(理学)生物化学教学课件蛋白质合成与转运

1、蛋白质的合成与转运第1页，共76页。中心法则第2页，共76页。蛋白质合成概述细胞：成千上万个蛋白维持功能蛋白质生物合成：最复杂，参与300多种大分子、使用细胞90%能量；蛋白质占细胞重量的35%细菌： 2万个核糖体（蛋白质合成场所） 10万个酶因子 20万个tRNA合成速度：20个aa/s目前研究热点：细胞中的准确定位 蛋白质选择性降解机制 第3页，共76页。蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译(translation)。蛋白质的生物合成第4页，共76页。参与蛋白质合成的RNA 分子体系 mRNA：蛋白质合成的直接模

2、板 遗传密码存在于mRNA分子上，每3个碱基决定1个氨基酸 起始密码：AUG 氨基酸码：61种 终止密码：UAA、UAG、UGA tRNA : 专一运送氨基酸至mRNA 并于密码子配对 rRNA: 与蛋白质构成核糖核蛋白体，是蛋白质合成的场所，核糖体由大亚基和小亚基构成蛋白质合成的过程 氨基酸的活化：氨基酸与tRNA合成氨基酰-tRNA 1、起始阶段：mRNA 、Met-tRNA 、核糖体构成起始复合体 2、肽链的延伸：进位、转肽、移位循环、肽链延长 3、终止阶段：延伸至终止密码，肽链释放，核糖体大小亚基与m RNA解离蛋白质的生物合成第5页，共76页。一、参与蛋白质生物合成的物质 生物体内的

3、各种蛋白质都是利用生物体内的氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括： mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序； tRNA：搬运氨基酸的工具； 核蛋白体：蛋白体生物合成的场所； 酶及其他蛋白质因子；氨酰-tRNA合成酶； 供能物质及无机离子。ATP和GTP， Mg2+、K+ ； 第6页，共76页。原核生物和真核生物mRNA的比较1、mRNA(messenger RNA)：蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。第7页，共76页。mRNA是蛋白质合成的模板mRNA分子中每三个相邻碱基组成一个密码子，密码

4、子分为起始码、氨基酸码和终止码3类。mRNA上的四种碱基可组成64个密码子，其中61个代表不同的氨基酸，其余三个代表终止信号。第8页，共76页。 连续性：密码为不重叠、无标点的三联体密码 简并性：一种氨基酸有两个或多个密码子的现象。对应同一种氨基酸的不同密码子叫同义密码子。减少了氨基酸突变的几率，在物种的稳定上起一定作用。简并性常表现在密码子的第三位碱基上。 通用性：（但在线粒体或叶绿体中特殊） 方向性：阅读方向为5 3； 变偶性（摆动性）：密码子中第三位碱基可有一定的变动。 起始密码：AUG（Met）； 终止密码：UAA、UAG、UGA。遗传密码的基本特性第9页，共76页。 翻译时须从起始密

5、码AUG开始确定阅读框架、移码 突变是最严重的突变第10页，共76页。原核生物的mRNA可包含几个基因信息-多顺反子真核生物的mRNA只有一个基因信息-单顺反子绝大多数基因不重叠，但少数病毒基因有重叠现象噬菌体X174：5386bp/10种pr噬菌体：第11页，共76页。密码的简并性和通用性第12页，共76页。密码子的专一性主要由第1，2位碱基决定，第3位碱基可在一定范围内摆动而不影响氨基酸种类。无变偶性的密码子AUG，UGG。之外的其余密码子第3位碱基可在同类嘌呤或嘧啶中摆动，如Tyr码UAU，UAC某些氨基酸码第3位碱基可在任意4种碱基中摆动，如Tyr码ACU，ACC，ACA，ACG。tR

6、NA反密码子与mRNA的第1位第2位碱基严格配对（AU，CG），但密码子第3位碱基与反密码子第一位碱基有变偶配对现象。密码的简并性和变偶性第13页，共76页。密码的变偶性（摆动性）第14页，共76页。遗传密码的摆动配对第15页，共76页。密码的通用性和变异性绝大多数生物共同使用同一套遗传密码（遗传密码的保守性），这意味着生物有一个共同的祖先但是在线粒体中发现了少数与通用密码不一致的密码子其他少数生物中也存在非通用密码第16页，共76页。密码的防错系统第17页，共76页。起始密码的选择第18页，共76页。49个嘌呤碱基813个碱基对16S rRNA与SD序列的配对第19页，共76页。mRNA是蛋

7、白质合成的模板辨认起始密码子是翻译（蛋白质合成）起始的必须步骤：确定阅读框架！ 按照不重叠的三联密码子翻译产生对应的氨基酸并形成肽键当到达终止密码时，合成结束，肽键释放通常终止密码不止一个，而是连续出现2-3个终止密码对于某些病毒，如果中间有起始密码，则一条mRNA可产生2条或多条肽链第20页，共76页。2、tRNA在氨酰-tRNA合成酶催化下，特定的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨酰-tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。氨基酸 + tRNA + ATP 氨酰- tRNA + AMP + 2Pi无机磷酸酶氨酰- tRNA合成酶第21页，共76页。氨基酸的活化第22页，共76页。tR

8、NA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，识别mRNA上相应的密码，此三联体称为反密码(anticoden)。反密码对密码的识别，也是根据碱基互补原则，即A-U，G-C。但反密码的第一个核苷酸与密码的第三个核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码的第一个核苷酸为，则可与密码的A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，不稳定配对。第23页，共76页。能够识别mRNA中5端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰甲硫氨酸的tRNA，即tRNAifmet；真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。在

9、原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码，AUG。 第24页，共76页。tRNA转运氨基酸至mRNA模板第25页，共76页。氨基酸 + tRNA + ATP 氨酰- tRNA + AMP + 2Pi无机磷酸酶氨酰- tRNA合成酶N-甲酰甲硫氨酰-tRNAifMet的形成CHO-HN-CH-COO-tRNA CH2 CH2 S COO- +H2N-CH-COO-tRNA CH2 CH2 S COO-Met-tRNAifMetfMet-tRNAifMetN10-CHO-FH4FH4转甲酰酶Met + tRNAifMet + ATP Met-tRNAifM

10、et + AMP + PPi第26页，共76页。3、rRNA和核蛋白体原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质构成。真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8 S rRNA。第27页，共76页。rRNA与蛋白质构成核糖体第28页，共76页。rRNA与蛋白质构成核糖体第29页，共76页。核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：

11、 1小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2大亚基：（1）具有两个不同的tRNA结合点。A位：受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位：给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。第30页，共76页。（2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上 的氨酰-tRNA，形成肽键。（3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。（4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。 在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译

12、，所形成的念球状结构称为多核蛋白体。第31页，共76页。一条mRNA上有多个有多个核糖体第32页，共76页。4、起动因子（IF）这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF13。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。5、延长因子（EF）原核生物有3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨酰-tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。第33页，共76页。6、释放因子（RF）原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，

13、协助多肽链的释放。 第34页，共76页。7、氨酰tRNA合成酶该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨酰tRNA的合成有关。每种氨酰tRNA合成酶，对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。 第35页，共76页。8、供能物质和无机离子多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。 氨基酸 + tRNA

14、 + ATP 氨酰- tRNA + AMP + 2Pi无机磷酸酶氨酰- tRNA合成酶第36页，共76页。二、蛋白质生物合成过程 蛋白质生物合成过程包括三大步骤：氨基酸的活化与搬运；活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；多肽链合成后的加工修饰。 第37页，共76页。核糖体主要存在于粗面ER（1）粗面内质网（主要）（2）细胞溶液（3）线粒体和叶绿体一个细菌细胞内约有20000个核糖体真核细胞内可达106个在未成熟的蟾蜍卵细胞内则高达1012个核糖体存在的场所第38页，共76页。1、氨基酸的活化与搬运 氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。在此反应中，特异的tRNA

15、 3端CCA上的2或3位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨酰-tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。氨酰-tRNA的合成，可使氨基酸 ： 活化； 搬运； 定位。 第39页，共76页。Met tRNA 启动蛋白质合成第40页，共76页。2、活化氨基酸的缩合核蛋白体循环 活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。核蛋白体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。 第41页，共76页。多多核糖体与

16、核糖体循环合成完毕的肽链多核糖体3mRNA延伸中的肽链5核糖体循环第42页，共76页。一条mRNA上有多个有多个核糖体第43页，共76页。（一）起动阶段：1、30S起动复合物的形成：起动因子促进下，30S小亚基与mRNA、起动tRNA（fmet-tRNAfmet）和GTP结合，形成复合体。原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。 真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。第44页，共76页。49个嘌呤碱基813个碱基对16S rRNA与SD序列的配对第45页，共7

17、6页。形成起始复合体第46页，共76页。2、70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上脱落；50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。3、70S起动复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的给位（P位）。第47页，共76页。（二）肽链延长阶段： 1进位：与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位（A位），需GTP，Mg2+，和EF参与。 2成肽：在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与

18、其-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。第48页，共76页。核蛋白体循环：进位第49页，共76页。核蛋白体循环：转肽第50页，共76页。 3、移位：核蛋白体向mRNA的3- 端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。 第51页，共76页。核蛋白体循环：移位第52页，共76页。（三）肽链终止阶段：核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。

19、1识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。 2水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。 3解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。 第53页，共76页。RF1:UAG/UAARF2:UGA/UAA RF3: ? 蛋白质合成的终止第54页，共76页。肽链延长：核蛋白体循环第55页，共76页。三、多肽链合成后的加工修饰 （一）一级结构的加工修饰：1N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除： N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 去甲酰化： 蛋氨酸氨基肽酶 甲酰化酶甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨

20、酸-肽 去蛋氨酰基： 蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽 第56页，共76页。2氨基酸的修饰： 由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。3二硫键的形成： 由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。4肽段的切除： 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。 第57页，共76页。蛋白质肽链的修饰第58页，共76页。肽链的切割与修饰第59页，共76页。胰岛素原的加工A链区B链区间插序列（C肽区）HSSHSHSHHSHS信号肽NC核糖体上合成出无规则卷曲的前胰岛素原切除C肽后，形成成熟的胰岛素分子切除信号肽后折叠成稳定构象的胰岛素原SSSSNNCCA链B链胰岛素CNSSSS胰岛素原SS第60页，共76页。（二）高级结构的形成：1构象的形成： 在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。2亚基的聚合。3辅基的连接。 第61页，共76页。新生肽链的折叠第