《医学生物化学》课件第12章-蛋白质的生物合成

1.蛋白质生物合成体系2.蛋白质生物合成过程3.翻译后加工和靶向输送4.蛋白质合成与医学本章主要内容1蛋白质生物合成的概念

蛋白质的生物合成，即翻译，是指生物细胞以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。就是将核酸中由4种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的序列。23

第一节蛋白质生物合成体系ProteinBiosynthesisSystem5蛋白质生物合成体系RNA

mRNAtRNArRNA原料20种氨基酸酶氨基酰tRNA合成酶转肽酶蛋白质因子起始因子IF、eIF延长因子EF、eEF终止因子RF、eRF其它ATP、GTP、无机离子6一、mRNA分子含有蛋白质合成的遗传密码7mRNA的基本结构StartofgeneticmessageCapEndTail5

-端非翻译区

5

3

3

-端非翻译区

开放阅读框架

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)。原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核糖体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP5

3

蛋白质PPPmG-5

3

蛋白质AAA…8遗传密码密码子（codon）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（tripletcodon）。起始密码子和终止密码子起始密码子(initiationcodon)：AUG终止密码(terminationcoden):UAAUAGUGA9第一个核苷酸第二个核苷酸第三个核苷酸UCAGU苯丙氨酸苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸酪氨酸酪氨酸终止密码终止密码半胱氨酸半胱氨酸终止密码色氨酸UCAGC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸组氨酸组氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGA异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸天冬酰胺天冬酰胺赖氨酸赖氨酸丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸UCAGG缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸UCAG遗传密码表101.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。NC肽链延伸方向5′3′读码方向遗传密码的特点112.连续性(non-punctuated)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。

5’…….AUG

GCA

GUA

CAU……UAA3’AlaValHisMet终止密码12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(frameshiftmutation)。缬脯苏天冬缬丙酪甘缬丙丝精133.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。这一特性称为遗传密码的简并性。除色氨酸和甲硫氨酸仅有1个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。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。14各种氨基酸的密码子数目15密码子简并性的生物学意义：减少有害突。

遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。

GCU

ACU

GCC

ACC

GCA

ACA

GCG

ACG

AlaThr164.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、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。17已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。

通用密码线粒体密码AUA异亮甲硫、起始AGA精终止AGG精终止UGA终止色184.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。19tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG摆动配对U32112320二、tRNA是氨基酸的特异“搬运工具”tRNA的作用运载氨基酸：氨基酸各由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在tRNA3

-CCA的位置，结合需要ATP供能；充当“适配器”：每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。21二级结构三级结构反密码环氨基酸臂tRNA的构象2223核糖体又称核蛋白体，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。三、核糖体是肽链合成的“装配机”

rRNA与特定蛋白质组成核糖体24

核糖体的组成核糖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核糖体70S80S252.A位：氨基酰位，又称受位。1.P位：肽酰位，又称给位。3.E位：排出位。原核生物核糖体结构模式26氨基酰-tRNA合成酶：ATP存在下合成氨基酰-tRNA，具有绝对特异性。转肽酶：催化核糖体“P位”上的肽酰基转移至“A位”的氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基缩合形成肽键。转位酶：催化核糖体向mRNA的3

端移动定位于“A位”。四、多种酶与因子参与蛋白质生物合成重要的酶类27起始因子（initiationfactor，IF）延长因子（elongationfactor，EF）释放因子（releasefactor，RF）蛋白质因子28

第二节蛋白质生物合成过程TheProcessofProteinBiosynthesis

氨基酸的活化（胞液）肽链合成的起始（核糖体）肽链合成的延长（核糖体）肽链合成的终止（核糖体）蛋白质合成中

mRNA模板的方向：5′→3′；蛋白质的合成方向：N端→C端。蛋白质生物合成的反应步骤氨基酸与特异的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。活化的反应过程一、氨基酸活化与搬运氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶

氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性氨基酰-tRNA合成酶特性tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA的表示方法丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：

Met-tRNAMet各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的氨基酰-tRNA表示为：氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写

例如：真核生物：

Met-tRNAiMet原核生物：

fMet-tRNAifMet起始肽链合成的氨基酰-tRNA注意区别1.

核糖体大小亚基分离；2.mRNA在小亚基定位结合；3.起始氨基酰-tRNA的结合；4.核糖体大亚基结合。

指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物。二、肽链合成的起始（原核生物翻译过程）IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'3.起始氨基酰tRNA与小亚基结合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5'3'4.核糖体大亚基结合IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始过程消耗1个GTP。核糖体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核糖体小亚基就位；核糖体大亚基结合。真核生物翻译起始复合物形成Met40SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6

①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③真核生物翻译起始复合物形成过程Met-tRNAiMet-elF-2

-GTPMet60S

肽链延长是在核糖体上连续发生的循环过程，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：进位（entrance）成肽（peptidebondformation）转位（translocation）

三、肽链合成的延长

进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位。

延长因子EF-T催化进位（原核生物）

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP进位的反应过程此过程消耗1个GTP。成肽是由转肽酶催化的肽键形成过程。3.转位延长因子有转位酶活性，促进核糖体向mRNA的3

端移动。转位fMetAUG5'3'fMetTuGTP进位转位成肽真核生物肽链合成的延长阶段当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、核糖体等分离，这些过程称为肽链合成终止。

四、肽链合成的终止终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,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

UAG5'3'RFCOO-电镜下的多聚核糖体现象指多个核糖体附在同一条mRNA上合成蛋白质而形成的串珠状聚合物。

五、多聚核糖体(polysome)

第三节翻译后加工和靶向输送PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation从核糖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。加工修饰主要包括新生多肽链需经多种形式加工才具有生物学活性多肽链折叠为天然的三维结构亚基的聚合与辅基的连接蛋白质合成后靶向运输至细胞特定部位

肽链末端的修饰部分氨基酸序列的水解修饰个别氨基酸残基的侧链修饰

一、新生多肽链多种形式的加工糖基化羟基化

甲基化

磷酸化

二硫键形成鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰NC信号肽PMOCKRKR103肽

(？)ACTH

-LT

-MSH

-MSHEndophin新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核糖体上一出现，肽链的折叠即开始。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。二、多肽链折叠为天然构象的蛋白质几种有促进蛋白质折叠功能的大分子分子伴侣(molecularchaperon)蛋白质二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolyl-cis-transisomerase,PPI)（1）热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族（2）伴侣素(chaperonins)GroEL和GroES家族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。

1.亚基的聚合如血红蛋白通过非共价键将亚基聚合成寡聚体。2．辅基的连接如糖蛋白、脂蛋白、各种酶等，合成后需与辅基连接，才具有活性。3．疏水脂链的共价连接如Ras蛋白、G蛋白等需嵌入疏水双层膜脂，才具有活性。三、亚基的聚合和辅基的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。蛋白质的靶向输送（proteintargeting）四、蛋白质合成后的靶向输送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(signalsequence)

第四

节蛋白质生物合成的干扰和抑制

Interference&InhibitionofProteinBiosynthesis

由于DNA分子上基因的缺陷，使其表达生成的多肽链中的某些关键氨基酸发生改变，从而导致蛋白质的功能