蛋白质的合成转运加工与修饰

蛋白质的合成转运加工与修饰第一页，共七十三页，编辑于2023年，星期二本章内容2.1蛋白质的生物合成2.2蛋白质合成后的定向输送2.3蛋白质合成后的加工与修饰第二页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成问题1.蛋白质生物合成过程中涉及哪些重要元素？这些元素的特点/结构特征及功能如何？2.蛋白质的生物合成过程分哪几个阶段？每个阶段是如何进行的？各阶段涉及哪些蛋白因子？这些因子与以上各元素是如何相互配合，共同完成蛋白质生物合成的？3.真核生物与原核生物的蛋白合成过程有何异同点？第三页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成一、蛋白质生物合成过程中的重要元素信使RNA（messengerRNA,mRNA）遗传密码子核糖体转运RNA（transferRNA,tRNA）二、蛋白质的生物合成过程原核生物真核生物第四页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素基因转录及翻译的过程

1.信使RNA第五页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素mRNA的概念是在理论上先提出，然后通过实验来验证。1961年由Jaiob和Monod提出mRNA假说信使是一种多核苷酸信使的碱基应与相应的DNA碱基一致信使具有不同长度信使应与核糖体有短暂结合信使的半衰期很短随后，Brenner和Spiegelman等通过实验来证明以上假说的正确性由噬菌体T2感染大肠杆菌→噬菌体蛋白和半衰期很短的新生RNA；感染后新合成的RNA可以与噬菌体DNA相杂交，不可与细胞内其他DNA杂交。1.信使RNA第六页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素真核生物与原核生物中的mRNA有何区别？真核生物：存在外显子和内含子DNA转录为前体RNA，需要剪切加工后得到成熟mRNA外显子拼接；5’端加“帽”（m’GpppNm）——有利于核糖体识别及保持mRNA的稳定性；3’端酶切、poly(A)接尾——有利于由细胞核向细胞质转运及保持mRNA的稳定性。只有单顺反子mRNA（一种mRNA分子只能编码一种多肽链）原核生物不需要剪切加工；在起始密码子前存在一个SD序列（即核糖体结合位点）；含有多顺反子mRNA（一种mRNA分子编码多种肽链）；1.信使RNA第七页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素功能：

指导蛋白质合成的直接模板（好比一座大楼的设计图纸）。

1.信使RNA第八页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素第二密码第三密码第一密码遗传密码表2.遗传密码子第九页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素连续性通用性简并性摆动性不重叠性2.遗传密码子——基本特征第十页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素①遗传密码无标点符号（连续性）

阅读框架(readingframes)：

通常从一个正确起点（AUG）开始，3个一组，一个不漏的读下去至终止密码。若删/增，即引起突变(移码突变）。2.遗传密码子——基本特征第十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素②

通用性

在地球上所有的生物中，合成蛋白质的遗传密码都使用同一套，只是在不同种类的生物中存在密码子的偏好性。但近年来发现在哺乳动物的线粒体的蛋白合成体系中有一些例外：UAG——色氨酸（并非终止密码子）CUA——苏氨酸（并非亮氨酸）AUA——蛋氨酸（并非异亮氨酸）2.遗传密码子——基本特征第十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期二第十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素③

简并性大多数情况下，1个氨基酸可有几种不同的密码子编码即简并性。同义密码子：编码同一氨基酸的密码子。如：UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG

都编码Leu。密码子的专一性主要由前2个碱基决定，第三位碱基的改变不重要：

如：His：CAU、CAC；第3位均为嘧啶；

Glu：CAA、CAG；第3位均为嘌呤。降低了由于第3个碱基发生突变造成的误差。意义:DNA碱基有较大变化时，仍保持多肽链中氨基酸顺序不变，减少有害突变。保证了物种的稳定性。2.遗传密码子——基本特征第十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素④摆动性翻译过程氨基酸的正确加入是靠mRNA的密码与tRNA上的反密码子相互以碱基配对辨认。密码子的摆动性是指密码子与反密码子有时虽不严格互补，却能相互辨认。（参见表2.2）2.遗传密码子——基本特征第十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素⑤不重叠性即读码规则是不重叠的。2.遗传密码子——基本特征第十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素功能：将mRNA上的信息转化成蛋白质中多肽链的氨基酸顺序的信息。（好比一本英汉词典）2.遗传密码子第十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素

60-65%rRNA，30-35%蛋白质。3.核糖体——组成第十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素1)mRNA结合位点：大小亚基的结合面上，为蛋白质合成处。2）A位点（受位）：氨酰-tRNA结合位点。3）P位点(供位)：肽酰-tRNA结合位点，是肽基-tRNA移交肽链后，tRNA被释放的部位。4）肽基转移酶位：肽链合成过程中催化氨基酸之间形成肽键的酶活性部位。5）GTP酶位：水解GTP，产生能量用来催化肽基-tRNA由A位转到P位。321445肽基转移酶位GTP酶位3.核糖体——结构（以大肠杆菌的核糖体为例）第十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素核糖体单体——无蛋白合成功能多聚核糖体：与mRNA结合——具有蛋白合成功能游离核糖体结合核糖体（与内质网膜结合）3.核糖体——存在形式第二十页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素核糖体是蛋白质合成的工厂使mRNA不断与tRNA结合，保证氨基酸序列正确性；控制肽链的合成大、小亚基分工协作，共同完成蛋白质的合成过程。小亚基：将mRNA结合到核糖体上（16sRNA可以识别mRMA上的RBS）提供部分tRNA结合部位（A位）充当tRNA释放部位（P位）大亚基提供部分tRNA结合部位（A位）提供肽基转移酶提供能量（GTP酶位）提供新生肽链的释放通道3.核糖体——功能第二十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素（一）结构三叶草结构倒“L”结构4.转运RNA（tRNA）——结构第二十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素反密码子位点：由密码子环下方的3个碱基组成，与mRNA上密码子的碱基互补3’末端的CCA序列：为氨基酸接受位点，氨基酸共价结合到A残基上。识别氨酰-tRNA合成酶的位点。反密码子合成酶aa位点4.转运RNA（tRNA）——与蛋白质合成有关的位点第二十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期二氨基酸活化生成氨酰-tRNAE+E--E其中，氨基酰tRNA合成酶具有高度专一性：

1.对氨基酸具有极高的专一性只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸每种酶都对应一个专一的氨基酸；2.对tRNA具有极高的专一性。

第二十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素运输氨基酸的功能（好比一种特殊的交通工具）1、有携带aa的功能；

2、有接头作用氨酰-tRNA凭借自身的反密码子，依靠在核糖体的特定位点识别mRNA的密码子并以碱基配对方式与之结合的作用。将氨基酸带到肽链的一定位置。4.转运RNA（tRNA）——功能第二十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成过程中的重要元素“启动”

tRNAt特异地识别起始密码子AUG;只携带蛋氨酸（真核）或甲酰蛋氨酸（原核）。“非启动”

tRNA不识别起始密码子。特殊的tRNA（原核）:它可以识别AUG密码子，但不能与甲酰蛋氨酸结合，只能与蛋氨酸结合，该类tRNA也属于“非启动”tRNA。

4.转运RNA（tRNA）——分类第二十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程

mRNA解读方向：

5’→3’

肽链延伸方向：从N端向C端进行。C端N端5’3’第二十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程

（以原核生物为例）（一）肽链合成的起始（initiation）；（二）肽链的延伸（elongation)：

（三）肽链合成的终止（termination）与释放；第二十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程大肠杆菌及其他原核细胞中几乎所有蛋白质合成都始于甲硫氨酸（以AUG为起始密码子），但并不是以Met-tRNA作为起始物，而是以N-甲酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNAt）作为肽链合成的起始物。细胞内有一种甲酰化酶可催化Met-tRNA的α-NH2甲酰化形成fMet-tRNAt：（不可催化游离的Met或非启动Met-tRNAm

）（一）肽链合成的起始第二十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程起始过程：1.核糖体大小亚基分开（在IF-3作用下）；2.

mRNA与小亚基结合3.fMet-tRNAt与mRNA及小亚基结合——形成30S起始复合物4.大小亚基结合，形成有生物学功能的70S起始复合物。（一）肽链合成的起始①②③④第三十页，共七十三页，编辑于2023年，星期二2.mRNA与小亚基结合1）小亚基上的16srRNA与mRNA上的S-D序列结合2）小亚基蛋白（rps-1）与mRNA上的核苷酸序列结合3）由起始因子3（IF-3）介导4）IF-1促进IF-3与小亚基的结合（一）肽链合成的起始②第三十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期二S-D序列(Shine-Dalgarnosequence)：在mRNA起始密码上游，富含嘌呤，可与16SrRNA中部分互补，使mRNA与核糖体结合。故又称核蛋白结合位点（ribosomalbindingsite，RBS)（一）肽链合成的起始第三十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期二3.30S起始复合物的形成在IF-2作用下，fMet-tRNAt与mRNA分子中的AUG相结合，即密码子与反密码子配对，形成30S起始复合物）——30S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物此步需要GTP和Mg2+参与。（一）肽链合成的起始③②第三十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期二

4.70S起始复合物50S大亚基与上述的30S起始复合物结合，形成70S起始复合物，即30S亚基.mRNA.50S亚基.fMet-tRNAt复合物。同时，释放起始因子（IF-1、IF-2和IF-3）此时核糖体的Ｐ位被fMet-tRNA和ＡＵＧ占据；而A位则空着，有待于对应mRNA中第二个密码的相应氨基酰tRNA进入，从而进入延伸阶段。（一）肽链合成的起始第三十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程起始所需材料：核糖体大小亚基：30S亚基（16srRNA）、50S亚基；模板：带起始密码的mRNA（含有SD序列）；起始用的氨酰-tRNA：fMet-tRNAt

；

起始因子(initiationfactors，IF)

（IF1、IF2、IF3）；

2个GTP；

Mg2+

。（一）肽链合成的起始第三十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程起始因子(initiationfactors，IF)的作用：IF3

：阻止大、小亚基的结合；IF2

：携带fMet-tRNAt

、GTP；并具GTP水解酶的作用；IF1

：协调IF2、IF3与核糖体亚基的结合与脱落。（一）肽链合成的起始第三十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期二进位转位成肽（二）肽链延伸第三十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程1）

EFTu与GTP结合后，再与aa2-tRNA2结合成复合物；2）aa2-tRNA2与A位点上mRNA密码子结合，释放出EFTu-GDP

；3）EFTu-GDP再与EFTs及GTP相反应，重新生成EFTu-GTP。EFT1包括EFTu和EFTs除fMet-tRNAt外，所有aa-tRNA进入A位点都需先与EFTu-GTP结合。（二）肽链延伸——1.进位第三十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程在肽基转移酶作用下，P位上的氨基酸和A位上的氨基酸之间形成肽键，成二肽；P位点上fMet与tRNA脱离；此时，P位上的tRNA成为无负载的tRNA，而A位上tRNA负载着以“肽键”相连的两个氨基酸（二肽）。这一步反应需要较高的K+离子浓度。（二）肽链延伸——2.肽键形成第三十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程1）在移位酶(EFG因子)作用下，消耗1个GTP,核糖体沿mRNA5’→3’移动了1个密码子的距离.

2）A位上的肽酰-tRNA到P位，原来P位上无负载的tRNA离开核糖体。（二）肽链延伸——3.移位第四十页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程所需材料：70S起始复合物aa2-tRNA2转肽酶（肽酰转移酶peptidyltransferase）延伸因子（EFT1）：EFTu（不稳定），EFTs（较稳定）延伸因子EFG（移位酶，G因子）

2个GTPMg2+，

K+延伸步骤：1.aa2-tRNA2进入A位点（进位）2.肽键形成（成肽）3.移位（二）肽链延伸第四十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程延伸因子的作用：EFTu：与GTP结合后，再与氨酰-tRNA结合成复合物，使氨酰-tRNA活化；EFTs：促使EFTu-GTP的形成；EFG因子：水解GTP，为核糖体沿mRNA5’→3’移动提供能量。（二）肽链延伸第四十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程延长过程（二）肽链延伸过程不断重复肽链延伸过程的①，②，③步骤，直到遇到终止密码子为止。第四十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期二（三）肽链合成的终止与释放A.RF1/RF2与mRNA终止信号结合，RF3将转肽酶活性转变成水解酶活性；B.水解酶水解肽链和tRNA之间的键→新合成肽链离开核糖体；C.tRNA、mRNA离开核糖体；D.核糖体在IF-3作用下解离成大、小亚基，进入下一轮反应。第四十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程所需材料

70S核糖体带终止密码的mRNA、释放因子（RF1、RF2、RF3、RR）。RF1：识别终止密码UAA、UAG；RF2：识别终止密码UAA、UGA；RF3：激活核糖体上的转肽酶使其发生变构，转肽酶活性转变成水解酶活性，使P位上的肽链与tRNA分离。RR：使tRNA、mRNA及RF（RF1、RF2、RF3）从核糖体上脱落（三）肽链合成的终止与释放第四十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期二小结

原核生物的蛋白质合成过程第四十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程（一）肽链合成的起始阶段1.起始氨基酸为甲硫氨酸（不需N-甲酰化）；2.mRNA与核糖体小亚基结合是靠与mRNA5′-端的帽子相结合（不存在SD序列）；3.起始因子（eIF）有10多种，其中，eIF-2的作用类似于原核生物中的IF-2（与met-tRNAi及GTP结合）4.所需能量由GTP和ATP提供。（二）肽链延伸阶段：过程类似，只是延伸因子较复杂：EF1αEF1βγ——EFTu、EFTs；EF2——G因子。（三）肽链合成的终止与释放：过程类似，只是释放因子有所不同。真核生物与原核生物蛋白质合成的差异第四十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.1蛋白质的生物合成

二、蛋白质生物合成过程原核生物真核生物mRNA多顺反子，具有SD序列单顺反子，无SD序列起始复合物fMet-tRNAtGTP（所需能量）Met-tRNAiMetGTP,ATP（所需能量）肽链延伸因子Tu、TsEF1αEF1βγ移位因子G因子EF2释放因子RF1、

RF2、RF3、RRRF真核生物与原核生物蛋白质合成的差异第四十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期二2.2蛋白质合成后的定向输送蛋白质在核糖体上合成后，有三种去向：1.保留在细胞质中——胞内产物；2.进入细胞核、线粒体或其他细胞器中；3.分泌到细胞外——胞外产物。后两种情况均需要有一个跨膜输送的过程如何输送？存在多种不同学说。“信号假说（signalhypothesis）”较为被接受。第四十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期二信号假说（signalhypothesis）G.Blobel（甘特.布洛贝尔

）等1975年提出了信号假说(Signalhypothesis)，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白质由核糖体转至内质网上合成。因此获1999年诺贝尔生理医学奖。信号肽的合成

信号识别颗粒(SRP)-核糖体复合体形成核糖体与内质网膜结合多肽链进入内质网腔主要过程第五十页，共七十三页，编辑于2023年，星期二1.蛋白质跨膜位移机制的“信号假说”涉及那些主要元素？其结构特征和功能是什么？2.根据“信号假说”，描述蛋白质跨膜位移的机制。问题第五十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期二2.2蛋白质合成后的定向输送

信号假说（signalhypothesis）一、信号假说中涉及的几个重要元素二、蛋白质跨膜位移的机制第五十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期二2.2蛋白质合成后的定向输送

信号假说（signalhypothesis）1.信号肽：在成熟mRNA5′端起始密码（AUG)之后，有一组编码特殊氨基酸序列的密码子，称为信号密码，由信号密码翻译出的肽链，叫做信号肽。信号肽为高度疏水氨基酸组成的肽链（16~30个氨基酸），是新生肽链上的一段特殊的氨基酸序列（引导蛋白跨膜或分泌到胞外）。2.信号识别颗粒（SPR）：识别新生肽链上的信号肽。是一类游离在细胞质中的核蛋白颗粒（由1条7S-RNA和6条多肽链组成，每条肽链都含有丰富的碱性氨基酸）。3.SPR受体（SPR-R）：内质网膜整合蛋白，可识别SPR。分子量为72kDa的异二聚体（1条α链和1条β链组成），每条链上均具有GTP酶活性区域。4.通道蛋白——位移子（translocon）：嵌附在内质网上的蛋白复合体，与蛋白通道直接相关。一、信号假说中涉及的几个重要元素第五十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期二信号肽的结构分泌性蛋白质的信号肽没有严格的专一性，目前尚未发现共同的信号序列。

一般均可分为三个区：

1）N端为亲水区含碱性氨基酸,提供正电荷

2）疏水区含中性或疏水性氨基酸

3）加工区是信号肽酶切割信号肽的部位第五十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期二第五十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期二2.2蛋白质合成后的定向输送

信号假说（signalhypothesis）信号肽与SRP结合→肽链延伸暂时终止→SRP与受体结合→SRP脱离信号肽→肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔→信号肽切除→肽链延伸至终止。二、蛋白质跨膜位移的机制SPR-R位移子SPR信号肽第五十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期二2.3蛋白质合成后的加工与修饰1.蛋白质合成后一级结构上和高级结构上的修饰有哪些？2.什么是分子伴侣？其在蛋白质折叠中的作用是什么？3.查找相关资料，综述“分子伴侣”的分类、作用机制及其应用。（讨论课）问题第五十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期二2.3蛋白质合成后的加工与修饰肽链合成后，经若干加工和修饰后，才能使合成的肽链具一定的空间结构和生物学活性。一、一级结构的修饰：切除氨基末端的fMet或Met蛋白质前体的剪切（以胰岛素为例）氨基酸侧链的共价修饰（糖基化、磷酸化、羧化等）水解修饰——阿片促黑皮质素原（POMC）二、高级结构的修饰：蛋白质折叠与分子伴侣蛋白质亚基的聚合蛋白质与辅基的链接第五十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期二胰岛素的加工过程①信号肽的切除（前胰岛素原→胰岛素原）②二硫键的形成③Ｃ肽的切除（胰岛素原→胰岛素）第五十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期二蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化：是指单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白。蛋白质糖基化的作用使蛋白质能够抵抗消化酶的作用赋予蛋白质传导信号的功能某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠第六十页，共七十三页，编辑于2023年，星期二蛋白质糖基化作用方式N-连接的糖基化：发生在内质网腔内，糖蛋白中最普遍的一种。O-连接的糖基化：主要或全部在高尔基复合体中进行。第六十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期二N-连接的糖基化在粗面内质网中，糖链被连接在多肽链中天冬酰胺

(Asn)