蛋白質(zhì)的生物合成課件

第十三章蛋白質(zhì)的生物合成

中心法則指出，遺傳信息的表達最終是合成出具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)，這種以mRNA上所攜帶的遺傳信息,到多肽鏈上所攜帶的遺傳信息的傳遞，就好象以一種語言翻譯成另一種語言時的情形相似，所以稱以mRNA為模板的蛋白質(zhì)合成過程為翻譯(translation)。翻譯過程十分復雜，需要mRNA、tRNA、rRNA和多種蛋白因子參與。在此過程中mRNA為合成的模板，tRNA為運輸氨基酸工具，rRNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成核糖體，是合成蛋白質(zhì)的場所，蛋白質(zhì)合成的方向為N—C端。遺傳信息傳遞的中心法則蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復制復制DNARNA遺傳信息流動示意圖核糖體DNAmRNAtRNA第一節(jié)RNA在蛋白質(zhì)生物

合成中的重要功能一、mRNA和遺傳密碼原核生物mRNA的結(jié)構(gòu)：4個特點mRNA的半衰期很短,很不穩(wěn)定,一旦完成其使命后很快就被水解掉。mRNA的分子大小差異大。mRNA的合成是在DNA指導下的RNA聚合酶的催化下先合成mRNA的前體，即核內(nèi)不均一RNA（hnRNA）。hnRNA在細胞核內(nèi)加工成mRNA，然后轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中。

mRNA(messengerRNA)是蛋白質(zhì)生物合成過程中直接指令氨基酸摻入的模板，是遺傳信息的載體。mRNA原核生物和真核生物mRNA的比較真核細胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點5′

“帽子”PolyA

3′

順反子m7G-5′ppp-N-3′p帽子結(jié)構(gòu)功能使mRNA免遭核酸酶的破壞使mRNA能與核糖體小亞基結(jié)合并開始合成蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)合成的起始因子所識別，從而促進蛋白質(zhì)的合成。Poly(A)尾巴的功能是mRNA由細胞核進入細胞質(zhì)所必需的形式它大大提高了mRNA在細胞質(zhì)中的穩(wěn)定性AAAAAAA-OH(一)遺傳密碼的破譯1.三聯(lián)體密碼與閱讀框

遺傳密碼:DNA（或mRNA）中的核苷酸序列與蛋白質(zhì)中氨基酸序列之間的對應關系稱為遺傳密碼。

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。2.人工合成多核苷酸和

無細胞體系蛋白質(zhì)合成1961年，M.W.Nirenberg等人,大腸桿菌的無細胞體系中外加poly(U)模板、20種標記的氨基酸，經(jīng)保溫后得到了多聚phe-phe-phe，于是推測UUU編碼phe。利用同樣的方法得到CCC編碼pro，GGG編碼gly，AAA編碼lys。如果利用poly（UC），則得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推測UCU編碼Ser，CUC編碼Leu.到1965年就全部破譯了43=64組密碼子。M.W.Nirenberg等,1968年獲諾貝爾生理醫(yī)學獎.3.三核苷酸誘導安酰tRNA對核糖體的特異結(jié)合保溫

硝酸纖維濾膜過濾分析留在濾膜上的核糖體-AAtRNA

確定與核糖體結(jié)合的AA技術要點：人工合成三核苷酸為模板+核糖體+AA-tRNA（二）遺傳密碼的性質(zhì)1、密碼是無標點符號的且相鄰密碼子互不重疊。編碼一個肽鏈的所有密碼子是一個接著一個地線形排列，密碼子之間既不重疊也不間隔，從起始密碼子到終止密碼子（不包括終止子）構(gòu)成一個完整的讀碼框架，又稱開放閱讀框架（ORF）。方向：從mRNA的5’到3’。3‘起始密碼子5‘如果在閱讀框中插入或刪除一個堿基就會使其后的讀碼發(fā)生移位性錯誤（稱為移碼）。3、密碼的擺動性：密碼子中第三位堿基與反密碼子第一位堿基的配對有時不一定完全遵循A-U、G-C的原則，Crick把這種情況稱為搖擺性，有人也稱擺動配對或不穩(wěn)定配對。反密碼子第一位的G可以與密碼子第三位的C、U配對，U可以與A、G配對，I可以和密碼子的U、C、A配對，這使得該類反密碼子的閱讀能力更強。tRNA分子上三個特定的堿基組成一個反密碼子，位于反密碼子環(huán)上。3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG密碼子與反密碼子的閱讀方向均為5‘3’，兩者反向平行配對。4、密碼子是近于完全通用的。這是如火如荼的轉(zhuǎn)基因的前提。目前只發(fā)現(xiàn)線粒體和葉綠體內(nèi)有列外情況。64組密碼子中，AUG既是編碼蛋氨酸的密碼，又是起始密碼；有三組密碼不編碼任何氨基酸，而是多肽鏈合成的終止密碼子：UAG、UAA、UGA。tRNA的結(jié)構(gòu)特征——三葉草型二級結(jié)構(gòu)tRNA的功能（一）被特定的氨酰-tRNA合成酶識別，使tRNA接受正確的活化氨基酸。（二）識別mRNA鏈上的密碼子。（三）在蛋白質(zhì)合成過程中，tRNA起著連結(jié)生長的多肽鏈與核糖體的作用。氨基酸+ATP酶/Mg2+氨酰AMP-酶+PPi氨酰AMP-酶tRNA

氨酰tRNA+AMP+酶(一)、接受正確的活化氨基酸密碼子與反密碼子的配對關系反密碼子tRNA53AUC5mRNA3密碼子123tRNA有兩個關鍵部位：

⑴3’端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。需ATP提供活化氨基酸所需的能量。⑵與mRNA結(jié)合部位—反密碼子部位（tRNA的接頭作用）三、核糖體是由rRNA（ribosomalribonucleicasid）和多種蛋白質(zhì)結(jié)合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒，蛋白質(zhì)與rRNA的重量比約為1:2。蛋白質(zhì)肽鍵的合成就是在這種核糖體上進行的。1、核糖體的結(jié)構(gòu)和組成2、核糖體的功能不同來源核糖體的大小和RNA組成原核生物核糖體（S)亞基（S)rRNA(S)真核生物806040285.851850703023516核糖體的組成原核生物核糖體的組成原核生物核糖體結(jié)構(gòu)示意圖大腸桿菌中30S的亞基能單獨與mRNA結(jié)合成30S核糖體-mRNA復合體，后者與tRNA可以專一性結(jié)合。50S亞基不能單獨與mRNA結(jié)合，但可以非專一地與tRNA結(jié)合，50S亞基上有兩個tRNA結(jié)合位點：氨?；稽c-A位點；肽?；稽c-P位點。還有一個GTP結(jié)合位點。原核細胞70S核糖體的A位、P位及mRNA結(jié)合部位示意圖anticodoncodon30S與mRNA結(jié)合部位P位（結(jié)合或接受肽基的部位）A位（結(jié)合或接受AA-tRNA的部位）50S53mRNA核糖體基本結(jié)構(gòu)動畫第二節(jié)蛋白質(zhì)合成的機理氨基酸的活化EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸ATP+氨酰腺苷酸E-AMPPPi第一步AMP第二步E氨基酸的活化3-氨酰-tRNA氨基酸+ATP酶/Mg2+氨酰AMP-酶+PPI氨酰AMP-酶tRNA

氨酰tRNA+AMP+酶活化反應方程式：一個氨基酸活化需要消耗2個高能磷酸鍵氨酰-tRNA合成酶特點專一性：對氨基酸有極高的專一性，每種氨基酸都有專一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。

對tRNA具有極高專一性。校對作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解錯誤活化的氨基酸。氨酰tRNA合成酶：每一種氨基酸都有至少一種專一的氨酰tRNA合成酶，它即能識別氨基酸，又能識別tRNA，從而把特定的氨基酸連到對應的tRNA上，有人也把氨酰tRNA合成酶的雙向識別功能稱為第二遺傳密碼。tRNA與氨酰tRNA合成酶的主要集中在氨基酸臂和反密碼子臂上的有關序列。此外，tRNA上的受體莖環(huán)（acceptorstem）也是識別特征。不同的氨酰tRNA合成酶在分子量、氨基酸序列、亞基組成上差異較大。它是如何識別氨基酸的呢？二、合成起始起始密碼：AUG；起始氨基酸：甲硫氨酸；多肽鏈延伸方向：從N末端向C末端；mRNA閱讀方向：5/3/，原核生物起始tRNA：

tRNAfMet,

起始氨基酸：fMet(甲酰甲硫氨酸）

N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet的形成CHO-HN-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-

+H2N-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-Met-tRNAfMetfMet-tRNAfMetN10-甲酰FH4FH4轉(zhuǎn)甲酰酶1.小亞基與IF1和IF3結(jié)合。2.30S起始復合物形成，IF2、GTP參與，16SrRNA與mRNA的SD序列結(jié)合。3.30S復合物與50S亞基結(jié)合形成70S亞基，起始氨酰tRNA進入P位點，它的反密碼子與mRNA上的起始密碼子AUG堿基配對。肽鏈合成的起始30S亞基?mRNAIF3-IF1復合物30S?mRNA?GTP-fMet–tRNA-IF2-IF1復合物70S起始復合物codonanticodonP位A位

mRNA

+30S亞基-IF3A位IF-353IF2GTPP位IF3IF2IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S亞基IF2+IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始復合物三、肽鏈的延長（一）進入：第二個氨酰tRNA通過密碼子—反密碼子的配對作用進入核糖體的A位點（氨基位點）。EF-Tu、EF-Ts和GTP參與。Tu\Ts循環(huán)。（二）轉(zhuǎn)肽：在大亞基上肽酰轉(zhuǎn)移酶（peptidyltransferase）的作用下，A位點氨基酸的A-氨基親核攻擊P位點氨基酸的羧基基團并形成肽鍵，結(jié)果兩個氨基酸均連到了A位點的tRNA上，該過程稱為轉(zhuǎn)肽作用（transpeptidation），此時，P位點上卸載的tRNA從核糖體上離開。（三）移位（translocation，也可稱轉(zhuǎn)位）：核糖體沿著mRNA5/3/方向移動1個密碼子位置，攜帶肽鏈的tRNA轉(zhuǎn)位到P位點，A位點空出以便接納下一個氨基酸。移位要求移位酶參與和水解1分子GTP供能。Tu\Ts循環(huán)三、肽鏈的延長12122323進入轉(zhuǎn)肽移位進入(Tu\Ts)GTPGTPN-端235′3′C-端轉(zhuǎn)肽15′3′（EF-G）

四、肽鏈合成的終止及釋放（1）識別終止密碼子：UAA、UAG和UGA，釋放因子RF1或RF2進入核糖體A位，RF3與GTP結(jié)合促進RF1或RF2與A位結(jié)合。

（2）多肽鏈的釋放（3）70S核糖體解離53UAG30S亞基50S亞基53UAGtRNARF肽鍵的形成多核糖體與核糖體循環(huán)合成完畢的肽鏈多核糖體3ˊmRNA延伸中的肽鏈5ˊ核糖體循環(huán)翻譯的基本過程五、蛋白質(zhì)合成中GTP的作用一個氨基酸活化需要消耗2個高能磷酸鍵（ATP提供）。起始階段需水解1分子GTP；肽鏈延長的進入階段要水解1分子GTP；肽鏈延長的移位也水解1個GTP；5.終止階段水解1個GTP；6.整個肽鏈中一個肽鍵的生成至少需要4個高能鍵?！镌松锏鞍踪|(zhì)合成中的能量計算（合成一個二肽）例：合成200個a.a殘基的多肽，需消耗多少高能鍵？（理由）一個肽鍵的生成至少需要4個高能鍵，起始甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成，消耗2個高能鍵，起始階段需要1個高能鍵，終止階段需要1個高能鍵。（200-1）×4+2+1+1=800

ATP（GTP）高能鍵甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成ATP-AMP2起始（IF-2）GTP-GDP1第二個a.a-tRNA合成ATP-AMP2第二個a.a-tRNA進入核糖體（EF-TU）GTP-GDP1核糖體移位（EF-G）GTP-GDP1終止（RF3）GTP-GDP1第三節(jié)真核生物

多肽鏈的合成（自學）1、真核細胞核糖體比原核細胞核糖體更大更復雜；2、真核細胞的蛋白質(zhì)翻譯需要大量的蛋白因子，翻譯后加工和定向輸送比原核復雜得多。起始氨基酸為Met，不是fMet；3、蛋白質(zhì)的合成與mRNA的轉(zhuǎn)錄生成不偶聯(lián)；4、合成過程中有不同的抑制劑；5、真核細胞種線粒體、葉綠體的核糖體大小、組成及蛋白質(zhì)合成過程都類似于原核細胞。(一)、

翻譯起始真核的翻譯起始比原核更復雜，因為：（1）真核mRNA的二級結(jié)構(gòu)更為多樣和復雜（2）真核mRNA是經(jīng)過多重加工的，它被轉(zhuǎn)錄后首先要經(jīng)過各種加工才能從細胞核進入細胞質(zhì)中，并形成各種各樣的二級結(jié)構(gòu)。一些mRNA與幾種類型的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起形成一種復雜的顆粒狀，有時稱核糖核蛋白粒（ribonucleoproteinparticle）,在翻譯之前，它的二級結(jié)構(gòu)必須改變，其中的蛋白質(zhì)必須被去掉。(一)、

翻譯起始（3）核糖體需要掃描mRNA以尋找翻譯起始位點真核mRNA沒有SD序列來幫助識別翻譯起點，因此核糖體要掃描每一個mRNA。核糖體結(jié)合到mRNA的5’端的帽子結(jié)構(gòu)并向3’端移動一尋找起始位點。這種掃描過程很復雜，知之甚少，真核的翻譯起始用到的起始因子（eIF）至少有9種，多數(shù)的功能仍需進步研究。（1）40S小亞基-(eIF-3)結(jié)合到(eIF-2-GTP)-Met-tRNAi復合物上形成40S前起始復合物（40Spreinitiationcomplex）（2）mRNA結(jié)合到40S前起始復合物上形成40S起始復合物。（3）40S起始復合物掃描mRNA尋找適當?shù)钠鹗济艽a子（通常是5’端附近的AUG）。（4）40S復合物與60S大亞基結(jié)合形成80S起始復合物。(二)、

延伸與原核類似，也可分為aa-tRNA的入位、轉(zhuǎn)肽、核糖體移位三步反應。eEF、GTP等參與.(三)、

終止真核細胞中有兩個釋放因子eRF-1和eRF-3（GTP結(jié)合蛋白）介導終止。當GTP結(jié)合到eRF-3后它的GTPase活性就被激活，eRF-1和eRF-3-GTP形成一個復合物，當UAG，UGA，UAA進入A位點時，該復合物就結(jié)合到A位點上，接著GTP水解促使釋放因子離開核糖體，mRNA被釋放，核糖體解體成大小亞基，新生肽在肽酰轉(zhuǎn)移酶催化下被釋放。第四節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的調(diào)控一、翻譯起始的調(diào)控二、稀有密碼子對翻譯的影響三、重疊基因?qū)Ψg的影響四、poly(A)對翻譯的影響五、翻譯的阻遏六、魔斑核苷酸水平對翻譯的影響

肽鏈折疊是指從多肽鏈的氨基酸序列形成具有正確三維空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的過程。體內(nèi)多肽鏈的折疊目前認為至少有兩類蛋白質(zhì)參與，稱為助折疊蛋白:（1）酶：蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）；（2）分子伴侶肽鏈的折疊

Lasky于1978年首先提出分子伴侶（molecularchaperone）的概念，這是一類在細胞內(nèi)能幫助新生肽鏈正確折疊與裝配組裝成為成熟蛋白質(zhì)，但其本身并不構(gòu)成被介導的蛋白質(zhì)組成部分的一類蛋白因子，在原核生物和真核生物中廣泛存在。1、肽鏈末端的修飾：N-端fMet或Met的切除2、信號序列的切除3、氨基酸殘基的修飾4、糖基側(cè)鏈的添加5、異戊二烯基團的附加6、輔基的加入7、蛋白酶水解修飾：部分肽段的切除8、二硫鍵的形成9、蛋白合成受許多抗生素和毒素抑制第五節(jié)蛋白質(zhì)合成后的加工胰島素原的加工A鏈區(qū)B鏈區(qū)間插序列（C肽區(qū)）HSSHSHSHHSHS信號肽NC核糖體上合成出無規(guī)則卷曲的前胰島素原切除C肽后，形成成熟的胰島素分子切除信號肽后折疊成穩(wěn)定構(gòu)象的胰島素原SSSSNNCCA鏈B鏈胰島素CNS－SSS胰島素原SS多核糖體第一個編碼區(qū)第一個編碼區(qū)第二個編碼區(qū)第二個編碼區(qū)終止\起始終止起始mRNAmRNA5′5′3′3′第六節(jié)蛋白質(zhì)合成后的運輸

由于真核細胞的結(jié)構(gòu)和功能很復雜，所以蛋白質(zhì)合成后的定向轉(zhuǎn)運（targeting,translocati