生化蛋白質(zhì)的生物合成

AnalysisofCellularInformationPTranscriptionTranslationProteinFoldingPosttranslationalmodificationsRNAProteinDNA現(xiàn)在是1頁\一共有87頁\編輯于星期三本章要求1．掌握蛋白質(zhì)生物合成體系在翻譯過程中的作用2．掌握遺傳密碼的特點3．掌握氨基酰-tRNA合成酶的作用特點4．掌握原核、真核生物翻譯過程的異同5．掌握分子伴侶的作用和翻譯后修飾的形式6．信號肽及其作用，各類蛋白質(zhì)靶向輸送的特點7．抗生素、毒素和干擾素抑制翻譯的機制8．掌握下列概念

翻譯;遺傳密碼;openreadingframe；擺動性；Shine-Dalgarnosequence;蛋白質(zhì)靶向輸送；分子伴侶；分子病

現(xiàn)在是2頁\一共有87頁\編輯于星期三

蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，是指DNA結(jié)構(gòu)基因中儲存的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄生成mRNA，再指導(dǎo)相應(yīng)氨基酸序列的多肽鏈合成的過程?，F(xiàn)在是3頁\一共有87頁\編輯于星期三蛋白質(zhì)的生物合成1.氨基酸的活化及其與專一性的轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA）的連接。2.肽鏈的合成（起始、延伸和終止）。3.新生肽鏈加工成為成熟的蛋白質(zhì)現(xiàn)在是4頁\一共有87頁\編輯于星期三第一節(jié)蛋白質(zhì)合成體系蛋白質(zhì)合成體系包括：氨基酸

mRNAtRNA

核糖體酶蛋白質(zhì)因子

ATP、GTP等供能物質(zhì)無機離子

300余種生物大分子

現(xiàn)在是5頁\一共有87頁\編輯于星期三蛋白質(zhì)合成體系的主要組分現(xiàn)在是6頁\一共有87頁\編輯于星期三核糖體核糖體是由羅馬尼亞籍細胞生物學(xué)家喬治·埃米爾·帕拉德(GeorgeEmilPalade)用電子顯微鏡于1955年在哺乳類與禽類動物細胞中首次發(fā)現(xiàn)的。喬治·帕拉德以及阿爾伯特·克勞德和克里斯汀·德·迪夫因發(fā)現(xiàn)核糖體于1974年被授于諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎?，F(xiàn)在是7頁\一共有87頁\編輯于星期三2009年諾貝爾化學(xué)獎。3人是因為“核糖體的結(jié)構(gòu)和功能”的研究而獲得諾貝爾化學(xué)獎現(xiàn)在是8頁\一共有87頁\編輯于星期三一、mRNA與遺傳密碼

（一）mRNA的結(jié)構(gòu)

從mRNA5-端起始密碼子AUG到3-端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為可讀框(openreadingframe,ORF)。StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻譯區(qū)

533’-端非翻譯區(qū)

可讀框

現(xiàn)在是9頁\一共有87頁\編輯于星期三遺傳學(xué)將編碼一個多肽鏈的遺傳單位稱為順反子（cistron）。真核mRNA只編碼一條多肽鏈，稱為單順反子（singlecistron）。原核mRNA可編碼多條肽鏈，稱為多順反子（polycistron）?，F(xiàn)在是10頁\一共有87頁\編輯于星期三現(xiàn)在是11頁\一共有87頁\編輯于星期三

（二）遺傳密碼

mRNA閱讀框架內(nèi)，每相鄰的三個核苷酸組成一組，形成三聯(lián)體，編碼一種氨基酸，稱為遺傳密碼（geneticcodon）。

起始密碼(initiationcoden):

AUG

終止密碼(terminationcoden):

UAA、UAG、UGA

從mRNA5′-端起始密碼子AUG到3′-端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為可讀框（openreadingframe，ORF）。

現(xiàn)在是12頁\一共有87頁\編輯于星期三遺傳密碼表現(xiàn)在是13頁\一共有87頁\編輯于星期三

（三）遺傳密碼的特點1．連續(xù)性（commaless）從起始密碼子開始到終止密碼子為止的編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間沒有交叉或重疊。

現(xiàn)在是14頁\一共有87頁\編輯于星期三

若在mRNA中插入或刪去一個或兩個堿基，就會導(dǎo)致后續(xù)密碼子閱讀框架的改變，產(chǎn)生異常的多肽鏈，稱為框移突變（frameshiftmutation）。

現(xiàn)在是15頁\一共有87頁\編輯于星期三

2．方向性（direction）

起始密碼子總是位于編碼區(qū)5′-末端，而終止密碼子位于3′-末端，每個密碼子的三個核苷酸也是按照5′→3′方向閱讀，不能倒讀。

NC肽鏈延伸方向5′3′讀碼方向現(xiàn)在是16頁\一共有87頁\編輯于星期三3．簡并性（degeneracy）

遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸均有2個或多個密碼子?，F(xiàn)在是17頁\一共有87頁\編輯于星期三4．擺動性（wobble）轉(zhuǎn)運氨基酸的tRNA的反密碼子需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結(jié)合，但反密碼與密碼間不嚴格遵守堿基互補規(guī)律?，F(xiàn)在是18頁\一共有87頁\編輯于星期三U擺動配對現(xiàn)在是19頁\一共有87頁\編輯于星期三

5．通用性（universal）

蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都可以通用。現(xiàn)在是20頁\一共有87頁\編輯于星期三（四）真核mRNA結(jié)構(gòu)特點“帽子”結(jié)構(gòu)：（1）穩(wěn)定mRNA的作用，可保護mRNA的5′-端，避免外切核酸酶的攻擊；（2）對翻譯起識別作用。polyA尾結(jié)構(gòu)：其生物學(xué)功能還不太清楚，可能與hnRNA從核內(nèi)移出及抵抗外切核酸酶從3′-端降解mRNA有關(guān)。

現(xiàn)在是21頁\一共有87頁\編輯于星期三

二、氨基酸的“搬運工具”——（轉(zhuǎn)移核糖核酸t(yī)RNA）

反密碼環(huán)氨基酸臂二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是22頁\一共有87頁\編輯于星期三現(xiàn)在是23頁\一共有87頁\編輯于星期三

三、肽鏈合成的“裝配機”——核糖體

原核細胞核和真核細胞核糖體的組成

現(xiàn)在是24頁\一共有87頁\編輯于星期三現(xiàn)在是25頁\一共有87頁\編輯于星期三A位：氨基酰位

(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)現(xiàn)在是26頁\一共有87頁\編輯于星期三第二節(jié)蛋白質(zhì)的合成過程

TheProcessofProteinBiosynthesis

蛋白質(zhì)生物合成的反應(yīng)步驟包括：①氨基酸的活化；②肽鏈合成的起始；③肽鏈延長；④肽鏈終止。以及合成后加工修飾和定向運輸。﹜現(xiàn)在是27頁\一共有87頁\編輯于星期三氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶一、氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運

氨基酸在氨基酰-tRNA合成酶催化下，生成氨基酰-tRNA。該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，需要鎂離子和ATP參與?，F(xiàn)在是28頁\一共有87頁\編輯于星期三第一步反應(yīng)氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋AMP＋PPi

氨基酸活化和轉(zhuǎn)運過程分兩步進行現(xiàn)在是29頁\一共有87頁\編輯于星期三第二步反應(yīng)氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E現(xiàn)在是30頁\一共有87頁\編輯于星期三氨基酰-tRNA合成酶對維持翻譯保真性至關(guān)重要：它對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。氨基酰-tRNA合成酶具有校對活性（proofreadingactivity），保證了蛋白質(zhì)合成的錯誤率<0.0001?，F(xiàn)在是31頁\一共有87頁\編輯于星期三

指mRNA和起始氨基酰-tRNA與核蛋白體共同構(gòu)成起始復(fù)合物。這一過程需要起始因子（IF）、GTP和鎂離子參與。起始氨基酰-tRNA的表示方法：tRNAiMet

真核生物：Met-tRNAiMet甲硫氨酸

原核生物：fMet-tRNAifMet甲酰甲硫氨酰二、肽鏈合成的起始現(xiàn)在是32頁\一共有87頁\編輯于星期三原核生物中的起始因子有3種：

IF1直接結(jié)合到小亞基A位，阻止tRNA過早與A位結(jié)合；

IF2具有GTP酶活性，催化fMet-tRNAifMet結(jié)合至小亞基，并阻止其它負載tRNA與小亞基結(jié)合。

IF3結(jié)合于小亞基E位，阻止小亞基與大亞基的結(jié)合，并促進fMet-tRNAifMet結(jié)合至核糖體的P位?，F(xiàn)在是33頁\一共有87頁\編輯于星期三參與核糖體循環(huán)的起始因子現(xiàn)在是34頁\一共有87頁\編輯于星期三原核生物蛋白質(zhì)合成起始階段起始三元復(fù)合物的形成；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA定位在P位；起始復(fù)合物的形成?，F(xiàn)在是35頁\一共有87頁\編輯于星期三1．起始三元復(fù)合物的形成現(xiàn)在是36頁\一共有87頁\編輯于星期三2．mRNA在小亞基定位結(jié)合SD序列（Shine-Dalgarnosequence）：在mRNA起始密碼子的上游8~13個核苷酸處有一段4~9個核苷酸組成的富含嘌呤核苷酸的序列，以AGGA為核心，它可與核糖體小亞基中的16SrRNA3′-端富含嘧啶的序列（UCCU）互補。現(xiàn)在是37頁\一共有87頁\編輯于星期三3．起始氨基酰-tRNA定位在P位現(xiàn)在是38頁\一共有87頁\編輯于星期三

影響fMet-tRNAifMet

定位于P位的三個因素：①SD序列與16SrRNA的相互作用；②起始密碼子與fMet-tRNAifMet反密碼子的相互作用；③P位和fMet-tRNAifMet的結(jié)合相互作用?，F(xiàn)在是39頁\一共有87頁\編輯于星期三４．起始復(fù)合物的形成現(xiàn)在是40頁\一共有87頁\編輯于星期三三、肽鏈的延長

肽鏈延長過程是一個循環(huán)過程，每個循環(huán)包括進位、成肽、轉(zhuǎn)位三個步驟。肽鏈延長階段除了需要mRNA、tRNA和核糖體外，還需要延長因子（elongationfactor，EF）以及GTP和某些無機離子的參與。原核生物延長因子有三種，分別稱為EFTu、EFTs和EFG。

現(xiàn)在是41頁\一共有87頁\編輯于星期三原核延長因子生物功能對應(yīng)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-αEF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-βγEFG有轉(zhuǎn)位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2原核生物肽鏈合成的延長因子現(xiàn)在是42頁\一共有87頁\編輯于星期三1．進位

指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位。

現(xiàn)在是43頁\一共有87頁\編輯于星期三２．成肽

是由肽酰轉(zhuǎn)移酶催化的肽鍵形成過程。現(xiàn)在是44頁\一共有87頁\編輯于星期三３．移位

在延長因子作用下，核糖體沿mRNA鏈向3′端移動，下一個密碼子準確定位于A位點處。同時，原來處于A位點上的二肽酰tRNA轉(zhuǎn)移到P位，而P位上卸載的tRNA進入E位，隨后從E位脫落。

現(xiàn)在是45頁\一共有87頁\編輯于星期三在肽鏈延長階段，核糖體有三步獲能過程：一是轉(zhuǎn)肽作用，受核糖體本身介導(dǎo)；二是EF-Tu介導(dǎo)GTP水解為GDP和Pi；三是由EFG介導(dǎo)的GTP水解?，F(xiàn)在認為，由EF介導(dǎo)的二步GTP水解的能量主要用于三個方面：①在延長步驟中，加速核糖體的循環(huán)速度；②增強核糖體對抑制劑的抵抗力；③有利于翻譯的保真性(fidelity)。現(xiàn)在是46頁\一共有87頁\編輯于星期三四、肽鏈合成的終止

肽鏈合成的終止需要釋放因子的參與。原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物釋放因子：eRF

一是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。二是誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相當于催化肽酰基轉(zhuǎn)移到水分子-OH上，使肽鏈從核蛋白體上釋放。釋放因子的功能現(xiàn)在是47頁\一共有87頁\編輯于星期三終止階段的基本過程：

1．在核糖體的A位出現(xiàn)終止密碼子UAA、UAG或UGA。RF識別終止密碼子，與核糖體的A位結(jié)合?，F(xiàn)在是48頁\一共有87頁\編輯于星期三現(xiàn)在是49頁\一共有87頁\編輯于星期三

2．RF使核糖體P位點上的轉(zhuǎn)肽酶構(gòu)象改變，轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ富钚?，水解多肽鏈與tRNA之間的酯鍵，多肽鏈從核糖體、tRNA從P位釋放出來。

現(xiàn)在是50頁\一共有87頁\編輯于星期三3．核糖體與mRNA分離，核糖體P位上的tRNA和A位上的RF脫落。在起始因子IF3的作用下，核糖體解離為大、小亞基，重新進入核糖體循環(huán)?，F(xiàn)在是51頁\一共有87頁\編輯于星期三

多聚核蛋白體的形成可以使蛋白質(zhì)生物合成以高速度、高效率進行。五、多聚核蛋白體(polysome)1條mRNA模板鏈都可附著10～100個核蛋白體，這些核蛋白體依次結(jié)合起始密碼子并沿5′→3′方向讀碼移動，同時進行肽鏈合成，這種mRNA與多個核蛋白體形成的聚合物稱為多聚核蛋白體(polysome)?，F(xiàn)在是52頁\一共有87頁\編輯于星期三現(xiàn)在是53頁\一共有87頁\編輯于星期三多肽鏈分子量與多核糖體上核糖體數(shù)的關(guān)系現(xiàn)在是54頁\一共有87頁\編輯于星期三五、真核生物與原核生物蛋白質(zhì)合成的異同現(xiàn)在是55頁\一共有87頁\編輯于星期三六、翻譯后的加工蛋白質(zhì)多肽鏈的主要加工形式包括：氨基端和羧基端的修飾氨基酸側(cè)鏈的化學(xué)修飾；二硫鍵的形成；蛋白質(zhì)前體的剪切；多蛋白質(zhì)的加工；蛋白質(zhì)的靶向運輸；多肽鏈的正確折疊及天然構(gòu)象的形成；輔基結(jié)合及亞基的聚合現(xiàn)在是56頁\一共有87頁\編輯于星期三1．氨基端和羧基端的修飾現(xiàn)在是57頁\一共有87頁\編輯于星期三2．氨基酸側(cè)鏈的化學(xué)修飾包括磷酸化、羥基化、糖基化、甲?；取，F(xiàn)在是58頁\一共有87頁\編輯于星期三現(xiàn)在是59頁\一共有87頁\編輯于星期三JensenON,NatRevMolCellBiol.,2006,391蛋白質(zhì)翻譯后修飾磷酸化糖基化泛素化乙?；谆F(xiàn)在是60頁\一共有87頁\編輯于星期三AnalysisofCellularInformationPTranscriptionTranslationProteinFoldingPosttranslationalmodificationsRNAProteinDNA現(xiàn)在是61頁\一共有87頁\編輯于星期三PTM–TheMostEfficientMethodtoExpandGeneticCode

Aproteinwith3PTM(e.g.phoshorylation)sites

NH2A1A2A3A4……Anp……………….Amp…………….Aup……………COOH1.NH2A1A2A3A4……An……………….Am…………….Au……………COOH2.NH2A1A2A3A4……Anp……………….Am…………….Au……………COOH3.NH2A1A2A3A4……An……………….Amp…………….Au……………COOH4.NH2A1A2A3A4……An……………….Am…………….Aup……………COOH5.NH2A1A2A3A4……Anp……………….Amp…………….Au……………COOH6.NH2A1A2A3A4……An……………….Amp…………….Aup……………COOH7.NH2A1A2A3A4……Anp……………….Am…………….Aup……………COOH8.NH2A1A2A3A4……Anp……………….Amp…………….Aup……………COOH

Aproteinhas10typesofPTMand10sites:

1110

possiblevariants現(xiàn)在是62頁\一共有87頁\編輯于星期三3．二硫鍵的形成

一些蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象之后，在半胱氨酸殘基間形成鏈內(nèi)或鏈間二硫鍵，在穩(wěn)定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象，防止蛋白質(zhì)變性和逐漸氧化中起著重要作用。

現(xiàn)在是63頁\一共有87頁\編輯于星期三4．蛋白質(zhì)前體的剪切

分泌蛋白合成后進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面的信號肽酶催化，切除信號肽段，并進一步在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體加工。多數(shù)蛋白質(zhì)由沒有生物學(xué)功能的前體構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩飳W(xué)功能的成熟蛋白質(zhì)。前胰島素原的剪切加工現(xiàn)在是64頁\一共有87頁\編輯于星期三5．多蛋白質(zhì)的加工有些多肽鏈合成后經(jīng)加工可產(chǎn)生多種不同活性的蛋白質(zhì)，如垂體產(chǎn)生的幾種小肽激素來源于同一個大的蛋白質(zhì)前體。

現(xiàn)在是65頁\一共有87頁\編輯于星期三阿皮素原(Proopiomelanocortin,POMC)的剪切加工現(xiàn)在是66頁\一共有87頁\編輯于星期三6．蛋白質(zhì)的靶向運輸

蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復(fù)雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞靶部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送。所有靶向輸送的蛋白質(zhì)在其一級結(jié)構(gòu)中的N端具有特異的氨基酸序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)運送到細胞的特定部位，稱為信號序列（signalsequence）。

現(xiàn)在是67頁\一共有87頁\編輯于星期三靶向輸送蛋白的信號序列信號肽的一級結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是68頁\一共有87頁\編輯于星期三

當信號序列在核糖體中出現(xiàn)時，它便與信號識別顆粒（signalrecognitionpartical，SRP）結(jié)合，并誘導(dǎo)SRP與GTP結(jié)合，防止多肽鏈延伸。核糖體-SRP復(fù)合物與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的受體結(jié)合后，SRP分離并重新進入循環(huán)，同時伴隨著GTP水解，蛋白質(zhì)合成重新開始；新生肽鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，信號肽在信號肽酶催化下被切除，核糖體亞基與mRNA分離并參與再循環(huán)?，F(xiàn)在是69頁\一共有87頁\編輯于星期三蛋白質(zhì)的靶向運輸現(xiàn)在是70頁\一共有87頁\編輯于星期三7．多肽鏈的正確折疊及天然構(gòu)象的形成新生肽鏈只有正確折疊、形成空間構(gòu)象才能實現(xiàn)其生物學(xué)功能細胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)的折疊都不能自動完成，多肽鏈準確折疊和組裝需要兩類蛋白質(zhì)：折疊酶和分子伴侶。分子伴侶是蛋白質(zhì)合成過程中形成空間結(jié)構(gòu)的控制因子，在新生肽鏈的折疊和穿膜進入細胞器的轉(zhuǎn)位過程中起關(guān)鍵作用。常見的分子伴侶包括熱激蛋白和伴侶蛋白?，F(xiàn)在是71頁\一共有87頁\編輯于星期三分子伴侶的作用機制現(xiàn)在是72頁\一共有87頁\編輯于星期三8．輔基結(jié)合及亞基的聚合結(jié)合蛋白質(zhì)合成后，還需要經(jīng)過一定的方式與特定的輔基結(jié)合。如成人血紅蛋白。血紅蛋白的輔基結(jié)合和亞基聚合過程現(xiàn)在是73頁\一共有87頁\編輯于星期三State1State2Proteome1Proteome2Proteomics

蛋白表達

蛋白修飾和變異

蛋白作用關(guān)系

蛋白功能活性疾病標志物

藥物靶標Ascreeningtechnologyforanalysisofproteins’propertiesatglobalscale.第三節(jié)蛋白質(zhì)合成與醫(yī)學(xué)現(xiàn)在是74頁\一共有87頁\編輯于星期三第三節(jié)蛋白質(zhì)合成與醫(yī)學(xué)一、分子病是指由于基因或DNA分子的缺陷，致使蛋白質(zhì)合成出現(xiàn)異常，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的功能障礙，并出現(xiàn)相應(yīng)的臨床癥狀的一類遺傳性疾病。如鐮狀細胞貧血。

現(xiàn)在是75頁\一共有87頁\編輯于星期三鐮狀細胞貧血的分子機制谷氨酸側(cè)鏈帶負電的羧基，纈氨酸側(cè)鏈不帶電荷的疏水基，降低溶解度，血紅蛋白分子容易聚集成纖維狀，使紅細胞變形成成桿狀多聚體（鐮形），輸氧能力