生物化学蛋白质的合成

1、蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成(翻译翻译)Protein Biosynthesis (Translation)蛋白质生物合成的定义蛋白质生物合成的定义在多种因子辅助下，由在多种因子辅助下，由tRNA携带并转运相应氨基携带并转运相应氨基酸，识别酸，识别mRNA上的三联体密码子，在核糖体上上的三联体密码子，在核糖体上合成具有特定序列多肽链的过程。合成具有特定序列多肽链的过程。 它的本质是它的本质是将将mRNA分子中分子中4种核苷酸序列编码的遗传信息种核苷酸序列编码的遗传信息（核酸语言）（核酸语言），解读为蛋白质一级结构中，解读为蛋白质一级结构中20种氨种氨基酸的排列顺序基酸的排列顺序（蛋白质语言

2、），（蛋白质语言），也称也称翻译翻译(translation) 。 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成系蛋白质生物合成系Protein Biosynthesis System蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系u基本原料：基本原料：20种编码氨基酸种编码氨基酸u模板：模板：mRNAu适配器：适配器：tRNAu装配场所：核糖体装配场所：核糖体u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、转肽酶、合成酶、转肽酶、转位酶、起始、延长、释放因子等转位酶、起始、延长、释放因子等u能源物质：能源物质：ATP、GTPu无机离子：无

3、机离子：Mg2+、 K+mRNA ( (蛋白质合成的信息模板蛋白质合成的信息模板) )mRNAmRNA中每三个相邻的的核苷酸组成三联体，代表中每三个相邻的的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸或起始和终止信息，此三联体就称为一个氨基酸或起始和终止信息，此三联体就称为密码子（密码子（codon）。共有。共有6464中不同的密码，起始中不同的密码，起始密码：密码：AUG;AUG;终止密码终止密码:UAA:UAA、UAGUAG、UGA.UGA.从从mRNA 5 -端的起始密码子端的起始密码子AUG到到3 -端终止密端终止密码子之间的核苷酸序列，称为码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架开放阅读框架(op

4、en reading frame, ORF)。遗传密码的特点遗传密码的特点u方向性方向性(direction) ： 翻译时的阅读方向只能从翻译时的阅读方向只能从53u连续性连续性 (commaless): mRNA的密码子之间没有间隔核的密码子之间没有间隔核苷酸苷酸u简并性简并性(degeneracy)： 一种氨基酸可具有一种氨基酸可具有2个或个或2个以上个以上的密码子为其编码的密码子为其编码u通用性通用性(universal)： 从细菌到人类都使用着同一套遗从细菌到人类都使用着同一套遗传密码传密码u摆动性摆动性(wobble)： 反密码子与密码子之间的配对有反密码子与密码子之间的配对有时并不

5、严格遵守常见的碱基配对规律时并不严格遵守常见的碱基配对规律u连续性连续性mRNA序列上的各个密码子及密码子的各碱基是连续排列的，之间没序列上的各个密码子及密码子的各碱基是连续排列的，之间没有间隔，即具有无标点性。有间隔，即具有无标点性。翻译时从翻译时从AUG开始向开始向3-端连续读码，每端连续读码，每个碱基只读一次，不重叠阅读，直至终止密码子出现。个碱基只读一次，不重叠阅读，直至终止密码子出现。 开放阅读框架中插入或缺失开放阅读框架中插入或缺失1个或个或2个碱基的基因突变，引起个碱基的基因突变，引起mRNA阅读框架发生移动，编码的蛋白质彻底丧失功能，称为阅读框架发生移动，编码的蛋白质彻底丧失功

6、能，称为移码突变移码突变(frameshift mutation)，“后果很严重后果很严重”；如同时连续插入或缺失如同时连续插入或缺失3个碱基，则只会在蛋白质产物中增加或缺失个碱基，则只会在蛋白质产物中增加或缺失一个氨基酸，但不会导致阅读框移位，对蛋白质的功能影响相对较小。一个氨基酸，但不会导致阅读框移位，对蛋白质的功能影响相对较小。u简并性简并性 64个密码子中有个密码子中有61个编码氨基酸，而氨基酸只有个编码氨基酸，而氨基酸只有20种，种，因此有的氨基酸可由因此有的氨基酸可由可具有可具有2个或个或2个以上的密码子为其编个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的码。这一特性称为遗传密码的

7、简并性简并性。例如，。例如，UUU和和UUC都是苯丙氨酸的密码子都是苯丙氨酸的密码子.多数情况下，简并性密码子的前两位碱基相同多数情况下，简并性密码子的前两位碱基相同 ，仅第三，仅第三位有差异，即密码子的特异性主要由前两位核苷酸决定，位有差异，即密码子的特异性主要由前两位核苷酸决定，如苏氨酸的密码子是如苏氨酸的密码子是ACU、ACC、ACA、ACG。这意味。这意味着着第三位碱基的改变往往不改变其密码子的编码氨基酸，第三位碱基的改变往往不改变其密码子的编码氨基酸，合成的蛋白质具有相同的一级结构合成的蛋白质具有相同的一级结构。因此，遗传密码的简。因此，遗传密码的简并性可低基因突变的生物学效应并性可

8、低基因突变的生物学效应mRNA的功能：的功能：蛋白蛋白质质合成的直接模板，合成的直接模板， 碱碱基排列基排列顺顺序序决决定了定了氨氨基酸的排列基酸的排列顺顺序，序，密密码码的的阅读阅读方向方向为为53 tRNA作用作用运载氨基酸：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，一种氨基酸可有几携带，一种氨基酸可有几种对应的种对应的tRNA，氨基酸结合在，氨基酸结合在tRNA的的3 -CCA的位置，结合需要的位置，结合需要ATP供能；供能；充当充当“适配器适配器”：每种每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在准确地在mRNA上对号入座。上

9、对号入座。功能功能通过通过3-CCA-OH将氨基酸带到蛋白质合成场所，通过反密码子将氨将氨基酸带到蛋白质合成场所，通过反密码子将氨基酸正确就位。基酸正确就位。二级结构二级结构三级结构三级结构反密反密码环码环氨氨基酸臂基酸臂tRNA的的构构象象cloverleaf12核糖体核糖体肽链肽链“装配厂装配厂”u核核糖体糖体的组成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和多种蛋白质组成的复合体，和多种蛋白质组成的复合体，是蛋是蛋白质生物合成的场所。白质生物合成的场所。u核糖体的功能核糖体的功能蛋白质合成的场所，由大小亚基组蛋白质合成的场所，由大小亚基组成，成，小亚基与小亚基与mRN

10、A结合，核糖体上有结合，核糖体上有P位和位和A位，是形成肽键的中心位，是形成肽键的中心 核蛋白体核蛋白体 原核生物中的蛋白体大小为原核生物中的蛋白体大小为70S，可分为，可分为30S小亚基和小亚基和50S大亚基大亚基. 核蛋白体的大小亚基分别有不同的功能：核蛋白体的大小亚基分别有不同的功能： u小亚基小亚基：可与可与mRNA、GTP和起始和起始tRNA结合结合u大亚基：大亚基：具有两个不同的具有两个不同的tRNA结合点。结合点。 A位位受位，可与新进入的氨基酰受位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；结合； P位位给位，可与延伸中的氨基酸给位，可与延伸中的氨基酸tRNA结合。结合。 具有转肽酶活性

11、。具有转肽酶活性。rRNA的结构特点的结构特点修饰碱基较少多为甲基化修饰碱基较少多为甲基化; ;不同来源的不同来源的rRNArRNA某些区域具有某些区域具有高度的同源性高度的同源性; ;含有大量的茎环结构含有大量的茎环结构. .u重要的酶类重要的酶类氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的，催化氨基酸的活化；活化；转肽酶转肽酶(peptidase)，将将P P位上的肽酰基转给位上的肽酰基转给A A位上的氨基，生成肽键位上的氨基，生成肽键转位酶转位酶(translocase)，催化核糖体向，催化核糖体向mRNA的的3-端移动一个密码子端

12、移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于的距离，使下一个密码子定位于A位。位。u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）u能源物质及离子能源物质及离子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白质生物合成的无机离子有Mg2+、K+ 等。等。u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 fact

13、or，EF）释放因子（释放因子（release factor，RF）参与参与原核生物原核生物翻翻译译的各的各种种蛋白蛋白质质因子及其生物因子及其生物学学功能功能18蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程u蛋白质合成的三个过程蛋白质合成的三个过程: (1) 氨基酸的活化氨基酸的活化; (2) 肽链的合成；肽链的合成；(3) 肽链合成后的折叠加工、修饰、蛋白质的靶向运输肽链合成后的折叠加工、修饰、蛋白质的靶向运输u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的过程称的过程称为为氨基酸的活化氨基酸的活化。u氨基酸的活化形式是氨基酰氨基酸的活化形式是氨基酰-tRNA，氨

14、基酰氨基酰-tRNA合成合成酶酶催化完成。催化完成。u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都有高度特都有高度特异性。异性。u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。氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶* 活化的部位活化的部位 ： -COOH* 活化的形式：活化的形式：氨基酰氨基酰-tRNA 能量：能量： -ATP 氨氨基酰基酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸合成酶识别特定氨基酸和和tRNA反反应过应过程程2122具有起始功能的具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后，

15、与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸很快被甲硫氨酸很快被甲酰化甲酰化为为N-甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸(N-formyl methionine, fMet)，于是形成，于是形成N-甲酰甲硫氨甲酰甲硫氨酰酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在，可以在mRNA的起始的起始密码子密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认始密码子只能辨认fMet-tRNAfMet。 n原核生物原核生物起始起始氨氨基基酰酰-tRNA: fMet-tRNAfMet 参与肽链参与肽链延延长长的甲硫的甲硫氨酰氨酰-tRNA：Met-tRNAMet肽链肽链合成的起始需要特殊

16、的起始合成的起始需要特殊的起始氨氨基基酰酰-tRNA二、二、肽链肽链生物合成过程生物合成过程 The Biosynthesis Process of Peptide Chainu起始起始(initiation)u延长延长(elongation)u终止终止(termination ) 翻译的起始是指翻译的起始是指mRNA、起始氨基酰、起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物的过程。而形成翻译起始复合物的过程。24翻翻译译起始起始复复合物的装配合物的装配启动肽链启动肽链合成合成原核生物原核生物翻译起始复合物的形成翻译起始复合物的形成u 核糖体大、小亚基分离；核糖体大

17、、小亚基分离；u核糖体小亚基结合于核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近；的起始密码子附近；u起始氨基酰起始氨基酰-tRNA结合在核糖体结合在核糖体P位；位； u核糖体大亚基结合形成起始复合物。核糖体大亚基结合形成起始复合物。u 肽链延长肽链延长指在指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次模板的指导下，氨基酸依次进入核糖体并聚合成多肽链的过程。进入核糖体并聚合成多肽链的过程。1. 进进位位(positioning)/注注册册(registration)2. 成成肽肽(peptide bond formation)3. 转转位位(translocation) 肽链延长在核糖体上连续循环式进行，每

18、次循肽链延长在核糖体上连续循环式进行，每次循环使多肽链增加一个氨基酸残基，又称为核糖环使多肽链增加一个氨基酸残基，又称为核糖体循环体循环(ribosomal cycle)，包括以下三步，包括以下三步：26在核糖体上重在核糖体上重复进复进行的三步反行的三步反应应延延长肽链长肽链u进位：进位：又称又称注册注册(registration)，是指一个氨基酰，是指一个氨基酰-tRNA按照按照mRNA模板的指令进入并结合到核糖体模板的指令进入并结合到核糖体A位的过程。位的过程。u成肽：是指在成肽：是指在转肽酶转肽酶(peptidase)的催化下，核糖体的催化下，核糖体P位位上起始氨基酰上起始氨基酰-tRNA的的N-甲酰甲硫氨酰基甲酰甲硫氨酰基或肽酰或肽酰-tRNA的的肽酰基肽酰基转移到转移到A位并与位并与A位上氨基酰位上氨基酰-tRNA的的-氨基氨基结合结合形成肽键的过程。形成肽键的过程。u转移：转移： 转位是在转位是在转位酶转位酶的催化下，核糖体向的催化下，核糖体向mRNA的的3 -端