高中生物竞赛课件生物化学蛋白质的合成

蛋白质的生物合成1本章内容遗传密码核糖体转移RNA的功能蛋白质生物合成的机制真核生物与原核生物蛋白质合成的差异2蛋白质生物合成：是指mRNA分子上4种核苷酸的遗传信息，变成蛋白质多肽链的20种氨基酸排列顺序的过程，类似一种语言翻译成另一种语言时的情形，所以也称为翻译。3蛋白质生物合成中的三大发现PaulZamecnik核糖体是蛋白质生物合成的场所MahlonHoaglandFrancisCrick提出tRNA应接器假说发现转运RNA（tRNA）4一、遗传密码（一）概念的提出：1、数学推算：若2个相邻碱基决定1个aa：42=16

不足以应付20种aa；若3个相邻碱基决定1个aa：43=64

可满足20种aa编码的需要。52、实验证明：1）用人工合成的多核苷酸进行编码：

E.coli无细胞提取液中加：polyU(作为mRNA)、20种放射性标记aa混合物和ATP，保温反应后，合成的只有多聚Phe（苯丙）。662）核糖体结合技术1964年Nirenberg用人工合成的三核苷酸取代mRNA，在无GTP时，不能合成蛋白质，但三核苷酸可与对应的氨酰-tRNA结合在核糖体上；反应混合液通过硝酸纤维素膜，氨酰-tRNA与三核苷酸、核糖体形成的复合物可被膜吸附。检测带标记的aa，由此测出三联体核苷酸对应的aa。77核糖体结合实验8如此证明：mRNA上，三联体核苷酸编码1个aa，称其为三联密码(tripletcode)或密码子(codon)。确定了编码20种aa的codon。9遗传密码表1010（二）遗传密码的基本特性1、遗传密码无标点符号：

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）。5′….UACGGACAUCUG….3′5′….UACCGGACAUCUG….3′酪甘组蛋酪精苏半胱5′….UACGACAUCUG….3′酪天异亮插入缺失112、不重叠性：即读码规则是不重叠的。但少数病毒RNA基因中有例外。12噬菌体φX174的重叠基因φX174

以5387个核苷酸的基因组编码10个蛋白质。SV40，λ噬菌体等亦类似。13Rous肉瘤病毒的gag和pol基因的重叠位置pol基因（反转录酶基因）的阅读框相对于gag基因（gag蛋白基因）向左偏移一个碱基。阅读框移动造成基因产物的融合：一种mRNA翻译出多蛋白质（gag-pol蛋白质），最终经酶切成为反转录酶。143、简并性：除Met、Trp外，其他aa都有2个以上密码子编码，即简并性。同义密码子：编码同一aa的密码子。如：UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG

都编码Leu。意义:①DNA碱基有较大变化时，仍保持多肽链中aa顺序不变，减少有害突变。②保证了物种的稳定性。15简并性164、摆动性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。意义：降低了由于第3个碱基发生突变造成的误差。17反密码子与密码子间的碱基配对18反密码子第一位碱基

密码子第三位碱基

AUCGGC、UUA、GIA、U、C反密码子与密码子间的碱基配对195、通用性：

所有的生物使用同一套密码子，仅有少数例外，例如：线粒体起始密码子为AUG、AUU；终止密码为AGA、AGC；色氨酸为UGA等。206、起始与终止：起始密码：AUG，同时编码甲硫氨酸(原核为甲酰甲硫氨酸）。

少数原核生物是GUG（缬氨酸）终止密码：UAA、UAG、UGA；不能被tRNA阅读，只被肽链释放因子识别。

UGA:编码硒代半胱氨酸。21遗传密码与基因突变基因突变：点突变错义突变：碱基改变造成氨基酸的改变

无义突变：某一密码子变成了终止密码子

(UAA,UAG,UGA）终止密码子突变：终止密码子变为某个氨基 酸的密码子移码突变：基因内一对碱基的缺失或增加

22二、核糖体核糖体是蛋白质合成的工厂。它是rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。23（一）核糖体的组成和结构：1、组成：原核生物60-65%rRNA，30-35%蛋白质；

真核生物55%rRNA和45%蛋白质。242、结构：球形颗粒，由大小二个亚基组成。25rRNA的结构修饰碱基较少－－多为甲基化不同来源的rRNA某些区域具有高度的同源性含有大量的茎环结构26（二）核糖体的功能：1.16SrRNA对识别mRNA上肽链合成起始位点起重要作用。在起始密码子上游约10个核苷酸处，通常有一段富含嘌呤的序列。这一序列石油Shine-Dalgaino首先发现的，因此人们常把这一序列称为SD序列。SD序列可以和小亚基16SrRNA3’-末端的序列互补，使mRNA与小亚基结合。272.参与肽链合成的启动、延长、终止、移动等283.功能位点：1）mRNA结合位点：大小亚基的结合面上，为蛋白质合成处。2）P位点：(peptidylsite)；起始-tRNA和肽酰基-tRNA结合位点。3）A位点(aminoacylsite)：氨酰-tRNA结合位点。4)一些蛋白因子和酶的结合位点。在A位处，5SrRNA有一序列能与氨酰-tRNA的TψC环的保守序列互补，以利于延长用的氨酰-tRNA进入A位，而起始tRNA没有这个互补序列，因此进入核糖体时，它只能进入P位。29tRNAmRNA大亚基小亚基30三、转移RNA的功能（一）结构：二级结构：三叶草；三级结构：倒“L”。31天然蛋白质的20种aa都有自己特定的tRNA，而且一种aa通常有数种tRNA，所以tRNA的种类可达几十种。31（二）与蛋白质合成有关的位点：1、3’末端的CCA序列：为aa接受位点，aa共价（酯键）结合到A残基上。2、识别aa-tRNA合成酶的位点。3、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。4、核糖体识别位点。3232（三）功能tRNA是连接器(adaptor)分子，它可以将氨基酸引入核糖体并解读mRNA上的遗传信息。1、有携带aa的功能:

具倒L型三级结构的tRNA，在ATP和酶作用下，可与特定aa结合。332、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aa带到肽链的一定位置。34密码子与反密码子配对关系摆动假设(Wobblehypothesis)：

摆动假设解释了密码子简并现象，即简并密码子决定：同一种氨基酸允许密码子第三位碱基非标准化配对。35反密码子与密码子间的碱基配对反密码子第一位碱基密码子第三位碱基

AUCG

GC、U

UA、G

IA、U、C363.tRNA也储存遗传密码：

研究发现tRNA中有识别特性的碱基能决定所携带的aa的专一性（第二套遗传密码）。如：Lys-tRNA的aa接受臂上的G3·G70→G3·U70取代时，可接受Ala。3537人工合成的小螺旋结构可携带aa研究认为：tRNA携带何种aa与识别碱基有关。Ala-tRNA合成酶识别tRNAAla

(G=U碱基对是专一结合和酰化的唯一元件).38（四）氨酰-tRNA合成酶：催化AA与相应tRNA发生酯化反应。

1.高度专一识别特定的aa和与此aa对应的tRNA，从而保证了pr合成的忠实性。氨酰-tRNA：氨基酸和tRNA的结合形成的氨酰-tRNA，是蛋白质合成的直接底物。aa-tRNA合成酶392、氨酰-tRNA的合成过程：在细胞质中完成，分两步：1）活化(对氨基酸的识别)：需2个高能磷酸键，

形成aa-AMP-E复合物，需Mg2+,Mn2+

；2）转移(对tRNA的识别)：

aa从aa-AMP-E转移到相应的tRNA上。4039413.氨酰-tRNA合成酶有纠错功能：含有第二活性部位，有校对功能。可水解不正确的aa与tRNA间的共价联系,

从而保证翻译的准确性。如：缬氨酸-tRNAIle+H2O→缬氨酸+tRNAIle424。aa-tRNA合成酶与tRNA间的相互识别作用——第二遗传密码aa-tRNA合成酶既能识别相应的aa，又能识别aa对应的一或多个tRNA分子。将aa-tRNA合成酶与tRNA间的相互识别作用称为~。Ala-tRNA合成酶识别tRNAAla

(G=U碱基对是专一结合和酰化的唯一元件).43第二遗传密码的相互作用位点研究认为这种相互识别的作用似乎集中在氨基酸臂和反密码子臂上，包括反密码子本身的核苷酸，但也存在于分子的其它部位。44氨酰tRNA合成酶与其相应的tRNA及ATP形成的复合物晶体结构Asp氨酰tRNA合成酶Gln-氨酰tRNAATP45465、一个特殊的tRNA启动pr合成：起始（initiation)用的氨酰-tRNA为：

tRNAiMet

负责识别肽链起始密码子AUG；

tRNAmMet识别肽链内部AUG(Met的密码子)

原核用于起始的为N-甲酰甲硫氨酸（fMet）；由细胞内甲酰化酶催化Met的α-NH2甲酰化，47甲酰甲硫氨酰-tRNA的形成转甲酰酶48四、蛋白质生物合成的分子机制概念：mRNA解读方向：

5’→3’肽链延伸方向：从N端向C端进行。49过程：1.aa的激活；2.肽链合成的启动；3.肽链延长；4.肽链合成终止释放;5.肽链的折叠和加工。50以E.coli为例：在核糖体上合成肽链（一）肽链合成的起始（initiation)：1、起始所需材料：

核糖体：30S亚基、50S亚基；

模板：带起始密码的mRNA；

甲酰甲硫氨酰-tRNA：fMet-tRNAifMet；

起始因子（IF1、IF2、IF3）；GTP；

Mg2+

。511）S-D序列(Shine-Dalgarnosequence)：称核蛋白结合位点（ribosomalbindingsite，RBS)

在mRNA起始密码上游，富含嘌呤，可与16SrRNA中3’端的7个碱基互补，使mRNA与核糖体结合，形成30S起始复合物，是细菌识别起始密码的机制（位点）。52S-D序列532）起始因子(initiationfactors,IF)：IF3

：阻止大、小亚基的结合；IF2

：携带fMet-tRNAiMet

、GTP；并具GTP水解酶的作用；IF1

：协调IF2、IF3离开小亚基。543）甲酰甲硫氨酸-tRNA（fMet-tRNA）tRNA+甲硫氨酸甲硫氨酸-tRNAN10-甲酰四氢叶酸+甲硫氨酸-tRNA

四氢叶酸+甲酰甲硫氨酰-tRNA552、起始过程：①大小亚基分开；②形成复合物；

30S·mRNA·IF3·IF1③IF2-GTP和与AUG在P位点配对的tRNAifMet，形成更大的30S起始复合物；④IF2水解GTP，起始因子解离，大亚基结合，形成70S起始复合物。此时空着的A位点准备接受下一个aa-tRNA。56（二）肽链延伸（elongation)：所需组分：

70S起始复合物

aa2-tRNA2

转肽酶（肽酰转移酶peptidyltransferase）延伸因子：EFTu、EFTs（简称Tu、Ts）

移位因子（移位酶，G因子）

GTPMg2+

转肽酶、移位因子在核糖体上。57反应分三步：1、进入A位点：Tu-GTP与aa2-tRNA2结合成复合物；aa2-tRNA2与A位点上mRNA密码子结合；Tu-GTP再生。除fMet-tRNAifMet外，所有aa-tRNA进入A位点都需先与Tu-GTP结合。58延长因子(elongationfactor,EF-T）的循环592、肽键形成：在转肽酶作用下，形成肽键，形成2肽；P位点上fMet与空载的tRNA脱离；此时，P位空出。60转肽过程是新加的aa-tRNA上aa的氨基对

肽酰-tRNA上酯键的羰基亲核攻击的结果。613、移位：在移位因子EF-G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；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。重复至肽链必需长度。624、GTP的作用：GTP水解改变了蛋白质因子的构象，使它从核糖体上解离，以确保核糖体上的反应快速、不可逆进行，同时也促进了翻译的精确性。延长过程每加入1个aa，消耗2个GTP。6364（三）肽链合成的终止与释放：1、所需材料：

70S核糖体、带终止密码的mRNA、释放因子（RF1、RF2、RF3）。652、释放因子（releasefactor,RF)的功能：

RF1：识别终止密码UAA、UAG；

RF2：帮助识别终止密码UAA、UGA；

RF1

和RF2

还可使P位上的转肽酶活性转变成水解酶活性，使肽酰-tRNA

进入水相而不去A位。

RF3：结合GTP，促进RF1和RF2的活性。协助肽链从P位点释放。663、终止(termination)包括两步：1）RF与mRNA终止信号结合；2）水解肽链和tRNA间的酯键，3）新合成肽链、tRNA、mRNA离开核糖体，后者即解离成大、小亚基，进入下一轮反应。67肽酰-tRNA水解形成多肽和游离tRNA68蛋白质合成的能量消耗：活化氨基酸（aa-tRNA形成)：2个ATPaa-tRNA合成酶校对：ATP

延伸第一步:GTP

移位：GTP

释放肽链：GTP

每个肽键的形成需要超过4个高能键的能量.69细菌转录和翻译的偶联70Proteinsynthesis（flash）71核蛋白体P位是结合（）的部位，A位是结合（）的部位。

蛋白质生物合成的第一步是（）。氨酰tRNA合成酶，利用（）供能，在氨基酸（）基上进行活化形成氨基酸AMP中间复合物。72氨酰tRNA合成酶既能识别（），又能识别（）。原核生物肽链合成起始复合体由mRNA、（）和（）组成。肽链延伸包括进位、（）和（）三个步骤周而复始地进行。73蛋白质合成的起始复合物是由（）、（）、（）和（）组成的。在肽链合成起始后，肽链的延长可分为（）、（）和（）。74五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异合成机理类似，但真核生物的某些步骤更为复杂，涉及更多的蛋白因子。（一）mRNA：

原核；多顺反子；

真核：单顺反子，无S-D序列。75（二）起始复合物形成所需蛋白因子的差异：原核；3种（IF1、2、3）；真核：多种eIF（eucaryon~)；使用更为复杂起始因子系统(至少有九种起始因子与起始相关)（三）核糖体：

原核：70S；真核：80S（60S、40S）：

真核40s核糖体亚基结合在mRNA的5’-帽子区，沿mRNA扫描直至找到合适的AUG。7677（四）起始复合物形成过程的差异1、起始的tRNA：

原核：

fMet-tRNAifMet

真核：

Met-tRNAiMet（起始专用tRNA)

线粒体、叶绿体合成多肽始于N-fMet。2、起始密码：

原核：多种；

真核：AUG783、起始复合物形成所需能量：原核：GTP；真核：ATP

：794、形成过程的不同：真核起始过程如下：80真核生物起始复合物中的蛋白质复合体3’端结合蛋白81真核生物翻译起始过程特点1）核蛋白体是80S(40S+60S)2）起始因子种类多(至少有9种eIF)3）起始tRNA的Met不需甲酰化4）5’帽子和3’polyA尾结构，与mRNA在核蛋白体就位有关5）起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA6）此过程除消耗一个GTP外，还消耗ATP82（五）肽链延长和终止过程：1、肽链延伸因子不同；

原核：Tu、Ts；

真核：eEF-1

、eEF-1、eEF-1

2、移位因子不同：

原核：G因子；

真核：eEF23、释放因子不同：原核：RF1、

RF2；真核：一种释放因子RF识别终止密码，终止消耗GTP。83真核生物肽链延伸：

由延伸因子eEF-1

、eEF-1下进行的。

eEF-1

与GTP和氨酰-tRNA形成复合物，促使氨酰-tRNA进入核糖体，eEF-1

催化GDP与GTP循环，利于eEF-1

的循环利用。移位因子EF2催化GTP水解，驱动氨酰-tRNA从A位到P位肽链终止：

RF识别终止密码，使肽酰转移酶变构成水解肽酰基与tRNA之间的酯键，释放出新合成的肽链，需要GTP供能。84多核糖体真核细胞以多核糖体的方式合成蛋白质生物体内蛋白质的合成是多个核糖体在同一时间与同一mRNA相连，每一个核糖体按照上述步骤依次在mRNA的模板指导下，各自合成一条肽链，大大提高了mRNA的效率。85家蚕丝腺体多聚核糖体同步翻译丝心蛋白的电镜图和注释图8687六、肽链合成后的加工处理肽链合成后，经若干加工后，才能使合成的肽链具一定的空间结构和生物学活性。蛋白质的定向运送。真核生物的加工部位在高尔基体。粗面内质网高尔基体细胞膜88切除氨基末端的Met：去甲酰化酶、氨肽酶催化下，切去1或几个aa。（原核的fMet）细菌合成的蛋白N末端为甲硫氨酸，先在去甲酰化酶的作用下水解除去N端甲酰基，然后再氨肽酶的作用下，再切去一个或者多个氨基酸。在真核生物中，N端的甲硫氨酸通常在肽链的其他部分还未