAG、UAA、UGA。tRNA的结构特征——三叶草型二级结构tRNA的功能（一）被特定的氨酰-tRNA合成酶识别，使tRNA接受正确的活化氨基酸。（二）识别mRNA链上的密码子。（三）在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生长的多肽链与核糖体的作用。氨基酸+ATP酶/Mg2+氨酰AMP-酶+PPi氨酰AMP-酶tRNA

氨酰tRNA+AMP+酶(一)、接受正确的活化氨基酸密码子与反密码子的配对关系反密码子tRNA53AUC5mRNA3密码子123tRNA有两个关键部位：

⑴3’端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。需ATP提供活化氨基酸所需的能量。⑵与mRNA结合部位—反密码子部位（tRNA的接头作用）三、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，蛋白质与rRNA的重量比约为1:2。蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。1、核糖体的结构和组成2、核糖体的功能不同来源核糖体的大小和RNA组成原核生物核糖体（S)亚基（S)rRNA(S)真核生物806040285.851850703023516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大肠杆菌中30S的亚基能单独与mRNA结合成30S核糖体-mRNA复合体，后者与tRNA可以专一性结合。50S亚基不能单独与mRNA结合，但可以非专一地与tRNA结合，50S亚基上有两个tRNA结合位点：氨酰基位点-A位点；肽酰基位点-P位点。还有一个GTP结合位点。原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图anticodoncodon30S与mRNA结合部位P位（结合或接受肽基的部位）A位（结合或接受AA-tRNA的部位）50S53mRNA核糖体基本结构动画第二节蛋白质合成的机理氨基酸的活化EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸ATP+氨酰腺苷酸E-AMPPPi第一步AMP第二步E氨基酸的活化3-氨酰-tRNA氨基酸+ATP酶/Mg2+氨酰AMP-酶+PPI氨酰AMP-酶tRNA

氨酰tRNA+AMP+酶活化反应方程式：一个氨基酸活化需要消耗2个高能磷酸键氨酰-tRNA合成酶特点专一性：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。

对tRNA具有极高专一性。校对作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。氨酰tRNA合成酶：每一种氨基酸都有至少一种专一的氨酰tRNA合成酶，它即能识别氨基酸，又能识别tRNA，从而把特定的氨基酸连到对应的tRNA上，有人也把氨酰tRNA合成酶的双向识别功能称为第二遗传密码。tRNA与氨酰tRNA合成酶的主要集中在氨基酸臂和反密码子臂上的有关序列。此外，tRNA上的受体茎环（acceptorstem）也是识别特征。不同的氨酰tRNA合成酶在分子量、氨基酸序列、亚基组成上差异较大。它是如何识别氨基酸的呢？二、合成起始起始密码：AUG；起始氨基酸：甲硫氨酸；多肽链延伸方向：从N末端向C末端；mRNA阅读方向：5/3/，原核生物起始tRNA：

tRNAfMet,

起始氨基酸：fMet(甲酰甲硫氨酸）

N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet的形成CHO-HN-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-

+H2N-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-Met-tRNAfMetfMet-tRNAfMetN10-甲酰FH4FH4转甲酰酶1.小亚基与IF1和IF3结合。2.30S起始复合物形成，IF2、GTP参与，16SrRNA与mRNA的SD序列结合。3.30S复合物与50S亚基结合形成70S亚基，起始氨酰tRNA进入P位点，它的反密码子与mRNA上的起始密码子AUG碱基配对。肽链合成的起始30S亚基•mRNAIF3-IF1复合物30S•mRNA•GTP-fMet–tRNA-IF2-IF1复合物70S起始复合物codonanticodonP位A位

mRNA

+30S亚基-IF3A位IF-353IF2GTPP位IF3IF2IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S亚基IF2+IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始复合物三、肽链的延长（一）进入：第二个氨酰tRNA通过密码子—反密码子的配对作用进入核糖体的A位点（氨基位点）。EF-Tu、EF-Ts和GTP参与。Tu\Ts循环。（二）转肽：在大亚基上肽酰转移酶（peptidyltransferase）的作用下，A位点氨基酸的A-氨基亲核攻击P位点氨基酸的羧基基团并形成肽键，结果两个氨基酸均连到了A位点的tRNA上，该过程称为转肽作用（transpeptidation），此时，P位点上卸载的tRNA从核糖体上离开。（三）移位（translocation，也可称转位）：核糖体沿着mRNA5/3/方向移动1个密码子位置，携带肽链的tRNA转位到P位点，A位点空出以便接纳下一个氨基酸。移位要求移位酶参与和水解1分子GTP供能。Tu\Ts循环三、肽链的延长12122323进入转肽移位进入(Tu\Ts)GTPGTPN-端235´3´C-端转肽15´3´（EF-G）

四、肽链合成的终止及释放（1）识别终止密码子：UAA、UAG和UGA，释放因子RF1或RF2进入核糖体A位，RF3与GTP结合促进RF1或RF2与A位结合。

（2）多肽链的释放（3）70S核糖体解离53UAG30S亚基50S亚基53UAGtRNARF肽键的形成多核糖体与核糖体循环合成完毕的肽链多核糖体3ˊmRNA延伸中的肽链5ˊ核糖体循环翻译的基本过程五、蛋白质合成中GTP的作用一个氨基酸活化需要消耗2个高能磷酸键（ATP提供）。起始阶段需水解1分子GTP；肽链延长的进入阶段要水解1分子GTP；肽链延长的移位也水解1个GTP；5.终止阶段水解1个GTP；6.整个肽链中一个肽键的生成至少需要4个高能键。★原核生物蛋白质合成中的能量计算（合成一个二肽）例：合成200个a.a残基的多肽，需消耗多少高能键？（理由）一个肽键的生成至少需要4个高能键，起始甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成，消耗2个高能键，起始阶段需要1个高能键，终止阶段需要1个高能键。（200-1）×4+2+1+1=800

ATP（GTP）高能键甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成ATP-AMP2起始（IF-2）GTP-GDP1第二个a.a-tRNA合成ATP-AMP2第二个a.a-tRNA进入核糖体（EF-TU）GTP-GDP1核糖体移位（EF-G）GTP-GDP1终止（RF3）GTP-GDP1第三节真核生物

多肽链的合成（自学）1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2、真核细胞的蛋白质翻译需要大量的蛋白因子，翻译后加工和定向输送比原核复杂得多。起始氨基酸为Met，不是fMet；3、蛋白质的合成与mRNA的转录生成不偶联；4、合成过程中有不同的抑制剂；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)、

翻译起始真核的翻译起始比原核更复杂，因为：（1）真核mRNA的二级结构更为多样和复杂（2）真核mRNA是经过多重加工的，它被转录后首先要经过各种加工才能从细胞核进入细胞质中，并形成各种各样的二级结构。一些mRNA与几种类型的蛋白质结合在一起形成一种复杂的颗粒状，有时称核糖核蛋白粒（ribonucleoproteinparticle）,在翻译之前，它的二级结构必须改变，其中的蛋白质必须被去掉。(一)、

翻译起始（3）核糖体需要扫描mRNA以寻找翻译起始位点真核mRNA没有SD序列来帮助识别翻译起点，因此核糖体要扫描每一个mRNA。核糖体结合到mRNA的5’端的帽子结构并向3’端移动一寻找起始位点。这种扫描过程很复杂，知之甚少，真核的翻译起始用到的起始因子（eIF）至少有9种，多数的功能仍需进步研究。（1）40S小亚基-(eIF-3)结合到(eIF-2-GTP)-Met-tRNAi复合物上形成40S前起始复合物（40Spreinitiationcomplex）（2）mRNA结合到40S前起始复合物上形成40S起始复合物。（3）40S起始复合物扫描mRNA寻找适当的起始密码子（通常是5’端附近的AUG）。（4）40S复合物与60S大亚基结合形成80S起始复合物。(二)、

延伸与原核类似，也可分为aa-tRNA的入位、转肽、核糖体移位三步反应。eEF、GTP等参与.(三)、

终止真核细胞中有两个释放因子eRF-1和eRF-3（GTP结合蛋白）介导终止。当GTP结合到eRF-3后它的GTPase活性就被激活，eRF-1和eRF-3-GTP形成一个复合物，当UAG，UGA，UAA进入A位点时，该复合物就结合到A位点上，接着GTP水解促使释放因子离开核糖体，mRNA被释放，核糖体解体成大小亚基，新生肽在肽酰转移酶催化下被释放。第四节蛋白质生物合成的调控一、翻译起始的调控二、稀有密码子对翻译的影响三、重叠基因对翻译的影响四、poly(A)对翻译的影响五、翻译的阻遏六、魔斑核苷酸水平对翻译的影响

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。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:（1）酶：蛋白质二硫键异构酶（PDI）；（2）分子伴侣肽链的折叠

Lasky于1978年首先提出分子伴侣（molecularchaperone）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，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在。1、肽链末端的修饰：N-端fMet或Met的切除2、信号序列的切除3、氨基酸残基的修饰4、糖基侧链的添加5、异戊二烯基团的附加6、辅基的加入7、蛋白酶水解修饰：部分肽段的切除8、二硫键的形成9、蛋白合成受许多抗生素和毒素抑制第五节蛋白质合成后的加工胰岛素原的加工A链区B链区间插序列（C肽区）HSSHSHSHHSHS信号肽NC核糖体上合成出无规则卷曲的前胰岛素原切除C肽后，形成成熟的胰岛素分子切除信号肽后折叠成稳定构象的胰岛素原SSSSNNCCA链B链胰岛素CNS－SSS胰岛素原SS多核糖体第一个编码区第一个编码区第二个编码区第二个编码区终止\起始终止起始mRNAmRNA5´5´3´3´第六节蛋白质合成后的运输

由于真核细胞的结构和功能很复杂，所以蛋白质合成后的定向转运（targeting,translocati