生物化学-蛋白质的生物合成课件

1、第十三章 蛋白质的生物合成（翻译） Biosynthesis of Protein or Translation蛋白质生物合成的概况概念：以mRNA为模板合成蛋白质的过程，又称翻译。原料：20种氨基酸（1954年 Paul Zamecnik等）中介分子：tRNA、mRNA、rRNA 分子(1958年M.B.Hoagland等)。 64个遗传密码（19611966Nirenberg等）合成方向：从肽链的N端到C端（1961年Howard Dintzis）合成场所：核糖体合成体系建立：（19731976年） 第一节 蛋白质生物合成的基本条件20种aamRNAtRNA核糖体氨酰tRNA合成酶肽酰转移

2、酶 转位酶各种因子ATP、GTP K+、Mg2+一、 mRNA是蛋白质合成的直接模板（一）mRNA的一般特点：种类繁多 大小不一：5006000个碱基半衰期短：原核生物13分钟，真核生物数小时或几天占细胞总RNA：1%2%真核mRNA的5端有N7-甲基鸟苷的“帽状”结构：具有稳定mRNA及有助于翻译起始的作用 3 端有20250个多聚腺苷酸（PolyA）的“尾状”结构：具有维持mRNA翻译模板的活性 *（组蛋白除外）翻译时是从mRNA编码区的起始密码子开始至终止密码子结束。遗传密码(genetic code)：指mRNA分子中从53端记数，三个相邻的核苷酸为一组，代表某中氨基酸或其它信息,这相

3、邻的三个核苷酸称为一个遗传密码。遗传密码供有多少个呢？遗传密码类别遗传密码代表的信息说明起始密码：AUG起始信号及氨基酸信息（真核）代表蛋氨酸（原核）代表甲酰蛋氨酸终止密码：UAA、UAG、UGA终止信号UGA还代表硒代半胱氨酸余下的密码只代表氨基酸信息（二）遗传密码的特点方向性（directionality）2.连续性（commalessness）谷氨酰胺（CAG）插入精氨酸（AGU）苏氨酸（ACA）谷氨酰胺（AAC）缺失3 .简并性(degeneracy)同义密码子：脯氨酸:CCU、CCC、CCA、CCG脯氨酸（CCU）组氨酸（CAC）4.通用性（universality）遗传密码的特点通

4、用性（universality）5.摆动性（wobble）密码子与反密码子的摆动配对现象tRNA反密码子的第1位碱基IUGACmRNA密码子的第3位碱基U,C,AA,GU,CUG二、核糖体（rRNA）是蛋白质合成的场所(一)rRNA的特点种类：原核生物有5S 、 23S、16S rRNA；真核生物有28S、18S、5.8S、5S rRNA含量最多：占细胞总RNA 80%90%rRNA与蛋白质构成核糖体50SPA50SE转肽酶（二）核糖体上的主要功能部位肽酰位(P)：结合肽酰-tRNA氨酰位(A)：结合氨酰-tRNA催化肽键生成，兼有酯酶活性空载tRNA排除位（真核无E位）53mRNA三、tRN

5、A是运输氨基酸的工具tRNA的特点：分子量最小：6090个碱基含有较多的稀有碱基5端大多为pG, 3端均为-CCA反密码子的第一位碱基常出现次黄嘌呤（I）细菌中有3040种tRNA；真核细胞中有40 50种tRNA。氨基酸臂：与氨基酸结合TC环（臂）：与核蛋白体rRNA结合反密码子：识别并结合mRNA密码子D臂：氨酰-tRNA合成识别位点（一）氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酰-tRNA的合成，兼有酯酶活性。具有校正功能（误差10-4）氨基酰tRNA合成酶使tRNA识别特异的氨基酸。氨基酸的活化形式：氨基酰-tRNA 氨基酸的活化部位：是羧基四、参与蛋白质合成的酶类原核生物肽链的起始氨酰-tRN

6、A为甲酰蛋氨酰-tRNA ;而真核生物肽链为蛋氨酰-tRNA（二）肽酰转移酶(peptidyl transferase)（核酶）催化肽键生成，兼有酯酶活性 -原核23SrRNA；真核28SrRNA肽链合成方向：NCA U G G G C53mRNAUACCCGHNHCH2CO（三）转位酶催化核糖体移位原核生物由延长因子G(80kD)催化真核生物由延长因子2（100kD）起作用A U G G G C53mRNAUACCCGHNHCH2CO五、主要的蛋白因子起始因子（initiation factor,IF）（真核起始因子，eukaryotic initiation factor,eIF）：参与翻

7、译的起始延长因子（elongation factor,EF）：参与肽链的延长终止释放因子（releasing factor,RF）及核蛋白体释放因子（ribosomal releasing factor, RRF）：参与肽链合成的终止第二节 肽链的生物合成过程一、原核生物的肽链合成过程原核生物翻译过程的各种蛋白质因子及其功能种类功能起始因子IF-1占据氨基酰位（A位），防止防止氨酰-tRNA过早地结合到A位IF-2促进fMet-tRNAifMet与核糖体30S小亚基结合IF-3结合核糖体30S小亚基，促进大、小亚基分离，提高肽酰位（P位）对fMet-tRNAifMet的敏感性延长因子EF-Tu

8、促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并水解GTPEF-Ts调节亚基EF-G转位酶，使肽酰tRNA有A位转至P位，促进tRNA卸载与释放释放因子RF-1识别终止密码子UAA和UAG，诱导肽酰转移酶转变为酯酶RF-2识别终止密码子UAA和UGA，诱导肽酰转移酶转变为酯酶RF-3与核糖体结合，具有GTP酶活性，介导RF-1及RF-2与核糖体的相互作用（一）翻译的起始阶段在起始因子的作用下，fMet-tRNAifMet、mRNA与核糖体结合，形成70S起始复合物的过程。此阶段需要GTP及Mg2+参加起始阶段包括四个小事件的发生核蛋白体大小亚基分离mRNA在小亚基上定位结合fMet-tRNAifMet的结

9、合核蛋白体大亚基的结合起始因子 功能IF-1占据氨基酰位（A位），防止tRNA过早地结合到A位IF-2促进fMet-tRNAifMet结合到30S小亚基IF-3 结合30S小亚基，促进大、小亚基分离，并提高P位对fMet-tRNAifMet的敏感性1.核蛋白体大小亚基分离50SIF-1IF-1促进大小亚基分离防止氨酰tRNA过早进位IF-3IF-3可防止核糖体的亚基过早聚合50SE2.mRNA在小亚基上定位结合mRNA定位基础是S-D序列S-D序列（核糖体结合位点）是指位于mRNA起始密码（AUG）的上游约813核苷酸部位存在有49个核苷酸组成的一致序列，如AGGAGG。小亚基上16S rRN

10、A 的3端存在有与S-D序列互补的序列UCCUCCIF-1IF-33516S rRNAmRNA在小亚基上定位结合IF3IF-3促进mRNA在小亚基定位结合AUG53IF-1IF-3AUG533. fMet-tRNAifMet结合到小亚基-首先占据P位IF-2GTPIF-2促进fMet-tRNAifMet与小亚基结合同时tRNA的反密码子与mRNA的密码子配对结合4.核蛋白体大亚基的结合IF2自复合物解离的同时发生GTP水解（消耗一个高能磷酸键），大亚基随之与小亚基结合，并释放各种起始因子，形成70S起始复合物，为延伸作好了准备。IF-1IF-350SAUG53IF-2GTPGDP+PiGTP（

11、二）翻译的延长阶段肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，每循环一次，形成一个肽键，即增加一个氨基酸残基，故又称为核蛋白体循环每次核蛋白体循环包括三个步骤：进位（entrance）（注册）成肽(peptide bond formation)转位(translocation)进位：氨基酰-tRNA进到核糖体的A位原核延长因子EF-T主要是促进氨基酰-tRNA进到A位（消耗一个高能磷酸键）。包括Tu（40kD）和Ts (28kD）两个亚基。50SA A AA U G53aa2UUU50SA A AA U G53成肽：肽酰转移酶催化肽键的生成原核生物的肽酰转移酶为核糖体大亚基的23S rRNAaa

12、2UUUfMetfMet每次移动一个遗传密码的距离，转位耗能（消耗GTP的一个高能磷酸键）。原核生物由转位酶是EF-G(80kD)，真核为延长因子2转位-核糖体与mRNA相对移动 同时有肽酰-tRNA由A位移向P位50SEaa2UUUfMetA A AA U G53（三）翻译的终止阶段当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。终止过程需要释放因子参加。终止过程需消耗GTP。释放因子功能RF-1辨认UAA、UAG激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键RF-2辨认UAA、UGA激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键RF-3促进RF-1或RF-2进入A位，具G

13、TP酶活性，帮助肽链的释放50SEPAUGAAA53RF-1RF-1：辨认UAA、UAGRF-2：辨认UAA、UGA激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键RF-3RF-3：促进RF-1或RF-2进入A位，具GTP酶活性，帮助肽链的释放fMetaa2aa3aa4aa5aa aa aa aa aa aan aaaaaaaaaaaa aa aa aa aa aan （二）真核生物的肽链合成过程真核生物翻译过程的蛋白质因子及其功能 起始因子功能eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始Met-tRNAiMet与核糖体40S小亚基结合eIF-2B与40S小亚基结合,促进大、小亚基分离eIF-3与4

14、0S小亚基结合,促进大、小亚基分离;介导eIF-4F复合物- mRNA与小亚基结合eIF-4A具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA 5端的发夹结构，使其与40S小亚基结合。是eIF-4F复合物的组成成分。eIF-4B与mRNA结合，促进mRNA扫描并定位起始AUGeIF-4E结合mRNA的5端帽结构，是eIF-4F复合物的组成成分eIF-4G与eIF-4E、eIF-3和polyA结合蛋白（PAB）结合。是eIF-4F复合物的组成成分eIF-5促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60S大亚基结合形成80S起始复合物eIF-6促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S

15、大亚基真核生物翻译过程的蛋白质因子及其功能（续） 延长因子功能eEF1促进氨基酰-tRNA进入A位，结合水解GTP（相当于原核EF-Tu）eEF1调节亚基（相当于原核EF-Ts ）eEF-2有转位酶活性（相当于原核EF-G）释放因子功能eRF识别所有终止密码子（具有原核各种RF的功能(一)真核生物翻译的起始阶段在真核起始因子的作用下， Met-tRNAiMet 、mRNA与核糖体结合，形成80S起始复合物的过程。起始阶段也包括四个小事件的发生核蛋白体大小亚基分离Met-tRNAifMet与核糖体小亚基结合mRNA在小亚基上定位结合核蛋白体大亚基的结合原核生物与真核生物翻译的起始步骤比较原核生物

16、（70S起始复合物形成）真核生物（80S起始复合物）1.核蛋白体大小亚基分离1.核蛋白体大小亚基分离2.mRNA在小亚基上定位结合（借助于S-D序列）2.起始蛋氨酰tRNA与核糖体小亚基结合（43S前起始复合物）（肽链的第一个氨基酸为蛋氨酸）3.起始甲酰蛋氨酰tRNA的结合（肽链的第一个氨基酸为甲酰蛋氨酸）3.mRNA与43S前起始复合物定位结合（48S复合物）（真核mRNA不含S-D序列，但在mRNA5端有Kozak共有序列CCPuCCAUGG借助于5帽子结构和3polyA结构和帽子结合蛋白，即 eIF-4F（eIF-4E与eIF-4G复合物）、 eIF-4A、 eIF-4B 和poly结合

17、蛋白完成）4.核蛋白体大亚基的结合（70S起始复合物形成）4.大亚基与48S复合物结合（80S起始复合物）40S50S40S1.核蛋白体大小亚基分离60SE eIF-3eIF-2B促进核糖体的大、小亚基分离 eIF-640SeIF-3eIF-2B2. Met-tRNAiMet结合到小亚基-首先占据P位eIF-2GTP3.mRNA在小亚基上定位结合eIF-3eIF-2BUACeIF-2GTPAAAAUG UAA4.核蛋白体大亚基的结合AAAeIF-3eIF-2BAUG UAA60SE60sUACeIF-2GTP（二）真核生物翻译的延长阶段肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，每循环一次，形成

18、一个肽键，即增加一个氨基酸残基，故又称为核蛋白体循环每次核蛋白体循环包括三个步骤：进位（entrance）（注册）成肽(peptide bond formation)转位(translocation)真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。60SU A AA U G5340SMet进位：氨基酰-tRNA进到核糖体的A位aa2AUU50SU A AA U G53Met40S成肽：肽酰转移酶催化肽键的生成真核生物的肽酰转移酶为核糖体大亚基的为28S rRNAaa2AUUMetMet50SE40S每次移动一个遗传密码的距离，转位耗能（消耗GTP的一个高能磷酸键）。原核生物由转位酶

19、是EF-G(80kD)，真核为延长因子2转位-核糖体与mRNA相对移动 同时有肽酰-tRNA由A位移向P位aa2AUUMetU A AA U G5350SEP（三）真核生物翻译的终止阶段当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。终止过程需要eRF参加。终止过程需消耗GTP。AUGUAA53eRFfMetaa2aa3aa4aa5aa aa aa aa aa aan aaaaaaaaaaaa aa aa aa aa aan 多核蛋白体循环：指多个核蛋白体（10100个）以相同的距离、以相同的 速度、沿着同一条mRNA翻译出多条相同的肽链。当第

20、一个核蛋白体移动约80个核苷酸时，第二个核蛋白体启动，以此类推。蛋白质生物合成总结成分作用细胞内定位细胞浆合成的场所核糖体mRNA的作用合成的模板（密码子）原核有序列，真核没有tRNA的作用搬运氨基酸（氨基酸臂），并与密码子结合rRNA的作用与蛋白质构成核糖体核糖体上的功能位点氨酰位（P位）：结合肽酰tRNA肽酰位（A位）：结合氨酰tRNA原核有位，真核没有肽酰转移酶本质为核酶。原核为23SrRNA；真核为28SrRNA。催化肽键生成，兼有酯酶活性。氨基酰tRNA合成酶催化氨基酰-tRNA生成，兼有酯酶活性蛋白质生物合成总结成分作用转位酶催化核糖体沿mRNA 的5向3移动，每次移动一个密码的距

21、离。原核为延长因子G，真核为延长因子2核糖体循环步骤进位：氨酰tRNA 进到A位成肽：肽酰转移酶催化肽键生成移位：转位酶催化核糖体移位能量消耗每形成一个肽键至少消耗45个高能磷酸键。肽链第一个氨基酸原核为甲酰蛋氨酸真核为蛋氨酸有一DNA单链：5AGCCCGAGTTAT3。试写出它的互补链？若以该互补链为转录模板，写出它的转录产物？若以该转录产物为翻译的模板，写出它的肽段氨基酸顺序？标出每个产物的方向。思考题第三节 肽链合成的加工修饰 及蛋白质的靶向输送新生肽：从核糖体上释放出的多肽链不一定就是具有生物学功能的蛋白质，这种新合成的多肽链称为新生肽（或初级翻译产物）加工修饰：对新生肽进行水解、剪裁

22、、添加糖链、羟化、二硫键形成、亚基聚合等过程，并使其折叠成正确的三维构象才能成为具有生物学功能的蛋白质分子的过程。靶向输送：指蛋白质合成后经过复杂机制、定向转运到最终发挥功能场所的过程。一、多肽链的折叠几种有促进蛋白质折叠功能的分子分子伴侣 (molecular chaperon) 蛋白质二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI)肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI)（一）分子伴侣分子伴侣(molecular chaperon)：分子伴侣是指促进、帮助、监视和加速蛋白质进行正确折叠的一类蛋

23、白质分子。分子伴侣主要有：热休克蛋白(heat shock protein,HSP)家族（Hsp70、Hsp40、GrpE）伴侣蛋白（伴侣素）(chaperonin)家族(E.coli：GroEL、 GroES;真核：Hsp60、Hsp10)。3.分子伴侣的功能封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰促进蛋白质折叠和去聚集遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠（E.coli）热休克蛋白（HSP）HSP70（Dna K）：由基因dna K 编码。N端有结合与水解ATP的ATP酶结构域，C端有结合肽链的结构域。HSP70的作用需要HSP40和GrpE两个辅助因子

24、的参与。HSP40（Dna J）：由基因dna J 编码。在ATP存在时， HSP40与HSP70的相互作用，激活HSP70的ATP酶活性，抑制蛋白质的聚集。GrpE：核苷酸交换因子，促进ATP交换ADP。通过与HSP40作用，改变HSP70的构象而抑制其ATP酶活性。热休克蛋白（HSP）作用机制（E.coli）伴侣蛋白作用机制（二）蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶：催化错配二硫键的断裂并形成正确的二硫键（三）肽-脯氨酰顺反异构酶肽-脯氨酰顺反异构酶催化肽-脯氨酰顺反异构体间的转变二、一级结构的修饰（一）一级结构的加工修饰1.切除N-甲酰基或蛋氨酸或切除信号肽（1）脱甲酰基酶：去除甲酰基（

25、2）氨基肽酶：去除蛋氨酸（3）信号肽酶：去除信号肽aa2aa3aa4aa5aa6aa7aa8aa9aa10aan（二）肽链中个别氨基酸残基的共价修饰1.糖基化：糖蛋白分子中天冬酰胺残基，丝氨酸残基或苏氨酸残基的糖基化。HMG CoA还原酶无糖链时，活性下降90%。2.羟基化：胶原蛋白分子中的羟赖氨酸残基和羟脯氨酸残基是由于赖氨酸残基和脯氨酸残基的羟基化。3.甲基化：组蛋白分子中精氨酸糖基化的甲基化4.磷酸化：蛋白质分子中丝氨酸残基、苏氨酸残基或酪氨酸残基的磷酸化5.亲脂性修饰（三）多肽链的水解加工胰岛素原的水解修饰阿黑皮质素原（POMC）水解剪裁前清蛋白原的水解剪裁酶原的激活胰蛋白酶三、空间结

26、构的修饰（一）亚基的聚合（二）辅基的连接四、蛋白质的靶向输送（一）靶向转运的概念：指蛋白质合成后经过复杂机制、定向输送到最终发挥功能的场所的过程。（二）蛋白质合成后的去向：（1）留在胞液（2）进入细胞器（3）分泌到胞外（三）信号序列：靶向转运的蛋白质在其一级结构上存在分选信号（主要是N末端的特异序列），可引导蛋白质转运到靶部位，这类分选信号序列称为信号序列。细胞液内的蛋白质通常缺乏特殊信号序列。分泌性蛋白质的特殊信号序列称为信号肽定位在细胞核内蛋白质的特殊信号序列称为核定位序列靶向输送蛋白质的信号序列或成分靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白N端信号肽内质网腔蛋白N端信号肽。C端-Lys-Asp

27、-Glu-Leu线粒体蛋白N端信号序列（2035aa）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40抗原）过氧化物酶体C端- Ser-Lys-Leu-溶酶体蛋白Man-6-P（四）分拣支路细胞根据蛋白质的特殊信号序列分拣。1.胞质分拣支路：留在胞液、进入细胞器保留在细胞质内的蛋白质缺乏特殊信号序列。进入细胞器的蛋白质存在特殊信号特征。2.粗面内质网分拣支路多肽链借助于其信号肽的引导、经过内质网膜，进入内质网后折叠，在高尔基复合体中被包装成分泌小泡，转行至细胞膜而分泌出胞。（五）分泌性蛋白质的靶向输送蛋白质通过内质网膜需具备三个条件：N端的信号肽蛋白质的自身结构特点输送机制（1）信号肽信号肽概念：信号肽(signal peptid