生物化学蛋白质的生物合成

1、 翻译翻译：将核酸中由将核酸中由 4 种种核苷酸序列核苷酸序列编码编码的遗传信息，解读为蛋白质一级结构中的遗传信息，解读为蛋白质一级结构中20种种氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序,即翻译即翻译 。第十三章第十三章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成主要内容 蛋白质合成体系的主要成份 蛋白质的生物合成过程 蛋白质合成所需的能量 多核糖体 蛋白质生物合成后的加工处理第一节第一节 蛋白质合成体系的主要成份蛋白质合成体系的主要成份 合成蛋白质的模板合成蛋白质的模板mRNA 运载氨基酸工具运载氨基酸工具tRNA 合成蛋白质的场所合成蛋白质的场所核糖体核糖体 氨酰氨酰tRNA合成酶合成酶一、蛋白质合成的模板

2、一、蛋白质合成的模板mRNA mRNAmRNA携带有携带有DNADNA上的遗传信息，是指上的遗传信息，是指导蛋白质生物合成的模板导蛋白质生物合成的模板, ,所以所以mRNAmRNA上的上的核苷酸排列顺序与氨基酸序列有严格的核苷酸排列顺序与氨基酸序列有严格的对应关系。这种对应关系犹如电报密码，对应关系。这种对应关系犹如电报密码，被称为遗传密码。被称为遗传密码。 遗传密码：指遗传密码：指mRNA上核苷酸排列顺上核苷酸排列顺序与蛋白质多肽链中的氨基酸排列顺序之序与蛋白质多肽链中的氨基酸排列顺序之间严格的对应关系。间严格的对应关系。遗传密码的破译遗传密码的破译 : : 密码子密码子(codon):(c

3、odon): 一个三联体密码也称为一个密码子，一个三联体密码也称为一个密码子，一个密码子为一个氨基酸编码。一个密码子为一个氨基酸编码。 密码子的数量密码子的数量 43 =64 =64 2.2.遗遗 传传 密密 码码 mRNAmRNA分子上从分子上从5 5 至至3 3 方向，由方向，由AUGAUG开开始，每始，每3 3个核苷酸为一组，决定肽链上一个核苷酸为一组，决定肽链上一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码号，称为三联体密码(triplet coden)(triplet coden)。 不同生物在使用密码子家族时，有不同生物在使用密码子家族时，

4、有强烈的倾向性，（密码的偏爱性）。强烈的倾向性，（密码的偏爱性）。遗传密码表遗传密码表3、遗传密码的基本特性（1）遗传密码具有方向性（2）读码不重叠无间隔（3）密码的简并性（4）有终止密码子和起始密码子（5）密码的通用性（1）遗传密码具有方向性 mRNA上的密码子阅读方向为5 3。(2)读码不重叠无间隔读码不重叠无间隔 连续性连续性(commaless)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连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。续阅读，密码间既无间断也无交叉。（3)简并性简并性(degeneracy) 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸

5、仅有一个密码子外，其余氨基酸仅有一个密码子外，其余氨基酸均由两均由两个以上三联体为其编码。个以上三联体为其编码。 兼并性：一个氨基酸有多个密码子的现象。兼并性：一个氨基酸有多个密码子的现象。密码子简并性的生物学意义：密码子简并性的生物学意义： 减少有害突变。减少有害突变。遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。GCU ACUGCC ACCGCA ACAGCG ACGAlaThr同义密码子：为同一种氨基酸编码的密码子。同义密码子：为同一种氨基酸编码的密码子。偏爱密码：在不同生物中使用同义密码子的频率是偏爱密码：在不同生物中使用同义密码子的频率是 不相同的。不相

6、同的。（4）有起始密码子和终止密码子起始密码子：起始密码子：AUG 终止密码子：终止密码子：UAA, UAG, UGA(5) 通用性通用性(universal) 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。物到人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、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。 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。 4.蛋白质多肽链由蛋白质多肽链由mRNA上的编码区（可读框）规定上的编码区（可读框）规定UTRUTR 真核细胞真核细胞mRNA一般只

7、含有一个一般只含有一个ORF，称单顺反子；称单顺反子； 原核细胞原核细胞mRNA含有多个含有多个ORF，称多顺，称多顺反子反子 ，经常编码功能相关的几个蛋白质，经常编码功能相关的几个蛋白质原核生物的多顺反子原核生物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PPPmG -5 3 蛋白质蛋白质5.mRNA具有核糖体结合位点具有核糖体结合位点AUG10basesUAAGGAGGU:complementary with 5二、蛋白质合成中氨基酸的运载工具二、蛋白质合

8、成中氨基酸的运载工具tRNAtRNA 在蛋白质合成中处于关键地位，它在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。酸运送到核糖体上提供运送载体。 在蛋白质合成中在蛋白质合成中tRNAtRNA的四种功能部位：的四种功能部位：1.1.氨基酸的结合部位氨基酸的结合部位2.2.氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶合成酶 识别部位识别部位( (DHUDHU环环）3.3.核糖体识别部位核糖体识别部位 （TC环）4.4.密码识别部位密码识别部位 （反密码（反密

9、码 子）子）tRNA的三级结构示意图的三级结构示意图1 1、同工受体、同工受体tRNAtRNA： 每一种氨基酸都有一种或几种特定的每一种氨基酸都有一种或几种特定的tRNAtRNA，将这将这些携带同一种氨基酸的些携带同一种氨基酸的tRNAtRNA称为同工受体称为同工受体tRNAtRNA。又称变偶现又称变偶现象象。2、密码子与反密码子识别的配对摇摆性、密码子与反密码子识别的配对摇摆性 NNNNOHOCH2OOHOHOHOPUUGGCACUGTrp Ala LeuUUG GCUCUGTrp Ala LeumRNA肽链肽链 mRNAmRNA的一个片段为的一个片段为UUGGCACUGUUGGCACUG，

10、它翻译后它翻译后得到的相应的肽链则是得到的相应的肽链则是TrpAlaLeuTrpAlaLeu。 若若mRNAmRNA的一个密码子的一个密码子GCAGCA的第三个碱基突的第三个碱基突变为变为GCUGCU，它翻译后得到的相应的肽链顺序仍它翻译后得到的相应的肽链顺序仍然是然是TrpAlaLeuTrpAlaLeu。 密码子的简并性与反密码子的变偶性密码子的简并性与反密码子的变偶性在一定程度上保证了生物遗传的稳定性。在一定程度上保证了生物遗传的稳定性。三三、 蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所核糖体核糖体 化学组成：蛋白质与rRNA 结构：大亚基与小亚基1.核糖体由大、小亚基组成核糖体由大、小亚基组成核蛋

11、白体的组成核蛋白体的组成核蛋核蛋白体白体原核生物原核生物真核生物真核生物蛋白质蛋白质 S S值值 rRNArRNA 蛋白质蛋白质S S值值rRNArRNA小亚基小亚基2121种种30S30S16S16S3333种种40S40S18S18S大亚基大亚基3434种种50S50S23S23S5S5S4949种种60S60S28S28S5.8S5.8S5S5S核蛋白核蛋白体体70S70S80S80S16S rRNA二级结构模型二级结构模型2.2.核糖体上的活性部位核糖体上的活性部位A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)，结合结合AA-tRNAAA-tRNA的部位的部位P位：肽酰位位

12、：肽酰位(peptidyl site)： 接接受肽基的部位受肽基的部位E位：排出位位：排出位(exit site)T转肽酶转肽酶1.第二遗传密码第二遗传密码保证氨基酸正确地连接到保证氨基酸正确地连接到特定的特定的tRNAtRNA上，正确地参入正在合成的蛋白质上，正确地参入正在合成的蛋白质多肽链中。多肽链中。 氨基酸 tRNAtRNA氨基酰ATPAMP + PPi*tRNA氨基酰*合成酶绝对专一性校正活性氨基酰氨基酰tRNA合成酶催化的反应：合成酶催化的反应：氨基酸氨基酸 ATP+E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP EAla-t

13、RNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet fMet-tRNAifMet的生成的生成：Met-tRNAifMetfMet-tRNAifMet转甲酰基酶N10-CHO FH4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一、蛋白质多肽链生物的起始蛋白质多肽链生物的起始（一）（一） 一种特定的一种特定的tRNAtRNA起始子启动多肽链的合成起始子启动多肽链的合成 起始氨基酸起始氨基酸原核生物：原核生物： N-N-甲酰甲硫氨（甲酰甲硫氨（fMetfMet）真核生物：真核生物： MetMet表示方法：表示方法： tRNA tRNAm mMetMet tRNA tRNAf fMe

14、tMet能够携带起始氨基酸的能够携带起始氨基酸的tRNAtRNA称为称为tRNAtRNA起始子起始子蛋蛋白白质质的的其其它它因因子子起始因子：起始因子：IFIF1 1，IFIF2 2，IFIF3 3（initiation factorinitiation factor，IFIF）延长因子：延长因子：EF-TuEF-Tu，EF-TsEF-Ts，EF-GEF-G（elongation factorelongation factor，EFEF）释放因子：释放因子：RF-1RF-1，RF-2RF-2，RF-3RF-3（release factorrelease factor，RFRF）(二）蛋白质生物

15、合成的起始二）蛋白质生物合成的起始起始复合物的形成起始复合物的形成1.原核生物翻译起始复合物形成原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。 IF-1和和IF-3与小亚基结合，促进核糖体大、小亚基拆离，与小亚基结合，促进核糖体大、小亚基拆离，为蛋白质生物合成的起始作准备。为蛋白质生物合成的起始作准备。A U G53IF-3IF-1(2) mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合S-DS-D序列：序列：在原核生物在原核生物mRNA起始密码起

16、始密码AUG上上游，存在游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，个富含嘌呤碱的一致性序列，如如-AGGAGG-，称为，称为S-D序列。又称为核序列。又称为核蛋白体结合位点（蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS) mRNAmRNA具有核糖体结合位点具有核糖体结合位点AUG10basesUAAGGAGGU:complementary with 5(3） 起始氨酰起始氨酰tRNA( fMet-tRNAfMet )与小亚基结合与小亚基结合 起始起始 fMet-tRNAfMet在在IF2-GTP帮助下，进入小亚基帮助下，进入小亚基P位，位，并对应模板并对应模板mRNA的起始

17、密码的起始密码AUG。IF2结合的结合的GTP被水解，三种被水解，三种IF脱离，脱离，50S大亚基与大亚基与30S小亚小亚基、模板基、模板mRNA以及起始以及起始fMet-tRNAfMet构成起始复合体。构成起始复合体。肽肽链链的的起起始始起始复合物形成的总过程起始复合物形成的总过程二、蛋白质生物合成的延伸二、蛋白质生物合成的延伸即与即与mRNA下一个密码下一个密码相对应的氨基酰相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的进入核糖体的A位。此位。此步骤需步骤需GTP，Mg2+，和和EF-T参与。参与。新的氨酰新的氨酰-tRNA进入进入A位位2.2. 肽键的形成肽键的形成（转肽）：（转肽）：50s50s大

18、亚基上的给位有转肽酶活性，催化给位的甲大亚基上的给位有转肽酶活性，催化给位的甲酰蛋氨酸与受位新进的酰蛋氨酸与受位新进的aaaa结合形成肽键，同时给位上的结合形成肽键，同时给位上的tRNAtRNA脱落。脱落。蛋白质多肽链合成的终止过程蛋白质多肽链合成的终止过程四、蛋白质合成所需的能量原核生物原核生物氨基酸活化：氨基酸活化：2个个PATP起始：起始： 1个个GTP延长：延长： 2个个GTP终止：终止： 1个个GTP结论：每合成一个肽键至少消耗结论：每合成一个肽键至少消耗4个个P。蛋白质生物合成的特点蛋白质生物合成的特点肽链的合成是在肽链的合成是在A位进行的位进行的肽链的合成方向是肽链的合成方向是N

19、-端端C-端端mRNA的阅读方向是的阅读方向是5 3每延长一个每延长一个AA残基需要消耗残基需要消耗4个高能个高能磷酸磷酸五、多聚核蛋白体(polysome)使蛋白质使蛋白质合成高速、高合成高速、高效进行。效进行。真核生物的翻译过程（一）（一） 起始阶段起始阶段1.核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；2.起始氨酰起始氨酰-tRNA(Met-tRNA)与小亚基结与小亚基结合合3.mRNA在核蛋白体小亚基就位；在核蛋白体小亚基就位；4.核蛋白体大亚基结合；核蛋白体大亚基结合；（二）（二） 延长阶段延长阶段 延长因子为延长因子为EF-1、EF-2。（三）终止阶段（三）终止阶段 仅需一种释放因

20、子，有仅需一种释放因子，有GTP酶活酶活性。性。第三节第三节 蛋白质生物合成后的加工处理蛋白质生物合成后的加工处理从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白从核蛋白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。程才转变为天然构象的功能蛋白。 主要包括：主要包括： 多肽链折叠为天然的三维结构多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰肽链一级结构的修饰 高级结构修饰高级结构修饰 靶向输送靶向输送一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质（一）分子伴侣（一）分子伴侣 (molecular chaperon) 分子

21、伴侣是细胞中的保守蛋白质，可识别分子伴侣是细胞中的保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，通过与疏水肽链的结合和肽链的非天然构象，通过与疏水肽链的结合和释放作用（消耗释放作用（消耗ATPATP），消除不正确的折叠，），消除不正确的折叠，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。分子促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。分子伴侣分类：伴侣分类： 1.1.热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP) (heat shock protein, HSP) HSP70 HSP70、HSP40HSP40和和GreEGreE族族 2.2.伴侣素伴侣素(chaperonins) (chapero

22、nins) GroEL GroEL和和GroESGroES家族家族的作用的作用伴侣素伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程系统促进蛋白质折叠过程 伴侣素的主要作用伴侣素的主要作用为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天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然空间构象的微环境。 （二）蛋白二硫键异构酶（二）蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 在内质网腔活性很高，可在较大区在内质网腔活性很高，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确二硫键连接，最终使

23、蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。学最稳定的天然构象。（三）肽（三）肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI) 肽酰肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三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成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。折处形成准确折叠。二、蛋白质的修饰二、蛋白质的修饰1.肽链肽链N端的修饰端的修饰2.个别氨基酸的修饰个别氨基酸的修饰3.多肽链的水解修饰多肽链的水解修饰（一）一级结构的修饰（一）一级结构的修饰剪

24、切剪切 已合成的多肽链经翻译后加工已合成的多肽链经翻译后加工切割后生成多种不同活性的蛋白切割后生成多种不同活性的蛋白质或多肽质或多肽.鸦片促黑皮质素原鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰的水解修饰NC信号肽信号肽PMOCKRKR103肽肽 ( ？)ACTH -LT -MSH -MSHEndophin（二）高级结构修饰（二）高级结构修饰1.亚基聚合亚基聚合 2.辅基连接辅基连接3.疏水脂链的共价连接疏水脂链的共价连接 三、蛋白合成阻断剂蛋白合成阻断剂 .抗生素抗生素(antibiotics)类阻断剂类阻断剂 是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。药物

25、。抗生素类抗生素类抗生素作用点作用原理应用四环素族（金霉素 新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、新霉素氯霉素、林可霉素红霉素梭链孢酸 放线菌酮嘌呤霉素原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体大亚基原核核蛋白体大亚基原核核蛋白体大亚基真核核蛋白体大亚基真核、原核核蛋白体 抑制氨基酰-tRNA与小亚基结合改变构象引起读码错误、抑制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位与EFG-GTP结合，抑制肽链延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰-tRNA类似物，进位后引起未成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究抗肿瘤药抗生素抑制蛋白质生物合成的原理抗生素抑制蛋白质生物合成的原理 四环素四环素

26、族抑制族抑制氨基酰氨基酰入位入位氯霉素氯霉素链霉素和卡那霉素改变链霉素和卡那霉素改变小亚基构象引起读码错误小亚基构象引起读码错误嘌呤霉素嘌呤霉素放线菌酮抑制转肽酶放线菌酮抑制转肽酶与酪氨酰与酪氨酰-tRNA相似相似抗抗生生素素类类 嘌呤霉素嘌呤霉素作用示意图作用示意图与氨基酰与氨基酰 tRNA相似相似核糖体错认核糖体错认为为A位是活位是活化的氨基酸化的氨基酸抗代谢药抗代谢药抗肿瘤化疗的药物抗肿瘤化疗的药物: 阻断真核细胞蛋白质的生物合成阻断真核细胞蛋白质的生物合成.故称为抗代谢药故称为抗代谢药.抗肿瘤化疗的药物产生耐药的原因抗肿瘤化疗的药物产生耐药的原因:编码人的多编码人的多重耐药性基因重耐药

27、性基因(multiple drug resistant MDR)表达的结果表达的结果其他干扰蛋白质生物合成的物质其他干扰蛋白质生物合成的物质 毒素(toxin) 干扰素(interferon)白喉毒素白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理的作用机理NCONH2N+OCH2OOHOHADPCONH2白白喉喉毒毒素素（有活性有活性）OCH2OOHOHADP（无活性无活性）ADP糖基化修饰糖基化修饰（二）干扰素：真核细胞感染病毒后能分泌（二）干扰素：真核细胞感染病毒后能分泌一类有抗病毒作用的一类有抗病毒作用的蛋白质蛋白质干扰素的分类：干扰素的分类：白细胞白细胞INF-成纤维细胞成纤维细胞-INF-淋巴细胞淋巴细胞-INF-2.干扰素的作用机理干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA(病病毒毒)ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）（失活）Pi磷酸酶磷酸酶(