分子生物学原理：第十一章 蛋白质的生物合成1

1、目录目录目录目录 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 （翻译）（翻译） 第十一章 目录目录 蛋白质的生物合成与核酸蛋白质的生物合成与核酸 密切相关，蛋白质分子中密切相关，蛋白质分子中 的氨基酸排列顺序归根结的氨基酸排列顺序归根结 底是由底是由DNADNA上的基因所决上的基因所决 定。定。 mRNAmRNA分子中来自分子中来自DNADNA基基 因编码的核苷酸序列信息因编码的核苷酸序列信息 转换为蛋白质中的氨基酸转换为蛋白质中的氨基酸 序列，故称为序列，故称为翻译翻译。 生物体蛋白质历经肽链合生物体蛋白质历经肽链合 成的起始、延长与终止及成的起始、延长与终止及 翻译后加工和靶向翻译后加工和靶向输送后

2、输送后 发挥发挥生物学功能。生物学功能。 DNA mRNA 蛋白质蛋白质 目录目录 蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成的概念 蛋白质生物合成蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称也称 翻译翻译(translation)，是生物细胞以，是生物细胞以mRNA为模板，为模板， 按照按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的分子中核苷酸的排列顺序所组成的 密码信息合成蛋白质的过程。密码信息合成蛋白质的过程。 n定义定义 目录目录 （1）氨基酸的活化）氨基酸的活化 （2）肽链的生物合成）肽链的生物合成 （3）肽链形成后的加工和靶向输送）肽链形成后的加工和靶向输送 n反应过程反应过

3、程 目录目录 （1）维持多种生命活动）维持多种生命活动 （2）适应环境的变化）适应环境的变化 （3）参与组织的更新和修复）参与组织的更新和修复 n生物学意义生物学意义 目录目录目录目录 第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 Protein Biosynthesis SystemProtein Biosynthesis System 目录目录 （1）化学反应：底物？酶？辅助因子？能量？）化学反应：底物？酶？辅助因子？能量？ （2）氨基酸顺序：特异性？模板？氨基酸载体？）氨基酸顺序：特异性？模板？氨基酸载体？ （3）反应场所：核蛋白体）反应场所：核蛋白体 目录目录 1. 基本原料：基

4、本原料：20种编码氨基酸种编码氨基酸 2. 模板：模板：mRNA 3. 适配器：适配器：tRNA携带氨基酸，按照模板装配携带氨基酸，按照模板装配 4. 装配机：核蛋白体装配机：核蛋白体 5. 主要酶和蛋白质因子：氨基酰主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、合成酶、 转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等 6. 能源物质：能源物质：ATP、GTP 7. 无机离子：无机离子：Mg2+、 K+ 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 目录目录 一、遗传密码的一、遗传密码的“携带者携带者”mRNA nmRNA的基本结构的基本结构 Start of geneti

5、c message Cap End Tail 5-端非翻译区端非翻译区 5 3 3-端非翻译区端非翻译区 开放阅读框架开放阅读框架 从从mRNA 5 -端起始密码子端起始密码子AUG到到3 -端终止密端终止密 码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。 目录目录 （一）模板（一）模板 以以DNA为模板，按碱基互补规律合成为模板，按碱基互补规律合成 mRNA，从而转录了，从而转录了DNA分子中的遗传信息。分子中的遗传信息。 以这些以这些mRNA为模板，合成的蛋白质的结构为模板，合成的蛋白质的结构 和功能多种多

6、样和功能多种多样。 遗传信息从遗传信息从mRNA到蛋白质，需要遗传密码。到蛋白质，需要遗传密码。 目录目录 1954年，年，George Gamov对氨基酸的编码对氨基酸的编码 做出数学推理：做出数学推理：3个核苷酸为一个氨基酸个核苷酸为一个氨基酸 编码，可编码编码，可编码64种氨基酸。种氨基酸。 1961年，年，Brenner和和Grick 肯定了肯定了3个核苷个核苷 酸决定一个氨基酸的推理。酸决定一个氨基酸的推理。 随后的实验证实这个假想是正确的。随后的实验证实这个假想是正确的。 （二）遗传密码（二）遗传密码 目录目录 在在mRNA的开放阅读框架区，以每的开放阅读框架区，以每3个相邻的个相

7、邻的 核苷酸为一组，代表一种氨基酸核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息或其他信息)，这，这 种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。 起始密码子起始密码子(initiation codon)：AUG 终止密码子终止密码子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA 密码子（密码子（codon） 起始密码子和终止密码子：起始密码子和终止密码子： 目录目录 遗 传 密 码 表 目录目录 n遗传密码的特点遗传密码的特点 1. 密码的方向性密码的方向性 翻译时遗传密码的阅读方向是翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读，即读 码从码从mRNA的起始密

8、码子的起始密码子AUG开始，按开始，按53 的方向逐一阅读，直至终止密码子。的方向逐一阅读，直至终止密码子。 mRNA的阅读框架的阅读框架 目录目录 2. 密码的连续性密码的连续性 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密 码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间 既无间隔也无交叉。既无间隔也无交叉。 AlaValHisMet终止密码终止密码 目录目录 由于密码子的连续性，在开放阅读框中插入或缺由于密码子的连续性，在开放阅读框中插入或缺 失失1个或个或2 个碱基的基因突变，都会引起这一点以后的个碱基的基因突变，都会引起这一点以后的

9、 读码发生错误，这种错误称为读码发生错误，这种错误称为阅读框移位阅读框移位(frame shift)。 基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入阅读框架内的碱基发生插入 或缺失，可能导致或缺失，可能导致框移突变框移突变(frameshift mutation)。 AlaValHisMet终止密码终止密码 GluSerMet 目录目录 不同的开放阅读框会产生完全不同的多肽链不同的开放阅读框会产生完全不同的多肽链 目录目录 3. 密码的简并性与摆动性密码的简并性与摆动性 一种氨基酸可由一种氨基酸可由2个或个或2个以上的密码个以上的密码 子编码。这一特性称为遗传密码的简并性子编码。这

10、一特性称为遗传密码的简并性 （degeneracy）。）。 除色氨酸和甲硫氨酸仅有除色氨酸和甲硫氨酸仅有1个密码子个密码子 外，其余氨基酸有外，其余氨基酸有2、3、4个或多至个或多至6个三个三 联体为其编码。为同一种氨基酸编码的各联体为其编码。为同一种氨基酸编码的各 密码子称为简并性密码子，也称同义密码密码子称为简并性密码子，也称同义密码 子子 。 目录目录 各种氨基酸的密码子数目各种氨基酸的密码子数目 目录目录 遗 传 密 码 表 目录目录 简并性主要是由于密码的第简并性主要是由于密码的第3 3位碱基呈摆动。位碱基呈摆动。 密码子的专一性主要由前密码子的专一性主要由前2 2个碱基决定。个碱基

11、决定。 同义的密码子越多，生物遗传的稳定性越大。同义的密码子越多，生物遗传的稳定性越大。 简并现象对生物遗传的稳定性具有重要意义。简并现象对生物遗传的稳定性具有重要意义。 遗 传 密 码 表 目录目录 密码子的翻译通过与密码子的翻译通过与tRNA的反密码子配对的反密码子配对 反应而实现。反应而实现。 密码子密码子 反密码子反密码子 目录目录 反密码子与密码子之间的配对有时并不严格反密码子与密码子之间的配对有时并不严格 遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配 对对( (wobble base pairing) )。 （次黄嘌呤）次黄嘌呤） 目录目录

12、方向性方向性 起始密码和终止密码起始密码和终止密码 简并性简并性 摆动性摆动性 连续性连续性 氨基酸序列的特异性氨基酸序列的特异性 生物遗传的稳定性生物遗传的稳定性 目录目录 4. 密码的通用性密码的通用性 从简单的病毒到高等的人类，几乎使用从简单的病毒到高等的人类，几乎使用 同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这 套套“通用密码通用密码”基本上适用于生物界的所有基本上适用于生物界的所有 物种，具有通用性。物种，具有通用性。 密码的通用性进一步证明各种生物进化密码的通用性进一步证明各种生物进化 自同一祖先。自同一祖先。 目录目录 已发现少数例外，如动物细胞

13、的线粒体、已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、 植物细胞的叶绿体。植物细胞的叶绿体。 通用密码通用密码 线粒体密码线粒体密码 AUA 异亮异亮 甲硫、起始甲硫、起始 AGA 精精 终止终止 AGG 精精 终止终止 UGA 终止终止 色色 目录目录 二、氨基酸的二、氨基酸的“搬运工具搬运工具”tRNAtRNA （一（一) tRNA的的种类种类 60-70种种 运载氨基酸：运载氨基酸：氨基酸各由其特异的氨基酸各由其特异的tRNA携带，一携带，一 种氨基酸可有种氨基酸可有2-6种对应的种对应的tRNA。 充当充当“适配器适配器”：每种每种tRNA的反密码子决定了所的反密码子决定了所 携带的氨基酸能准

14、确地在携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。上对号入座。 不同不同tRNA的表述方式，采用右上标的不同氨基酸的表述方式，采用右上标的不同氨基酸 的三字母代号。的三字母代号。如如 tRNASer转运丝氨酸。转运丝氨酸。 目录目录 （二）（二）tRNA的结构的结构 tRNA的二级结构和三级结构的二级结构和三级结构 (a) tRNA分子二级结构分子二级结构 (b) tRNA三级结构三级结构 结合结合mRNA 结合结合 氨基酸氨基酸 目录目录 密码子密码子 反密码子反密码子 tRNA运载氨基酸至核糖体，通过其反密码子运载氨基酸至核糖体，通过其反密码子 与与mRNA相应的密码子互补结合，从而按照相应

15、的密码子互补结合，从而按照mRNA 的密码子顺序依次加入氨基酸残基。的密码子顺序依次加入氨基酸残基。 目录目录 三、肽链的装配机三、肽链的装配机核糖体核糖体 n核糖体的组成核糖体的组成 核糖体核糖体又称又称核蛋白体核蛋白体，是由，是由rRNA和多种蛋和多种蛋 白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是 蛋白质生物合成的场所。蛋白质生物合成的场所。 目录目录 原核生物原核生物真核生物真核生物 核蛋核蛋 白体白体 小亚基小亚基大亚基大亚基 核蛋核蛋 白体白体 小亚基小亚基大亚基大亚基 S值值70S30S50S80S40S60S rRNA16S 23S 5S 1

16、8S 28S 5.8S 5S 蛋白质蛋白质rpS 21种种rpL 36种种rpS 33种种rpL 49种种 不同细胞核蛋白体的组成不同细胞核蛋白体的组成 目录目录 n核糖体上的功能部位核糖体上的功能部位 (a) 核糖体大小亚基结合后形成的间隙为核糖体大小亚基结合后形成的间隙为mRNA结合部位结合部位; (b) 翻译过程中的核蛋白体结合模式翻译过程中的核蛋白体结合模式 E位：排出位位：排出位 exit site P位：肽酰位位：肽酰位 peptidyl site A位：氨基酰位位：氨基酰位 aminoacyl site 目录目录 四、肽链生物合成需要的酶类和四、肽链生物合成需要的酶类和 蛋白质因

17、子蛋白质因子 底物产物 氨基酸氨基酸 氨基酰氨基酰 - -tRNAtRNA 多肽链多肽链 起始起始 起始因子起始因子 延长延长 延长因子延长因子 终止终止 释放因子释放因子 转肽酶转肽酶 转位酶转位酶 ATP GTPGTP 无机离子无机离子 Mg2+、K+ 氨基酰氨基酰-tRNA 合成酶合成酶 目录目录 四、肽链生物合成需要的酶类和四、肽链生物合成需要的酶类和 蛋白质因子蛋白质因子 重要的酶类重要的酶类 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl tRNA synthetase)， 催化氨基酸的活化；催化氨基酸的活化； 转肽酶转肽酶(peptidase)，催化核蛋白体，催化核蛋白体

18、P位上的肽酰基转位上的肽酰基转 移至移至A位氨基酰位氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合的氨基上，使酰基与氨基结合 形成肽键形成肽键;并受释放因子的作用后发生变构，表现出并受释放因子的作用后发生变构，表现出 酯酶的水解活性，使酯酶的水解活性，使P位上的肽链与位上的肽链与tRNA分离；分离； 转位酶转位酶(translocase)，催化核蛋白体向，催化核蛋白体向mRNA3-端移端移 动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。位。 目录目录 蛋白质生物合成的能源物质为蛋白质生物合成的能源物质为ATP和和GTP; 参与蛋白质生物合成的无机离子有参与蛋

19、白质生物合成的无机离子有Mg2+、 K+ 等。等。 能源物质及离子能源物质及离子 目录目录 蛋白质因子蛋白质因子 起始因子（起始因子（initiation factor，IF） 延长因子（延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（释放因子（release factor，RF） 目录目录 UGA 目录目录目录目录 第二节第二节 蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程 目录目录 蛋白质的生物合成过程包括蛋白质的生物合成过程包括 氨基酸的活化氨基酸的活化 蛋白质合成的起始蛋白质合成的起始 蛋白质合成的延长蛋白质合成的延长 蛋白质合成的终止蛋白质合成的终止 目录目录 n反应过程

20、反应过程 一、一、 氨基酸的活化与搬运氨基酸的活化与搬运 氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 氨基酸与特异的氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰结合形成氨基酰-tRNA的的 过程称为氨基酸的活化。过程称为氨基酸的活化。 参与氨基酸的活化的酶：参与氨基酸的活化的酶：氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶。 目录目录 1. 氨基酰氨基酰tRNA合成酶催化合成酶催化ATP分解为焦磷酸与分解为焦磷酸与 AMP 2. 氨基酸氨基酸 AMP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E 3. 氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA

21、AMP E 氨基酰氨基酰-tRNA的形成的形成 AMP 目录目录 n氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 结构结构 氨基酰氨基酰tRNA合成酶的合成酶的3个结合位点个结合位点 氨基酸和氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷形成氨基酰腺苷 氨基酰转移到氨基酰转移到tRNA上上 tRNA负载了氨基酸负载了氨基酸 目录目录 l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都都 有高度特异性。有高度特异性。 特性特性 tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 ATP 目录目录 l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。合成酶具有校正活性。 动动 力力 学学 校校 对对 化化 学学 校

22、校 对对 特性特性 目录目录 n氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法的表示方法 丙氨酰丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla 精氨酰精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg 甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet 各种氨基酸和对应的各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的结合后形成的 氨基酰氨基酰-tRNA表示为：表示为： 氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写 氨基酸的三字母缩写 例如：例如： 目录目录 MetMet密码：密码： 起始起始MetMet密码密码 阅读框内部阅读框内部MetMet密码密码 结合两种结合两种MetMet密码的密码的Met-Met-

23、tRNAtRNA结构不同。结构不同。 在原核细胞中，结合起始在原核细胞中，结合起始MetMet密码的是密码的是tRNAtRNAfMet fMet。 。 起始起始MetMet结合结合tRNAtRNAfMet fMet后，由 后，由N N10 10- -甲酰四氢叶酸提供 甲酰四氢叶酸提供 甲酰基，生成甲酰甲硫氨酸甲酰基，生成甲酰甲硫氨酸- - tRNAtRNAfMet fMet。 。 在真核生物，具有起始功能的是在真核生物，具有起始功能的是tRNAitRNAiMet Met （initiator- initiator- tRNAtRNA）。）。 Met密码密码 目录目录 原核生物的多顺反子原核生物

24、的多顺反子 真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子 非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点 起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列 PPP5 3 蛋白质蛋白质 PPP mG - 5 3 蛋白质蛋白质 AAA 目录目录 二、肽链合成的起始二、肽链合成的起始 指指mRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋分别与核蛋 白体结合而形成翻译起始复合物白体结合而形成翻译起始复合物 (translation initiation complex) 的过程。的过程。 目录目录 1. 核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离； 2. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定

25、位结合； 3. 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； 4. 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。 （一）原核生物蛋白质合成的起始（一）原核生物蛋白质合成的起始 目录目录 IF-3 IF-1 （1 1）70S70S核糖体在核糖体在IF-1IF-1影响下解离影响下解离形成形成30S30S和和50S50S两个亚基。两个亚基。 （2 2）IF-3IF-3结合游离的结合游离的30S30S亚基，以亚基，以阻止阻止30S30S亚基在亚基在与与mRNAmRNA结结 合合前与前与大亚基结合，防止无活性核糖体的形成。大亚基结合，防止无活性核糖体的形成。 目录目录 A U G53 IF-3 IF-1

26、（3 3）核糖体）核糖体小亚基结合小亚基结合mRNA的的55端。端。 目录目录 n原核生物原核生物mRNAmRNA在核蛋白体小亚基上的准在核蛋白体小亚基上的准 确定位和结合涉及两种机制：确定位和结合涉及两种机制： 在各种在各种mRNAmRNA起始起始AUGAUG上游约上游约8 81313核苷酸部核苷酸部 位，存在一段由位，存在一段由4 49 9个核苷酸组成的一致序列，个核苷酸组成的一致序列， 富含嘌呤碱基，如富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-AGGAGG-，称为，称为Shine-Shine- DalgarnoDalgarno序列序列(S-D(S-D序列序列) )，又称核蛋白体结合位点，又称核蛋白

27、体结合位点 (ribosomal binding site, RBS)(ribosomal binding site, RBS)。 一条多顺反子一条多顺反子mRNAmRNA序列上的每个基因编码序序列上的每个基因编码序 列均拥有各自的列均拥有各自的S-DS-D序列和起始序列和起始AUGAUG。 目录目录 小亚基中的小亚基中的16S-rRNA 3-端有一富含嘧啶碱基端有一富含嘧啶碱基 的短序列，如的短序列，如-CCUCCU-，通过与，通过与S-D序列碱序列碱 基互补而使基互补而使mRNA与小亚基结合。与小亚基结合。 mRNA序列上紧接序列上紧接S-D序列后的小核苷酸序列，序列后的小核苷酸序列， 可

28、被核蛋白体小亚基蛋白可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1识别并结合。识别并结合。 原核生物原核生物mRNA的起始的起始AUG上游的上游的S-D序列及序列及rpS-1识别序列识别序列 RNA-RNARNA-蛋白质蛋白质 目录目录 通过通过RNA-RNA，RNA-蛋白质相互作用，小蛋白质相互作用，小 亚基可以准确定位亚基可以准确定位mRNA上的起始上的起始AUG。 RNA-RNARNA-蛋白质蛋白质 目录目录 IF-3 IF-1 IF-2 GTP (4) 起始起始tRNA(fMet-tRNAfMet )、 IF-2结合结合到上述到上述复合体。复合体。 IF-3 被释放，形成被释放，形成30S起始复合体

29、。起始复合体。 A U G53 目录目录 IF-3 IF-1 IF-2 GTP GDPPi （5 5）50S50S亚基与上述复合物结合，形成亚基与上述复合物结合，形成70S70S起始起始复复 合体。合体。GTP水解释能。水解释能。 A U G53 目录目录 IF-3 IF-1 A U G 53 IF-2 -GTP GDP 起始复合物形成过程起始复合物形成过程 目录目录 原核生物蛋白质合成的原核生物蛋白质合成的 起始过程起始过程 起始阶段首先由起始阶段首先由IF-1促使无促使无 活性的活性的70S核糖体解离形成核糖体解离形成 30S和和50S两个亚基；两个亚基； 核糖体小亚基结合于核糖体小亚基结

30、合于 mRNA的的5 端形成复合物端形成复合物, 起起 始始tRNA (fMet-tRNAfMet)通过通过 其反密码子与其反密码子与mRNA分子上分子上 AUG密码子的碱基配对加入密码子的碱基配对加入 复合体复合体; 50S亚基与亚基与中形成的复合中形成的复合 体结合体结合, 起始后期完成起始后期完成70S起起 始复合体的形成。始复合体的形成。 目录目录 （二）真核生物蛋白质合成的起始（二）真核生物蛋白质合成的起始 Met-tRNAiMet与与GTP结合后结合后, 再与带有再与带有eIF-3的小亚基的小亚基(40S)相相 结合。结合。 mRNA先与先与eIF4B和和eIF4F发生作用。发生作

31、用。 40S亚基复合体与亚基复合体与mRNA复合体结合后，在复合体结合后，在mRNA链上滑动链上滑动 寻找寻找AUG起始密码子。起始密码子。 eIF-5替换替换eIF2和和eIF3后，后，60S亚基与亚基与40S亚基结合并水解亚基结合并水解 GTP。 eIF4C帮助帮助60S亚基结合形成完整的亚基结合形成完整的80S起始复合体后被释放。起始复合体后被释放。 释放后释放后eIF2-GDP复合体在复合体在eIF2B的作用下进入下一轮。的作用下进入下一轮。 目录目录 指第二个和以后的密码子编码的氨基酸进入指第二个和以后的密码子编码的氨基酸进入 核糖体，并形成肽键的过程。核糖体，并形成肽键的过程。 1

32、. 进位反应进位反应 2. 转肽反应转肽反应 3. 移位反应移位反应 三、肽链合成的延长三、肽链合成的延长 肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又称为核肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又称为核 蛋白体循环蛋白体循环(ribosomal cycle)，包括以下三步：，包括以下三步： 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。 目录目录 1. 进位进位 又称又称注册注册(registration)， 是是指一个氨基酰指一个氨基酰-tRNA按照按照 mRNA模板的指令进入并结模板的指令进入并结 合到核蛋白体合到核蛋白体A位的过程。位的过程。 （一）原核生物蛋白质合成

33、的延长（一）原核生物蛋白质合成的延长 虚位以待？虚位以待？ 目录目录 进位需要延长因子进位需要延长因子 EF-Tu与与EF-Ts参与。参与。 目录目录 Tu Ts GTP GDP A U G53 Tu Ts GTP n进位的反应过程：进位的反应过程： 目录目录 2.成肽成肽 成肽是在肽酰基转移酶成肽是在肽酰基转移酶(transpeptidase)的催的催 化下，核蛋白体化下，核蛋白体P位上起始氨基酰位上起始氨基酰-tRNA的的N-甲甲 酰甲硫氨酰基或肽酰酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到的肽酰基转移到A位位 并与并与A位上氨基酰位上氨基酰-tRNA的的-氨基结合形成肽键氨基结合形成肽键

34、 的过程。的过程。 目录目录 n成肽的反应过程成肽的反应过程 目录目录 成肽反应成肽反应: P位肽酰基与位肽酰基与A位氨基酰基之间形成肽键位氨基酰基之间形成肽键 目录目录 3. 移位移位 移位是指核蛋白体向移位是指核蛋白体向mRNA的的3 -端移动端移动 一个密码子的距离，使一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一序列上的下一 个密码子进入核蛋白体的个密码子进入核蛋白体的A位、而占据位、而占据A位的位的 肽酰肽酰-tRNA移入移入P位的过程。位的过程。 转位需要延长因子转位需要延长因子EF-G参与。参与。 目录目录 目录目录 EF-G有有移位移位酶（酶（translocase）活性，可结合活性

35、，可结合 并水解并水解1分子分子GTP，释放的能量促进核蛋白体向，释放的能量促进核蛋白体向 mRNA的的3侧移动，使起始二肽酰侧移动，使起始二肽酰-tRNA-mRNA 相对位移进入核蛋白体相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的位，而卸载的tRNA则移则移 入入E位。位。 n移位移位 目录目录 fMet A U G53 fMet TuGTP 成肽成肽移位移位下一轮进位下一轮进位 n原核生物蛋白质合成的延伸阶段原核生物蛋白质合成的延伸阶段核糖体循环核糖体循环 目录目录 真核生物肽链合成的延长过程与原核生物真核生物肽链合成的延长过程与原核生物 基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。基本相似，但有不同的

36、反应体系和延长因子。 另外，真核细胞核蛋白体没有另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位位，转位 时卸载的时卸载的tRNA直接从直接从P位脱落。位脱落。 （二）真核生物蛋白质合成的延长（二）真核生物蛋白质合成的延长 目录目录 四、肽链合成的终止四、肽链合成的终止 （一）原核生物一）原核生物蛋白质合成的终止蛋白质合成的终止 终止密码子进入核糖体的终止密码子进入核糖体的A A 位点位点 细菌中存在细菌中存在3 3 类释放因子类释放因子 RF-3RF-3是一种依赖于核糖体的是一种依赖于核糖体的GTPaseGTPase mRNAmRNA、tRNAtRNA 及及RF RF 从核糖体脱离从核糖体脱离 目录目录

37、 RF-3可结合核蛋白体其他部位，有可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性，酶活性， 能介导能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。与核蛋白体的相互作用。 n释放因子的功能：释放因子的功能： 识别终止密码子识别终止密码子 结构类似结构类似tRNA，竞争结合核糖体。，竞争结合核糖体。 RF-1特异识别特异识别UAA、UAG； RF-2特异识别特异识别UAA、UGA。 诱导转肽酶转变为酯酶活性诱导转肽酶转变为酯酶活性 催化新生肽链与结合在催化新生肽链与结合在P位的位的tRNA之间之间 的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。 原原 核核 生生 物物 蛋蛋 白白

38、 质质 合合 成成 的的 终终 止止 目录目录 （二）真核生物蛋白质合成的终止（二）真核生物蛋白质合成的终止 真核生物翻译终止过程与原核生物相似，真核生物翻译终止过程与原核生物相似， 但只有但只有1个释放因子个释放因子eRF，可识别所有终止密码，可识别所有终止密码 子，完成原核生物各类子，完成原核生物各类RF的功能。的功能。 目录目录 UGA 目录目录 原核生物与真核生物蛋白质合成过程的不同点原核生物与真核生物蛋白质合成过程的不同点 目录目录 多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物 合成以高速度、高效率进行。合成以高速度、高效率进行。 五、多核糖体五、多核糖体 1

39、条条mRNA模板链都可附着模板链都可附着10100个核个核 蛋白体，这些核蛋白体依次结合起始密码子蛋白体，这些核蛋白体依次结合起始密码子 并沿并沿53方向读码移动，同时进行肽链合成，方向读码移动，同时进行肽链合成， 这种这种mRNA与多个核蛋白体形成的聚合物称与多个核蛋白体形成的聚合物称 为多核糖体为多核糖体(polysome) 。 目录目录 多核糖体多核糖体 目录目录 电镜下的多核糖体电镜下的多核糖体 目录目录目录目录 第三节第三节 蛋白质的成熟蛋白质的成熟多肽链的折叠、多肽链的折叠、 翻译后修饰、靶向输送翻译后修饰、靶向输送 目录目录 新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必新生多肽链不具备

40、蛋白质的生物学活性，必 须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然 构象的功能蛋白质，这一加工过程称为构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译翻译 后修饰后修饰(posttranslational modification, PTM)(posttranslational modification, PTM)。 翻译后修饰包括多肽链折叠为天然的三维构翻译后修饰包括多肽链折叠为天然的三维构 象及对肽链一级结构的修饰、空间结构的修象及对肽链一级结构的修饰、空间结构的修 饰等。翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样饰等。翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样 化，从而使蛋白质结构上

41、呈现更大的复杂性。化，从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。 目录目录 蛋白质合成后被定向输送到其发挥作蛋白质合成后被定向输送到其发挥作 用的靶位点的过程称为用的靶位点的过程称为蛋白质的靶向蛋白质的靶向 输送输送(protein targeting) (protein targeting) 或蛋白质分拣或蛋白质分拣 (protein sorting)(protein sorting)。 目录目录 1. 分子伴侣分子伴侣: 分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天 然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折 叠的保守蛋白质。叠的

42、保守蛋白质。 n分子伴侣有以下功能：分子伴侣有以下功能： 封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段，阻止封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段，阻止 新生肽链的不正常聚集；新生肽链的不正常聚集； 创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠 互不干扰；互不干扰； 遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。 一、多肽链的折叠 目录目录 (1) 热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP) (2) 伴侣蛋白伴侣蛋白(chaperonin) n分子伴侣主要有：分子伴侣主要有： 目录目录 n 热休克蛋白热休克蛋白(heat

43、shock protein, HSP) 热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激 可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要 折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。 热休克蛋白包括热休克蛋白包括HSP100、 HSP90、 HSP70、 HSP60和和sHSP三族。三族。 目录目录 它有两个主要功能域：一个是存在于N-端的高度 保守的ATP酶结构域，能结合和水解ATP；另一 个是存在于C-端的多肽链结合结构域。蛋白质的 折叠需要这两个结构域的相互作用。 大肠杆菌的大肠杆菌的H

44、SP70 (DnaK) ATP酶肽链结合结构域H2NEEVD-COOH 目录目录 大肠杆菌的大肠杆菌的HSP40 (Dna J)可激活可激活Dna K中的中的ATP酶，生酶，生 成稳定的成稳定的Dna J-Dna K-ADP-被折叠蛋白质复合物，以利被折叠蛋白质复合物，以利 于于Dna K发挥分子伴侣作用。在发挥分子伴侣作用。在ATP存在的情况下，存在的情况下，Dna J和和Dna K的相互作用能抑制蛋白质的聚集。的相互作用能抑制蛋白质的聚集。 HSP20 (Grp E)，核苷酸交换因子，与，核苷酸交换因子，与Dna K的的ATP酶结酶结 构域结合，使构域结合，使Dna K的构象发生改变、的构

45、象发生改变、ADP从复合物中从复合物中 释放出来并由释放出来并由ATP代替代替ADP，释放部分折叠的肽链。，释放部分折叠的肽链。 在蛋白质的折叠过程中，在蛋白质的折叠过程中，HSP70还需还需2个辅助因子个辅助因子 HSP40和和HSP20，它们一起被称为，它们一起被称为HSP70反应系统。反应系统。 ATP酶肽链结合结构域H2NEEVD-COOH Grp E/HSP20 结合部位结合部位 DnaJ/HSP40 结合部位结合部位 目录目录 人类细胞中人类细胞中HSPHSP蛋白质家族可存在于蛋白质家族可存在于 胞浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位，胞浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位， 涉及多种细胞

46、保护功能，如：涉及多种细胞保护功能，如： 使线粒体和内质网蛋白质保持未折叠状态使线粒体和内质网蛋白质保持未折叠状态 而转运、跨膜，再折叠成功能构象；而转运、跨膜，再折叠成功能构象； 通过类似上述机制，避免或消除蛋白质变通过类似上述机制，避免或消除蛋白质变 性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚集， 以利于清除变性或错误折叠的多肽中间物等。以利于清除变性或错误折叠的多肽中间物等。 目录目录 伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如真核伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如真核 细胞的细胞的HSP60和和HSP10（大肠杆菌中同源物（大肠杆菌中同源物 为为Gro EL和和Gro

47、 ES）等家族。）等家族。 其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供 能折叠形成天然空间构象的微环境。能折叠形成天然空间构象的微环境。 目录目录 当待折叠肽链进入当待折叠肽链进入Gro EL的桶状空腔后，的桶状空腔后，Gro ES可作为可作为“盖子盖子”瞬时封闭瞬时封闭Gro EL空腔出口。封空腔出口。封 闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。 nGro EL-Gro ES复合物复合物 目录目录 nGro EL-Gro ES反应反应 目录目录 分子伴侣帮助肽链折叠分子伴侣帮助肽链折叠 HSP70系统帮助一个新

48、生蛋 白质折叠，经几次循环，随 后将部分正确折叠的蛋白质 传递到GroEL-GroES系统中 继续折叠，直到形成天然空 间构象 目录目录 从核糖体释放出的新生多肽链不一定是具备从核糖体释放出的新生多肽链不一定是具备 生物活性的成熟蛋白质，必需经过各种翻译后修生物活性的成熟蛋白质，必需经过各种翻译后修 饰、加工过程才转变为有活性的成熟蛋白。饰、加工过程才转变为有活性的成熟蛋白。 主要包括：主要包括： l多肽链的有限水解多肽链的有限水解 l氨基酸侧链化学修饰氨基酸侧链化学修饰 l二硫键形成二硫键形成 二、蛋白质的翻译后修饰二、蛋白质的翻译后修饰 目录目录 1.切除切除N-端的甲酰基或甲硫氨酸端的甲

49、酰基或甲硫氨酸 l原核细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以原核细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以 去除去除N-N-甲酰基、甲酰基、N-N-末端甲硫氨酸。末端甲硫氨酸。 l真核细胞分泌性蛋白和跨膜蛋白前体的真核细胞分泌性蛋白和跨膜蛋白前体的N-N- 端都有一端都有一13133636个氨基酸残基（以疏水氨个氨基酸残基（以疏水氨 基酸残基为主基酸残基为主) )的肽段的肽段信号肽信号肽(signal (signal peptide)peptide)，这些信号肽在蛋白质成熟过程，这些信号肽在蛋白质成熟过程 中需要被切除。中需要被切除。 （一）多肽链的有限水解（一）多肽链的有限水解 目录目录 例：鸦片促黑皮素原

50、例：鸦片促黑皮素原(POMC)的水解修饰的水解修饰 2. 肽链中肽键水解肽链中肽键水解 目录目录 （二）氨基酸残基侧链的化学修饰（二）氨基酸残基侧链的化学修饰 目录目录 概念：概念：在肽链生物合成的同时或合成后，在酶的催在肽链生物合成的同时或合成后，在酶的催 化下糖链被连接到肽链上的特定糖基化位点的过程。化下糖链被连接到肽链上的特定糖基化位点的过程。 1. 糖蛋白糖基化糖蛋白糖基化 糖链的合成由四类分子协调完成糖链的合成由四类分子协调完成 糖基转移酶糖基转移酶 糖苷酶糖苷酶 糖基供体糖基供体 糖基接受体糖基接受体 意义：意义：糖链的存在对肽链的折叠、糖蛋白的进一步糖链的存在对肽链的折叠、糖蛋白

51、的进一步 成熟、亚基聚合、分拣、投送及糖蛋白的降解起着成熟、亚基聚合、分拣、投送及糖蛋白的降解起着 关键作用。关键作用。 目录目录 连接方式连接方式 目目 录录 N-连接连接： O-连接连接： O N 目录目录 （1 1）N N- -连接型糖蛋白连接型糖蛋白 定义：定义： 聚糖的聚糖的N N- -乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺与多肽链中与多肽链中Asn-X-Ser （NXS/T）序列的天冬酰胺残基的酰胺氮以共价键序列的天冬酰胺残基的酰胺氮以共价键 连接称连接称N- -连接糖蛋白连接糖蛋白。 糖基化位点：糖基化位点： N- -连接糖蛋白中连接糖蛋白中Asn-X-Ser/Thr三个氨基酸残三个氨基酸残

52、基组成的序列子称为糖基化位点。基组成的序列子称为糖基化位点。 目录目录 N-聚糖的加工过程聚糖的加工过程 长萜醇-14糖基 共翻译过程共翻译过程 内质网内质网 高尔基体高尔基体 目录目录 （2 2）O- -连接型糖蛋白连接型糖蛋白 糖基或糖链的还原端与蛋白质肽链中的丝氨酸糖基或糖链的还原端与蛋白质肽链中的丝氨酸 （Ser）、苏氨酸（）、苏氨酸（Thr）或羟赖氨酸（）或羟赖氨酸（Hyl）羟基）羟基 中的氧原子相连称为中的氧原子相连称为O- 连接糖链连接糖链。 通过通过O-乙酰半乳糖胺（乙酰半乳糖胺（GalNAc）和丝氨酸或苏）和丝氨酸或苏 氨酸残基相连的氨酸残基相连的O-糖链（糖链（ O- Ga

53、lNAc）分布最广，）分布最广， 研究最多。研究最多。 目录目录 生物学意义：生物学意义： O-GlcNAc糖基化修饰的蛋白质非常广泛，包括核孔蛋白、糖基化修饰的蛋白质非常广泛，包括核孔蛋白、 RNA聚合酶、转录因子、染色体蛋白等。聚合酶、转录因子、染色体蛋白等。 O-GlcNAc生物学功能多样，对某些细胞的生物学行为起生物学功能多样，对某些细胞的生物学行为起 到调节作用。到调节作用。 O-GlcNAc糖基化是可逆的动态调节，可以与磷酸化发生糖基化是可逆的动态调节，可以与磷酸化发生 置换。磷酸化和置换。磷酸化和O-GlcNAc糖基化修饰可能存在着竞争性调节。糖基化修饰可能存在着竞争性调节。 O

54、-GlcNAc糖基化修饰糖基化修饰 特点：特点： 与丝与丝/ /苏氨酸侧链的羟基连接的只有单糖基的苏氨酸侧链的羟基连接的只有单糖基的O- GlcNAc; ; 这种糖基化修饰方式存在于细胞质和细胞核中。这种糖基化修饰方式存在于细胞质和细胞核中。 目录目录 2. 2. 磷酸化磷酸化 蛋白质磷酸化是蛋白质翻译后修饰的重要形式。蛋白质磷酸化是蛋白质翻译后修饰的重要形式。 蛋白质磷酸化是调节和控制蛋白质活性和功能的最基蛋白质磷酸化是调节和控制蛋白质活性和功能的最基 本、最普遍、也是最重要的机制。本、最普遍、也是最重要的机制。 重要功能蛋白活性的发挥重要功能蛋白活性的发挥 第二信使传递第二信使传递 信号转

55、导（胰高血糖素调控糖代谢）信号转导（胰高血糖素调控糖代谢） 酶的级联作用酶的级联作用 糖原合酶、糖原磷酸化酶的调节糖原合酶、糖原磷酸化酶的调节 目录目录 2. 2. 磷酸化磷酸化 蛋白质磷酸化主要发生在两种氨基酸上：一种是蛋白质磷酸化主要发生在两种氨基酸上：一种是 丝氨酸（包括苏氨酸），另一种是酪氨酸。丝氨酸（包括苏氨酸），另一种是酪氨酸。 催化这两种磷酸化反应的酶不一样，功能也不一催化这两种磷酸化反应的酶不一样，功能也不一 样。样。 少数双功能酶可同时作用于这两类氨基酸，如促少数双功能酶可同时作用于这两类氨基酸，如促 丝裂原活化蛋白激酶（丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated

56、 protein mitogen-activated protein kinase, MAPKkinase, MAPK）。）。 目录目录 蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号 蛋白质酪氨酸激酶（蛋白质酪氨酸激酶（Protein Tyrosine Protein Tyrosine kinasekinase，PTKPTK） 催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。 为细胞信号转导和酶活性调控的一种主要方式，为细胞信号转导和酶活性调控的一种主要方式， 通常通过引发蛋白质之间的相互作用进而介导信通常通过引发蛋白质之间的相互作用进而介导

57、信 号通路。号通路。 几乎所有的多肽细胞生长因子都是通过此途径来几乎所有的多肽细胞生长因子都是通过此途径来 激活细胞，刺激细胞生长。激活细胞，刺激细胞生长。 在细胞的所有磷酸化修饰中所占比例非常低，保在细胞的所有磷酸化修饰中所占比例非常低，保 证细胞在内外信号的刺激下作出灵敏的反应。证细胞在内外信号的刺激下作出灵敏的反应。 目录目录 蛋白质的磷酸化与去磷酸化修饰蛋白质的磷酸化与去磷酸化修饰 蛋白质磷酸化与去磷酸化是细胞生理活动的分子开关蛋白质磷酸化与去磷酸化是细胞生理活动的分子开关 目录目录 3. 3. 乙酰化乙酰化 蛋白质的乙酰化与去乙酰化修饰蛋白质的乙酰化与去乙酰化修饰 乙酰化是指将乙酰基

58、转移到氨基酸侧链基乙酰化是指将乙酰基转移到氨基酸侧链基 团的氮、氧、碳原子上的过程。团的氮、氧、碳原子上的过程。 目录目录 乙酰化修饰在生命体新陈代谢过程中普遍存在。乙酰化修饰在生命体新陈代谢过程中普遍存在。 以前对乙酰化的研究几乎都集中于组蛋白和核以前对乙酰化的研究几乎都集中于组蛋白和核 内蛋白质。内蛋白质。 近年来的研究发现了很多蛋白质均可以被乙酰近年来的研究发现了很多蛋白质均可以被乙酰 化修饰，这些蛋白质几乎涵盖了细胞代谢循环中化修饰，这些蛋白质几乎涵盖了细胞代谢循环中 的所有代谢酶。的所有代谢酶。 糖酵解糖酵解 丙酮酸激酶（丙酮酸激酶（PKM2），乳酸脱氢酶（），乳酸脱氢酶（LDHA）

59、 糖异生糖异生 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK） 脂肪酸代谢脂肪酸代谢 柠檬酸裂酶（柠檬酸裂酶（ACLY） 甲硫氨酸循环甲硫氨酸循环 甲硫氨酸腺苷转移酶（甲硫氨酸腺苷转移酶（MAT） 目录目录 3. 3. 甲基化甲基化 将活性甲基化合物（如将活性甲基化合物（如S- S-腺苷基甲硫氨酸）的腺苷基甲硫氨酸）的 甲基催化转移到其他化合物的过程。甲基催化转移到其他化合物的过程。 发生在蛋白质赖氨酸和精氨酸残基上。 赖氨酸的-氨基可以被一个、两个或 三个甲基修饰。 N N COOHCOOH CHCH CHCH2 2 CHCH2 2 CHCH2 2 CHCH2 2 H H2 2

60、N N 赖氨酸 H H H H H H meme meme meme 甲基化甲基化 SAMSAM 目录目录 三、蛋白质合成后的靶向输送三、蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来，蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来， 定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物 学功能，这个过程称为学功能，这个过程称为靶向输送靶向输送。 两个途径：两个途径：共翻译易位输送和蛋白质翻译后的靶共翻译易位输送和蛋白质翻译后的靶 向输送。向输送。 目录目录 在核糖体合成的新生多肽的在核糖体合成的新生多肽的N-端都含一段保守端都含一段保守 性很强的序列，