蛋白质生物合成

蛋白质生物合成第1页，课件共71页，创作于2023年2月主要内容第一节、RNA在蛋白质生物合成中的作用第二节、蛋白质生物合成过程第三节、蛋白质合成后的加工修饰与转运第2页，课件共71页，创作于2023年2月蛋白质的生物合成（翻译）

蛋白质生物合成(proteinbiosynthesis)也称翻译(translation)，是生物细胞以mRNA为模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。mRNADNA

DNA复制

转录翻译蛋白质第3页，课件共71页，创作于2023年2月蛋白质生物合成体系：基本原料:

20种编码氨基酸模

板:

mRNA适配器

:

tRNA装配机

:核糖体（rRNA与蛋白质的复合物）主要酶和蛋白质因子:氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等能源物质

:

ATP、GTP无机离子

:

Mg2+、K+第4页，课件共71页，创作于2023年2月一、mRNA1.阅读框架

从mRNA5'-端起始密码子AUG到3'-端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻译区533’-端非翻译区开放阅读框架

真核生物的mRNA结构第5页，课件共71页，创作于2023年2月1.阅读框架一、mRNA在各种mRNA起始AUG上游约8～13核苷酸部位，存在一段由4～9个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGGU-，称为Shine-Dalgarno序列(S-D序列)。原核生物的mRNA结构第6页，课件共71页，创作于2023年2月多顺反子与单顺反子原核生物的多顺反子：一个mRNA分子编码多种蛋白质真核生物的单顺反子：一个mRNA分子只编码一种蛋白质PPP53蛋白质图示说明：核糖体结合位点起始密码子终止密码子蛋白质PPPmG-53AAA…第7页，课件共71页，创作于2023年2月一、mRNA2.遗传密码及特点密码子（codon）：在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。起始密码子（initiationcodon）

AUG终止密码子（terminationcodon）UAA、UAG、UGA第8页，课件共71页，创作于2023年2月遗传密码表第一字母第二字母第三字母UCAGUCAGUCAGUCAG第9页，课件共71页，创作于2023年2月一、mRNA2.遗传密码及特点（1）方向性（directional）

翻译时遗传密码的阅读方向是5’→3’，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按5’→3’的方向逐一阅读，直至终止密码子。第10页，课件共71页，创作于2023年2月密码子的特点——方向性mRNA模板链的阅读方向：5'3'蛋白质合成的方向：N端C端NC肽链延伸方向5′3′读码方向第11页，课件共71页，创作于2023年2月一、mRNA2.遗传密码及特点（2）连续性

编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉，即具有无标点性（non-punctuated）。5’…….AUG

GCA

GUA

CAU……UAA3’AlaValHisMet终止密码第12页，课件共71页，创作于2023年2月移码突变(frameshiftmutation)

基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变。缬脯苏天冬缬丙酪甘缬丙丝精mRNA插入缺失插入及缺失阅读框恢复第13页，课件共71页，创作于2023年2月一、mRNA2.遗传密码及特点（3）简并性（degenerate）

一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码的特性称为遗传密码的简并性。但蛋氨酸和色氨酸只有一个密码子。第14页，课件共71页，创作于2023年2月密码子特点——简并性为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子。简并性主要发生在密码子的第三位碱基，故该碱基改变时往往不影响氨基酸的翻译（同义突变）。ACUACCACAACG苏氨酸UGUUGCUGAUGG缬氨酸CUUCUCUUGCUAUUACUG亮氨酸第15页，课件共71页，创作于2023年2月各个氨基酸的密码子数目第16页，课件共71页，创作于2023年2月一、mRNA2.遗传密码及特点（4）通用性（universal）

从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套“通用密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。

第17页，课件共71页，创作于2023年2月密码子通用性的例外

动物线粒体及植物叶绿体内的部分密码子与通用密码子不同。

通用密码线粒体密码AUA异亮蛋、起始AGA精终止AGG精终止UGA终止色第18页，课件共71页，创作于2023年2月一、mRNA2.遗传密码及特点（5）摆动性（wobble）

tRNA反密码子第一位碱基与mRNA密码子第三位碱基之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对(wobblebasepairing)。tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG第19页，课件共71页，创作于2023年2月密码子特点——摆动性异亮氨酸U（同义突变）123321第20页，课件共71页，创作于2023年2月密码子的特点（1）方向性（directional）（2）连续性（non-punctuated）（3）简并性（degenerate）（4）通用性（universal）（5）摆动性（wobble）第21页，课件共71页，创作于2023年2月二、tRNAtRNA主要作用是携带氨基酸和识别mRNA的密码子，作为蛋白质生物合成的接合体。二级结构三级结构反密码环氨基酸臂第22页，课件共71页，创作于2023年2月tRNA是氨基酸的载体及翻译的“适配器”第23页，课件共71页，创作于2023年2月一、tRNA

起始、延长阶段使用的氨基酰-tRNA不同：真核生物起始阶段的氨基酰-tRNA为：Met-tRNAiMet（起始蛋氨酰-tRNA)原核生物起始氨基酰-tRNA为：fMet-tRNAfMet（N-甲酰蛋氨酰-tRNA）第24页，课件共71页，创作于2023年2月原核生物N-甲酰蛋氨酰-tRNA的生成

fMet-tRNAfMet的生成是一碳化合物转移和利用的过程之一。反应由转甲酰基酶催化，甲酰基从N10-甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的α-氨基上。第25页，课件共71页，创作于2023年2月三、rRNA

核糖体（ribosome）又称核蛋白体，是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。第26页，课件共71页，创作于2023年2月一、蛋白质生物合成体系（二）核糖体是蛋白质生物合成的场所2.核糖体的结构原核生物核糖体上有三个位点结合氨基酰-tRNA的氨基酰位（aminoacylsite，A位）结合肽酰-tRNA的肽酰位（peptidylsite，P位）排出卸载tRNA的排出位（exitsite，E位）第27页，课件共71页，创作于2023年2月30S50S70S核糖体的结构A位：AA-tRNA结合部位P位：肽基tRNA结合部位E位：肽键形成部位第28页，课件共71页，创作于2023年2月核糖体的组成S（Svedberg）：沉降

单位，1S=10-13厘米/秒.达因.克原核生物真核生物第29页，课件共71页，创作于2023年2月原核生物rRNA的作用1.tRNA-5sRNA-23sRNA2.mRNA（S-D序列）-16sRNA-23sRNA3.起始tRNA-23sRNA-5srRNA第30页，课件共71页，创作于2023年2月多聚核糖体无论是真核还是原核生物，1条mRNA模板链都可附着10～100个核糖体，这些核糖体依次结合起始密码子并沿5'→3'方向读码移动，同时进行肽链合成，这种mRNA与多个核糖体形成的聚合物称为多聚核糖体(polysome)。

多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。第31页，课件共71页，创作于2023年2月多聚核糖体第32页，课件共71页，创作于2023年2月主要内容第一节、RNA在蛋白质生物合成中的作用第二节、蛋白质生物合成过程第三节、蛋白质合成后的加工修饰与转运第33页，课件共71页，创作于2023年2月蛋白质合成过程可以分为四个阶段：①氨基酸的活化与搬运；②肽链合成的起始；③肽链的延长；④肽链的终止。第34页，课件共71页，创作于2023年2月一、氨基酸的活化概念：氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。参与氨基酸的活化的酶： 氨基酰-tRNA合成酶

aminoacyltRNAsynthetase第35页，课件共71页，创作于2023年2月氨基酰-tRNA合成酶作用机理①氨基酸＋ATP-E

氨基酰-AMP-E

＋PPi

②＋tRNA氨基酰-tRNA＋AMP

＋EEE第36页，课件共71页，创作于2023年2月氨基酰-tRNA合成酶的作用特点之一氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性tRNA氨基酰-tRNA合成酶（蓝色）ATP（黄色）第37页，课件共71页，创作于2023年2月氨基酰-tRNA合成酶的作用特点之二氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性第38页，课件共71页，创作于2023年2月二、肽链合成的起始

肽链合成的起始：指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成三元起始复合物的过程。所有蛋白质翻译的起始均源于甲硫氨酸，而且需要一个特殊的起始tRNA（简写tRNAiMet）参与。起始过程tRNAiMet能够被起始因子所识别；延伸tRNAMet能够被延伸因子所识别。第39页，课件共71页，创作于2023年2月二、肽链合成的起始

起始阶段的基本过程：1.IF-3

与小亚基结合使核糖体大小亚基分离；2.在IF-1、IF-2和GTP的协助下，mRNA在小亚基精确定位结合；起始氨基酰-tRNA结合起始密码子；3.核糖体大亚基结合；4.mRNA、fMet-tRNAifMet和核糖体构成三元起始复合物。第40页，课件共71页，创作于2023年2月50S50SIF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi肽链合成的起始过程第41页，课件共71页，创作于2023年2月三、肽链的延长—核糖体循环肽链的延长：指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进入核糖体并聚合成多肽链的过程。肽链延长在核糖体上连续循环式进行，又称为核糖体循环（ribosomalcycle）。肽链延长过程可分为三个步骤：注册、成肽和转位。延长过程需要一些称为延长因子（elongationfactor，EF）的蛋白参与：EF-Tu、EF-Ts和EF-G。第42页，课件共71页，创作于2023年2月TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP注册的反应过程（动画）注册：一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核糖体A位的过程。第43页，课件共71页，创作于2023年2月成肽转肽酶成肽：在转肽酶(peptidase)的催化下，核糖体P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA的α-氨基结合形成肽键的过程。第44页，课件共71页，创作于2023年2月转位转位：是在转位酶的催化下，核糖体向mRNA的3'-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核糖体的A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程。第45页，课件共71页，创作于2023年2月肽链合成延长（核糖体循环）过程注册转位成肽第46页，课件共71页，创作于2023年2月四、肽链合成的终止肽链合成的终止：指核糖体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分离的过程。终止阶段需要释放因子RF-1、RF-2和RF-3参与。第47页，课件共71页，创作于2023年2月释放因子的功能识别终止密码子RF-1特异识别UAA、UAG；RF-2特异识别UAA、UGA。诱导转肽酶转变为酯酶活性：催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解，使肽链从核糖体上释放。RF-3可结合核糖体其他部位，有GTP酶活性，能介导RF-1、RF-2与核糖体的相互作用。第48页，课件共71页，创作于2023年2月蛋白质合成的终止过程第49页，课件共71页，创作于2023年2月五、真核细胞肽链合成

真核生物mRNA具有5’帽子结构：依赖帽子结合蛋白复合物能够使mRNA在核糖体上定位结合。起始密码子AUG位于Kozak共有序列（ACCAUGG）中，此序列能够促使核糖体识别其中的AUG并起始翻译。第50页，课件共71页，创作于2023年2月34+真核生物翻译起始复合物形成过程第51页，课件共71页，创作于2023年2月原核生物真核生物mRNA一条mRNA编码几种蛋白质（多顺反子）一条mRNA编码一种蛋白质（单顺反子）转录后很少加工转录后进行首尾修饰及剪接转录、翻译和mRNA的降解可同时发生mRNA在核内合成，加工后进入胞液，再作为模板指导翻译核糖体30S小亚基＋50S大亚基↔70S核糖体40S小亚基＋60S大亚基↔80S核糖体起始阶段起始氨基酰-tRNA为fMet-tRNAfMet起始氨基酰-tRNA为Met-tRNAiMet核糖体小亚基先与mRNA结合,再与fMet-tRNAfMet结合核糖体小亚基先与Met-tRNAiMet结合，再与mRNA结合mRNA中的S-D序列与16SrRNA3-端的一段序列结合mRNA中的帽子结构与帽子结合蛋白复合物结合有3种IF参与起始复合物的形成有至少10种eIF参与起始复合物的形成延长阶段延长因子为EF-Tu、EF-Ts和EF-G延长因子为eEF-1α、eEF-1βγ和eEF-2终止阶段释放因子为RF-1、RF-2和RF-3释放因子为eRF1和3原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别第52页，课件共71页，创作于2023年2月蛋白质的生物合成起始和延伸第53页，课件共71页，创作于2023年2月蛋白质合成的终止第54页，课件共71页，创作于2023年2月主要内容第一节、RNA在蛋白质生物合成中的作用第二节、蛋白质生物合成过程第三节、蛋白质合成后的加工修饰与转运第55页，课件共71页，创作于2023年2月123

新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰(posttranslationalmodification)。

翻译后的修饰包括：多肽链的折叠肽链一级结构的修饰蛋白质空间结构的修饰第56页，课件共71页，创作于2023年2月一、多肽链的修饰1.肽链N末端的修饰：如N端氨基酸残基或部分多肽的切除2.个别氨基酸的共价修饰：如糖基化、羟基化、甲基化、磷酸化、二硫键形成、亲脂性修饰等3.多肽链的水解修饰如鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰第57页，课件共71页，创作于2023年2月鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰POMC基因信号肽γ-促黑色素促肾上腺素激素β-脂酸释放激素α-促黑色素γ-脂酸释放激素β-内啡肽β-促黑色素甲硫啡肽促肾上腺皮质激素样中叶肽转录翻译第58页，课件共71页，创作于2023年2月二、多肽链的折叠具有促进蛋白质折叠功能的大分子：参与蛋白质折叠的酶类蛋白质二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase,PDI）肽酰-脯氨酰顺反异构酶（peptideprolyl-cis-transisomerase,PPI）分子伴侣（molecularchaperon）第59页，课件共71页，创作于2023年2月二、多肽链的折叠具有促进蛋白质折叠功能的大分子：1.蛋白质二硫键异构酶在多肽链内或肽链之间二硫键形成正确的配对断裂错配的二硫键并形成正确二硫键连接正确的二硫键配对可以保证蛋白质形成热力学最稳定的天然构象第60页，课件共71页，创作于2023年2月二、多肽链的折叠具有促进蛋白质折叠功能的大分子：2.肽酰-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，空间构象有明显差别。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，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。第61页，课件共71页，创作于2023年2月二、多肽链的折叠具有促进蛋白质折叠功能的大分子：3.分子伴侣(molecularchaperon)

分子伴侣是细胞内一类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的保守蛋白质。热休克蛋白（heatshockproteins，HSP）：HSP70、HSP40和GrpE伴侣素（chaperonins）：GroEL-GroES复合物第62页，课件共71页，创作于2023年2月二、多肽链的折叠具有促进蛋白质折叠功能的大分子：3.分子伴侣(molecularchaperon)

功能包括两方面：一方面是防止新生肽链错误的折叠