FAFU第八章蛋白质的生物合成、转运

第八章蛋白质的生物合成、转运福建农林大学食科院赵超CollegeofFoodScience,FujianAgricultureandForestryUniversity2012.04.25分子生物学

(MolecularBiology)现在是1页\一共有93页\编辑于星期日生物信息的传递（下）

—从mRNA到蛋白质现在是2页\一共有93页\编辑于星期日

翻译是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每3个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。现在是3页\一共有93页\编辑于星期日在翻译过程中：核糖体是蛋白质合成的场所。mRNA是蛋白质合成的模板。转移RNA（transferRNA，tRNA）是模板与氨基酸之间的接合体。在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与。现在是4页\一共有93页\编辑于星期日翻译过程的特点：蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化合物的参与。细胞用来进行合成代谢的总能量的90%消耗在蛋白质合成过程中。在真核生物细胞核内合成的mRNA，要运送到细胞质，才能翻译生成蛋白质。蛋白质合成速度很快。大肠杆菌只需要5s就能合成一条由100个氨基酸组成的多肽。现在是5页\一共有93页\编辑于星期日第一节遗传密码第二节tRNA第三节核糖体第四节蛋白质合成机制第五节蛋白质转运机制现在是6页\一共有93页\编辑于星期日第一节遗传密码贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上。mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译（解码）来实现的。mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸称为密码，也叫三联子密码。翻译时从起始密码子AUG开始，沿着mRNA5’→3’的方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链――蛋白质。现在是7页\一共有93页\编辑于星期日1.三联子密码及其破译构想：以3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有43＝64种密码，可以满足编码20种氨基酸的需要。证明：在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全部氨基酸序列。若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样，后续密码子序列就不会变化，翻译得到的后续的蛋白质序列就保持不变。如果同时删去3个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序列不发生变化。现在是8页\一共有93页\编辑于星期日●至1966年，20种氨基酸对应的61个密码子和三个终止密码子全部被查清。遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码现在是9页\一共有93页\编辑于星期日1.三联子密码及其破译密码破译方法在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的polyＵ混合共聚物实验aa-tRNA与确定的三核苷酸序列结合用重复共聚物现在是10页\一共有93页\编辑于星期日密码子通用（核DNA）编码线粒体DNA编码哺乳动物酵母菌果蝇植物UGA终止码色氨酸色氨酸色氨酸终止码AUA异亮氨酸蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸异亮氨酸CUA亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸AGA精氨酸终止码精氨酸丝氨酸精氨酸密码的通用性与特殊性。密码子表是具有普遍性的，适用于一切生物，但也有些特殊情况。2.遗传密码的性质现在是11页\一共有93页\编辑于星期日密码的简并性：由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并，对应于同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子。现在是12页\一共有93页\编辑于星期日现在是13页\一共有93页\编辑于星期日减少了变异对生物的影响现在是14页\一共有93页\编辑于星期日2.遗传密码的性质密码的摆动性。同义密码子第一、二第位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变不一定影响所编码的氨基酸。一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高（精氨酸是个例外）。现在是15页\一共有93页\编辑于星期日基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变（frameshiftmutation）。

密码的连续性。起始密码子决定所有后续密码子的位置。现在是16页\一共有93页\编辑于星期日从mRNA5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编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架（openreadingframe,ORF）。

现在是17页\一共有93页\编辑于星期日2.遗传密码的性质密码子与反密码子的相互作用在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定自由度，可以"摆动"，使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。现在是18页\一共有93页\编辑于星期日U摆动配对现在是19页\一共有93页\编辑于星期日密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUGmRNA5'AUUAUCAUA3'UAIIle5'UAIIle5'UAIIle5'tRNA3'3'3'现在是20页\一共有93页\编辑于星期日第二节tRNAtRNA在蛋白质合成中处于关键地位。tRNA不仅为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体，它又被称为第二遗传密码。特点：存在经过特殊修饰的碱基，3’端都以CCA-OH结束，这是其氨基酸结合位点。现在是21页\一共有93页\编辑于星期日3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCGtRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。现在是22页\一共有93页\编辑于星期日1.tRNA的结构二级结构由于小片段碱基互补配对，形成三叶草形的二级结构。三叶草形tRNA分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手臂：受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；3’端有未配对的3～4个碱基；3’端的CCA，最后一个碱基2'烃基可被氨酰化。TψC臂：其中ψ表示假尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。反密码子臂：位于套索中央有三联反密码子。D臂：含有二氢尿嘧啶。KimSung-HouPhD(born1937)isaKorean-bornAmericanstructuralbiologistandbiophysicist.Dr.Kimreportedthefirst3DstructureoftRNAwithA.Richin1973

现在是23页\一共有93页\编辑于星期日tRNA二级结构现在是24页\一共有93页\编辑于星期日1.tRNA的结构三级结构tRNA三级结构都呈L形折叠式tRNA的三级结构与氨酰-tRNA合成酶对tRNA的识别有关。现在是25页\一共有93页\编辑于星期日现在是26页\一共有93页\编辑于星期日2.tRNA的功能翻译阶段遗传信息从mRNA转移到结构极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联密码子形式存在的，这里起作用的是tRNA的解码机制。氨基酸在合成蛋白质之前先通过AA－tRNA合成酶活化，在消耗ATP的情况下结合到tRNA上，生成有蛋白质合成活性的AA－tRNA，由AA－tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子相互识别并配对，将AA带到mRNA-核糖体复合物上，插入到正在合成的多肽链的适当位置上。现在是27页\一共有93页\编辑于星期日3.tRNA的种类起始tRNA和延伸tRNA。一类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA（原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸）。其他tRNA统称为延伸tRNA。同工tRNA。几个代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。校正tRNA。分两类：无义突变的校正tRNA和错义突变的校正tRNA。均通过改变其反密码子区校正突变而依然合成原氨基酸。现在是28页\一共有93页\编辑于星期日无义突变和错义突变的校正现在是29页\一共有93页\编辑于星期日4.氨酰-tRNA合成氨酰-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶。其反应包括两步:氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。

AA+ATP+酶（E）→E－AA－AMP+PPi氨酰基转移到tRNA3’末端腺苷残基的2’或3’－羟基上E－AA－AMP+tRNA→AA－tRNA+E+AMP现在是30页\一共有93页\编辑于星期日4.氨酰-tRNA合成蛋白质合成的真实性主要决定于tRNA能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置上，而这一步主要决定于AA－tRNA合成酶是否使氨基酸与对应的tRNA相结合。AA-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又要能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性。现在是31页\一共有93页\编辑于星期日真核生物：起始密码子AUG所编码的氨基酸是Met，起始AA-tRNA为Met-tRNAMet。原核生物：起始密码子AUG所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸，起始AA-tRNA为fMet-tRNAfMet现在是32页\一共有93页\编辑于星期日第三节核糖体生物细胞内，核糖体像一个能沿mRNA模板移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。核糖体是由几十种蛋白质和几种核糖体组成的亚细胞颗粒。一个细菌细胞内约有20000个核糖体，而真核细胞内可达106个。现在是33页\一共有93页\编辑于星期日1.核糖体的结构核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大小两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的二倍。每个亚基都含有一个分子质量较大的rRNA和许多蛋白质分子。这些大分子rRNA能在特定位点与蛋白质结合，从而完成核糖体不同亚基的组装。原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。真核生物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。现在是34页\一共有93页\编辑于星期日1.核糖体的结构原核生物、真核生物细胞质及细胞器中的核糖体存在着很大差异。现在是35页\一共有93页\编辑于星期日

原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基rRNAs蛋白RNA的特异顺序和功能

细菌70S50S23S=2904b31种(L1-L31）含CGAAC和GTψCG互补2.5×106D5S=120b66%RNA30S16S=1542b21种(S1-S21)16SrRNA(CCUCCU)和S-D顺序(AGGAGG)互补

哺乳动物80S60S28S=4718b49种有GAUC和tRNAfMet的TψCG互补4.2×106D5S=120b60%RNA5.8S=160b

40S18S=1874b33种和Capm7G结合SD序列（Shine-Dalgarnosequence）：mRNA中用于结合原核生物核糖体的序列。SD序列在细菌mRNA起始密码子AUG上游10个碱基左右处，有一段富含嘌呤的碱基序列，能与细菌16SrRNA3’端识别，帮助从起始AUG处开始翻译。现在是36页\一共有93页\编辑于星期日1.核糖体的结构核糖体由三个tRNA结合位点，位于大小亚基交界面现在是37页\一共有93页\编辑于星期日2.核糖体的功能核糖体存在于每个细胞中进行蛋白质的合成。尽管在不同生物体内其大小有别，但组织结构基本相同，而且执行的功能完全相同。核糖体包括5个以上活性中心，即：mRNA结合部位——小亚基接受AA-tRNA部位（A位）结合肽基－tRNA的部位肽基转移部位（P位）形成肽键的部位（转肽酶中心）此外，还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。大亚基现在是38页\一共有93页\编辑于星期日2.核糖体的功能核糖体小亚基负责对模板mRNA进行序列特异性识别，如起始部分的识别、密码子与反密码子的相互作用等，mRNA的结合位点也在小亚基上。大亚基负责携带AA-tRNA、肽键的形成、AA-tRNA与肽链的结合、A位、P位、转肽酶中心等在大亚基上。现在是39页\一共有93页\编辑于星期日2.核糖体的功能核糖体在体内及体外都可解离为亚基或结合成70S/80S的颗粒。在翻译的起始阶段需要游离的亚基，随后才结合成70S/80S颗粒，开始翻译进程。肽链释放后，核糖体脱离mRNA解聚成亚基，直接参与另一轮蛋白质的合成。现在是40页\一共有93页\编辑于星期日四、蛋白质合成的过程氨基酸的活化翻译的起始肽链的延伸肽链的终止蛋白质前体的加工现在是41页\一共有93页\编辑于星期日（一）氨基酸的活化氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶现在是42页\一共有93页\编辑于星期日原核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：真核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：甲酰甲硫氨酸fMet-tRNAfMet甲硫氨酸Met-tRNAMet现在是43页\一共有93页\编辑于星期日第一步反应氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E＋AMP＋PPi

现在是44页\一共有93页\编辑于星期日第二步反应氨基酰-AMP-E＋tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP＋E现在是45页\一共有93页\编辑于星期日（二）翻译的起始原核生物（细菌）为例：所需成分：30S小亚基、50S大亚基、模板mRNA、fMet-tRNAfMet、GTP、Mg2+翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3现在是46页\一共有93页\编辑于星期日IF-3IF-1翻译起始（翻译起始复合物形成）又可被分成3步：1.核蛋白体大小亚基分离现在是47页\一共有93页\编辑于星期日2、30S小亚基通过SD序列与mRNA模板相结合。AUG5'3'IF-3IF-1现在是48页\一共有93页\编辑于星期日IF-3IF-1IF-2GTP3.在IF-2和GTP帮助下，fMet-tRNAfMet进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上起始密码子配对。AUG5'3'现在是49页\一共有93页\编辑于星期日IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4、带有tRNA、mRNA和3个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放翻译起始因子。AUG5'3'现在是50页\一共有93页\编辑于星期日IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi现在是51页\一共有93页\编辑于星期日真核生物翻译起始的特点●核糖体较大，为80Ｓ●起始因子比较多●mRNA5′端具有m7Gppp帽子结构●Met-tRNAMet

●mRNA的5′端帽子结构和3′端polyA都参与形成翻译起始复合物现在是52页\一共有93页\编辑于星期日真核生物翻译起始复合物形成（区别原核生物）原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合。而在真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始复合物。现在是53页\一共有93页\编辑于星期日met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAMet-elF-2

-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程现在是54页\一共有93页\编辑于星期日肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，每个循环包括：AA-tRNA与核糖体结合、

肽键的生成

和

移位。延伸因子（elongationfactor，EF）：

原核生物：EF-T（EF-Tu,EF-Ts）EF-G真核生物：EF-1、EF-2（三）肽链的延伸现在是55页\一共有93页\编辑于星期日1、AA-tRNA与核糖体A位点的结合需要消耗GTP，并需EF-Tu、EF-Ts两种延伸因子现在是56页\一共有93页\编辑于星期日现在是57页\一共有93页\编辑于星期日通过延伸因子EF-Ts再生GTP，形成EF-Tu·GTP复合物

EF-Tu-GDP+EF-TsEF-Tu-Ts+GDP

EF-Tu-Ts+GTPEF-Tu-GTP+EF-Ts重新参与下一轮循环现在是58页\一共有93页\编辑于星期日3、移位核糖体向mRNA3’端方向移动一个密码子。需要消耗GTP，并需EF-G延伸因子现在是59页\一共有93页\编辑于星期日延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3'侧移动。现在是60页\一共有93页\编辑于星期日fMetAUG5'3'fMetTuGTP现在是61页\一共有93页\编辑于星期日现在是62页\一共有93页\编辑于星期日原核肽链合成终止过程

（四）肽链的终止现在是63页\一共有93页\编辑于星期日

RF1：识别终止密码子UAA和UAG终止因子RF2：识别终止密码子UAA和UGA

RF3：具GTP酶活性，刺激RF1和RF2活性，协助肽链的释放（原核生物）真核生物只有一个终止因子（eRF）现在是64页\一共有93页\编辑于星期日新生蛋白质经蛋白酶切后变成有功能的成熟蛋白质（五）蛋白质前体的加工1、N端fMet或Met的切除现在是65页\一共有93页\编辑于星期日3、特定氨基酸的修饰磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羟基化和羧基化2、二硫键的形成两个半胱氨酸-SH

-SH

-SH二硫键氧化4、切除新生肽链中非功能片段现在是66页\一共有93页\编辑于星期日前胰岛素原蛋白翻译后成熟过程示意图现在是67页\一共有93页\编辑于星期日（六）蛋白质合成抑制剂现在是68页\一共有93页\编辑于星期日现在是69页\一共有93页\编辑于星期日现在是70页\一共有93页\编辑于星期日五、蛋白质的运转机制现在是71页\一共有93页\编辑于星期日蛋白性质运转机制主要类型分泌蛋白质在结合核糖体上合成，并以翻译-运转同步机制运输免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等细胞器发育蛋白质在游离核糖体上合成，以翻译后运转机制运输核、叶绿体、线粒体、乙醛酸循环体、过氧化物酶体等细胞器中的蛋白质膜的形成两种机制兼有质膜、内质网、类囊体中的蛋白质现在是72页\一共有93页\编辑于星期日1、翻译-运转同步机制信号肽假说●信号肽：常指新合成多肽链中用于指导蛋白质跨膜转移的N-末端氨基酸序列。现在是73页\一共有93页\编辑于星期日●信号序列特点：（1）一般带有10-15个疏水氨基酸；（2）在靠近该序列N-端常常有1个或数个带正电荷的氨基酸；（3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链（丙氨酸或甘氨酸）。现在是74页\一共有93页\编辑于星期日现在是75页\一共有93页\编辑于星期日信号肽假说内容现在是76页\一共有93页\编辑于星期日新生蛋白质通过同步转运途径进入内质网内腔的主要过程现在是77页\一共有93页\编辑于星期日2、翻译后运转机制现在是78页\一共有93页\编辑于星期日(1)线粒体蛋白质跨膜运转现在是79页\一共有93页\编辑于星期日(2)叶绿体蛋白质的跨膜运转现在是80页\一共有93页\编辑于星期日(3)核定位蛋白的运转机制现在是81页\一共有93页\编辑于星期日现在是82页\一共有93页\编辑于星期日复习题1．多数氨基酸都有两个以上密码子，下列哪组氨基酸只有一个密码子？A．苏氨酸、甘氨酸B．脯氨酸、精氨酸C．丝氨酸、亮氨酸D．色氨酸、甲硫氨酸E．天冬氨酸和天冬酰胺（D）现在是83页\一共有93页\编辑于星期日2．tRNA分子上结合氨基酸的序列是A．CAA-3′B．CCA-3′C．AAC-3′D．ACA