第十四章蛋白质的生物合成

1当前第1页\共有69页\编于星期六\8点蛋白质生物合成体系蛋白因子（IF、EF、RF、RR）无机离子、ATP、GTPProtein20种α-氨基酸原料

模板mRNAPr.合成酶系运载体tRNA核蛋白体复杂的生物合成体系蛋白质生物合成：将4种碱基所代表的密码，解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序，即翻译。2当前第2页\共有69页\编于星期六\8点3当前第3页\共有69页\编于星期六\8点二、tRNA蛋白质合成体系的组分三、核糖体第一节蛋白质合成体系

一、mRNA和遗传密码四、辅助因子4当前第4页\共有69页\编于星期六\8点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5当前第5页\共有69页\编于星期六\8点原核细胞mRNA的结构特点5´3´顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序AGGAGGUSD区特点半衰期短许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在AUG作为起始密码；AUG上游7～12个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区，16SrRNA3’-端反向互补而使mRNA与核糖体结合。6当前第6页\共有69页\编于星期六\8点真核细胞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-OH7当前第7页\共有69页\编于星期六\8点信使RNA概念的提出：F.JacobJ.Monod1961年提出mRNA的概念。信使RNA的实验证明：1、F.JacobJ.Monod用T2噬菌体感染大肠杆菌后，大肠杆菌先合成半衰期很短的RNA其碱基组成和T2DNA一致，很快大肠杆菌即开始合成T2的蛋白质。8当前第8页\共有69页\编于星期六\8点

2、Brenner,Jacob,Meselson等人将大肠杆菌接种在15N和13C标记的培养基上，再用T2感染，然后立即转移到没有标记的培养基上，然后再分离出核糖体，重元素标记的核糖体可以和轻元素的核糖体分离开。结果表明：T2感染后核糖体上出现标记的RNA，且其代谢速度很快。3、S.Spiegelman用分子杂交证明了新合成的T2RNA可以和T2DNA杂交，而其它RNA则不能。9当前第9页\共有69页\编于星期六\8点mRNA是翻译的直接模板遗传密码（密码子，codon）5'AUG3'mRNA

10当前第10页\共有69页\编于星期六\8点遗传密码

三联体密码的破译遗传密码的性质

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。遗传密码字典11当前第11页\共有69页\编于星期六\8点三联体密码的破译1954年Gamov确认核酸分子中三个碱基决定一个氨基酸1961年Crick等用遗传学方法也证实三联体密码子学说是正确的Nirenberg以均聚物共聚物为模板指导多肽的合成,寻找到了破译遗传密码的途径

Khorana以共聚物指导多肽的合成，加快了破译遗传密码的步伐12当前第12页\共有69页\编于星期六\8点196813当前第13页\共有69页\编于星期六\8点遗传密码

1961年，Nirenberg等用大肠杆菌无细胞体系，外加20种标记的氨基酸混合物及poly(U)结果合成了苯丙氨酸多聚体，破译了第一个密码子UUU－苯丙氨酸。后来，Nirenberg和Oehoa等又用PolyUC,polyAC为模板合成多肽，统计证明了生物遗传密码是三联密码。后来又发现三个核苷酸即可以和核糖体结合通过测定和核糖体结合的标记氨基酸即可破译所有设计的遗传密码。结果用这些方法破译了所有的遗传密码。

14当前第14页\共有69页\编于星期六\8点

UGUGUGUGUGUGUGU三联码应译为两种氨基酸多聚物，实验结果是半胱氨酸和颉氨酸多聚物。若为四联码或两联码则应得单一的氨基酸聚合物。15当前第15页\共有69页\编于星期六\8点缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变CATCATCATCATCATCATCATCACATCATCATCATCCATCACAXTCATCATCATCAXTXCATXCATCATCAT-1-1,+1+316当前第16页\共有69页\编于星期六\8点以均聚物为模板指导多肽的合成PolyU为模板，产生的多肽链为PolyPhePolyA为模板，产生的多肽链为PolyLysPolyC为模板，产生的多肽链为PolyPro17当前第17页\共有69页\编于星期六\8点以特定的共聚物为模板指导多肽的合成

（1）以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽,如以PolyUG为模板，合成产物为PolyLys-Val。（2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨基酸组成的多肽。18当前第18页\共有69页\编于星期六\8点遗传密码字典UACGUCAGUCAG第二位第一位（5ˊ）第三位（3ˊ）UCAGUCAGUCAG19当前第19页\共有69页\编于星期六\8点mRNA是翻译的直接模板读码框架（openreadingframe，ORF）遗传密码（密码子，codon）5'AUG3'mRNAmRNA分子5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，代表肽链合成的起始、氨基酸序列或合成终止信号，称为三联体密码(tripletcoden)。20当前第20页\共有69页\编于星期六\8点2.数目：43=64具体见遗传密码表遗传密码特点有四：1.读法：从mRNA5'到3'连续读,不间断,不重复。（插入或缺失等引起移码等现象）21当前第21页\共有69页\编于星期六\8点遗传密码表第一个核苷酸第二个核苷酸第三个核苷酸UCAGU苯丙氨酸苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸酪氨酸酪氨酸——终止密码——终止密码半胱氨酸半胱氨酸——终止密码色氨酸UCAGC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸组氨酸组氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGA异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸天冬酰胺天冬酰胺赖氨酸赖氨酸丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸UCAGG缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸UCAG翻译的模板mRNA22当前第22页\共有69页\编于星期六\8点2.64个密码:起始密码(initiationcodon)原核甲酰蛋氨酸真核蛋氨酸61个:3个:AUG兼职UGG—Trp的密码59个:UAG、UAA、UGA同义、简并、三中读二—终止密码

不代表任何氨基酸3.遗传密码适用于所有生物—通用性翻译的模板mRNA23当前第23页\共有69页\编于星期六\8点人线粒体中变异的密码子UGA终止信号TrpAUAIleMetAGAArg终止信号AGGArg终止信号密码子正常情况下编码线粒体DNA编码24当前第24页\共有69页\编于星期六\8点4.摆动性、摆动配对3′5′123mRNA3213’aa5’氨基酰-tRNA密码子与反密码子的摆动配对密码子第三碱基A、C、UA、GC、G、UU反密码子第一碱基IUCG翻译的模板mRNA—不严格的碱基互补25当前第25页\共有69页\编于星期六\8点遗传密码的性质1、密码是无标点符号的且相邻密码子互不重叠。2、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性（dogeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(Synonymouscodon)。密码的简并性可以减少有害突变。3、密码的摆动性（变偶性）：密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定，tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时，密码子的第一、二位碱基是严格的，第三位碱基可以有一定的变动。Crick称这一为变偶性（wobble）.4、密码的通用性和变异性5、64组密码子中，AUG既是的密码，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。

26当前第26页\共有69页\编于星期六\8点二、tRNA和氨基酰-tRNA1.tRNA的作用：aatRNA氨基酰-tRNA合成酶ATPAMP氨基酰-tRNA高度特异性-认识两端校正活性以氨基酰-tRNA的形式转运氨基酸2.aa的活化：27当前第27页\共有69页\编于星期六\8点ala-tRNAala

mRNA3’5’met-tRNAimetmet-tRNAemetfmet-tRNAfmet4.tRNA的种类及氨基酰-tRNA表示3.氨基酰-tRNA在mRNA上对号入座3213’aa5’氨基酰-tRNA28当前第28页\共有69页\编于星期六\8点tRNA（transferribonucleicasid）在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将活化的氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。1、tRNA的结构特征2、tRNA的功能（1）tRNA的接头(adaptor)作用

3´-端上的氨基酸接受位点

识别氨酰-tRNA合成酶的位点

核糖体识别位点

反密码子位点（2）tRNA的突变与校正基因(回复突变，reversemutation)

tRNA29当前第29页\共有69页\编于星期六\8点密码子与反密码子的配对关系反密码子tRNA53AUC5mRNA3密码子12330当前第30页\共有69页\编于星期六\8点基因间的校正突变GluH2NCOOH

第一个突变：由于DNA突变使mRNA分子中GAG变为UAGGAG(Glu)UAG（终止密码）H2NCOOHTyrH2NCOOH

第二个突变：tRNATyr的反密码子GUA突变成CUA突变tRNATyr可以将终止密码UAG读作Tyr3-A-U-C-55-U-A-G-3突变tRNATyr

的反密码子（正常时应为3-A-U-G-5）此终止密码被读作Tyr31当前第31页\共有69页\编于星期六\8点三、核蛋白体(rRNA+pr.)肽链合成场所1.核糖核蛋白体/核蛋白体/核糖体组成真核80S原核70S60S40S50S30SrRNAPr.16S21种rpS5S、23S36种rpL18S33种rpS5S、5.8S、28S49种rpL32当前第32页\共有69页\编于星期六\8点核糖体核糖体是由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。2、核糖体的功能1、核糖体的结构和组成33当前第33页\共有69页\编于星期六\8点核糖体的组成原核生物核糖体的组成34protein21protein23SRNA5SRNA16SRNA50Ssubunit70Sribosome30Ssubunit原核生物核糖体结构示意图30Ssubunit50Ssubunit34当前第34页\共有69页\编于星期六\8点P位A位2.核蛋白体上的功能部位5′3′mRNA小亚基大亚基P位/肽位(peptidylsite)/给位（donorsite）A位/氨基酰位(aminoacylsite)/受位（acceptorsite）E位卸载tRNA的排出位（真核无E位）转肽酶是大亚基上的蛋白质E位35当前第35页\共有69页\编于星期六\8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）50S53mRNA36当前第36页\共有69页\编于星期六\8点37当前第37页\共有69页\编于星期六\8点真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子阶段原核真核功能IF1IF2eIF2参与起始复合物的形成IF3eIF3、eIF4C起始CBPI与mRNA帽子结合eIF4ABF参与寻找第一个AUGeIF5协助eIF2、eIF3、eIF4C的释放eIF6协助60S亚基从无活性的核糖体上解离EF-TueEF1协助氨酰-tRNA进入核糖体延长EF-TseEF1帮助EF-Tu、eEF1周转EF-GeEF2移位因子RF-1终止eRF释放完整的肽链RF-238当前第38页\共有69页\编于星期六\8点第二节蛋白质的生物合成过程起始、延长、终止翻译后加工修饰39当前第39页\共有69页\编于星期六\8点一、翻译的起始—形成起始复合体

（需IF）（一）原核生物的翻译起始起始复合体生成的全过程原核生物mRNA与核蛋白体小亚基结合的分子机制40当前第40页\共有69页\编于星期六\8点（二）真核生物的翻译起始复合物生成过程40S60S60S40SMetAUGMeteIF2、4、4C、5GDP+Pi80S复合体1、核蛋白体亚基的拆离3、mRNA在小亚基上就位2、小亚基与met-tRNA的结合4、核蛋白体大亚基结合GTPeIF2MeteIF3IF4cAUGeIF4A、4B、4E、4FAUGMetATP

ADP+Pi41当前第41页\共有69页\编于星期六\8点（三）原、真核生物翻译起始比较原核生物真核生物起始复合体70S（30S+50S）80S（40S+60S）起始因子3种9种mRNA结构S-D序（RBS）rpS辨认序列帽子结构（CBP-1/eIF4ECBP-2/eIF4F

识别并结合）起始氨基酰-tRNAfmet-tRNAimetmet-tRNAimet结合顺序小亚基→mRNA→[IF2-fmet-tRNA-GTP]小亚基→[eIF2-met-tRNA-GTP]→mRNA42当前第42页\共有69页\编于星期六\8点二、肽链的延长—核蛋白体循环（狭义）需EF、转肽酶移位进位成肽蛋白质的生物合成过程43当前第43页\共有69页\编于星期六\8点5′3′O|C=O|fMetA位E位P位（一）进位/注册（需EFTu-Ts）肽链的延长阶段O|C=O|CH-RY|NH244当前第44页\共有69页\编于星期六\8点进位程序—EFTu-Ts循环TuGTPPiAA-tRNA-mRNA-核糖体TuTsTsTsGTPGDPTuGDPAATuGTPAA起始复合体H2O5′3′O|C=O|fMet5′3′O|C=O|fMetO|C=O|CH-RY|NH245当前第45页\共有69页\编于星期六\8点5′3′O|C=O|fMetO|C=O|CH-RY|NH2A位P位E位

|C=O|fMet转肽酶Mg2+（二）成肽/转肽转肽酶催化肽键的形成O|C=O|CH-RY|NH5′3′OHA位P位E位46当前第46页\共有69页\编于星期六\8点P位大亚基A位小亚基E位（三）转位核蛋白体5′3′mRNA转位酶/EFG真核EF247当前第47页\共有69页\编于星期六\8点总结肽链延长阶段/核蛋白体循环进位entrance/注册registration按A位的密码、氨基酰-tRNA进入A位EFT(EFTu-Ts循环)真核EF1αEF1βγ成肽/转肽peptidebondforation肽从P位转到A位、P位提供酰基、A位提供氨基、在A位上形成肽键转肽酶（大亚基上）transpeptidase转位/移位translocationA位的肽链连mRNA从A位进入P位、A位空出、下一个AA-tRNA进入A位转位酶/EFG（translocase）真核EF-248当前第48页\共有69页\编于星期六\8点49当前第49页\共有69页\编于星期六\8点核蛋白体循环？蛋白质合成的肽链延长阶段，每经过进位、成肽和转位三步使肽链延长一个氨基酸残基，此过程是在核蛋白体上进行的称为核蛋白体循环。50当前第50页\共有69页\编于星期六\8点蛋白质延伸的方向是从N端到C端。

肽链延长的速度极快，兔网织红细胞一个核糖体合成一条完整的血红蛋白链(146个氨基酸残基)在37C只需要3分钟，大肠杆菌每个核糖体每秒中延伸速度高达20个氨基酸。51当前第51页\共有69页\编于星期六\8点真核细胞蛋白质生物合成

真核细胞蛋白质生物合成与原核细胞十分相似，但某些步骤更为复杂，涉及到的蛋白因子也更多。其特点为：1、核糖体更大，真核细胞的核糖体为80S，可解离为60S和40S两个亚基，40S亚基含有18SrRNA，60S亚基含有5S,5.8S及28SrRNA。2、真核生物多肽合成的起始氨基酸为甲硫氨酸，而不是N－甲酰甲硫氨酸。起始tRNA为Met-tRNAmet，此tRNA不含TΨC序列，这在tRNA中是十分特别的。3、起始密码子为AUG，其上游没有富含嘌呤的SD－序列。40S亚基和mRNA的帽子结构相识别，向3’方向滑行到起始密码子。该过程需要ATP提供能量，真核细胞一个mRNA分子只有一个起始密码子。4、80S起始复合物形成所需蛋白因子比原核细胞要多，其起始因子用eIF表示。5、真核细胞蛋白质合成延伸因子为EF1和EF1,终止因子为eRF。6、蛋白激酶参与蛋白质和成的调节，eIF2被激酶磷酸化之后，它就会失去起始活性。52当前第52页\共有69页\编于星期六\8点—终止过程示意图P位A位M5′3′mRNA小亚基大亚基UAAnRFP位A位M5′3′mRNA小亚基大亚基UAAnRFP位5′3′mRNA小亚基大亚基UAAA位MnRFGTPRR5′3′mRNAUAA小亚基大亚基P位A位MnRFIF1IF3Mn小亚基大亚基三、肽链合成的终止53当前第53页\共有69页\编于星期六\8点

总结肽链合成的终止（需RF、RR）大小亚基分离A位出现终止密码RF-1/RF-2辨认结合停止进位RR

RF-3介导RF-1、RF-2的作用酯酶水解活性肽链释放

IF1、IF3复合体解体核蛋白体tRNA、mRNA、RF释放转肽酶+蛋白质的生物合成过程54当前第54页\共有69页\编于星期六\8点多聚核蛋白体50S30S70S即将完成的肽链开始形成的肽链即将完成的肽链开始形成的肽链完成的肽链5′3′即将完成的肽链开始形成的肽链多个核蛋白体聚集到同一mRNA上合成相同的多肽链，提高蛋白质的合成速率。55当前第55页\共有69页\编于星期六\8点多聚核糖体（polyribosome）56当前第56页\共有69页\编于星期六\8点第三节翻译后加工一级结构的修饰空间结构的修饰多肽链折叠蛋白质的靶向运输post-translationalprocessing57当前第57页\共有69页\编于星期六\8点一、一级结构的修饰1.切除N-端的甲硫氨酸/甲酰甲硫氨酸（可以在肽链合成过程中进行）2.个别氨基酸的修饰（羟化、磷酸化、二硫键的形成等）3.水解修饰58当前第58页\共有69页\编于星期六\8点鸦片促黑皮质素原（POMC）的水解剪裁POMCNCKRKR信号肽103肽？促肾上腺皮质素ACTH（39）脂酸释放素β-LT（91）α-MSH促黑激素β-MSH（18）促黑激素（KR为赖氨酸、精氨酸残基）59当前第59页\共有69页\编于星期六\8点二、空间结构的修饰亚基聚合糖蛋白、脂蛋白、色蛋白以及酶与辅酶辅基连接疏水脂链的连接60当前第60页\共有69页\编于星期六\8点三、多肽链折叠1.分子伴侣2.蛋白二硫键异构酶催化正确二硫键的形成3.肽-脯氨酰顺反异构酶是一类保守蛋白，促进肽链天然构象的形成。热休克蛋白伴侣素促进顺反两种异构体之间的转换，维持二者的比例。61当前第61页\共有69页\编于星期六\8点四、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质的靶向输送（Proteintargeting