生物化學第十二章 蛋白質(zhì)生物合成

1第十二章

蛋白質(zhì)的生物合成

PROTEINBIOSYNTHESIS

2本章主要內(nèi)容蛋白質(zhì)生物合成體系

mRNA——直接模板核糖體——合成場所

tRNA——氨基酸的運載工具，蛋白質(zhì)合成的適配器肽鏈的生物合成過程原核真核蛋白質(zhì)翻譯后修飾和靶向輸送翻譯后修飾靶向輸送蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制抗生素毒素、干擾素3

反轉(zhuǎn)錄DNA復制RNA復制DNARNA

蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯4蛋白質(zhì)生物合成——翻譯（translation）以mRNA為模板、以氨基酸為原料，合成特定多肽鏈的過程。這樣，mRNA分子中的核苷酸序列就被翻譯為蛋白質(zhì)的氨基酸序列。5第一節(jié)蛋白質(zhì)生物合成體系

THEMACHINERYOFPROTEINSYNTHESIS三種RNA：

mRNA——模板

tRNA——特異的“搬運工具”

rRNA——“裝配機”20種α-氨基酸——原料酶與蛋白質(zhì)因子

氨基酰-tRNA合成酶，轉(zhuǎn)肽酶，轉(zhuǎn)位酶

IF／eIF，EF，RF無機離子及能量：Mg2+，K+，ATP，GTP6一蛋白質(zhì)合成機制研究的三大成就Zamecnik證明核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所（1953年）ThreeAdvancesforDeducingProteinSynthesisPaulZamecnikHoagland和Zamecnik發(fā)現(xiàn)了“活化”的氨基酸－氨基酰-tRNA

(1955年)MahlonHoagland78FrancisCrickCrick提出DNA與蛋白質(zhì)之間有轉(zhuǎn)換分子（1958年）DNAmRNA

蛋白質(zhì)9mRNAstructureopenreadingframe(ORF)二mRNA與遺傳密碼

mRNAandGeneticCode10遺傳密碼mRNA的作用：翻譯的直接模板

mRNA

堿基語言(4字符)

蛋白質(zhì)

氨基酸語言(20字符)?11在mRNA分子的ORF區(qū)，從5’端→3’端，每相鄰的3個核苷酸組成一組，在蛋白質(zhì)合成時，對應某一種氨基酸，這就是遺傳密碼。相鄰的三個核苷酸稱為密碼子(codon)或三聯(lián)體密碼(triplet)

遺傳密碼

——mRNA上的密碼語言（GeneticCode）12遺傳密碼表P29213起始密碼與終止密碼initiationcodon&terminationcodon

起始密碼起始密碼位于mRNA5’端附近，起始密碼最適上下文序列為：

CC－CCAUGGAGAUG甲硫氨酸initiationcodonUAAUAGUGA

終止密碼terminationcodon不代表任何氨基酸TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968"fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis"HolleyRWKhoranaHGNirenbergMW1415遺傳密碼的特點方向性directivity連續(xù)性continuity簡并性

degeneracy通用性

universality擺動性wobble16(一)方向性(directivity)

密碼子的排列是從mRNA5’→3’端起始密碼位于5’端；終止密碼位于3’端

（二）連續(xù)性

(continuity)(frameshiftmutation)密碼子在mRNA上連續(xù)排列相鄰密碼子之間既無間斷也無交叉重疊如插入或缺失堿基可能導致移碼突變17proteinAUGGGCUCCAUCGGCGCAUAAmRNAstartcodonmethionineglycineserineisoleucineglycinealanine

stopcodoncodon2codon3codon4codon5codon6codon7codon15’3’密碼子的方向性和連續(xù)性18密碼子閱讀框既無間隔也不重疊蛋氨酸天冬酰胺精氨酸谷氨酸甘氨酸AUGAAUAGAGAAGGCCG……一個堿基突變,會如何？堿基丟失賴氨酸丙氨酸后續(xù)全變－移碼突變酪氨酸UU一個堿基突變一個氨基酸改變第三個堿基改變

氨基酸有可能不變C19(三)簡并性（degeneracy）多個密碼子對應一種氨基酸的現(xiàn)象A,G,C,U共可組成64（43）種密碼子

61

種密碼子：代表不同的氨基酸

3

種密碼子：代表終止密碼組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸：20種20遺傳密碼舉例：UUAUUGCUUCUCCUACUG亮氨酸(Leu)AUG

甲硫氨酸(Met)UUUUUC苯丙氨酸(Phe)ACUACCACAACG蘇氨酸(Thr)21(四)通用性（Universality）從病毒、細菌到人，所有生物均使用同一套密碼子說明各種生物在進化上具有同源性。通用性是相對的線粒體中：UAG不代表終止信號而是代表色氨酸

AGA、AGG：終止密碼

AUA：起始密碼；甲硫氨酸某些細菌：GUG也可作啟動信號225’3’mRNAtRNA3’5’3’5’3’5’反密碼子與密碼子的配對：（1）反向互補（2）不穩(wěn)定（擺動性）（五）擺動性wobble23密碼子與反密碼子配對的擺動現(xiàn)象GUUCAGUCAmRNA密碼子第3位堿基CAGUItRNA反密碼子第1位堿基

密碼子的第1、2、3

個核苷酸與反密碼子的第3、2、1

個核苷酸配對24

ExampleofBase-pairingWobble25tRNA是氨基酸與密碼子間的“特異接頭”tRNA,TheAdaptorofAnAminoAcidtoItsCodon26tRNA轉(zhuǎn)運氨基酸的特點tRNA轉(zhuǎn)運氨基酸具有特異性

一種tRNA對應一種氨基酸一種氨基酸可由多種tRNA轉(zhuǎn)運氨基酸結合于tRNA的3’末端(CCA-OH)

氨基酰-tRNA表示法：ala-tRNAala

met-tRNAimet

met-tRNAmet

tRNA上的反密碼子識別mRNA上的密碼子,

使所攜帶的氨基酸準確對號入座。27四核糖體是肽鏈合成的“裝配機”

Ribosome，theMachineryforSynthesisofPeptideChain28

核糖體組成

大、小兩個亞基主要成分是多種蛋白質(zhì)＋rRNA29核糖體的組成21種原核真核小亞基rRNA蛋白質(zhì)rRNA蛋白質(zhì)大亞基16S-rRNA18S-rRNA33種5S,23S-rRNA5S,5.8S,28S-rRNA49種36種大小30S40S大小50S60S核糖體大小70S80S核糖體功能區(qū)：

受位(氨基酰位，A位)

acceptorsite

(aminoacylsite)給位(肽位，P位):donorsite(peptidylsite)排出位（E位，原核）exitsite3031mRNA

2tRNA?？课稽cA結合AA-tRNAP結合肽酰-tRNA和起始Met-tRNA真核生物核糖體結構模式32蛋白質(zhì)合成的高效性－多核糖體（polysome）（真核）33蛋白質(zhì)合成的高效性－多核糖體（polysome）（原核）34TheNobelPriceinChemistry2009"forstudiesofthestructureandfunctionoftheribosome"/nobel_prizes/chemistry/laureates/2009/35

氨基酸活化形成氨基酰-tRNAtRNA氨基酰-tRNAMg2+Mn2+AminoacidAminoacidATP+aminoacyl-tRNAsynthetase3’5’氨基酰-tRNA合成酶第二節(jié)氨基酸的活化

ACTIVATIONOFAMINOACIDS36對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性具有校正活性(proofreadingactivity)

氨基酰-tRNA合成酶的作用特點保證tRNA攜帶正確的氨基酸37

真核生物起始:Met-tRNAiMet

原核生物起始：fMet-tRNAifMet

（轉(zhuǎn)甲?；复呋?，甲?；伤臍淙~酸提供）38第三節(jié)肽鏈的生物合成過程

PROCESSOFPEPTIDESYNTHESIS

起始（initiation）延長（elongation）終止（termination）

核糖體循環(huán)ribosomecycle39一肽鏈合成的起始（原核生物）

InitiationinRibosomeCycle需要因子：Mg2＋、GTP、起始因子(IF)模板mRNA核糖體大小亞基組成起始復合物fMet-tRNAfMet40原核起始因子(initiationfactor,IF)：

IF3:抑制核糖體大、小亞基過早聚合;

促進小亞基與mRNA結合

IF2:促進fmet-tRNAfmet與核糖體小亞基結合;GTP酶活性（GTP→GDP+Pi）

IF1:輔助IF2、IF341起始復合物的形成過程核糖體大小亞基分離mRNA在小亞基定位結合起始氨基酰-tRNA結合核糖體大亞基結合42IF-3IF-11.

核糖體大小亞基分離43AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結合44S-D序列

(Shine-Dalgarnosequence)45IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)結合到小亞基，形成30S起始復合物。AUG5'3'46IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖體大亞基結合,形成70S起始復合體AUG5'3'47IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始復合物的形成過程48二肽鏈延長

ElongationinRibosomeCycle即核糖體自mRNA5’端向3’端推進翻譯過程，需延長因子(EF)、GTP和無機離子循環(huán)進行肽鏈延長肽鏈延長過程：1.進位(entrance)2.成肽(peptidebondformation)3.轉(zhuǎn)位(translocation)49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，結合并分解GTPeEF-1-αEF-Ts調(diào)節(jié)亞基,促進EF-Tu再利用eEF-1-βγ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eEF-2肽鏈合成的延長因子

(elongationfactor,EF)EF-G50又稱注冊(registration)1.進位(entrance)根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰-tRNA進入核糖體A位51延長因子EF-Tu

促進氨基酰tRNA

與核糖體A位結合延長因子EF-Ts

促進EF-Tu的再利用52TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGDP進位(entrance)532.成肽

(peptidebondformation)由轉(zhuǎn)肽酶催化肽鍵生成543.轉(zhuǎn)位(Translocation)EF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，通過水解1分子GTP，促進核糖體向mRNA的3’側(cè)移動。55fMetAUG5'3'fMetTuGTP成肽與轉(zhuǎn)位56進位轉(zhuǎn)位成肽57每一循環(huán)生成一個肽鍵每生成一個肽鍵平均消耗5個高能磷酸鍵（活化:2；進位:1；轉(zhuǎn)位:1；校正：1）密碼子閱讀方向：5’

3’多肽鏈延長方向：N端C端肽鏈延長過程特點：58

三肽鏈合成的終止

TerminationinRibosomeCycle當翻譯至mRNA終止密碼時，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖體等分離。59終止因子辨認終止密碼（UAA、UGA、UAG）轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)樗饷鸽逆溼尫舖RNA釋放大小亞基分離終止因子（或稱釋放因子,releasefactor,RF）

辨認終止密碼，使轉(zhuǎn)肽酶變?yōu)樗饷?，水解肽鏈與tRNA

的連接，促進肽鏈從核糖體釋放。終止過程：RF1,RF2,RF360原核肽鏈合成終止過程

61UAG5'3'RFCOO-肽鏈合成終止過程62

核糖體循環(huán)

RibosomeCycle

蛋白質(zhì)翻譯過程中，核糖體大小亞基聚合，完成肽鏈合成的起始、延長及終止過程后解離，然后再聚合成完整的核糖體，開始新的肽鏈合成，循環(huán)往復。63真核與原核生物蛋白質(zhì)合成的異同：

相同點：遺傳密碼相同組分相似：核糖體，tRNA，各種蛋白質(zhì)因子合成途徑相似

不同點：（見下表）四真核生物蛋白質(zhì)合成的特點CharacteristicsofProteinSynthesisinEukaryotes64

原核

真核

mRNA多順反子(polycistron)單順反子(monocistron)

無“帽、尾”結構，有“帽、尾”結構

5’起動信號上游有SD序列無SD序列

核糖體30S+50S=70S40S+60S=80S起始AAfMet-tRNAfMetMet-tRNAiMetIF、EFIF3種eIF10多種及RFEF-Tu、EF-Ts、EF-GeEF1、eEF2RF1、RF2、RF3eRF轉(zhuǎn)錄與翻譯轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)不偶聯(lián)（分隔進行）的關系（幾乎同時進行）抑制劑抗生素白喉毒素、植物毒素等65

真核生物線粒體存在獨立的蛋白質(zhì)合成體系，與真核細胞質(zhì)合成體系不同，與原核體系類似。

抗生素有一定的副作用

66第四節(jié)翻譯后修飾與靶向輸送

POSTTRANSLATIONALMODIFICATION

ANDTARGETING折疊為天然構象的蛋白質(zhì)氨基酸殘基的化學修飾亞基聚合、輔基連接定向輸送至特定位點從核糖體釋放出的新生多肽鏈，需經(jīng)過各種翻譯后加工才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯嬒蟮墓δ艿鞍住Ｖ饕ǎ?7一多肽鏈折疊為天然構象的蛋白質(zhì)細胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都不是自動完成，而需要其他酶或蛋白蛋白因子的輔助。分子伴侶

(molecularchaperon)

是細胞內(nèi)一類保守蛋白質(zhì)，可識別肽鏈的非天然構象，促進各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊

熱休克蛋白

(heatshockprotein,HSP)

伴侶素

(chaperonin)

68伴侶素作用示意圖69二翻譯后加工與修飾的主要方式PosttranslationalProcessingandModification(一)二硫鍵的形成－S－S－兩個Cys殘基形成二硫鍵（鏈內(nèi)或鏈間）胰島素(insulin)核糖核酸酶(ribonuclease)70(二)氨基酸殘基的化學修飾磷酸化(Phosphorylation)Ser、Thr、Tyr乙?；?Acetylation)Lys甲基化(Methylation)

Lys，Arg羥基化(Hydroxylation)Pro，Lys糖基化（glycosylation）Asn,Ser,Thr71磷酸化絲氨酸磷酸化蘇氨酸磷酸化酪氨酸OHProtein

PProtein

ProteinKinaseATPADPPhosphatasePi72

ATP

ADP

磷酸化酶b激酶

磷酸化酶b

磷酸化酶a

（無活性）磷蛋白磷酸酶（有活性）

Pi

H2OP糖原分解

ATP

ADP

糖原合酶激酶糖原合酶

糖原合酶

（有活性）磷蛋白磷酸酶（無活性）

Pi

H2OP糖原合成73(三)蛋白質(zhì)前體中肽段的切除

在核糖體合成的肽鏈大多數(shù)是蛋白質(zhì)前體(precursor)，需水解切除部分肽段，才能形成有活性的蛋白質(zhì)胰島素的加工74三亞基聚合、輔基連接75（一）亞基聚合α鏈β鏈Hb含多個亞基的蛋白質(zhì)聚合成有生物活性的蛋白質(zhì)（二）結合蛋白質(zhì)的合成結合蛋白質(zhì)如糖蛋白、脂蛋白、色素蛋白分別需加糖、加脂、加輔基等才成為活性蛋白質(zhì)76四蛋白質(zhì)的靶向輸送

PROTEINTARGETING1.保留在細胞質(zhì)

2.進入細胞器

3.分泌到細胞外信號肽(signalpeptide)蛋白質(zhì)合成后的去向：信號肽的特點：

位于多肽鏈的N端序列保守77信號肽的一級結構堿性氨基末端（精、賴）疏水核心區(qū)（亮、異亮）加工區(qū)（甘、丙、絲）信號肽酶裂解位點78分泌型蛋白質(zhì)合成后輸送至細胞外粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體分泌小泡79作用由6種蛋白質(zhì)與7S-RNA組成的復合體既與分泌蛋白的信號肽結合，又與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的SRP受體結合，有助于信號肽找到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號肽識別顆粒（SignalRecognitionParticles，SRP）80分泌型蛋白質(zhì)進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的過程81TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1999GünterBlobel"forthediscoverythatproteinshaveintrinsicsignalsthatgoverntheirtransportandlocalizationinthecell"82細胞核蛋白的靶向輸送

細胞質(zhì)內(nèi)合成帶有核定位信號（nuclearlocalizationsequence,NLS）由核孔進人核內(nèi)83第五節(jié)蛋白質(zhì)合成的干擾和抑制

INTERFERENCEANDINHIBITION

OF

PROTEINSYSTHESIS

作用于不同環(huán)節(jié)：復制過程：多數(shù)抗腫瘤藥物轉(zhuǎn)錄過程：利福平等翻譯過程：多數(shù)抗生素

作用于不同生物：原核生物：抗生素真核生物：毒素84（一）抗生素類阻斷劑與核糖體結合，直接作用于翻譯過程抗生素作用點作用原理四環(huán)素族（金霉素、新霉素、土霉素）30S亞基阻礙氨基酰tRNA與小亞基結合。易透入菌體，但不易透入哺乳類動物細胞鏈霉素、卡那霉素30S亞基抑制啟