新编生物化学蛋白质的生物合成

蛋白质生物合成概况概念：以mRNA为模板合成蛋白质过程，又称翻译。原料：20种氨基酸（1954年PaulZamecnik等）中介分子：tRNA、mRNA、rRNA分子(1958年M.B.Hoagland等)。

64个遗传密码（1961～1966Nirenberg等）合成方向：从肽链N端到C端（1961年HowardDintzis）合成场所：核糖体合成体系建立：（1973～1976年）

新编生物化学蛋白质的生物合成第1页第一节蛋白质生物合成基本条件20种aamRNAtRNA核糖体氨酰tRNA合成酶肽酰转移酶转位酶各种因子ATP、GTPK+、Mg2+新编生物化学蛋白质的生物合成第2页一、mRNA是蛋白质合成直接模板新编生物化学蛋白质的生物合成第3页（一）mRNA普通特点：种类繁多大小不一：500～6000个碱基半衰期短：原核生物1～3分钟，真核生物数小时或几天占细胞总RNA：1%～2%真核mRNA5´端有N7-甲基鸟苷“帽状”结构：含有稳定mRNA及有利于翻译起始作用3´端有20～250个多聚腺苷酸（PolyA）“尾状”结构：含有维持mRNA翻译模板活性

*（组蛋白除外）新编生物化学蛋白质的生物合成第4页翻译时是从mRNA编码区起始密码子开始至终止密码子结束。新编生物化学蛋白质的生物合成第5页遗传密码(geneticcode)：指mRNA分子中从5´→3´端记数，三个相邻核苷酸为一组，代表某中氨基酸或其它信息,这相邻三个核苷酸称为一个遗传密码。遗传密码供有多少个呢？新编生物化学蛋白质的生物合成第6页新编生物化学蛋白质的生物合成第7页遗传密码类别遗传密码代表信息说明起始密码：AUG起始信号及氨基酸信息（真核）代表蛋氨酸（原核）代表甲酰蛋氨酸终止密码：UAA、UAG、UGA终止信号UGA还代表硒代半胱氨酸余下密码只代表氨基酸信息新编生物化学蛋白质的生物合成第8页（二）遗传密码特点方向性（directionality）新编生物化学蛋白质的生物合成第9页2.连续性（commalessness）谷氨酰胺（CAG）插入精氨酸（AGU）苏氨酸（ACA）谷氨酰胺（AAC）缺失新编生物化学蛋白质的生物合成第10页3.简并性(degeneracy)同义密码子：脯氨酸:CCU、CCC、CCA、CCG脯氨酸（CCU）组氨酸（CAC）新编生物化学蛋白质的生物合成第11页4.通用性（universality）新编生物化学蛋白质的生物合成第12页遗传密码特点通用性（universality）新编生物化学蛋白质的生物合成第13页5.摆动性（wobble）密码子与反密码子摆动配对现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG新编生物化学蛋白质的生物合成第14页二、核糖体（rRNA）是蛋白质合成场所(一)rRNA特点种类：原核生物有5S、23S、16SrRNA；真核生物有28S、18S、5.8S、5SrRNA含量最多：占细胞总RNA80%～90%rRNA与蛋白质组成核糖体新编生物化学蛋白质的生物合成第15页新编生物化学蛋白质的生物合成第16页50SPA50SE转肽酶（二）核糖体上主要功效部位肽酰位(P)：结合肽酰-tRNA氨酰位(A)：结合氨酰-tRNA催化肽键生成，兼有酯酶活性空载tRNA排除位（真核无E位）5′3′mRNA新编生物化学蛋白质的生物合成第17页三、tRNA是运输氨基酸工具tRNA特点：分子量最小：60～90个碱基含有较多稀有碱基5´端大多为pG,3´端均为-CCA反密码子第一位碱基常出现次黄嘌呤（I）细菌中有30～40种tRNA；真核细胞中有40～50种tRNA。氨基酸臂：与氨基酸结合TψC环（臂）：与核蛋白体rRNA结合反密码子：识别并结合mRNA密码子D臂：氨酰-tRNA合成识别位点新编生物化学蛋白质的生物合成第18页（一）氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酰-tRNA合成，兼有酯酶活性。含有校正功效（误差<10-4）氨基酰－tRNA合成酶使tRNA识别特异氨基酸。氨基酸活化形式：氨基酰-tRNA氨基酸活化部位：是羧基四、参加蛋白质合成酶类新编生物化学蛋白质的生物合成第19页原核生物肽链起始氨酰-tRNA为甲酰蛋氨酰-tRNA;而真核生物肽链为蛋氨酰-tRNA新编生物化学蛋白质的生物合成第20页（二）肽酰转移酶(peptidyltransferase)（核酶）催化肽键生成，兼有酯酶活性-原核23SrRNA；真核28SrRNA肽链合成方向：N→CAUGGGC5′3′mRNAUACCCGHNH—CH2—CO~~新编生物化学蛋白质的生物合成第21页（三）转位酶催化核糖体移位原核生物由延长因子G(80kD)催化真核生物由延长因子2（100kD）起作用AUGGGC5′3′mRNAUACCCGHNH—CH2—CO~~新编生物化学蛋白质的生物合成第22页五、主要蛋白因子起始因子（initiationfactor,IF）（真核起始因子，eukaryoticinitiationfactor,eIF）：参加翻译起始延长因子（elongationfactor,EF）：参加肽链延长终止释放因子（releasingfactor,RF）及核蛋白体释放因子（ribosomalreleasingfactor,RRF）：参加肽链合成终止新编生物化学蛋白质的生物合成第23页第二节肽链生物合成过程新编生物化学蛋白质的生物合成第24页一、原核生物肽链合成过程原核生物翻译过程各种蛋白质因子及其功效种类功效起始因子IF-1占据氨基酰位（A位），预防预防氨酰-tRNA过早地结合到A位IF-2促进fMet-tRNAifMet与核糖体30S小亚基结合IF-3结合核糖体30S小亚基，促进大、小亚基分离，提升肽酰位（P位）对fMet-tRNAifMet敏感性延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并水解GTPEF-Ts调整亚基EF-G转位酶，使肽酰tRNA有A位转至P位，促进tRNA卸载与释放释放因子RF-1识别终止密码子UAA和UAG，诱导肽酰转移酶转变为酯酶RF-2识别终止密码子UAA和UGA，诱导肽酰转移酶转变为酯酶RF-3与核糖体结合，含有GTP酶活性，介导RF-1及RF-2与核糖体相互作用新编生物化学蛋白质的生物合成第25页（一）翻译起始阶段在起始因子作用下，fMet-tRNAifMet、mRNA与核糖体结合，形成70S起始复合物过程。此阶段需要GTP及Mg2+参加起始阶段包含四个小事件发生核蛋白体大小亚基分离mRNA在小亚基上定位结合fMet-tRNAifMet结合核蛋白体大亚基结合起始因子功效IF-1占据氨基酰位（A位），预防tRNA过早地结合到A位IF-2促进fMet-tRNAifMet结合到30S小亚基IF-3结合30S小亚基，促进大、小亚基分离，并提升P位对fMet-tRNAifMet敏感性新编生物化学蛋白质的生物合成第26页1.核蛋白体大小亚基分离50SIF-1IF-1促进大小亚基分离预防氨酰tRNA过早进位IF-3IF-3可预防核糖体亚基过早聚合50SE新编生物化学蛋白质的生物合成第27页2.mRNA在小亚基上定位结合mRNA定位基础是S-D序列S-D序列（核糖体结合位点）是指位于mRNA起始密码（AUG）上游约8～13核苷酸部位存在有4～9个核苷酸组成一致序列，如AGGAGG。小亚基上16SrRNA3´端存在有与S-D序列互补序列UCCUCC新编生物化学蛋白质的生物合成第28页IF-1IF-33'5'16SrRNAmRNA在小亚基上定位结合IF3IF-3促进mRNA在小亚基定位结合AUG5´3´新编生物化学蛋白质的生物合成第29页IF-1IF-3AUG5´3´3.fMet-tRNAifMet结合到小亚基

-首先占据P位IF-2GTPIF-2促进fMet-tRNAifMet与小亚基结合同时tRNA反密码子与mRNA密码子配对结合新编生物化学蛋白质的生物合成第30页4.核蛋白体大亚基结合IF2自复合物解离同时发生GTP水解（消耗一个高能磷酸键），大亚基随之与小亚基结合，并释放各种起始因子，形成70S起始复合物，为延伸作好了准备。IF-1IF-350SAUG5´3´IF-2GTPGDP+PiGTP新编生物化学蛋白质的生物合成第31页（二）翻译延长阶段肽链延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，每循环一次，形成一个肽键，即增加一个氨基酸残基，故又称为核蛋白体循环每次核蛋白体循环包含三个步骤：进位（entrance）（注册）成肽(peptidebondformation)转位(translocation)新编生物化学蛋白质的生物合成第32页进位：氨基酰-tRNA进到核糖体A位原核延长因子EF-T主要是促进氨基酰-tRNA进到A位（消耗一个高能磷酸键）。包含Tu（40kD）和Ts(28kD）两个亚基。50SAAAAUG5´3´aa2UUU新编生物化学蛋白质的生物合成第33页50SAAAAUG5´3´成肽：肽酰转移酶催化肽键生成原核生物肽酰转移酶为核糖体大亚基23SrRNAaa2UUUfMetfMet新编生物化学蛋白质的生物合成第34页每次移动一个遗传密码距离，转位耗能（消耗GTP一个高能磷酸键）。原核生物由转位酶是EF-G(80kD)，真核为延长因子2转位-核糖体与mRNA相对移动

同时有肽酰-tRNA由A位移向P位50SEaa2UUUfMetAAAAUG5´3´新编生物化学蛋白质的生物合成第35页（三）翻译终止阶段当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停顿，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离。终止过程需要释放因子参加。终止过程需消耗GTP。释放因子功效RF-1识别UAA、UAG激活转肽酶酯酶活性而水解酯键RF-2识别UAA、UGA激活转肽酶酯酶活性而水解酯键RF-3促进RF-1或RF-2进入A位，具GTP酶活性，帮助肽链释放新编生物化学蛋白质的生物合成第36页50SEPAUGAAA5´3´RF-1RF-1：识别UAA、UAGRF-2：识别UAA、UGA激活转肽酶酯酶活性而水解酯键RF-3RF-3：促进RF-1或RF-2进入A位，具GTP酶活性，帮助肽链释放fMetaa2aa3aa4aa5aa

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aan新编生物化学蛋白质的生物合成第37页（二）真核生物肽链合成过程新编生物化学蛋白质的生物合成第38页真核生物翻译过程蛋白质因子及其功效起始因子功效eIF-1多功效因子，参加多个翻译步骤eIF-2促进起始Met-tRNAiMet与核糖体40S小亚基结合eIF-2B与40S小亚基结合,促进大、小亚基分离eIF-3与40S小亚基结合,促进大、小亚基分离;介导eIF-4F复合物-mRNA与小亚基结合eIF-4A含有RNA解旋酶活性，能解除mRNA5´端发夹结构，使其与40S小亚基结合。是eIF-4F复合物组成成份。eIF-4B与mRNA结合，促进mRNA扫描并定位起始AUGeIF-4E结合mRNA5´端帽结构，是eIF-4F复合物组成成份eIF-4G与eIF-4E、eIF-3和polyA结合蛋白（PAB）结合。是eIF-4F复合物组成成份eIF-5促进上述起始因子从40S小亚基脱落，方便40S小亚基与60S大亚基结合形成80S起始复合物eIF-6促进无活性80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基新编生物化学蛋白质的生物合成第39页真核生物翻译过程蛋白质因子及其功效（续）延长因子功效eEF1α促进氨基酰-tRNA进入A位，结合水解GTP（相当于原核EF-Tu）eEF1βγ调整亚基（相当于原核EF-Ts）eEF-2有转位酶活性（相当于原核EF-G）释放因子功效eRF识别全部终止密码子（含有原核各种RF功效新编生物化学蛋白质的生物合成第40页(一)真核生物翻译起始阶段在真核起始因子作用下，Met-tRNAiMet、mRNA与核糖体结合，形成80S起始复合物过程。起始阶段也包含四个小事件发生核蛋白体大小亚基分离Met-tRNAifMet与核糖体小亚基结合mRNA在小亚基上定位结合核蛋白体大亚基结合新编生物化学蛋白质的生物合成第41页原核生物与真核生物翻译起始步骤比较原核生物（70S起始复合物形成）真核生物（80S起始复合物）1.核蛋白体大小亚基分离1.核蛋白体大小亚基分离2.mRNA在小亚基上定位结合（借助于S-D序列）2.起始蛋氨酰tRNA与核糖体小亚基结合（43S前起始复合物）（肽链第一个氨基酸为蛋氨酸）3.起始甲酰蛋氨酰tRNA结合（肽链第一个氨基酸为甲酰蛋氨酸）3.mRNA与43S前起始复合物定位结合（48S复合物）（真核mRNA不含S-D序列，但在mRNA5´端有Kozak共有序列CCPuCCAUGG借助于5´帽子结构和3´polyA结构和帽子结合蛋白，即eIF-4F（eIF-4E与eIF-4G复合物）、eIF-4A、eIF-4B和poly结合蛋白完成）4.核蛋白体大亚基结合（70S起始复合物形成）4.大亚基与48S复合物结合（80S起始复合物）新编生物化学蛋白质的生物合成第42页40S50S40S1.核蛋白体大小亚基分离60SEeIF-3eIF-2B促进核糖体大、小亚基分离eIF-6新编生物化学蛋白质的生物合成第43页40SeIF-3eIF-2B2.Met-tRNAiMet结合到小亚基

-首先占据P位eIF-2GTP新编生物化学蛋白质的生物合成第44页3.mRNA在小亚基上定位结合eIF-3eIF-2BUAC~eIF-2GTPAAAAUGUAA新编生物化学蛋白质的生物合成第45页4.核蛋白体大亚基结合AAAeIF-3eIF-2BAUGUAA60SE60sUAC~eIF-2GTP新编生物化学蛋白质的生物合成第46页（二）真核生物翻译延长阶段肽链延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，每循环一次，形成一个肽键，即增加一个氨基酸残基，故又称为核蛋白体循环每次核蛋白体循环包含三个步骤：进位（entrance）（注册）成肽(peptidebondformation)转位(translocation)真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载tRNA直接从P位脱落。新编生物化学蛋白质的生物合成第47页60SUAAAUG5´3´40SMet进位：氨基酰-tRNA进到核糖体A位aa2AUU新编生物化学蛋白质的生物合成第48页50SUAAAUG5´3´Met40S成肽：肽酰转移酶催化肽键生成真核生物肽酰转移酶为核糖体大亚基为28SrRNAaa2AUUMetMet新编生物化学蛋白质的生物合成第49页50SE40S每次移动一个遗传密码距离，转位耗能（消耗GTP一个高能磷酸键）。原核生物由转位酶是EF-G(80kD)，真核为延长因子2转位-核糖体与mRNA相对移动

同时有肽酰-tRNA由A位移向P位aa2AUUMetUAAAUG5´3´新编生物化学蛋白质的生物合成第50页50SEP（三）真核生物翻译终止阶段当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停顿，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离。终止过程需要eRF参加。终止过程需消耗GTP。AUGUAA5´3´eRFfMetaa2aa3aa4aa5aa

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aan新编生物化学蛋白质的生物合成第51页多核蛋白体循环：指多个核蛋白体（10～100个）以相同距离、以相同速度、沿着同一条mRNA翻译出多条相同肽链。当第一个核蛋白体移动约80个核苷酸时，第二个核蛋白体开启，以这类推。新编生物化学蛋白质的生物合成第52页新编生物化学蛋白质的生物合成第53页蛋白质生物合成总结成份作用细胞内定位细胞浆合成场所核糖体mRNA作用合成模板（密码子）原核有Ｓ－Ｄ序列，真核没有tRNA作用搬运氨基酸（氨基酸臂），并与密码子结合rRNA作用与蛋白质组成核糖体核糖体上功效位点氨酰位（P位）：结合肽酰tRNA肽酰位（A位）：结合氨酰tRNA原核有Ｅ位，真核没有肽酰转移酶本质为核酶。原核为23SrRNA；真核为28SrRNA。催化肽键生成，兼有酯酶活性。氨基酰tRNA合成酶催化氨基酰-tRNA生成，兼有酯酶活性新编生物化学蛋白质的生物合成第54页蛋白质生物合成总结成份作用转位酶催化核糖体沿mRNA5´向3´移动，每次移动一个密码距离。原核为延长因子G，真核为延长因子2核糖体循环步骤进位：氨酰tRNA进到A位成肽：肽酰转移酶催化肽键生成移位：转位酶催化核糖体移位能量消耗每形成一个肽键最少消耗4～5个高能磷酸键。肽链第一个氨基酸原核为甲酰蛋氨酸真核为蛋氨酸新编生物化学蛋白质的生物合成第55页有一DNA单链：5´－AGCCCGAGTTAT－3´。试写出它互补链？若以该互补链为转录模板，写出它转录产物？若以该转录产物为翻译模板，写出它肽段氨基酸次序？标出每个产物方向。思考题新编生物化学蛋白质的生物合成第56页第三节肽链合成加工修饰

及蛋白质靶向输送新生肽：从核糖体上释放出多肽链不一定就是含有生物学功效蛋白质，这种新合成多肽链称为新生肽（或初级翻译产物）加工修饰：对新生肽进行水解、剪裁、添加糖链、羟化、二硫键形成、亚基聚合等过程，并使其折叠成正确三维构象才能成为含有生物学功效蛋白质分子过程。靶向输送：指蛋白质合成后经过复杂机制、定向转运到最终发挥功效场所过程。新编生物化学蛋白质的生物合成第57页一、多肽链折叠几个有促进蛋白质折叠功效分子分子伴侣(molecularchaperon)蛋白质二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolyl-cis-transisomerase,PPI)新编生物化学蛋白质的生物合成第58页（一）分子伴侣分子伴侣(molecularchaperon)：分子伴侣是指促进、帮助、监视和加速蛋白质进行正确折叠一类蛋白质分子。分子伴侣主要有：热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)家族（Hsp70、Hsp40、GrpE）伴侣蛋白（伴侣素）(chaperonin)家族(E.coli：GroEL、GroES;真核：Hsp60、Hsp10)。新编生物化学蛋白质的生物合成第59页3.分子伴侣功效封闭待折叠蛋白质暴露疏水区段创建一个隔离环境，能够使蛋白质折叠互不干扰促进蛋白质折叠和去聚集碰到应激刺激，使已折叠蛋白质去折叠新编生物化学蛋白质的生物合成第60页（E.coli）热休克蛋白（HSP）HSP70（DnaK）：由基因dnaK编码。N端有结合与水解ATPATP酶结构域，C端有结合肽链结构域。HSP70作用需要HSP40和GrpE两个辅助因子参加。HSP40（DnaJ）：由基因dnaJ编码。在ATP存在时，HSP40与HSP70相互作用，激活HSP70ATP酶活性，抑制蛋白质聚集。GrpE：核苷酸交换因子，促进ATP交换ADP。经过与HSP40作用，改变HSP70构象而抑制其ATP酶活性。新编生物化学蛋白质的生物合成第61页热休克蛋白（HSP）作用机制新编生物化学蛋白质的生物合成第62页（E.coli）伴侣蛋白作用机制新编生物化学蛋白质的生物合成第63页（二）蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶：催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键新编生物化学蛋白质的生物合成第64页（三）肽-脯氨酰顺反异构酶肽-脯氨酰顺反异构酶催化肽-脯氨酰顺反异构体间转变新编生物化学蛋白质的生物合成第65页二、一级结构修饰（一）一级结构加工修饰1.切除N-甲酰基或蛋氨酸或切除信号肽（1）脱甲酰基酶：去除甲酰基（2）氨基肽酶：去除蛋氨酸（3）信号肽酶：去除信号肽~aa2aa3aa4aa5aa6aa7aa8aa9aa10aan新编生物化学蛋白质的生物合成第66页（二）肽链中个别氨基酸残基共价修饰1.糖基化：糖蛋白分子中天冬酰胺残基，丝氨酸残基或苏氨酸残基糖基化。HMGCoA还原酶无糖链时，活性下降90%。2.羟基化：胶原蛋白分子中羟赖氨酸残基和羟脯氨酸残基是因为赖氨酸残基和脯氨酸残基羟基化。3.甲基化：组蛋白分子中精氨酸糖基化甲基化4.磷酸化：蛋白质分子中丝氨酸残基、苏氨酸残基或酪氨酸残基磷酸化新编生物化学蛋白质的生物合成第67页5.亲脂性修饰新编生物化学蛋白质的生物合成第68页（三）多肽链水解加工胰岛素原水解修饰新编生物化学蛋白质的生物合成第69页阿黑皮质素原（POMC）水解剪裁新编生物化学蛋白质的生物合成第70页前清蛋白原水解剪裁新编生物化学蛋白质的生物合成第71页酶原激活胰蛋白酶新编生物化学蛋白质的生物合成第72页三、空间结构修饰（一）亚基聚合（二）辅基连接βααβ新编生物化学蛋白质的生物合成第73页四、蛋白质靶向输送（一）靶向转运概念：指蛋白质合成后经过复杂机制、定向输送到最终发挥功效场所过程。（二）蛋白质合成后去向：（1）留在胞液（2）进入细胞器（3）分泌到胞外新编生物化学蛋白质的生物合成第74页（三）信号序列：靶向转运蛋白质在其一级结构上存在分选信号（主要是N末端特异序列），可引导蛋白质转运到靶部位，这类分选信号序列称为信号序列。细胞液内蛋白质通常缺乏特殊信号序列。分泌性蛋白质特殊信号序列称为信号肽定位在细胞核内蛋白质特殊信号序列称为核定位序列新编生物化学蛋白质的生物合成第75页靶向输送蛋白质信号序列或成份靶向输送蛋白信号序列或成份分泌蛋白N端信号肽内质网腔蛋白N端信号肽。C端-Lys-Asp-Glu-Leu线粒体蛋白N端信号序列（20~35aa）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40抗原）过氧化物酶体C端-Ser-Lys-Leu-溶酶体蛋白Man-6-P新编生物化学蛋白质的生物合成第76页（四）分拣支路细胞依据蛋白质特殊信号序列分拣。1.胞质分拣支路：留在胞液、进入细胞器保留在细胞质内蛋白质缺乏特殊信号序列。进入细胞器蛋白质存在特殊信号特征。2.粗面内质网分拣支路多肽链借助于其信号肽引导、经过内质网膜，进入内质网后折叠，在高尔基复合体中被包装成份泌小泡，转行至细胞膜而分泌出胞。新编生物化学蛋白质的生物合成第77页（五）分泌性蛋白质靶向输送蛋白质经过内质网膜需具备三个条件：N端信号肽蛋白质本身结构特点输送机制新编生物化学蛋白质的生物合成第78页（1）信号肽①信号肽概念：信号肽(signalpeptide)是指未成熟蛋白质中有一段可被细胞转运系统识别、并把后续肽链引向膜性