第九章 蛋白质生物合成

1、第九章第九章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成本章内容本章内容第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 第二节第二节 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 第三节第三节 蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送 中心法则指出，遗传信息的表达最中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以质，这种以mRNAmRNA上所携带的遗传信息上所携带的遗传信息, ,到到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称情形相似，所

2、以称以以mRNAmRNA为模板的蛋白为模板的蛋白质合成过程为翻译质合成过程为翻译(translation)(translation)。 翻译过程十分复杂，需要翻译过程十分复杂，需要mRNAmRNA、tRNAtRNA、rRNArRNA和多种蛋白因子参与。在此和多种蛋白因子参与。在此过程中过程中mRNAmRNA为合成的模板为合成的模板，tRNAtRNA为运输为运输氨基酸工具，氨基酸工具，rRNArRNA和蛋白质构成核糖体和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为向为N NC C端。端。 第一节第一节 蛋白质合成体系蛋白质合成体系 参与蛋白质生物合成

3、的物质包括参与蛋白质生物合成的物质包括: : 三种三种RNARNA mRNA mRNA（messenger RNA, messenger RNA, 信使信使RNARNA） rRNArRNA（ribosomal RNA, ribosomal RNA, 核蛋白体核蛋白体RNARNA） tRNAtRNA（transfer RNA, transfer RNA, 转移转移RNARNA） 2020种氨基酸种氨基酸(AA)(AA)作为原料作为原料 酶及众多蛋白因子，如酶及众多蛋白因子，如IFIF、eIF eIF ATP ATP、GTPGTP、无机离子、无机离子 一、翻译模板一、翻译模板mRNAmRNA及遗传

4、密码及遗传密码 （一）（一）mRNAmRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子顺反子(cistron)(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的转录单位，转录生成的mRNAmRNA可编码几种功可编码几种功能相关的蛋白质，为能相关的蛋白质，为多顺反子多顺反子(polycistron)(polycistron)。 真核真核mRNAmRNA只编码一种蛋白质，为只编码一种蛋白质，为单顺反单顺反子子(single cistron) (single cistro

5、n) 。原核生物和真核生物原核生物和真核生物mRNAmRNA的比较的比较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：PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG -5 3 蛋白质蛋白质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（二）（二）mRNAmRNA上存在遗传密码上存在遗传密码 mRNAmRNA分子上从分子上从5 5 至至3 3 方向，由方向，由AUGAUG开始，开始，每每3 3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，氨基酸或蛋白质合成的

6、起始、终止信号，称为三联体密码。称为三联体密码。遗遗传传密密码码表表从从mRNA 5mRNA 5 端起始密码子端起始密码子AUGAUG到到3 3 端终端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联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，体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架称为开放阅读框架( (open reading frame, ORF) )。 （三）遗传密码的特点三）遗传密码的特点1.1.连续性连续性 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体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密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。叉。 密码是密码

7、是无标点符号无标点符号的且相邻密码子的且相邻密码子互互不重叠不重叠。基因损伤引起基因损伤引起mRNAmRNA阅读框架内的碱基阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变发生插入或缺失，可能导致框移突变。 2. 2.简并性简并性 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有有一个密码子外，其余氨基酸有2 2、3 3、4 4个或多至个或多至6 6个三联体为其编码。个三联体为其编码。 起始密码子：起始密码子：AUGAUG 终止密码子：终止密码子：UAA, UAG, UGAUAA, UAG, UGA 对应于同一氨基酸的密码子称为对应于同一氨基酸的密码

8、子称为同义同义密码子密码子。 3. 3.通用性通用性 蛋白质生物合成的整套密码，从原核蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。生物到人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。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密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。化自同一祖先。 4.4.摆动性摆动性 转运氨基酸的转运氨基酸的tRNAtRNA的反密码需要通过碱的反密码需要通过碱基互补与基互补与mRNAmRNA上的遗传密码反向配对结合，上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基但反密码与密码间不严格

9、遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。配对规律，称为摆动配对。 多数情况下同义密码子的第一第二个多数情况下同义密码子的第一第二个碱基相同，第三个碱基不同，说明密码的碱基相同，第三个碱基不同，说明密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定。专一性主要是由第一第二个碱基所决定。摆动配对摆动配对 密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U, C, A A, G U, C UG 二、二、核糖体是多肽链合成的装置核糖体是多肽链合成的装置 核糖体是由核糖体是由rRNArRNA和多种蛋白质结合而和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核

10、蛋白颗粒，蛋白质肽成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。键的合成就是在这种核糖体上进行的。核核蛋蛋白白体体的的组组成成 原核细胞原核细胞70S70S核糖体的核糖体的A A位、位、P P位及位及mRNAmRNA结合部位示意图结合部位示意图结合结合或接受肽基或接受肽基的部位）的部位）结合或接结合或接受受AA- tRNA的的部位）部位）50S30S与与mRNA结合部位结合部位mRNA 三、氨基酸转运工具三、氨基酸转运工具tRNAtRNA tRNA tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，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它不但为每个三联体密码子

11、译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨提供接合体，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。基酸运送到核糖体上提供运送载体。 1 1、tRNAtRNA的结构特征的结构特征 三叶草型二级结构三叶草型二级结构反密码子反密码子密码子密码子mRNAtRNA5 3 5 3 2 2、tRNAtRNA的功能的功能 （1 1）被特定的氨酰）被特定的氨酰-tRNA-tRNA合成酶识别，使合成酶识别，使tRNAtRNA接受正确的活化氨基酸。接受正确的活化氨基酸。 （2 2）识别）识别mRNAmRNA上的密码子上的密码子 （3 3）在蛋白质合成过程中，）在蛋白质合成过程中，tRNAtRNA起着连起

12、着连结生长的多肽链与核结生长的多肽链与核 糖体的作用。糖体的作用。第二节第二节 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 一、一、氨基酸的活化氨基酸的活化 翻译过程从阅读框架的翻译过程从阅读框架的5 5 -AUG-AUG开始，开始，按按mRNAmRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。直至终止密码出现。 （一）氨基酰（一）氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 第一步反应第一步反应:氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi 第二步反应

13、第二步反应:氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E1.1.氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNAtRNA都有都有高度特异性高度特异性。2.2.氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶具有校正活性。合成酶具有校正活性。3.3.氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的表示方法：的表示方法： Ala-tRNAAla-tRNAAlaAla Ser-tRNA Ser-tRNASerSer Met-tRNA Met-tRNAMetMet （二）起始肽链合成的氨基酰（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA-tRNA 真核生物：真核生物： Met-

14、tRNAMet-tRNAi iMetMet 原核生物：原核生物： fMet-tRNAfMet-tRNAi if fMetMetCHOCHO-HN-CH-COO-tRNA-HN-CH-COO-tRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S COO- COO- 二、原核生物蛋白质合成过程二、原核生物蛋白质合成过程 翻译过程从阅读框架的翻译过程从阅读框架的5 5 -AUG-AUG开始，开始，按按mRNAmRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。直至终止密码出现。 整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为 ：肽链合成的起始肽链合成的起始 肽链的延长肽链的延

15、长 肽链合成的终止及释放肽链合成的终止及释放 （一）（一） 起始阶段起始阶段 1.1.核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离； 2.mRNA2.mRNA与小亚基结合；与小亚基结合； 3.3.起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA与小亚基结合；与小亚基结合； 4.4.核蛋白体大亚基结合；核蛋白体大亚基结合； 30S亚基亚基 mRNA IF3- IF1复合物复合物 mRNA +30S亚基亚基-IF330S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物复合物70S起始复合物起始复合物IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S50S亚基亚基IF2+ IF1+GDP+

16、Pi 原核、真核生物各种原核、真核生物各种起始因子起始因子的生物功能的生物功能 促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA5帽子帽子eIF-4E结合结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结结合小亚基合小亚基IF-4A最先结合小亚基促

17、进大小亚基分离最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2真核真核生物生物促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA敏感性敏感性EIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合EIF-2占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合复合物成分

18、，结合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA5帽子帽子eIF-4E结合结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结结合小亚基合小亚基IF-4A最先结合小亚基促进大小亚基分离最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2真核真核生物生物促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA敏感性敏感性EIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合

19、与小亚基结合EIF-2占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子 1. 1.核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离IF-3IF-1 2. mRNA2. mRNA与小亚基结合与小亚基结合IF-3IF-1A U G53 原核生物蛋白质合成的起始原核生物蛋白质合成的起始AUGAUG的确定的确定 S-DS-D序列序列 3. 3. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAtRNA( fMet-tRNAi imetmet ) )与与 小亚基结合小亚基结合IF-3IF-1A U G53IF-2GTP4.4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物

20、形成核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成A U G53IF-2GTPGDP70S70S起始复合物起始复合物 （二）（二） 延长阶段延长阶段 肽链延长在核蛋白体上连续性循环式肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环，每次循环进行，又称为核蛋白体循环，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：增加一个氨基酸，包括以下三步： 1.1.进位进位 2.2.成肽成肽 3.3.转位转位 延伸过程所需蛋白因子称为延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延长因子 原核生物：原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G EF-G 真核生物：真核生物：EF-1

21、EF-1 、EF-2 EF-2 肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子原核延长原核延长因子因子生物功能生物功能对应真核延对应真核延长因子长因子EF-TuEF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA-tRNA进入进入A A位，结位，结合分解合分解GTPGTPEF-1-EF-1-EF-TsEF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EF-1-EFGEFG有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-mRNA-肽肽酰酰-tRNA-tRNA由由A A位前移到位前移到P P位，促位，促进卸载进卸载tRNAtRNA释放释放EF-2EF-2 1.1.进位进位指根据指根据mRNAmRNA下一组遗传密码下一组遗传密码指导，使

22、相应氨指导，使相应氨基酰基酰-tRNA-tRNA进入进入核蛋白体核蛋白体A A位。位。 2.2.成肽成肽 是由转肽酶催化的肽键形成过程。是由转肽酶催化的肽键形成过程。 3.3.转位转位 转转位位进进位位成肽成肽（三）终止阶段（三）终止阶段 终止蛋白合成的因子称为释放因子终止蛋白合成的因子称为释放因子 原核生物释放因子：原核生物释放因子： RF-1RF-1，RF-2RF-2，RF-3 RF-3 释放因子的功能：释放因子的功能： 识别终止密码，如识别终止密码，如RF-1RF-1特异识别特异识别UAAUAA、UAGUAG；而；而RF-2RF-2可识别可识别UAAUAA、UGAUGA。 诱导转肽酶改变

23、为酯酶活性，使肽链从诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。核蛋白体上释放。 原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 多聚核蛋白体多聚核蛋白体 三、真核生物的翻译过程三、真核生物的翻译过程 1 1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；大更复杂； 2 2、起始氨基酸为、起始氨基酸为MetMet，不是，不是fMetfMet； 3 3、肽链合成的起始：由、肽链合成的起始：由40S40S核糖体亚基核糖体亚基首先识别首先识别mRNAmRNA的的5 5端端- -帽子，然后沿帽子，然后沿mRNAmRNA移动寻找移动寻找AUGAUG； 4 4、起始因子有、起

24、始因子有1212种，但只有种，但只有2 2种延长因种延长因子和子和1 1种终止因子；种终止因子； 5 5、真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体、真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。原核细胞。 第三节第三节 蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送肽链的折叠：肽链的折叠：肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具有正确三维空间结构的蛋白列形成具有正确三维空间结构的蛋白质的过程。质的过程。 体内多肽链的折叠目前认为至少有体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白质参与，称为助折叠蛋白两类蛋白质参与，称为助折叠蛋白: : （1 1）酶：蛋白质二硫键异构酶）酶：蛋白质二硫键异构