蛋白質的生物合成word03

導學1、掌握遺傳密碼的基本規(guī)律2、掌握蛋白質合成的體系。3、掌握蛋白質生物合成的基本過程。4、掌握蛋白質合成后加工的主要方式。了解蛋白質合成后的輸送。第1頁/共113頁16.1遺傳密碼16.2蛋白質合成體系16.3蛋白質的合成過程16.4蛋白質合成后的加工修飾16.5蛋白質的定向運輸?shù)?頁/共113頁將mRNA分子中由堿基序列組成的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式轉變成為蛋白質中的氨基酸排列順序，因而稱為翻譯（translation)。第3頁/共113頁從RNA到蛋白質第4頁/共113頁16.1

遺傳密碼密碼子（codon）：mRNA中的核苷酸序列與多肽鏈中氨基酸序列之間的對應關系。mRNA上每三個連續(xù)核苷酸對應一個氨基酸，這三個連續(xù)的核苷酸就稱為一個密碼子，或三聯(lián)體密碼（tripletcodons）。16.1.1遺傳密碼和密碼單位苯丙氨酸組氨酸蘇氨酸第5頁/共113頁遺傳密碼（geneticcodon)：密碼子的總和。mRNA——4種堿基

1個堿基作為密碼——4個密碼子（41）

2個堿基作為密碼——16個密碼子（42）

3個堿基作為密碼——64個密碼子（43）64個密碼子：其中61個代表20種氨基酸，3個代表終止密碼子。第6頁/共113頁

保溫蛋白質合成停止polyU，ATP，GTP，氨基酸多聚苯丙氨酸（UUU是Phe的密碼子）同樣方法證明：CCC是Pro的密碼子，

AAA是Lys的密碼子.......提取液（DNA、mRNA、tRNA、核糖體、酶等）遺傳密碼的破譯第7頁/共113頁1968年諾貝爾生理醫(yī)學獎第8頁/共113頁遺傳密碼字表第9頁/共113頁起始密碼（startcodon

）：AUG（編碼甲硫氨酸、甲酰甲硫氨酸），少數(shù)情況

GUG；終止密碼（stopcodon

）：無義密碼子(nonsensecodons)，不編碼氨基酸的密碼子，它們單個或串聯(lián)在一起用于多肽鏈翻譯的結束，沒有相應的tRNA存在，有UAA、UAG、UGA。同義密碼（synonymouscodon）：編碼相同氨基酸的不同密碼子。第10頁/共113頁第11頁/共113頁遺傳密碼的基本特征方向性連續(xù)性不重疊性簡并性擺動性通用性第12頁/共113頁

重疊密碼非重疊連續(xù)的密碼不連續(xù)的密碼方向性(directional)

：5’→3’，AUG。

連續(xù)性（continuity）不重疊性（nonoverlapping）第13頁/共113頁基因損傷引起mRNA閱讀框架內的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致移碼突變。第14頁/共113頁簡并性（degeneracy）：

多個密碼子編碼同一種氨基酸的現(xiàn)象。在遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2~4個或多至6個密碼子。密碼的簡并性往往表現(xiàn)在密碼子的第三位堿基上。密碼的偏愛性：在不同生物中使用同義密碼子的頻率是不相同的。意義：減少有害突變，維持物種穩(wěn)定。第15頁/共113頁擺動性（wobble）tRNA上反密碼子的第1位堿基與mRNA密碼子的第3位堿基配對時，并不嚴格遵循堿基配對規(guī)律，可以在一定范圍內變動的現(xiàn)象，又稱變偶性。其它兩個堿基要嚴格配對。第16頁/共113頁反密碼子第1位堿基IUGAC密碼子第3位堿基U,C,AA,GU,CUG密碼子的表示法：密碼子的專一性基本取決于前兩位堿基，第三位堿基起的作用有限（有較大靈活性）。第17頁/共113頁通用性（universal）：

指各種低等和高等生物，包括病毒、細菌及真核生物基本上共用一套遺傳密碼。密碼的變異性：目前已知線粒體DNA(mtDNA)和葉綠體的編碼方式與通用遺傳密碼子有所不同，如在一些線粒體中UGA不是終止密碼子，而是色氨酸的密碼子。密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。

第18頁/共113頁密碼的防錯系統(tǒng)：

密碼子的堿基順序與其相應AA的物理化學性質之間存在巧妙的關系。中間是U，AA是非極性、疏水性的；中間是C，AA是非極性的或具有不帶電荷的極性側鏈；中間是A或G，AA是親水性的；第一位是A或G，第二位是A或G，AA具有可解離的親水側鏈并具堿性；前二位是AG，AA具酸性親水側鏈。

第19頁/共113頁16.1.2閱讀框一個蛋白質的氨基酸序列是由連續(xù)的三聯(lián)體密碼子的線性順序決定的，這個序列的第一個密碼子建立了一種閱讀框（readingframe)。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，稱為開放閱讀框架(openreadingframe，ORF)。第20頁/共113頁16.2蛋白質合成體系第21頁/共113頁20種氨基酸作為原料酶及蛋白因子，如IF、eIF、EF、RF等

ATP、GTP、無機離子參與蛋白質生物合成的物質包括：

三種RNAmRNA

rRNA（核糖體）

tRNA第22頁/共113頁翻譯的直接模板。mRNA是遺傳信息的攜帶者。編碼序列(codonsequence，CDS)：一條多肽鏈對應的mRNA序列，即位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列。16.2.1mRNA5’CTGTCATAAAGATGTCACGGCCGAGACTTATAGTCGCT…………….……………………….……………….……………….….CATGAAAGCCGCTCTGGGGCTGAAATAAAACCGCGCCCGG3’第23頁/共113頁原核生物mRNAS-D序列：mRNA起始密碼AUG上游約8~13個核苷酸處，有4~9個核苷酸組成的富含嘌呤的一段序列，以…AGGA…為核心，因發(fā)現(xiàn)者是Shine-Dalgamo而得名為S-D序列，又稱為核糖體結合位點（ribosomalbindingsite，RBS）。

第24頁/共113頁真核生物mRNA帽子結構：結合核糖體，增加穩(wěn)定性；poly(A)尾：增加穩(wěn)定性，提高翻譯效率。第25頁/共113頁第26頁/共113頁16.2.2核糖體（ribosome）由rRNA和多種蛋白質結合而成的一種較大的核糖核蛋白顆粒（核糖體），是蛋白質生物合成的場所（裝置）。第27頁/共113頁原核生物真核生物

核蛋白體原核生物真核生物蛋白質S值rRNA蛋白質S值rRNA小亞基21種30S16S33種40S18S大亞基34種50S23S5S49種60S28S5.8S5S核糖體70S80S第28頁/共113頁第29頁/共113頁核糖體的功能部位A位：氨酰-tRNA結合位點（aminoacyl-tRNAbindingsite，受位）；P位：肽?；?tRNA結合位點（peptidyl-tRNAbindingsite，給位）；

E位：空位(exitsite)，專供tRNA離開（真核生物沒有）；mRNA結合位點：核糖體小亞基；P位和A位緊密連接，各占一個密碼子的距離。第30頁/共113頁轉肽酶部位：形成肽鍵，位于核糖體大亞基。第31頁/共113頁核糖體在細胞內的存在形態(tài)：核糖體亞基、單核糖體和多核糖體。多核糖體：一定數(shù)目的單個核糖體與一個mRNA分子結合而成的念珠狀結構；大約每隔40個核苷酸結合一個核糖體。每個核糖體獨立完成一條肽鏈的合成，在多核糖體上可同時進行多條肽鏈的合成，提高翻譯效率。第32頁/共113頁16.2.3tRNA氨基酸的搬運工具，tRNA在翻譯過程中起接合體（adaptor）作用。第33頁/共113頁tRNA的關鍵部位：3’端CCA接受氨基酸，形成氨酰-tRNA；反密碼子部位與mRNA結合（tRNA接頭作用）；氨酰tRNA合成酶的識別位點；核糖體識別位點。翻譯精確性的保證：

密碼子--反密碼子--氨基酸t(yī)RNA的表示方法：第34頁/共113頁tRNA的種類起始tRNA：真核生物tRNAMet，原核生物tRNAfMet（N-甲酰甲硫氨酰tRNA）。同工tRNA：攜帶相同氨基酸而反密碼子不同的一組tRNA。校正tRNA：生物體發(fā)生突變后，校正機制之一是通過校正基因合成一類tRNA，經(jīng)過其反密碼子上發(fā)生某種突變，以“代償”或校正原有突變所產(chǎn)生的不良后果，以維持翻譯作用譯碼的相對正確性，從而翻譯出正常蛋白質，這類tRNA稱為校正tRNA?？捎卸喾N校正tRNA攜帶同一種氨基酸。第35頁/共113頁16.2.4氨酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNAsynthetase）氨基酸+tRNA氨酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨酰-tRNA合成酶共分兩步反應。第36頁/共113頁反應機理第一步反應：氨基酸＋ATP氨基酰-AMP＋AMP＋PPi

消耗兩個高能鍵~PPi第37頁/共113頁第二步反應：氨基酰-AMP＋tRNA氨基酰-tRNA＋AMP氨基酸活化部位為α-羧基；氨基酸與tRNA連接方式為酯鍵，為高能鍵。α-羧基第38頁/共113頁第39頁/共113頁tRNA與酶的結合模型第40頁/共113頁氨酰-tRNA合成酶的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；消耗2個高能磷酸鍵。（20種氨酰-tRNA合成酶）

對tRNA具有極高專一性（第二遺傳密碼系統(tǒng)），能識別與此氨基酸相對應的一個或多個tRNA分子。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。翻譯過程的錯誤頻率＜10-4。第41頁/共113頁

氨基酸的活化形式：氨基酰－tRNA

氨基酸的活化部位：α－羧基

氨基酸與tRNA連接方式：酯鍵

氨基酸活化耗能：2個~Pi第42頁/共113頁起始氨基酰-tRNA真核生物：Met-tRNAiMet（i-initiation）原核生物：fMet-tRNAifMetMet-tRNAfMet甲硫氨酰-tRNAfMet-tRNAfMetN-甲酰-甲硫氨酰-tRNA甲酰四氫葉酸第43頁/共113頁20種氨基酸作為原料酶及蛋白因子，如IF、eIF、EF、RF等

ATP、GTP、無機離子參與蛋白質生物合成的物質包括：

三種RNAmRNA

rRNA（核糖體）tRNA（氨酰-tRNA合成酶）

第44頁/共113頁16.3蛋白質的合成過程方向：

mRNA模板的方向：5′→3′；蛋白質的合成方向：N端→C端；

翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。第45頁/共113頁翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination)整個翻譯過程可分為：第46頁/共113頁16.3.1翻譯的起始(initiation)指mRNA和起始氨酰-tRNA分別與核糖體結合而形成翻譯起始復合物

(translationalinitiationcomplex)。起始氨酰-tRNA——真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet第47頁/共113頁參與起始過程的蛋白質因子稱起始因子（initiationfactor，IF）。原核生物的起始因子：IF1、IF2和IF3。IF-1：占據(jù)A位防止結合其他tRNA。IF-2：促進fMet-tRNAi與小亞基結合。IF-3：促進大小亞基分離，提高P位對結合起始tRNA敏感性。第48頁/共113頁真核生物各種起始因子的生物功能（eukaryoticinitiationfactor，eIF）

起始因子生物功能eIF-2促進起始tRNA與小亞基結合eIF-2B,eIF-3促進大小亞基分離eIF-4AeIF-4F復合物成分，有解螺旋酶活性，促進mRNA結合小亞基eIF-4B促進mRNA掃描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F復合物成分，結合mRNA5’帽子eIF-4GeIF-4F復合物成分，結合eIF-4E和PABeIF-5促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基eIF-6促進核糖體分離成大小亞基第49頁/共113頁16.3.1.1原核生物翻譯起始復合物形成1、核糖體大小亞基分離；2、mRNA在小亞基定位結合；3、起始氨基酰-tRNA的結合；4、核糖體大亞基結合。第50頁/共113頁IF-3IF-11、核糖體大小亞基分離第51頁/共113頁AUG5'3'IF-3IF-12、mRNA在小亞基定位結合mRNA的S-D序列第52頁/共113頁IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'3、起始氨基酰tRNA與小亞基結合fMet-tRNAifMet是唯一一個結合到P位的氨酰-tRNA，其他的都是先與A位結合。第53頁/共113頁IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5'3'4、核糖體大亞基結合第54頁/共113頁IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始過程消耗1個GTP。第55頁/共113頁16.3.1.2真核生物翻譯起始復合物形成基本過程同原核生物翻譯的起始過程，也分4個步驟。1、核糖體大小亞基分離；2、mRNA在小亞基定位結合；3、起始氨基酰-tRNA的結合；4、核糖體大亞基結合。第56頁/共113頁Met40SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6

①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③真核生物翻譯起始復合物形成過程Met-tRNAiMet-elF-2

-GTPMet60S第57頁/共113頁

核糖體是80S；起始因子種類多；起始tRNA的Met不需甲?；?；mRNA的5’帽子和3’polyA尾結構與mRNA在核糖體就位有關；起始tRNA先與核糖體小亞基結合，然后mRNA再結合上來。

真核生物翻譯起始的特點第58頁/共113頁16.3.2翻譯的延長(elongation)指按照mRNA密碼序列的指導，依次添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。第59頁/共113頁肽鏈的延長是在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進行，又稱為核糖體循環(huán)（ribosomalcycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，分為以下三步：1、進位（entrance）2、成肽（peptidebondformation）3、轉位（translocation）第60頁/共113頁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，結合分解GTPEF-1-αEF-Ts調節(jié)亞基EF-1-βγEF-G有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子第61頁/共113頁1、進位指根據(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。

第62頁/共113頁延長因子EF-T催化進位（原核生物）

消耗1個GTP第63頁/共113頁TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP第64頁/共113頁2、成肽由轉肽酶（transpeptidase）催化的肽鍵形成過程。第65頁/共113頁3、轉位延長因子EF-G有轉位酶（translocase）活性，促進核糖體向mRNA的3’側移動。第66頁/共113頁

消耗1個GTP第67頁/共113頁fMetAUG5'3'fMetTuGTP第68頁/共113頁重復進行，直至肽鏈延長到一定長度為止。進位成肽轉位第69頁/共113頁真核生物肽鏈合成的延長過程與原核基本相似，但有不同的反應體系和延長因子。另外，真核細胞核糖體沒有E位，轉位時卸載的tRNA直接從P位脫落。真核生物延長過程第70頁/共113頁16.3.3翻譯的終止(termination)當mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。

第71頁/共113頁釋放因子（releasefactor，RF）終止相關的蛋白因子。識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA；誘導轉肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相當于催化肽?；D移到水分子-OH上，使肽鏈從核糖體上釋放。釋放因子的功能原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3；真核生物釋放因子：eRF第72頁/共113頁原核肽鏈合成終止過程GTPGTPGDP消耗1個GTP第73頁/共113頁UAG5'3'RFCOO-第74頁/共113頁

生成氨酰-tRNA：1個 ATP(2個~Pi)

起始： 1個 GTP

延長： 2個 GTP

終止： 1個 GTP

結論：每合成一個肽鍵至少消耗4個~P。原核生物蛋白質合成的能量計算第75頁/共113頁起始復合物形成所參與的因子不同原核：IF1、IF2、IF3、70S核糖體；真核：9種起始因子參與[eIF1，eIF2，eIF3，EIF4（a、b、c、d、e、f）eIF5，eEIF6]和80S核糖體。起始復合物形成的次序差異原核：30S+mRNA+fMet-tRNAifMet+50S，最終形成70S起始復合物；真核：40S+Met-tRNAiMet+mRNA+60S，最終形成80S起始復合物。真核生物與原核生物蛋白質合成的差異第76頁/共113頁延長和終止的差異過程基本相似，但參與因子不同；原核：EF-Tu、EF-Ts、EF-G；RF1、RF2、RF3。真核：EF1α、EF1βγ、EF2；RF。起始氨基酸：fMet、Met合成速度：原核快，10-15個肽鍵/核糖體/秒；真核慢，1-3個肽鍵/核糖體/秒。第77頁/共113頁抗生素作用點作用原理四環(huán)素族（金霉素新霉素、土霉素）鏈霉素、卡那霉素、新霉素氯霉素、林可霉素紅霉素梭鏈孢酸

放線菌酮嘌呤霉素原核核糖體小亞基原核核糖體小亞基原核核糖體大亞基原核核糖體大亞基原核核糖體大亞基真核核糖體大亞基真核、原核核糖體抑制氨基酰-tRNA與小亞基結合改變構象引起讀碼錯誤、抑制起始抑制轉肽酶、阻斷延長抑制轉肽酶、妨礙轉位與EFG-GTP結合，抑制肽鏈延長抑制轉肽酶、阻斷延長氨基酰-tRNA類似物，進位后引起未成熟肽鏈脫落16.3.4蛋白質生物合成的抑制劑第78頁/共113頁四環(huán)素族氯霉素鏈霉素和卡那霉素嘌呤霉素放線菌酮第79頁/共113頁16.4蛋白質合成后的加工修飾肽鏈從核糖體釋放后，經(jīng)過細胞內各種加工修飾處理，成為有活性的成熟蛋白質的過程。加工修飾類型一級結構的修飾高級結構的修飾多肽鏈折疊第80頁/共113頁16.4.1蛋白質前體的加工一級結構的加工修飾氨基端和羧基端的修飾：N端甲酰甲硫氨酸的甲酰基經(jīng)酶水解而除去；某些蛋白質分子氨基端要進行乙?；?，羧基端也要進行修飾。二硫鍵的形成：真核細胞合成的某些蛋白質，往往能自發(fā)地折疊形成其天然構像，分子內的半胱氨酸的巰基之間形成共價鍵（二硫鍵）。二硫鍵在穩(wěn)定蛋白質空間構型中起著重要作用。第81頁/共113頁第82頁/共113頁蛋白質自我剪接：切除蛋白內含肽的過程。第83頁/共113頁氨基酸的修飾：磷酸化修飾：某些蛋白質分子中的絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸殘基在酶催化下被ATP磷酸化；糖基化修飾：糖蛋白的糖鏈是蛋白質合成之后，在通過高爾基體時，經(jīng)過糖化而形成的；羥基化反應：膠原蛋白中的脯氨酸與賴氨酸的羥基化，由相應的羥基化酶催化完成；甲基化反應：某些蛋白質中的賴氨酸殘基需要甲基化，某些谷氨酸殘基的羧基也要甲基化，以除去負電荷。第84頁/共113頁高級結構的修飾：亞基聚合；輔基連接；疏水脂鏈的共價連接等。第85頁/共113頁16.4.2蛋白質的折疊第86頁/共113頁蛋白質折疊過程中存在中間體第87頁/共113頁大多數(shù)蛋白質的折疊都需要其他酶和蛋白質的輔助。新生肽鏈的體內折疊合成后折疊邊合成邊折疊第88頁/共113頁幾種有促進蛋白折疊功能的大分子1、分子伴侶(molecularchaperon)2、蛋白二硫鍵異構酶(proteindisulfideisomerase,PDI)3、肽-脯氨酰順反異構酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)第89頁/共113頁1、分子伴侶(molecularchaperon)：

細胞內一類保守蛋白質，可識別肽鏈的非天然構象，促進各功能結構域和整體蛋白質的正確折疊。熱休克蛋白(heatshockprotein,HSP)：HSP70、HSP40和GreE家族；

伴侶素(chaperonins)：

包括GroEL/GroES家族，為非自發(fā)性折疊蛋白質提供能折疊形成天然空間構象的微環(huán)境。第90頁/共113頁熱休克蛋白促進蛋白質折疊的基本作用：與待折疊的多肽鏈結合，誘發(fā)多肽鏈折疊成正確構象，防止多肽鏈間相互聚合或錯誤折疊。HSP40結合待折疊多肽片段HSP70-ATP復合物HSP40-HSP70-ADP-多肽復合物ATP水解GrpEATPADP復合物解離，釋出多肽鏈片段進行正確折疊第91頁/共113頁伴侶素的主要作用:為非自發(fā)性折疊蛋白質提供能折疊形成天然空間構象的微環(huán)境。第92頁/共113頁伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進蛋白質折疊過程第93頁/共113頁2、蛋白二硫鍵異構酶(proteindisulfideisomerase,PDI)

二硫鍵異構酶在內質網(wǎng)腔活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質形成熱力學最穩(wěn)定的天然構象。第94頁/共113頁3、肽-脯氨酰順反異構酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構體，空間構象明顯差別。肽酰-脯氨酰順反異構酶可促進上述順反兩種異構體之間的轉換。肽酰-脯氨酰順反異構酶是蛋白質三維構象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構型時，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準確折疊。第95頁/共113頁16.5蛋白質的定向運輸靶向輸送（proteintargeting）

蛋白質在合成以后，定向到達其執(zhí)行功能的目標地點的過程。第96頁/共113頁細胞質基質細胞核溶酶體

高爾基體

內質網(wǎng)

線粒體過氧化物酶體分泌顆粒內體細胞表面核糖體膜結合核糖體游離核糖體第97頁/共113頁所有靶向輸送的蛋白質結構中存在分選信號，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質轉移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為信號序列。信號序列(signalsequence)第98頁/共113頁靶向輸送蛋白信號序列或成分分泌蛋白信號肽內質網(wǎng)腔蛋白信號肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)線粒體蛋白N端靶向序列（20～35氨基酸殘基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T抗原）過氧化體蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶體蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向輸送蛋白的信號序列或成分第99頁/共113頁細胞內蛋白質的運輸方式細胞核