生物化學教學課件：Chapte 12 蛋白質(zhì)代謝 2

1、第十二章第十二章 蛋白質(zhì)代謝蛋白質(zhì)代謝Chapter 12 Metabolism of Proteins (2)1主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 概述概述Overview第二節(jié)氨基酸的代謝Metabolism of amino acids第三節(jié)第三節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成Biosynthesis of proteins2 蛋白質(zhì)的生物合成(protein biosynthesis)是生物細胞以是生物細胞以mRNA為模板，為模板，就是將mRNA分子中核苷酸排列順序（核苷酸排列順序（堿基序列）所組成所組成的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式轉(zhuǎn)變成為蛋白質(zhì)中的氨基酸排列順序，因而稱為翻譯（t

2、ranslation)。第三節(jié)第三節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成 (protein biosynthesis)生物性狀生物性狀3第三節(jié)第三節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成l 蛋白質(zhì)的生物合成是生命科學基本而重大的研究課題之一。細胞代謝生命活性物質(zhì)的產(chǎn)生基因工程產(chǎn)物的表達l 蛋白質(zhì)中氨基酸的序列氨基酸的序列是由DNADNA的堿基序列的堿基序列所含的遺傳信息決定的。涉及的本質(zhì)是基因的表達：肽鍵的形成和氨基酸系列的確定。4基因表達（基因表達（Gene Expression）u基因表達基因表達(gene expression)-基因轉(zhuǎn)錄及翻基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。譯的過程。RNA的合成。的合成

3、。蛋白質(zhì)的合成。蛋白質(zhì)的合成。u基因表達產(chǎn)物基因表達產(chǎn)物各種各種RNA(tRNA、mRNA和和rRNA)以及蛋白質(zhì)、多以及蛋白質(zhì)、多肽。肽。5Coupling of Transcription and Translation6一、遺傳密碼一、遺傳密碼 模板：模板：mRNA（遺傳密碼）（遺傳密碼） 底物（原料）：底物（原料）：22種編碼氨基酸種編碼氨基酸 合成場所：合成場所：核糖體核糖體 氨基酸轉(zhuǎn)運工具：氨基酸轉(zhuǎn)運工具：tRNA 主要酶和蛋白質(zhì)因子：氨酰主要酶和蛋白質(zhì)因子：氨酰-tRNA合成酶、轉(zhuǎn)肽酶、轉(zhuǎn)位酶、合成酶、轉(zhuǎn)肽酶、轉(zhuǎn)位酶、起始因子、延伸因子、釋放因子等起始因子、延伸因子、釋放因子等

4、能源物質(zhì)和無機離子：能源物質(zhì)和無機離子：ATP、GTP、Mg2+、 K+u 蛋白質(zhì)生物合成體系：蛋白質(zhì)生物合成體系：重點了解重點了解7mRNA是蛋白質(zhì)生物合成的直接模板是蛋白質(zhì)生物合成的直接模板nmRNA的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)Start of genetic messageCapEndTail5-端非翻譯區(qū)端非翻譯區(qū) 5 3 3-端非翻譯區(qū)端非翻譯區(qū) 開放閱讀框架開放閱讀框架 從從mRNA 5 -端端起始密碼子起始密碼子AUG到到3 -端端終止密碼子終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。8uNirenbe

5、rgNirenberg、KhoranaKhorana因遺傳密碼的破譯而與另一位科學家因遺傳密碼的破譯而與另一位科學家HolleyHolley分享了分享了19681968年年諾貝爾生理學獎諾貝爾生理學獎。遺傳密碼遺傳密碼u遺傳密碼遺傳密碼: mRNA 上的核苷酸序列與蛋白質(zhì)中氨基酸序列之間的對應關(guān)系稱為遺傳密碼。u密碼子密碼子(codon)：mRNA上每3個相鄰的核苷酸編碼蛋白質(zhì)多肽鏈中的一個氨基酸，這三個核苷酸就稱為一個密碼子或三聯(lián)體密碼（triplet codons）。 64個密碼子中，除了3個終止密碼外，只有61個密碼子個密碼子編碼20種氨基酸種氨基酸，稱為編碼子編碼子。9遺傳密碼遺傳密碼

6、1011Initiation codon (起始密碼子起始密碼子)：AUG（90%）、）、GUG、UUGAUG codes for methionine（甲硫氨酸）（甲硫氨酸） and also acts as an initiation (Start) codon。 GUGandUUGalsocodesforAAs.Termination codon (終止密碼子終止密碼子) ：UAA、UAG、UGAThe codons UAG, UGA and UAA are called termination codons or Stop codons. UAA do not specify AAs.

7、UGA codesforSelenocysteine(硒代半胱氨酸硒代半胱氨酸)()(第第2121種種AA)AA)UAGcodesforpyrrolysine(吡咯賴氨酸吡咯賴氨酸)( (第第2222種種AA)AA)u起始密碼子和終止密碼子：起始密碼子和終止密碼子：遺傳密碼遺傳密碼12（1 1）通用性）通用性(universal)(universal)u蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 u密碼子的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。u已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外。（2 2）簡并性）簡并性(degeneracy)(degeneracy)u即一種氨基酸具有幾種密碼子編碼的性質(zhì)。甲硫氨酸、色

8、氨酸甲硫氨酸、色氨酸、硒代半胱氨酸、吡咯賴氨酸、硒代半胱氨酸、吡咯賴氨酸僅有一個密碼子。其余18種氨基酸都有2 2種以上的密碼子種以上的密碼子。密碼子的簡并性主要在于第三位核苷酸第三位核苷酸的變化，這有利于提高蛋白質(zhì)種類的穩(wěn)定性。遺傳密碼的特點遺傳密碼的特點13遺傳密碼的特點遺傳密碼的特點（3 3）不重疊性（）不重疊性（non-overlapnon-overlap）每個三聯(lián)體密碼都獨立地代表一種氨基酸。不會出現(xiàn)4個或5個核苷酸代表2個氨基酸的情形。密碼子間無交叉。（4 4）無間隔性）無間隔性(non-punctuated)(non-punctuated)密碼子之間是連續(xù)的，無其他的核苷酸隔開。

9、開始于起始密碼子，終止于終止密碼子。（5 5）方向性）方向性(directional)(directional)翻譯時，密碼子的閱讀方向也是從mRNA的為5 3。（6 6）密碼的兼職性）密碼的兼職性起始密碼子和終止密碼子中，UAAUAA是唯一的“專職專職”密碼密碼，其他都是“兼職”的。14二、核糖體（二、核糖體（ribosome）uRibosome is a non-covalent assembly of many proteins and few RNA molecules。其中蛋白質(zhì)與rRNA的重量比約為60%和40%。顆粒狀，存在于細胞質(zhì)內(nèi)；核糖體顆粒分為大小兩個亞基，兩個亞基都含有蛋

10、白質(zhì)和rRNA。核糖體可理解為巨大 的多酶復合體。原核生物核糖體原核生物核糖體（The prokaryotic 70S ribosome）15原核生物核糖體的組成原核生物核糖體的組成Composition of ribosomes in prokaryotic 16核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所 結(jié)合AA-tRNA部位（A位）位）氨酰基位點aminoacyl site 結(jié)合肽基tRNA部位（P位）位）肽?；稽cpeptidyl site 空載tRNA移出部位（E位）位）u核糖體發(fā)揮生物學功能核糖體發(fā)揮生物學功能的的3 3個基本部位：個基本部位：A位點、P位點位于大小亞基接觸界

11、面上。17核糖體上還結(jié)合有很多其他蛋白質(zhì)因子，起重要作用：核糖體上還結(jié)合有很多其他蛋白質(zhì)因子，起重要作用： 起始因子（起始因子（initiation factor，IF） 延伸因子（延伸因子（elongation factor，EF） 釋放因子（釋放因子（release factor，RF） 轉(zhuǎn)移酶（轉(zhuǎn)移酶（transferaase）蛋白質(zhì)因子蛋白質(zhì)因子18參與原核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學功能參與原核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學功能種類生物學功能起始因子起始因子IF-1占據(jù)占據(jù)A位防止結(jié)合其他位防止結(jié)合其他tRNAIF-2促進起始促進起始tRNA與小亞基結(jié)合與小亞基結(jié)合IF-3

12、促進大小亞基分離，提高促進大小亞基分離，提高P位對結(jié)合起始位對結(jié)合起始tRNA的敏感的敏感性性延伸因子延伸因子EF-Tu促進氨基酰促進氨基酰-tRNA進入進入A位，結(jié)合并分解位，結(jié)合并分解GTPEF-Ts調(diào)節(jié)亞基調(diào)節(jié)亞基EF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，促進有轉(zhuǎn)位酶活性，促進mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位移至位移至P位，位，促進促進tRNA卸載與釋放卸載與釋放釋放因子釋放因子RF-1特異識別特異識別UAA、UAG，誘導轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ福T導轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ窻F-2特異識別特異識別UAA、UGA，誘導轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ?，誘導轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ窻F-3可與核蛋白體其他部位結(jié)合，有可與核蛋白體其他部位結(jié)合，有

13、GTP酶活性，能介導酶活性，能介導RF-1及及RF-2與核蛋白體的相互作用與核蛋白體的相互作用19參與真核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學功能參與真核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學功能種類生物學功能起始因子起始因子eIF-1多功能因子，參與多個翻譯步驟多功能因子，參與多個翻譯步驟eIF-2促進起始促進起始tRNA與小亞基結(jié)合與小亞基結(jié)合eIF-2B, eIF-3最先結(jié)合小亞基，促進大小亞基分離最先結(jié)合小亞基，促進大小亞基分離eIF-4AeIF-4F復合物成分，有復合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除解螺旋酶活性，能解除mRNA5 -端的端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使其與小亞基結(jié)合發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使其與小亞

14、基結(jié)合eIF-4B結(jié)合結(jié)合mRNA，促進，促進mRNA掃描定位起始掃描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F復合物成分，結(jié)合復合物成分，結(jié)合mRNA 5 帽子帽子eIF-4GeIF-4F復合物成分，結(jié)合復合物成分，結(jié)合eIF-4E、eIF-3和和PolyA 結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白eIF-5促進各種起始因子從小亞基解離，進而結(jié)合大亞基促進各種起始因子從小亞基解離，進而結(jié)合大亞基eIF-6促進核蛋白體分離成大小亞基促進核蛋白體分離成大小亞基延伸因子延伸因子eIF1-促進氨基酰促進氨基酰-tRNA進入進入A位，結(jié)合分解位，結(jié)合分解GTP，相當于，相當于EF-TueIF1-調(diào)節(jié)亞基，相當于調(diào)節(jié)亞基，相當于E

15、F-TseIF-2有轉(zhuǎn)位酶活性，促進有轉(zhuǎn)位酶活性，促進mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位移至位移至P位，促進位，促進tRNA卸載與釋放，相當于卸載與釋放，相當于EF-G 釋放因子釋放因子eRF識別所有終止密碼子，具有原核生物各類識別所有終止密碼子，具有原核生物各類RF的功能的功能20多核糖體多核糖體l 一條一條mRNAmRNA鏈上同時具有許多個核糖體。鏈上同時具有許多個核糖體。同時進行蛋白質(zhì)多肽鏈的合成。21三、蛋白質(zhì)合成的分子機制三、蛋白質(zhì)合成的分子機制蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)示意圖蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)示意圖22蛋白質(zhì)的合成過程蛋白質(zhì)的合成過程1. Activation of amino acids En

16、zymatic synthesis of aminoacyl-tRNA molecules2. Protein Synthesis Process Initiation of translation Elongation Termination and ribosome recycling3. Post-translational processing and modification Catalyzed by a variety of enzymes231. 氨基酸的激活氨基酸的激活氨酰氨酰-tRNA的合成的合成氨基酸的活化：氨基酸的活化：氨基酸必須先行活化才能形成肽鏈，即在氨酰-tRNA合

17、成酶、ATP的作用下，將氨基酸的羧基以酯鍵連接于tRNA的3端羥基上，形成氨酰形成氨酰-tRNA。氨基酸臂氨基酸臂反密碼環(huán)反密碼環(huán)t RNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)OH24氨基酸氨基酸 + tRNA氨酰氨酰- tRNAATP AMPPPi氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶 氨基酸的活化反應氨基酸的活化反應(aminoacyl-tRNA synthetase)u 總反應為：總反應為：氨基酸的活化部位：氨基酸的活化部位：羧基羧基氨基酸與氨基酸與tRNAtRNA連接方式：連接方式：酯鍵酯鍵氨基酸活化耗能：氨基酸活化耗能：2 2個個PP25u反應（反應（1）：）：氨基酸氨基酸ATPE 氨酰氨酰-AMP-EAMP PP

18、i 氨基酸的活化反應氨基酸的活化反應氨酰氨酰-AMP26u 反應（反應（2 2）：）：氨酰氨酰-AMP-E tRNA 氨酰氨酰-tRNA AMP E 氨基酸的活化反應氨基酸的活化反應氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶氨酰氨酰-AMP氨酰氨酰-tRNA27AminoAcyl tRNA28 氨基酸的活化反應氨基酸的活化反應2930氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶u 氨酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。 既能識別既能識別22種氨基酸種氨基酸 又能識別轉(zhuǎn)運氨基酸的又能識別轉(zhuǎn)運氨基酸的tRNAu 氨酰-tRNA合成酶具有校正活性校正活

19、性(proofreading activity) 。 保證了蛋白質(zhì)合成的正確性。312. 蛋白質(zhì)合成過程蛋白質(zhì)合成過程l Three Steps of Protein Synthesis Initiation of translation （起始）（起始） BindingofmRNAandN-formylmethionine（甲酰甲硫氨甲酰甲硫氨酰酰-tRNA ）toribosome Elongation （延伸）（延伸） Bindingofaminoacyl-tRNAstoribosome Formationofpeptidebonds Termination （ （終終止）止） Termi

20、nationcodoninmRNAreachesribosome翻譯過程從mRNA的5端的起始密碼子開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。 32 多肽鏈合成的起始氨基酸多肽鏈合成的起始氨基酸甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNA其能夠識別起始密碼子其能夠識別起始密碼子 翻譯起始復合物起始復合物（initiation complex）的形成核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨酰-tRNA的結(jié)合； 核蛋白體大亞基結(jié)合。翻譯的起始翻譯的起始 (initiation)l翻譯的起始翻譯的起始 (initiation)：mRNAmRNA和起始和起始氨酰氨酰- -tR

21、NAtRNA分別與核糖體結(jié)合分別與核糖體結(jié)合而形成而形成翻譯起始復合物。翻譯起始復合物。33ONH2SCH3OHMetONHSCH3O HCOHfMet保護氨基u多肽鏈合成的起始氨基酸多肽鏈合成的起始氨基酸 甲酰甲酰甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNAfMet）的合成：的合成：Met-tRNAifMetfMet-tRNAifMet轉(zhuǎn)甲酰基酶N10-CHO FH4Met活化產(chǎn)物起始肽鏈合成的氨酰起始肽鏈合成的氨酰- -tRNAtRNA34起始復合物起始復合物（initiation complex）的）的形成形成30S mRNA IF3- IF1復合物復合物30S mRNA GTP- f

22、Met tRNAfMet- IF2- IF1復合物復合物 mRNA-30S-IF3IF2-GTP-fMet-tRNAfMetIF350S50S亞基亞基IF2+ IF1+GDP+PiIF1 mRNA-30S-IF330S-IF3 mRNA30S亞基亞基IF370S50S70S- mRNA-fMet tRNAfMet 起始復合物起始復合物35Initiation (1)uIF1 and IF3 bind to 30SuThe mRNA is guided to the 30S subunit（亞基）uFormylmethionine tRNA (甲酰甲硫氨酰-tRNA) in complex wi

23、th IF-2-GTP binds to the peptidyl site.36l Large 50S subunit combines with the 30S subunit l GTP hydrolysis l Initiation Factors and GDP releasedl Forming the initiation complex (70S- mRNA-fMet tRNAfMet )Initiation (2)38Elongation of peptides （延伸）（延伸）u 肽鏈的延伸指按照mRNA密碼序列的指導，依次添加氨基酸從從N N端向端向C C端端延伸肽鏈，直

24、到合成終止的過程。 u 肽鏈的延伸是在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進行的，稱為狹義的核糖體體循環(huán)（核糖體體循環(huán)（ribosomal cycleribosomal cycle），），每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步： 進位進位 (entrance) 轉(zhuǎn)肽轉(zhuǎn)肽 (peptide bond formation) 移位移位 (translocation)u 核糖體閱讀mRNA密碼子的方向是53，肽鏈合成從NC端進行的。39原核延長因子生物功能對應真核延長因子EF-Tu促進氨基酰-tRNA進入A位，結(jié)合分解GTPEF-1-EF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-EFG有轉(zhuǎn)位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移

25、到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子肽鏈合成的延長因子 l延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongation factor, EF)(elongation factor, EF)40指根據(jù)指根據(jù)mRNA下一組下一組遺傳密碼指導，使相應遺傳密碼指導，使相應氨氨酰酰-tRNA進入核糖體進入核糖體A位位。進位進位 (entrance)mRNA41轉(zhuǎn)肽轉(zhuǎn)肽 (peptide bond formation)uSecond Elongation Step: Peptide Bond Formation 4243移位移位 (translocation)u

26、延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶（translocase ）活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進核糖體向mRNA的3側(cè)移動。44進位進位 (entrance)轉(zhuǎn)肽轉(zhuǎn)肽 (peptide bond formation)移位移位 (translocation)cyclingElongation of peptides （延伸）（延伸）45Termination （ （終終止）止）uTermination （終止）（終止）：指核糖體A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼子后，由于tRNA不含有識別終止密碼子的反密碼子，因此多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體大、小亞基等發(fā)生分離。 u 終止階段需要終止終止因子因子 (釋放因子釋放因子) RF-1、 RF-2和和 RF-3參與。識別終止密碼子誘導改變轉(zhuǎn)肽酶的活性，使之稱為水解酶，使肽鏈從tRNA上分離出來，生成一條新合成的蛋白質(zhì)分子。46uWhen the stop codon (UAG) reaches ribosome a release factor （ （釋釋放因子）放因子） binds to the A site（ （A位點）位點）uThe linkage between nascent（新生的） polypeptide and tRNA i