生物化學(xué)第15章 蛋白質(zhì)的生物合成

1、第第15章章蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成15.1 蛋白質(zhì)的合成體系蛋白質(zhì)的合成體系15.1.1 mRNA15.1.2 核糖體15.1.3 tRNA15.2 蛋白質(zhì)的合成過程蛋白質(zhì)的合成過程15.2.1 氨基酸的活化15.2.2 活化氨基酸的轉(zhuǎn)運15.2.3 肽鏈合成的起始15.2.4 肽鏈合成的延長15.2.5 肽鏈合成的終止15.3 蛋白質(zhì)合成后的加工蛋白質(zhì)合成后的加工15.4 蛋白質(zhì)合成所需的能量蛋白質(zhì)合成所需的能量15.5 蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運15.6 蛋白質(zhì)合成的抑制劑蛋白質(zhì)合成的抑制劑15.7 寡肽的生物合成寡肽的生物合成 15. 1 蛋白質(zhì)合成體系蛋白質(zhì)合成體系 P

2、391 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成v蛋白質(zhì)生物合成(protein bisynthesis)，也稱翻譯，在細胞代謝中占有重要地位，早期研究工作是用大腸桿菌的無細胞體系(cellfrees stem)進行；v蛋白質(zhì)生物合成在細胞質(zhì)中進行；v蛋白質(zhì)合成的原料是氨基酸，反應(yīng)所需能量由ATP和GTP提供，約占生物合成反應(yīng)總耗能量的90%；蛋白質(zhì)的生物合成快速而復(fù)雜蛋白質(zhì)的生物合成快速而復(fù)雜v以E.coil為例，蛋白質(zhì)占細胞干重50左右。每個細胞中約有3000種不同的蛋白質(zhì)分子，每種蛋白質(zhì)又有無數(shù)分子，而大腸桿菌細胞的分裂周期不過20min，可見蛋白質(zhì)生物合成的速度之快；v蛋白質(zhì)生物合成過程十分復(fù)

3、雜，幾乎涉及到細胞內(nèi)所有種類的RNA和幾十種蛋白質(zhì)因子；v真核細胞蛋白質(zhì)合成機制與大腸桿菌有許多相似之處；蛋白質(zhì)合成過程有許多機制保證蛋白質(zhì)合成的蛋白質(zhì)合成過程有許多機制保證蛋白質(zhì)合成的忠實性忠實性15. 1. 1 mRNA P393vDNA上的遺傳信息轉(zhuǎn)錄給mRNA；vmRNA攜帶有為20種氨基酸編碼的密碼子和指導(dǎo)氨基酸摻入到肽鏈中的信息；vP393表15-1是mRNA上的密碼子：1. AUG：起始密碼，也是甲硫氨酸的密碼； 是蛋白質(zhì)合成的起始信號；2. UAA、UGA、UAG：終止密碼，是蛋白質(zhì)合成的終止信號； 遺傳密碼基本特點遺傳密碼基本特點 P394v略。15. 1. 2 核糖體核糖體

4、 P396v核糖體是蛋白質(zhì)合成的部位；核糖體存在部位核糖體存在部位v核糖體存在于細胞質(zhì)中或細胞內(nèi)膜上：1. 原核細胞中：原核細胞中：核糖體或以游離形式分布在細胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)，或附著在細胞質(zhì)膜內(nèi)側(cè)，或與mRNA 結(jié)合形成串狀的多核糖體；2. 真核細胞中：真核細胞中：核糖體既可游離存在，也可與細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（真核細胞重要細胞器，屬于細胞膜系統(tǒng)）結(jié)合，形成 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；3. 線粒體、葉綠體及細胞核有自己的核糖體；（1 1）核糖體的組成和結(jié)構(gòu)）核糖體的組成和結(jié)構(gòu) P396v核糖體是一個巨大的核糖核蛋白體； v由兩個亞基構(gòu)成：一個較大，一個較小； 1. 原核細胞核糖體：原核細胞核糖體： 70S亞基：由30S和5

5、0S亞基組成；2. 真核細胞核糖體： 80S亞基：由40S和 60S亞基組成；表15-4 表表15- 4P397（2）核糖體的功能v詳見蛋白質(zhì)合成過程；15. 1. 3 tRNA P398v每一種組成蛋白質(zhì)的氨基酸（20種），至少有一種tRNA負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運，大多數(shù)氨基酸具有幾種用來轉(zhuǎn)運的tRNA；v一個細胞中常含有50或更多的不同tRNA分子；v書寫時，將所運氨基酸寫在tRNA的右上角，如 tRNAPhe及tRNASer分別表示轉(zhuǎn)運Phe和Ser的tRNA；tRNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)-倒倒L型型tRNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)三葉草型三葉草型 tRNA分子上與多肽合成有關(guān)的位點分子上與多肽合成有關(guān)的

6、位點 P3981. 3端-CCA上氨基酸接 受位點；2.氨酰-tRNA合成酶識別 位點；3.核糖體識別位點；4.反密碼子位點； 第二套密碼系統(tǒng)第二套密碼系統(tǒng) P398vtRNA分子中貯存的遺傳密碼稱第二套密碼系統(tǒng)第二套密碼系統(tǒng)；v第二套密碼系統(tǒng)專一性決定tRNA分子所攜帶的氨基酸，是保證蛋白質(zhì)生物合成的忠實性機制之一；vtRNA的反密碼子中的核苷酸與mRNA中的第三個核苷酸配對時不嚴(yán)格遵循堿基配對原則；15. 2 蛋白質(zhì)的合成過程蛋白質(zhì)的合成過程 P399v蛋白質(zhì)合成是最復(fù)雜的生物化學(xué)過程之一，有上百種不同的蛋白質(zhì)以及30多種RNA分子參與； 蛋白質(zhì)生物合成反應(yīng)分蛋白質(zhì)生物合成反應(yīng)分5個階段個

7、階段 P3991. 氨基酸的活化與轉(zhuǎn)移；2.活化氨基酸的轉(zhuǎn)運；3.肽鏈合成的起始；4.肽鏈合成的延長；5. 肽鏈合成的終止；1. 多肽鏈合成方向：多肽鏈合成方向：從N端向C端進行；2. mRNA上讀碼（翻譯）方向：上讀碼（翻譯）方向：從mRNA 5端向端向3端進行;v因mRNA從DNA模板的轉(zhuǎn)錄作用也由53進行，所以mRNA的轉(zhuǎn)錄還沒有完成時，翻譯就可以開始；讀碼方向和肽鏈合成方向讀碼方向和肽鏈合成方向15. 2.1 氨基酸的活化氨基酸的活化v氨基酸在參加蛋白質(zhì)生物合成之前需要活化以獲取能量;v在氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶催化下，生成氨酰-AMP ： 氨基酸 + ATP 氨酰-tRNA合成

8、酶 氨酰AMP-酶 + PPi 高能復(fù)合物v在氨酰-AMP分子中，氨酰基同腺苷酸核糖C-5上的磷 酸基結(jié)合；15. 2. 2 活化氨基酸的轉(zhuǎn)運活化氨基酸的轉(zhuǎn)運v氨酰氨酰AMP-酶酶的氨?；D(zhuǎn)移給tRNA形成氨酰氨酰-tRNA ，再轉(zhuǎn)移到核糖體上的一段反應(yīng)；v仍由氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶催化完成；v氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶在轉(zhuǎn)運時有校對作用：發(fā)現(xiàn)tRNA錯 裝氨基酸，能將氨基酸水解下來，并換上正確氨基酸；在活化氨基酸的轉(zhuǎn)移過程中，在活化氨基酸的轉(zhuǎn)移過程中，tRNA起起3種作用種作用1. 為正確轉(zhuǎn)運所需氨基酸，tRNA能識別專一性的氨酰-tRNA 合成酶（tRNA沒有識別氨基酸的能力）

9、； 2. tRNA能識別mRNA的密碼子，將攜帶的氨基酸引到照 mRNA密碼順序特定的“座位上入座”；3. tRNA能使正在生長的肽鏈與參加轉(zhuǎn)譯的核糖體結(jié)合；v對照P398 15.1.3 tRNA中所述4個位點。氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶1.有2個底物：氨基酸和相應(yīng)的tRNA； 2.對底物具有高度專一性；3.有兩個識別位點： 識別所需氨基酸并與之連接； 識別特定tRNA，將氨基酸轉(zhuǎn)移給tRNA；4.催化活化氨基酸轉(zhuǎn)運時同時進行氨基酸校對；v酶的這種高度專一性和校對作用是保證遺傳信息準(zhǔn)確翻酶的這種高度專一性和校對作用是保證遺傳信息準(zhǔn)確翻譯的重要條件；譯的重要條件；氨酰氨酰-tRNA合成酶合成

10、酶催化的反應(yīng)催化的反應(yīng)1. 催化2個反應(yīng)：氨基酸活化和轉(zhuǎn)移；2. 每合成1個氨酰-tRNA，消耗1個ATP的2個高能磷酸鍵 1個用來形成氨基酸和tRNA之間的酯鍵酯鍵； 1個用來驅(qū)使反應(yīng)向前進行。15. 2. 3 肽鏈合成的起始肽鏈合成的起始 P400v多肽合成在核糖體上完成；v大腸桿菌中多肽鏈合成分三個階段： 起始、延長、終止；原核細胞合成蛋白質(zhì)時的起始物是原核細胞合成蛋白質(zhì)時的起始物是f Met - tRNAf（甲酰甲硫氨酰（甲酰甲硫氨酰-tRNA）vf Met - tRNAfMet ：f 表示甲?；?； 即第一個氨基酸總是甲硫氨酸（ Met ）；v見P401圖15-7；f Met-tRNA

11、fMet 形成過程形成過程 核糖體和起始核糖體和起始tRNA如何如何識別識別mRNA分子上分子上起始密碼起始密碼AUGvmRNA分子5端序列對起始密碼的選擇有重要作用；vmRNA上的起始密碼子為AUG，少數(shù)為GUG；vAUG與GUG還分別是鏈內(nèi)Met與Val的密碼子，f Met-tRNAfMet 怎樣找到真正的起始密碼子呢？v通過SD序列； SD序列序列 2-1 P395vSD序列：序列：細菌（原核生物）的mRNA在離起始密碼子AUG 5側(cè)約10個核苷酸處有一段富含嘌呤的核苷酸序列，稱 （49個核苷酸長度）；vSD序列與30S核糖體亞基中的16S rRNA3 末端一部分核苷酸序列互補，這部分堿

12、基配對使核糖體與mRNA結(jié)合，使起始 tRNA找到mRNA上真正的起始密碼子； SD序列序列 2-2 P396圖15-4 真核生物如何識別起始密碼子真核生物如何識別起始密碼子v通過掃描機制尋找起始密碼： 其mRNA通常只為一條多肽鏈編碼，核糖體與mRNA 5端結(jié)合之后，通過一種掃描機制向3移動尋找起始密碼，翻譯起始于從核糖體進入部位向下游掃描到的第一個AUG序列； （mRNA5末端的帽子結(jié)構(gòu)可能對于核糖體進入部位的識別起到一定作用）；真核生物核糖體識別真核生物核糖體識別mRNA上上AUG的位的位點點 原核生物：形成原核生物：形成70S起始復(fù)合物起始復(fù)合物 P401v主要參與物；（1）eIF-l

13、6： 多種起始因子；（2）30S、50S、fMet - tRNAf、mRNA；（3）能量：GTP；v分3步： 第一步第一步第二步第二步 第一步第一步 第第1步：步：30S-mRNA-IF第第2步：步：30S起始復(fù)合物起始復(fù)合物第第3步：步：70S起始復(fù)合物起始復(fù)合物fMet tRNAf fMet tRNAf起起始始復(fù)復(fù)合合物物的的形形成成P401 圖圖15-7 （1）形成）形成30S-mRNA-IF復(fù)合物：復(fù)合物： 在IF-2，3促成下，30S同mRNA結(jié)合形成；（2）形成）形成30S起始復(fù)合物起始復(fù)合物(30S-mRNA-fMet-tRNAf-GTP- IF-1-IF-2復(fù)合物) ： 30S

14、-mRNA-IF-3復(fù)合物在IF-1、IF-2參加下與fMet- tRNAf及GTP結(jié)合形成，放出IF-3；（3）形成）形成70S起始復(fù)合物：起始復(fù)合物： (70S-mRNA-fMet-tRNAf) 50S的加入和GTP的水解形成，釋出IF-1和IF-2；vfMet-tRNAf位于70S核糖體的P位置（接受肽基）上； 真核生物：形成真核生物：形成80S起始復(fù)合物起始復(fù)合物 P402v自己閱讀。15. 2. 4 肽鏈的延長：肽鏈的延長： P402v從70S起始復(fù)合物開始，肽鏈延長過程包括3步： （1） 進位；進位； （2）轉(zhuǎn)肽；）轉(zhuǎn)肽； （3）移位；）移位；v主要參與物：（1）EF-T：延長因子

15、，有EF-Tu、EF-Ts 、EF-G；（2）能量：GTP；（3）新來的氨酰- tRNA；核糖體上有接受肽基的核糖體上有接受肽基的P位和接受氨酰基的位和接受氨?；腁位位1. P位：fMet-tRNAfMet在P位；2. A位：新來的AA- tRNA進A位并成肽；3. fMet-tRNAfMet移到A位成肽；4 .肽基移到P位，A位空，又接受新來的氨酰- tRNA； 70S新新氨酰氨酰- tRNA進進A位位消耗能量消耗能量GTP；核糖體在核糖體在mRNA上從上從53 方向移動（讀碼）方向移動（讀碼）（1）進位）進位P402圖15-8（2）轉(zhuǎn)肽）轉(zhuǎn)肽 P403圖圖15-9vfMet tRNA上f

16、Met到A位，其上的羧基與新來的氨酰-tRNA上的氨基形成肽鍵；v空載的tRNA仍在P位；v轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)肽酶催化催化反應(yīng)； 脫落：脫落：tRNA 從從P位脫落位脫落移位移位（3）移位）移位 tRNA從P位脫落； 形成的肽鏈由A位移到P位； A位空； 移位酶移位酶（G蛋白）催化核糖體移位：在mRNA 上移動一個密碼子；P284圖圖13-8 肽鏈延長肽鏈延長詳述詳述（1）進位：）進位：v在mRNA指導(dǎo)下， 氨酰-tRNA與70S的A位結(jié)合，EF-T和GTP參加；v除fMet-tRNAf外，一切氨酰-tRNA都需與EF-Tu-GTP結(jié)合后才能同70S起始復(fù)合物的A位結(jié)合；vfMet-tRNAf不能同EF

17、-Tu結(jié)合，所以fMet-tRNAf不被引到 A位；（2）轉(zhuǎn)肽：轉(zhuǎn)肽： 在轉(zhuǎn)肽酶（肽基轉(zhuǎn)移酶）轉(zhuǎn)肽酶（肽基轉(zhuǎn)移酶）催化下，P位上fMet-tRNAf的fMet基轉(zhuǎn)給A位上新來氨酰-tRNA，fMet的羧基與A位新來氨基酸的NH2基結(jié)合形成肽鍵，由GTP提供能量； 無載荷的OH-tRNAf留在P位上；（3）移位移位: vfMet-tRNAf的肽基轉(zhuǎn)移給新來的氨酰-tRNA形成肽鍵后： 脫落：脫落： P位上的OH-tRNAf離開P位；移位：移位：A位上的氨酰-tRNA移到P位，A位空，供下輪肽鍵延長時新來氨基酸結(jié)合之用；移位：移位：同時，核糖體沿mRNA的5向3方向移動1個密碼子，mRNA的下一個

18、密碼子進入A位，被前來參加蛋白質(zhì)合成的新氨酰-tRNA反密碼子識別，將氨基酸引進預(yù)定位置；v需移位酶移位酶（G因子）和GTP參加；15. 2. 5 肽鏈合成的終止肽鏈合成的終止 P404 v主要參與物（表13-3）：（1）R：釋放因子 ： R1：識別UAA和UAG； R2：識別UAA和UGA；（2）終止密碼子：UAA，UGA和UAG ；v當(dāng)肽鏈延長到終止密碼時（即轉(zhuǎn)譯到終止密碼時）， RF在A位上同終止密碼結(jié)合，肽鏈延長停止；肽鏈的釋放肽鏈的釋放v在P位上，R（釋放因子） 水解肽鏈與tRNA間的酯鍵；v70S復(fù)合物解體； 真核細胞蛋白質(zhì)生物合成起始復(fù)合物真核細胞蛋白質(zhì)生物合成起始復(fù)合物1. 合

19、成肽鏈的起始物：Met - tRNA；2. 起始復(fù)合物：80S起始復(fù)合物；3. 起始因子：eIF； 肽鏈合成結(jié)束后肽鏈合成結(jié)束后1. 被釋出的多肽鏈按照各自的遺傳特定方式折疊成有獨特構(gòu)象的蛋白質(zhì)分子；2. tRNA可再作為活化氨基酸的載體；3. 70S核糖體解離成30S和50S亞基，準(zhǔn)備另一個蛋白質(zhì)分子合成；4. mRNA只能使用一次或數(shù)次，便被核糖核酸酶降解，新合成的mRNA不斷從細胞核轉(zhuǎn)移到核糖體上，以保證蛋白質(zhì)合成持續(xù)進行； 蛋白質(zhì)合成過程總結(jié)蛋白質(zhì)合成過程總結(jié) 15. 3 蛋白質(zhì)合成的后加工蛋白質(zhì)合成的后加工 P405v由mRNA翻譯出來的多肽鏈，多數(shù)是沒有功能的，一般要經(jīng)過各種方式的

20、“加工處理”才能轉(zhuǎn)變成為有一定生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)。加工的方式很多，主要包括8種：v掌握：掌握：8種加工方式中任意種加工方式中任意3種，不要求詳細步驟。種，不要求詳細步驟。 N端甲?；蚨思柞；騈端氨基酸的除去：端氨基酸的除去：原核細胞蛋白質(zhì)經(jīng)去甲?；杆獬端的甲?；?，然后在氨肽酶的作用下再切去1個或多個N端的氨基酸； 真核細胞中N端的甲硫氨酸常常在肽鏈的其他部分還未完全合成時就已經(jīng)水解下來。 信號肽的切除信號肽的切除：某些蛋白質(zhì)在合成過程中，在新生肽鏈的N端有一段信號肽(約1530個氨基酸殘基)，由高度疏水性氨基酸組成，這種強的疏水性有利于多肽鏈穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，當(dāng)多肽鏈穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，進入

21、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔后立即被信號肽酶作用,將信號肽除去。 二硫鍵的形成：二硫鍵的形成：mRNA中沒有胱氨酸密碼子，胱氨酸中的二硫鍵是通過2個半胱氨酸-SH基的氧化形成的。 氨基酸的修飾：氨基酸的修飾：有些氨基酸如羥脯氨酸、羥賴氨酸沒有對應(yīng)的密碼子，這些氨基酸是在肽鏈合成后由羥化酶催化使氨基酸羥化而成。 切除一段肽段：切除一段肽段：某些蛋白質(zhì)合成后要經(jīng)過專一的蛋白酶水解，切除一段肽段，才能顯示生物活性。 加糖基：加糖基：糖蛋白中的糖鏈?zhǔn)窃诙嚯逆満铣芍谢蚝铣珊笸ㄟ^共價鍵連接到相關(guān)的肽段上。 輔基的附加輔基的附加 ：許多蛋白質(zhì)的活性需要共價結(jié)合的輔基。這些輔基是在多肽鏈離開核糖體后才與多肽鏈結(jié)合的。如乙酰-CO

22、A羧化酶與生物素的共價結(jié)合，以及細胞色素與血紅素的共價結(jié)合等； 多肽鏈的折疊：多肽鏈的折疊：蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu)，所以合成后的多肽鏈能自動折疊。但是在細胞中并不是所有蛋白質(zhì)合成后都能自動折疊，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了1個能幫助其他蛋白質(zhì)折疊的蛋白質(zhì)，稱分子伴侶或多肽鏈結(jié)合蛋白，有些蛋白質(zhì)在分子伴侶的幫助下，折疊成正確構(gòu)象。15. 4 蛋白質(zhì)合成所需能量蛋白質(zhì)合成所需能量 P406v由ATP和GTP提供能量；v蛋白質(zhì)合成反應(yīng)不可逆；v能量保證表達的準(zhǔn)確性；15. 5 蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運（閱讀）蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運（閱讀） P407v蛋白質(zhì)定向地到達其執(zhí)行功能的目標(biāo)地點，稱為定向轉(zhuǎn)運（protein targ

23、eting）；v原、真核生物新合成的蛋白質(zhì)須轉(zhuǎn)運到特定亞細胞部位或運輸?shù)桨獠拍馨l(fā)揮其相應(yīng)的功能，尤其在真核生物中，新合成的多肽被送往溶酶體、線粒體、葉綠體、細胞核等細胞器；蛋白質(zhì)的加工修飾也在特定的細胞器中進行；蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運機制蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運機制 信號肽理論信號肽理論v多肽鏈中的信號序列（信號肽）控制蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)移與定位；正在合成的多肽鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工的正在合成的多肽鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工的8個步驟個步驟在細胞溶膠中的核糖體大、小亞基附著在mRNA上形成蛋白質(zhì)合成的起始復(fù)合物，開始蛋白質(zhì)合成；信號序列即信號肽最早出現(xiàn)于合成過程中，因為它處于N端；信號識別顆粒（signal recognition particle，SRP）是一種核蛋白，由1分子7S RNA和6個不同的多肽組成。當(dāng)多肽合成到約70個氨基酸長時，它識別信號序列，并與核糖體結(jié)合，阻止肽鏈延長或使延長速度減慢，防止未成熟蛋白質(zhì)釋放入細胞溶膠中；正在合成的多肽鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工的正在合成的多肽鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工的8個步驟個步驟核糖體-信號識別顆粒復(fù)合物，通過SRP與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的SRP受體（停泊蛋白，docking protein ）結(jié)合；新生肽鏈被傳遞到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一個多肽轉(zhuǎn)移復(fù)合物上，伴隨GTP的水解，信號識別顆粒解離并重新進入SRP循環(huán)并被利用；蛋白質(zhì)合成重新開始，在ATP驅(qū)使下，轉(zhuǎn)移復(fù)合物將正在生長的多肽轉(zhuǎn)遞進