核酸代謝蛋白質合成

關于核酸代謝蛋白質合成第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4蛋白質的生物合成

ProteinBiosynthesis掌握蛋白質生物合成的概況：原料、三類RNA在蛋白質生物合成中的作用、遺傳密碼的概念及其特點；熟悉蛋白質的生物合成過程；了解蛋白質合成后的加工和轉運方式。重點、難點：三類RNA在蛋白質生物合成中的作用、遺傳密碼的概念及其特點；蛋白質合成的基本過程。第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四AGCCTGUCGGACSerAsp以mRNA為模板的蛋白質合成過程被稱為翻譯（translation)。第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四Translationisthesecondstepofgeneexpression蛋白質合成的場所是核糖體(Ribosomes)原料是20種L-氨基酸，反應所需能量由ATP、GTP提供，此外還有Mg2+、K+

等金屬離子參與。蛋白質合成體系主要由mRNA、tRNA、rRNA、有關的酶以及幾十種蛋白質因子組成。

第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質合成體系的組分遺傳密碼mRNAtRNArRNA和核糖體參與合成的蛋白因子第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4.1遺傳密碼GeneticCode

mRNA分子中四種不同堿基（A、G、C和U）構成特定順序決定蛋白質分子中20種AA所構成的序列。mRNA上相鄰三個堿基編碼一種AA，因而被稱為堿基三聯(lián)體或密碼子。四種核苷酸，能有43=64組密碼子1966年已經(jīng)完全查清了20種基本氨基酸所對應的61個密碼子，其中有一個密碼子也作為肽鏈合成的起始密碼子,另外還有三個終止密碼子。第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

遺傳密碼Thirdletter書本209面第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4.1.1遺傳密碼的特點⑴密碼子的方向性密碼子的閱讀方向為5--3’，與mRNA鏈合成時延伸方向相同。⑵密碼子的簡并性大多數(shù)的aa都有幾組不同的密碼子，Trp及Met只有一個密碼子。一個氨基酸可以由幾種不同密碼子編碼：簡并性編碼同一氨基酸的密碼子：同義密碼子簡并性可以減少有害的突變第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

（3）密碼子的擺動性（變偶性）密碼子的專一性基本取決于前兩位堿基，第三位堿基有較大靈活性,如Ala：GCU，GCC，GCA，GCG。tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子配對時，密碼子的第一位、第二位堿基配對是嚴格的，第三位堿基可以有一定變動，這種現(xiàn)象稱為密碼的擺動性或變偶性（wobble）。

第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四（4）密碼子的連續(xù)性（讀碼）（無標點、無重疊）

讀碼框是連續(xù)的，若：移碼，則：移碼突變。

（5）密碼子的基本通用性（近于完全通用，普適性）對于高等、低等生物都適用。例外：真核生物線粒體DNA。一些原核生物中利用終止密碼翻譯AA（如：支原體UGA-Trp）3‘起始密碼子5‘無間隔、不中斷第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四密碼子反密碼子第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

（6）起始密碼子AUG-Met

終止密碼子：UAG、UAA、UGA（無義密碼子）終止密碼子：核糖體遇到這三個密碼子則蛋白質終止合成起始密碼子：mRNA的第一個AUG密碼子第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4.1.2閱讀框架mRNA分子的序列是以3個核苷酸一組，從5端開始閱讀，那么有3種可能的閱讀框架，但是實際上，通常只有一種閱讀方式產(chǎn)生有功能蛋白，另外的2種含有幾個終止密碼子一段堿基通常只編碼單一的蛋白質正確閱讀框架：核糖體識別在編碼序列開頭處的起始密碼子AUG第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1）mRNA結構

1.原核mRNA結構在起始密碼子AUG上游9-13個核苷酸處，有一段可與核糖體結合、富含嘌呤的3-9個核苷酸的保守序列AGGA，此序列稱SD序列。它與核糖體小亞基內(nèi)16SrRNA的3’端一段富含嘧啶的序列GAUCACCUCCUUA-OH互補，使得結合于小亞基上的起始tRNA能正確地定位于mRNA的起始密碼子AUG。

8.4.2mRNA第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四SD序列與16SrRNA結合第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.真核mRNA結構真核mRNA具有m7GpppN帽子結構，無SD序列。

帽子結構具有增強翻譯效率的作用。若起始AUG與帽子結構間的距離太近（小于12

個核苷酸），就不能有效利用這個AUG，會從下游適當?shù)腁UG起始翻譯。當距離在17-80個核苷酸之間時，離體翻譯效率與距離成正比。第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

真核mRNA具有“第一AUG規(guī)律”，即當5’端具有數(shù)個AUG時，其中只有一個AUG為主要開放閱讀框架的翻譯起點。

起始AUG二個特點：（1）AUG上游的-3經(jīng)常是嘌呤，尤其是A。（2）緊跟AUG的+4常常是G。

起始AUG鄰近序列中，以ANNAUGGN的頻率最高。若-3不是A，則+4必須是G。無此規(guī)律的AUG，則無起始功能。第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4.3tRNA同工tRNA:一種氨基酸可以有一種以上tRNA作為運載工具。把攜帶相同氨基酸而反密碼子不同的一組tRNA稱為同工tRNA。（20種氨基酸，60-120種tRNA）3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四tRNA分子有二個功能:A.專一性地結合氨基酸，生成氨酰-tRNA，使氨基酸活化。

B.識別氨基酸密碼子，依靠核糖體的特定位點對mRNA的密碼子進行識別。每一個細菌細胞內(nèi)約有60種不同tRNA（至少有31-32種），真核細胞內(nèi)可達100-120種。第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四校正tRNA某些tRNA能校正基因的有害突變，稱為校正tRNA。校正tRNA通常由于反密碼子的突變，破壞了譯碼規(guī)則，不按常規(guī)引入AA，卻恰好起到了校正功能。回復突變（reversemutation）：突變型生物重新獲得其原有的性狀。如：mRNA：5’GAG（Gln）3’UAG（無義突變）tRNATyr上的反密碼子為：3’AUG5’tRNATyr反密碼子突變：3’AUC5’，它可以將mRNA上的UAG讀成Tyr，從而使肽鏈繼續(xù)合成。第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四核糖體是蛋白質合成的場所。核糖體是由幾十種蛋白質和幾種rRNA組成的亞細胞顆粒,其中蛋白質與rRNA的重量比約為1:2。

真核生物：游離核糖體或與內(nèi)質網(wǎng)結合原核生物：游離核糖體或與mRNA結合成串狀的多核糖體(提高翻譯效率)。8.4.4rRNA及核糖體細菌mRNA

壽命很短，mRNA必須以最高效率被翻譯。翻譯的高效性表現(xiàn)在兩方面：

a．轉錄和翻譯偶聯(lián)

b．多個核糖體翻譯同一條mRNA鏈第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.不同來源核糖體的大小和rRNA組成原核生物核糖體（S)亞基（S)rRNA(S)真核生物806040285.851850703023516在16SrRNA的3’端有一段富含嘧啶的序列，可以識別、結合mRNA的S.D序列。第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四PA5’3’E.coli.中，30S的小亞基能單獨與mRNA結合成30S核糖體-mRNA復合體，后者與tRNA可以專一性結合。核糖體大亞基兩個tRNA的結合部位（大腸桿菌）P位和A位，二者緊密連接，各占一個密碼子的距離。P位：結合起始氨酰-tRNA和肽酰-tRNA，A位：結合新?lián)饺氲陌滨?tRNA。核糖體結構模型

50S亞基上有兩個tRNA位點：氨?；稽c（A）和肽?；稽c（P）。

50S與30S接觸面上有一個mRNA結合位點。第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4.5參與蛋白質合成的輔助因子（大腸桿菌）

蛋白質合成體系中，有一些蛋白質因子，在蛋白質合成的不同階段起作用。主要有：起始因子、延長因子、終止因子（或釋放因子）。此外還有ATP、GTP、Mg2+等參與。原核：

InitiationFactor（IF1,IF2,IF3）

ElongationFactor（EF-Tu,EF-Ts,EF-G）

Termination/ReleasingFactor（RF1,RF2,RF3）第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

IF1:協(xié)助IF2、IF3起作用1、起始因子

IF2:促進氨酰-tRNA結合在起始密碼子上

IF3:促進小亞基與mRNA結合（起始因子協(xié)助起始復合物的形成）

2、延長因子（促進肽鏈延長）EF-Tu:將氨酰-tRNA結合在核糖體A位點EF-Ts:重新生成EF-Tu-GTPEF-G:依賴于GTP，又稱移位因子，協(xié)助核糖體移位第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四RF1：識別終止密碼子UAA和UAG3.終止/釋放因子

RF2：識別終止密碼子UAA和UGARF3：刺激RF1和RF2活性，協(xié)助肽鏈釋放,不識別終止密碼子真核終止因子：RF一種。識別三個終止密碼子原核第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4.6蛋白質的合成過程

氨基酸的活化肽鏈合成的起始肽鏈的延伸肽鏈合成的終止與釋放第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4.6.1氨基酸的活化---合成氨酰-tRNA氨基酸的活化是指各種參加蛋白質合成的AA與攜帶它的相應的tRNA結合成氨酰-tRNA合成氨酰-tRNA的過程。活化反應在氨酰-tRNA合成酶的催化下進行。氨基酸在摻入肽鏈前，必須活化，獲得足夠的能量。第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四氨基酸活化的總反應式是：

氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨酰-tRNA+AMP+PPi

書寫如：Ile-tRNAIle——異亮氨酰-tRNAIle每一種AA都有各自特異的氨酰-tRNA合成酶。氨酰-tRNA合成酶具有高度的專一性，它既能識別相應的氨基酸（L-構型），又能識別與此氨基酸相對應的一個或同工tRNA分子；即使AA識別出現(xiàn)錯誤，此酶具有水解功能，可以將其水解掉。酶高度的專一性保證了蛋白質的合成具有一定的保真性。氨酰-tRNA合成酶第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四tRNA與多肽合成的有關位點可以說tRNA是一個萬能接頭：（1）對氨酰-tRNA合成酶的識別位點（接頭合成酶）（2）3端-CCA上的氨基酸運載位點（接頭氨基酸，裝載）（3）對核糖體的識別位點（將氨基酸運送到目的地）（4）反密碼子位點（接頭mRNA，驗貨并卸載）氨酰-tRNA合成酶第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四氨?；?tRNA的合成第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四圖氨酰-tRNA氨基酸一旦與tRNA形成氨酰-tRNA后，氨基酸的去向就完全由tRNA決定。第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4.6.2原核生物蛋白質肽鏈的合成

1.

起始

A.起始AA大腸桿菌中,起始密碼子AUG所編碼的氨基酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸（fMet-tRNAf）。原核細胞中有兩種攜帶Met的tRNA：tRNAf和tRNAm

真核生物：Met-tRNAMet。真核生物無甲?；^程，起始氨基酸是Met,只有一種攜帶Met的tRNA，即Met-tRNAMet

。Met-tRNAf+N10-甲酰FH4fMet-tRNAf+FH4甲?；傅?5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

B.70S起始復合物的形成

30S復合物的形成:核糖體30S小亞基在IF3幫助下，識別、結合mRNA上的SD序列。在IF1和IF2的參與下，30S-mRNA-IF3進一步與fMet-tRNAf、GTP結合，并釋放IF3，形成30S復合物：30S-mRNA-fMet-tRNAf

30S復合物與50S核糖體結合形成70S復合物，并釋放GDP、IF1和IF2。第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四原核起始復合物起始密碼子30S亞基IF3IF2-GTPIF2-GTPIF3IF3IF21、mRNA就位2、起始tRNA結合3、大亞基結合第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.肽鏈的延伸分為三步：1)新氨酰-tRNA入位新的氨酰-tRNA進入A位。需要消耗GTP，并需EF-Tu,EF-Ts兩種延伸因子。

延伸因子EF-Tu結合GTP后，協(xié)助氨酰-tRNA的就位。氨酰-tRNA入位后，EF-Tu-GDP從核糖體上釋放下來，在第二個延伸因子EF-Ts幫助下EF-Tu-GDP釋放掉GDP并重新結合一分子GTP再生成EF-Tu-GTP，進入下一輪循環(huán)。所有氨酰-tRNA必須與EF-Tu-GTP結合才可進入核糖體A位，除了fMet-tRNAf

第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.入位第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2)轉肽

在肽酰轉移酶的作用下，A位點新氨酰-tRNA氨基親核攻擊P位點上fMet-tRNAf的酯鍵羰基，形成肽鍵，無負荷的tRNA留在P位，此時A位點攜帶一個二肽。2.轉肽第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3)移位在EF-G（移位酶）的作用下，核糖體沿mRNA5’3’方向移動一個密碼子的距離，結果使原來在A上的肽酰-tRNA移到了P位點，原來在P位點的無負載的tRNA離開核糖體，同時一個新的密碼子進入空的A位，EF-G催化的移位過程需水解GTP提供能量。3.移位第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四以上三步為一個延伸循環(huán)，肽鏈每摻入一個氨基酸就重復一次延伸循環(huán)。肽鏈合成從N-C方向（mRNA、肽鏈）：

mRNA從5’端向3’，多肽從N端向C端。速度：E.coli.每秒約15個氨基酸。第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.肽鏈合成的終止與釋放當終止密碼子出現(xiàn)在A位時，RF結合在A位，肽鏈合成終止。RF的結合使肽酰轉移酶活性變?yōu)轷ソ饷富钚?，使肽基釋放，無負荷的tRNA隨機從核糖體脫落，該核糖體立即離開mRNA，在RF3下,消耗GTP而解離為30S和50S。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質的合成是一個高耗能過程：第一個肽鍵形成（合成一個二肽）高能鍵甲酰-甲硫氨酰-tRNAATP-AMP270S起始復合物GTP-GDP1a.a-tRNAATP-AMP2a.a-tRNA進入核糖體GTP-GDP1

核糖體移位GTP-GDP1

延伸循環(huán)第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第一個二肽的形成需消耗7個高能磷酸鍵，以后每摻入一個AA需要消耗4個（活化2+進位1個+移位1個）。最后終止需耗1個GTP。例：合成200個氨基酸殘基組成的多肽，需要多少個高能磷酸鍵？

7+198×4+1=8004n=4×200=800第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四8.4.6.3真核生物蛋白質的生物合成

真核與原核蛋白質肽鏈合成的區(qū)別：

1.核糖體不同真核：80S（40S+60S），原核：70S（30S+50S）。

2.起始tRNA不同真核：Met-tRNAm

甲硫氨酸原核：fMet-tRNAf

甲酰甲硫氨酸

3.起始密碼子真核AUG，原核AUG（有時用GUG）。

4.起始因子真核eIF復雜，至少有9種；真核CBP帽子結合蛋白（cap-bindingprotein）。

5.真核生物mRNA中AUG前無SD序列。第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四一、

翻譯后的加工1、切除加工N末端的(甲酰)甲硫氨酸的切除.在去甲酰酶催化下將肽鏈合成的起始氨基酸-甲酰甲硫氨酸水解脫掉甲?；员汶逆溞纬伤璧臉嬒?在氨肽酶催化下切去N末端一個或幾個氨基酸。多肽鏈還未釋放時，上兩個過程已發(fā)生。而真核生物15-30氨基酸時，就已開始上過程。8.4.7多肽合成后的加工和定向輸送第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質內(nèi)含子切割：

90年代初，發(fā)現(xiàn)了兩類新的內(nèi)含子。翻譯內(nèi)含子：mRNA中存在與內(nèi)含子對應的核苷酸序列，在翻譯過程中這一序列被“跳躍”過去，產(chǎn)生的多肽鏈不含有內(nèi)含子對應的氨基酸序列。蛋白質內(nèi)含子：其DNA序列與外顯子一起轉錄和翻譯，產(chǎn)生一條多肽鏈，然后從肽鏈中切除與內(nèi)內(nèi)含子對應的氨基酸序列，再把與外顯子對應的氨基酸序列連接起來，成為有功能的蛋白質。成熟蛋白質

有核酸內(nèi)切酶活性InteinExteinIntein第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四前體胰島素胰島素原胰島素信號肽的切除第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2、氨基酸側鏈的修飾3、加輔基4、二硫鍵的形成第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四在真核生物中，許多加工修飾過程都是發(fā)生在特定的細胞器中。例如蛋白質的糖基化就需要存在于內(nèi)質網(wǎng)和高爾基體中的酶。故新合成的蛋白質通過細胞質向不同細胞器的轉移，這種轉移稱為蛋白質運輸或尋靶。新生多肽的運輸是定向進行的。大腸桿菌的新生肽一部分留在胞質中，一部分送至質膜、外膜，還可分泌至胞外。真核新生肽一部分在胞質中，另一部分送往溶酶體、高爾基體、線粒體、葉綠體、細胞核等。二、多肽的定向輸送第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四一）蛋白質的跨膜轉運與肽鏈折疊1.膜蛋白與分泌蛋白的跨膜轉運

信號肽（signalsequence）

第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

信號識別體（signalrccognitionparticle，SRP）:

識別信號肽的核蛋白體。由一分子7SLRNA和6個不同的多肽分子組成。

7SLRNA上有兩段核苷酸序列，稱Alu序列。

SRP功能（兩個功能域）:A.識別信號肽

B.干擾氨酰-tRNA及肽酰轉移酶，暫時終止多肽鏈的延伸。

C.與停泊蛋白結合。

第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

SRP受體停泊蛋白（dockingproteinDP）:

在內(nèi)質網(wǎng)上與SRP-核糖體復合物專一性結合的蛋白質。

DP的功能：引起內(nèi)質網(wǎng)膜上特定的核糖體受體蛋白聚集，后者具有通道功能，可使轉譯出的肽鏈進入內(nèi)質網(wǎng)膜腔內(nèi)。信號肽的識別