蛋白质的生物合成课件

Chapter12ProteinBiosynthesis，Translation1可编辑课件PPT蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation）。What'stranslation?2可编辑课件PPTSection1ProteinBiosynthesisSystem3可编辑课件PPT需要解决的问题：参与多肽链生物合成的物质有哪些？各有何作用？什么是顺反子？什么是单顺反子？什么是多顺反子？什么是遗传密码？共有多少种？起始密码和终止密码分别有哪些？什么是开放阅读框？遗传密码的特点有哪些？核糖体大、小亚基是怎样组装的？有何生理功能？4可编辑课件PPT什么是多聚核糖体？氨基酰tRNA合成酶有何生理作用？其作用特点是什么？什么是起始tRNA？原核和真核生物的起始tRNA分别携带何种氨基酸？原核生物和真核生物的起始因子、延长因子和释放因子分别有哪些？各有何作用？多肽链生物合成时的供能物质有哪些？能量消耗有多少？5可编辑课件PPT蛋白质生物合成体系原料：20种编码氨基酸模板：mRNA载体：tRNA装配机：核糖体（核蛋白体）酶和蛋白因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子（IF）、延长因子（EF）、释放因子（RF）等供能物质：ATP、GTP无机离子：Mg2+、K+6可编辑课件PPT一、mRNA是多肽链生物合成的直接模板

mRNAisthedirecttemplateforpeptidebiosynthesismRNA是翻译的直接模板。遗传学将编码一条多肽链的遗传单位称为顺反子（cistron）。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的多肽链，为多顺反子（polycistron）。真核mRNA只编码一条多肽链，为单顺反子（singlecistron）。

7可编辑课件PPT多顺反子与单顺反子8可编辑课件PPTmRNA上的遗传密码起始密码（initiationcodon）:AUG终止密码（terminationcodon）:

UAA，UAG，UGA

What'sgeneticcodon?作为指导多肽链生物合成的模板，mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为遗传密码。遗传密码共有64种，其中：9可编辑课件PPT标准的通用遗传密码表10可编辑课件PPT从mRNA5

端起始密码子AUG到3

端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框（openreadingframe,ORF）。StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻译区5

3

3’-端非翻译区开放阅读框架11可编辑课件PPT遗传密码具有以下特点：①

连续性；②

简并性；③

通用性；④

方向性；⑤

摆动性。12可编辑课件PPT1.连续性（commaless）：遗传密码的特点指编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。5’…….AUG

GCA

GUA

CAU……UAA3’AlaValHisMet终止密码13可编辑课件PPT遗传密码的连续性14可编辑课件PPT基因损伤引起mRNA开放阅读框内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变（frame-shiftmutation）。

15可编辑课件PPT2.简并性（degeneracy）：遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性。遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。16可编辑课件PPT遗传密码的简并性17可编辑课件PPT3.通用性（universal）：蛋白质多肽链生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体等。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。18可编辑课件PPT4.方向性（direction）：指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿5

→3

方向进行。19可编辑课件PPT5.摆动性（wobble）：转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反平行配对结合。但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称为摆动配对。20可编辑课件PPT密码子与反密码子的摆动配对tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG21可编辑课件PPTU摆动配对现象示意图22可编辑课件PPT核糖体（又称核蛋白体），是多肽链合成的场所，是由多种rRNA与蛋白质组装形成的复合体。二、核糖体是多肽链生物合成的场所Ribosomeistheplaceforpeptidebiosynthesis23可编辑课件PPT核糖体的组成24可编辑课件PPT大肠杆菌核糖体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为多肽链生物合成的场所。

25可编辑课件PPT1．三个与tRNA结合的位点：⑴A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。⑵P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。⑶E位：又称排出位，见于原核生物，空载tRNA脱离核糖体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。核糖体大、小亚基的功能26可编辑课件PPT原核生物翻译过程中核糖体结构模式A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)27可编辑课件PPT2.与模板mRNA和起始tRNA结合位点：主要与小亚基有关。3.转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键；由大亚基成分构成。4.GTPase活性：水解GTP，获得能量；分别由大、小亚基成分构成。5.起始因子、延长因子及释放因子的结合位点：分别由大、小亚基成分构成。28可编辑课件PPT在多肽链生物合成过程中，常常由若干核糖体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核糖体之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多聚核糖体（polysome）。

29可编辑课件PPT多聚核糖体示意图电镜下的多聚核糖体30可编辑课件PPT氨基酸臂反密码环三、tRNA是多肽链生物合成的运载工具和适配器tRNAisthecarrierandadapterforpeptidebiosynthesis31可编辑课件PPTtRNA的三级结构示意图32可编辑课件PPT能够识别mRNA中5´端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即fMet-tRNAfmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即Met-tRNAimet。在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码AUG。

33可编辑课件PPT34可编辑课件PPT氨基酸的活化与携带连接反应由氨基酰tRNA合成酶催化。特异的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而由tRNA携带活化的氨基酸参与多肽链的生物合成。四、氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸的活化与连接Theactivatingandlinkingwiththeircarriersofaminoacidsarecatalyzedbyaminoacyl-tRNAsynthetases氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶35可编辑课件PPTtRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP36可编辑课件PPT氨基酰tRNA合成酶催化的反应氨基酸＋ATP-E→氨基酰-AMP-E＋PPi

第一步：活化反应37可编辑课件PPT第二步：连接反应氨基酰-AMP-E＋tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP＋E38可编辑课件PPT氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性（proof-readingactivity）。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

39可编辑课件PPT与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因子（initiationfactor，IF）。五、起始因子参与多肽链生物合成的起始过程Initiationfactorsparticipateintheinitiationprocessofpeptidebiosynthesis40可编辑课件PPT原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起始因子（eIF）。IF的作用主要是促进核糖体小亚基与起始tRNA及模板mRNA结合。

41可编辑课件PPT原核和真核生物中各种起始因子的生物功能42可编辑课件PPT与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子（elongationfactor，EF）。六、延长因子参与多肽链生物合成的延长过程ElongationfactorsparticipateintheelongationprocessofpeptidebiosynthesisEF-Tuboundwithribosome43可编辑课件PPT原核生物中存在3种延长因子（EF-TU，EF-TS，EF-G），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。EF的作用主要是促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受位；并可促进移位过程，即具有转位酶活性，可催化核糖体向mRNA3’-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。44可编辑课件PPT多肽链合成的延长因子

45可编辑课件PPT与多肽链合成终止并使之从核糖体上释放相关的蛋白因子称为释放因子（releasefactor，RF）。七、释放因子参与多肽链生物合成的终止ReleasefactorsparticipateintheterminationprocessofpeptidebiosynthesisEukaryoticReleaseFactor46可编辑课件PPTRF在原核生物中有3种，在真核生物中只有1种。原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物释放因子：eRF47可编辑课件PPTRF的生物学功能主要有：识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核糖体上释放。48可编辑课件PPT多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2个高能磷酸键，肽键形成时（进位和转位）又消耗2个高能磷酸键，合成错误的校正和消除常需消耗1个高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基平均需消耗5个高能磷酸键（5分子ATP）。

八、多肽链生物合成过程需要供能物质和无机离子Energymaterialsandionsareneededintheprocessofpeptidebiosynthesis49可编辑课件PPT课后讨论：mRNA模板上是否存在特殊的结构，以便于核糖体的辨认和结合？在原核生物和真核生物中，这种特殊的结构是否相同？50可编辑课件PPTSection2TheProcessofPeptideBiosynthesis51可编辑课件PPT需要解决的问题：原核生物和真核生物中，多肽链的生物合成包括哪些主要的步骤？什么是核糖体循环？核糖体循环主要由哪些反应过程所组成？多肽链合成时，延长一个氨基酸残基需要消耗多少分子ATP？52可编辑课件PPT蛋白质生物合成过程包括三大步骤：①氨基酸的活化与搬运；②活化氨基酸在核糖体上缩合生成多肽链；③多肽链合成后的加工修饰。本节主要介绍活化氨基酸在核糖体上缩合生成多肽链的过程，这一过程包括多肽链合成的起始、延长和终止三个阶段。53可编辑课件PPT包括以下几个步骤：核糖体大、小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核糖体大亚基结合。一、原核生物的多肽链合成过程Theprocessesofpeptidesynthesisinprokaryotes（一）原核生物多肽链合成的起始54可编辑课件PPTIF-3IF-11.核糖体大、小亚基分离：

IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核糖体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。此时，IF-1占据核糖体的A位。55可编辑课件PPTAUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基的精确定位结合：56可编辑课件PPT原核生物mRNA在核糖体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制：核糖体小亚基对模板mRNAS-D序列的辨认和结合；核糖体小亚基对模板mRNA小核苷酸序列的辨认结合。57可编辑课件PPT原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为Shine-Dalgarno序列（S-D序列），即核糖体结合位点（RBS）。而原核16SrRNA存在一段富含嘧啶的序列，二者之间可通过碱基配对，使mRNA与核糖体小亚基结合。58可编辑课件PPT小核苷酸序列是mRNA上紧接S-D序列之后的序列，可被核糖体小亚基蛋白rpS-1辨认结合。通过上述两种机制，使mRNA能与核糖体小亚基精确定位结合。59可编辑课件PPTIF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfmet)结合到小亚基IF-3IF-1AUG5'3'起始

fMet-tRNAfmet以及IF2-GTP一起，识别结合小亚基P位，并对应模板mRNA的起始密码AUG。60可编辑课件PPTIF-3IF-1IF-2-GTP-GDPPi4.核糖体大亚基结合，形成起始复合体：AUG5'3'

IF2结合的GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAfMet构成起始复合体。61可编辑课件PPT多肽链合成的延长阶段由一循环反应过程来完成，即核糖体循环。每完成一次核糖体循环增加一个氨基酸残基。（二）原核生物多肽链合成的延长62可编辑课件PPT活化氨基酸在核糖体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核糖体循环（ribosomalcycle）。核糖体循环包括多肽链合成的进位、成肽和转位三步反应。What'sribosomalcycle?63可编辑课件PPT1.进位（entrance）：又称注册(registration)，即与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的A位。此步骤耗能，需GTP，Mg2+，和EF-T（EF-Tu和EF-Ts）参与。64可编辑课件PPT2.成肽（peptidebondformation）：成肽是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到A位上的氨基酰tRNA上，与其

-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。65可编辑课件PPT成肽反应过程66可编辑课件PPT3.转位（translocation）：延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可促进核糖体向mRNA的3´侧移动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从A位移到P位。此步骤耗能，需GTP和Mg2+参与。67可编辑课件PPT转位反应过程68可编辑课件PPT此时，核糖体的A位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。已失去甲酰蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核糖体E位上脱落。69可编辑课件PPT进位转位成肽核糖体循环的反应过程70可编辑课件PPT核糖体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入A位。1．识别：RF识别终止密码，进入核糖体的A位。

2．水解：RF使转肽酶变为酯酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。3.脱离：模板mRNA、RF以及空载tRNA与核糖体脱离。

（三）原核生物多肽链合成的终止71可编辑课件PPT多肽链合成的终止过程72可编辑课件PPT多肽链合成终止演示UAG5'3'RFCOO-73可编辑课件PPT74可编辑课件PPT（一）真核生物多肽链合成的起始真核生物翻译起始复合体的形成过程与原核生物类似，但参与的蛋白因子更多。核糖体大、小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核糖体小亚基就位；核糖体大亚基结合。二、真核生物多肽链生物合成过程

Theprocessesofpeptidesynthesisineukaryotes75可编辑课件PPTmet40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻译起始复合体形成过程76可编辑课件PPT与原核生物基本类似，但参与反应的延长因子不同，由eEF-1替代EF-T完成进位，由eEF-2替代EF-G完成转位。核糖体无E位，转位时空载tRNA直接从核糖体释放。（二）真核生物多肽链合成的延长77可编辑课件PPT与原核生物类似，但RF只有一种，可识别全部终止密码。（三）真核生物多肽链合成的终止78可编辑课件PPTSection3Post-translationalProcessing&TransportationofPeptide79可编辑课件PPT需要解决的问题：多肽链怎样才能折叠成为具有特定空间构象和生物学活性的蛋白质？蛋白质一级结构的修饰方式包括哪些？蛋白质的高级结构加工修饰方式有哪些？蛋白质是怎样进行靶向输送的？什么是信号序列？什么是信号肽？80可编辑课件PPT从核糖体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。多肽链翻译后加工主要包括：

多肽链折叠；

一级结构的修饰；

高级结构修饰。蛋白质合成后会被定向输送到其发挥作用的特定部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。81可编辑课件PPT新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核糖体上一出现，肽链的折叠即开始。可随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模体、结构域到形成完整的空间构象。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶或蛋白因子辅助。一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质Apeptidechaincouldbefoldedintoaproteinwithnaturalconformation82可编辑课件PPT几种有促进蛋白折叠功能的大分子分子伴侣（molecularchaperon）；蛋白二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase,PDI）；肽-脯氨酰顺反异构酶（peptideprolylcis-transisomerase,PPI）。83可编辑课件PPT1.分子伴侣：分子伴侣是细胞内一类保守蛋白质，可识别多肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。包括：⑴热休克蛋白（heatshockprotein,HSP）：HSP70、HSP40和GreE族⑵伴侣素（chaperonins）：GroEL和GroES家族84可编辑课件PPT2.蛋白二硫键异构酶：多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。蛋白二硫键异构酶在内质网腔中活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。85可编辑课件PPT3.肽-脯氨酰顺反异构酶：多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。肽-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。86可编辑课件PPTN端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸残基，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。二、蛋白质分子一级结构的加工修饰Theprocessingandmodificationofprimarystructureofprotein①去甲酰化：甲酰化酶甲酰蛋氨酸-肽甲酸+蛋氨酸-肽②去蛋氨酰基：蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酰-肽蛋氨酸+肽

（一）N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除87可编辑课件PPT由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。（二）氨基酸的共价修饰由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化以及疏水脂链的共价连接等。（三）多肽链的水解修饰88可编辑课件PPT鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰NC信号肽PMOCKRKR103肽(？)ACTH

-LT-MSH

-MSHEndophin89可编辑课件PPT三、蛋白质分子空间结构的修饰Modificationofspatialstructureofprotein（一）亚基的聚合具有四级结构的蛋白质由两条以上的多肽链通过非共价键聚合形成寡聚体。（二）辅基的连接结合蛋白合成后需要结合相应的辅基才能成为具有天然活性的蛋白质。90可编辑课件PPT蛋白质合成后即被定向输送到特定的部位发挥作用。在大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。四、蛋白质合成后靶向输送到特定部位Proteincouldbetargetedtoaspecialplaceafteritssynthesized91可编辑课件