《生物化学》本科课件12章 蛋白质合成.ppt

1、 Protein Biosynthesis (Translation)蛋白质的生物合成(翻译) 蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。 20种氨基酸作为原料 酶及蛋白因子，如IF、eIF等 ATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括： 三种RNA mRNA rRNA tRNA mRNA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蛋白质，为多顺反子（

2、polycistron）。真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。 mRNA上存在遗传密码mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3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，称为三联体密码（triplet codon）。ORF从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各三联体密码连续排列编码一条多肽链，称开放阅读框架(open reading frame, ORF)。 遗传密码表密码子的第一个字母密码子的第二个字母1. 方向性（direction）遗传密码的特点从mRNA 5端到3端开放阅读框架,起

3、始密码子AUG开始到终止密码子 ，合成多肽链N端到C端序列。 2. 连续性（commaless）遗传密码的特点编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间隔也无重叠。 3. 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24个或多至6个密码子为之编码。4. 摆动性（wobble）tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为摆动性。摆动配对U5. 通用性（universal）蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 有少数例外，如动物细胞的线粒体

4、、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自同一祖先。 二、核蛋白体是多肽链合成的装置 核蛋白体的组成核蛋白体原核生物真核生物蛋白质S值rRNA蛋白质S值rRNA小亚基21种30S16S33种40S18S大亚基34种50S23S5S49种60S28S5.8S5S核蛋白体70S80S原核生物核蛋白体结构模式三、tRNA与氨基酸的活化反密码环氨基酸臂tRNA在翻译过程中起接合体（adaptor）作用，又是氨基酸的运载体。氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 氨基

5、酸的活化真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAifMet（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA 第二节蛋白质生物合成过程The Process of Protein Biosynthesis一、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。原核生物起始因子有三种：IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。I

6、F-2：促进起始tRNA与小亚基结合。IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性。（一）原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。IF-3IF-11. 核蛋白体大小亚基分离AUG53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合S-D序列：在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS) IF-3IF-1IF-2GTPAUG533. 起始氨基酰tRNA与小亚基

7、结合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG534. 核蛋白体大亚基结合IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始过程消耗1个GTP。真核生物翻译起始因子 起始因子生物功能eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2B, eIF-3促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结合小亚基eIF-4B促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合mRNA 5帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PABeIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成

8、大小亚基 真核生物翻译起始的特点核蛋白体是80S；起始因子种类多；起始tRNA的Met不需甲酰化；mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关；起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA二、肽链的延长指按照mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。 肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环（ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：进位（entrance）成肽（peptide bond formation）转位（translocation）原核延长因子生物功能对应真核延长因

9、子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子 （一）进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。 延长因子EF-T催化进位（原核生物） TuTsGTPGDPAUG53TuTsGTP（二）成肽是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。（三）转位延长因子EF-G有转位酶（translocase ）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动。fMetAUG53fMe

10、tTuGTP进位转位成肽 三、肽链合成的终止当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。 终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF) 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，使肽链从核蛋白体上释放。 释放因子的功能原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF 原核肽链合成终止过程 UAG53RFCOO- 原核生物蛋白质合成的能量计算氨基酸活化：2个PATP起始： 1个GTP延长： 2个GTP终

11、止： 1个GTP结论：每合成一个肽键至少消耗4个P。 多聚核蛋白体 （polysome)一个mRNA分子可同时有多个核蛋白体在进行同一种蛋白质的合成，这种mRNA和多个核蛋白体的聚合物称为多聚核蛋白体。蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation第 三 节蛋白质的翻译后加工修饰一级结构的加工修饰多肽链的正确折叠空间结构的修饰蛋白质的靶向运输分泌蛋白的靶向运输线粒体蛋白的靶向运输细胞核蛋白的靶向运输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程才转变为天然构象的功能蛋白。主要包

12、括多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰高级结构修饰 翻译后加工修饰水解剪裁切除内含肽（一）一级结构的加工修饰切除N端甲酰基或N端蛋氨酸切除信号肽水解加工化学修饰一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后进行，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能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。大多数天然蛋白质折叠都需要其他酶和蛋白质的辅助。几种有促进蛋白折叠功能的大分子1. 分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomeras

13、e, PDI)3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)（1）热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 （2）伴侣素(chaperonins) GroEL和GroES家族1. 分子伴侣分子伴侣是细胞中一类保守蛋白质，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叠。 热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用：结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。 热休克蛋白机制：蛋白质在合成时，未折叠的肽段有许多疏水的基团暴露在外

14、，具有分子内或分子间聚集的倾向，使蛋白质不能正确折叠。分子伴侣能可逆的与未折叠的肽段的疏水基团反复结合，使其正确折叠。分子伴侣还能与错误聚集的肽段结合，再诱导其正确折叠。有些分子伴侣具有形成二硫键的酶活性。HSP40结合待折叠多肽片段 HSP70-ATP复合物 HSP40- HSP70-ADP-多肽复合物 ATP水解GrpE ATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠 热休克蛋白作用机制图解HSP40GreEHSP40HSP40HSP70ADPHSP70ATPHSP40HSP70ATPGreEADP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然空间构象的微环境。 伴侣素系统促

15、进蛋白质折叠过程 .GroEL（2）伴侣素作用机制图解GroES肽链GroEL对蛋白质的折叠过程2. 蛋白二硫键异构酶（PDI） 二硫键异构酶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。2.蛋白二硫键异构酶Cys（7）A链B链Cys（7）Cys（20）Cys（19）SSSSCys（6）Cys（11）SSInsulin3. 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。 肽酰-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。 肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶

16、，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。 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶CNHCRCONOONHCRCONC反式（90%）顺式（10%）4.亚基聚合二、一级结构的修饰（一）肽链N端的修饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰1.切除N-甲酰基或蛋氨酸或切除信号肽fMetN脱甲酰基酶氨基肽酶MetN信号肽酶信号肽2 .蛋白质的水解剪裁加工N前清蛋白原（609aa)18aa前清蛋白（591aa)6aa清蛋白（585aa)鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰NC信号肽PMOCKRKR103肽 ( ？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin（2）内含肽的切除.

17、PreSC肽水解剪裁等ABSSSSSS胰岛素成熟mRNASPreBCA翻译SPreBC肽A前胰岛素原（2）内含肽的切除. PreSC肽水解剪裁等ABSSSSSS胰岛素成熟mRNASPreBCA翻译SPreBC肽A前胰岛素原 3 .化学修饰LysProCysNCysOHOHS-S（二）糖链的添加 添加糖链-辅基连接糖蛋白三、高级结构的修饰（一）亚基聚合 （二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接 蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。 四、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质的靶向输送（protein targeting）蛋白质的靶向转运保留在胞

18、液进入细胞器分泌到胞外靶向转运胞质分拣支路粗面内质网分拣支路所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列 。 信号序列(signal sequence)靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白信号肽内质网腔蛋白信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)线粒体蛋白N端靶向序列（2035氨基酸残基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）过氧化体蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶体蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶

19、向输送蛋白的信号序列或成分 （一）分泌蛋白的靶向输送真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网，再分别被包装成分泌小泡而分泌出细胞。 信号肽(signal peptide) 各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。 1.信号肽）信号肽是指未成熟蛋白质的N端有一段可被细胞转运系统识别的特征性的氨基酸序列。一般由1040多个氨基酸组成。2）信号肽的作用：把后续肽链引向膜性结构。3）信号肽氨基酸组成特点：含有较多的中性氨基酸信号肽酶N碱性氨基末端疏水性核心区加工区信号肽分泌蛋白进入内质网信号肽假说信号肽假说要点；当肽链合成至约70个氨基酸残基时，信号肽识别颗粒（SRP）与信号

20、肽、GTP及核蛋白体结合，形成核蛋白体-多肽-SRP复合体，使肽链合成暂停。SRP引导该复合体识别并结合内质网（ER）上的SPR受体（又称对接蛋白，DP）。核蛋白体大亚基与ER上的核蛋白体受体结合，锚定在ER上。具有GTP酶活性的SRP水解GTP并脱离复合体，肽链合成又开始进行。信号肽引导后续肽链通过肽转位复合物（ER上跨膜通道）进入ER腔，并被信号肽酶（位于ER膜腔面）切除而降解。分子伴侣HSP70促进蛋白折叠成熟。信号肽的一级结构N端侧碱性区 疏水核心区 C端加工区 信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网 （二）线粒体蛋白的靶向输送 线粒体蛋白的靶向运输1要点：线粒体蛋白N端有保守的2035个氨

21、基酸残基的信号序列-导肽。富含Ser、Thr和碱性氨基酸新合成的线粒体蛋白与分子伴侣HSP70（有ATP酶活性）（或线粒体输入刺激因子）结合。导肽识别并结合线粒体外膜的受体复合物。肽链通过有线粒体外膜和内膜转运体共同构成的跨膜通道进入线粒体基质蛋白酶切除导肽，进一步加工成熟。 （三）细胞核蛋白的靶向输送细胞核蛋白的靶向运输1要点；细胞核蛋白经核孔进入细胞核。细胞核蛋白含有核定位序列（NLS）。NLS可位于肽链的不同部位。NLS长48个氨基酸残基。富含碱性氨基酸残基，入核后不被切除。细胞核蛋白入核需要核输入因子、（识别并结合NLS）和小GTP酶Ran蛋白参与。第四节 蛋白质生物合成与医学的关系病毒利用宿主蛋白机制合成病毒蛋白抗生素对蛋白合成的干扰某些活性物质对蛋白合成的