《蛋白质的合成过程》PPT课件.ppt

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1、 二二.蛋白质的合成过程蛋白质的合成过程（大肠杆菌）（大肠杆菌）v 氨基酸的活化氨基酸的活化v 肽链合成的起始肽链合成的起始v 肽链的延伸肽链的延伸v 肽链合成的终止与释放肽链合成的终止与释放蛋白质合成的机制要比DNA复制和转录复杂的多。它大约需要300多种生物大分子，其中包括三类核糖核酸、可溶性蛋白质因子等参加的协同作用。其合成过程大致分为5个阶段：氨基酸的激活、肽链合成的启动、肽链的延长、肽链合成的终止和释放、肽链的折叠和加工处理。（一）氨基酸的活化与转运氨基酸在掺入肽链之前必须活化（activition）以获得额外的能量。活化反应是在氨酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNAsy

2、nthetase）催化下进行的。活化了的氨基酸与tRNA形成氨酰-tRNA。这一反应可在可溶性细胞质内完成。活化反应分两步进行：1、氨基酸-AMP-酶复合物的形成：反应如下：ATP+氨基酸+酶氨基酸-AMP-酶+PPi反应需要Mg2+或Mn2+，并且是ATP水解释放能量供复合物的形成。在复合物中，氨基酸的羧基通过酸酐键与AMP上的5-磷酸基相连接,形成高能酸酐键,从而使氨基酸的羧基得到活化。2、氨基酸从复合物上面转移到相应的tRNA上面：氨基酸-AMP-酶+PPi 氨酰-tRNA+AMP+酶1、活化活化：AA-AMP-E复合物的形成复合物的形成E-CR1-C-OP-O-CH2=OOH-O腺嘌呤

3、OHOHONH2AA+ATP+E AA+ATP+E AA-AMP-EAA-AMP-E+PPi+PPiMg2+Mn2+2、转移转移AA-AMP-E+tRNA AA-AMP-E+tRNA 氨酰氨酰-tRNA+AMP+EtRNA+AMP+EPPPC C A高能酸苷键高能酸苷键O C-C-RC-C-RO HO HNH3NH3+OHOH2 2-OHOH连接连接AAAA，影响下一步影响下一步肽键形成肽键形成v氨基酸活化的总反应式是：氨基酸活化的总反应式是：氨基酸氨基酸+ATP+tRNA+HATP+tRNA+H2 2O O 氨酰氨酰-tRNA+AMP+PPitRNA+AMP+PPiv2020种种氨氨基基酸酸

4、中中每每一一种种都都有有各各自自特特异异的的氨氨酰酰-tRNAtRNA合合成成酶酶。氨氨酰酰-tRNAtRNA合合成成酶酶具具有有高高度度的的专专一一性性，它它既既能能识识别别相相应应的的氨氨基基酸酸（L-L-构构型型），又又能能识识别别与与此此氨氨基基酸酸相相对对应应的的一一个个或或多多个个tRNAtRNA 分分子子；即即使使AAAA识识别别出出现现错错误误，此此酶酶具具有有水水解解功功能能，可可以以将将其其水水解解掉掉。这这种种高高度度的的专专一一性性保保证证了了氨氨基基酸酸与与其其特特定定的的tRNA准准确确匹匹配配，从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。从而使蛋白质的合成具有一定的保真性

5、。氨酰氨酰-tRNA tRNA 合成酶合成酶v tRNAtRNAIleIle携带携带IleIle的的tRNAtRNAv IleIle-tRNAtRNAIleIle异亮氨酰异亮氨酰-tRNAtRNAIleIle氨酰氨酰-tRNAtRNA合成酶和之相对应的合成酶和之相对应的tRNAtRNA分子被称为遗传密码第二重要性分子被称为遗传密码第二重要性（二）大肠杆菌中肽链合成的起始1、起始密码子（起始信号）：细菌中多肽的合成并不是从mRNA5端的第一个核苷酸开始的。被转译的头一个密码子往往位于5端的第25个核苷酸以后。mRNA上的起始密码子常为AUG，少数情形下也为GUG。对起始密码子附近的核苷酸序列进行

6、分析后发现，在距离起始密码子上游约10个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列（称为Shine-Dalgarno序列，简称SD序列）。它与16SrRNA3端的核苷酸序列形成互补。下图为一些原和生物的SD序列和SD序列于16SrRNA3端片段之间的互补关系：l现现在在已已经经知知道道作作为为多多肽肽合合成成起起始始信信号号的的密密码码子子有有两两个个，即即甲甲硫硫氨氨酸酸的的密密码码子子(AUG)AUG)和和缬缬氨氨酸酸的的密密码码子子(GUG)(GUG)(极极少少出出现现)。在在大大肠肠杆杆菌菌中中,起起始始密密码码子子AUG AUG 所所编编码码的的氨氨基基酸酸并并不不是是甲甲硫硫氨氨酸本身酸

7、本身,而是甲酰甲硫氨酸。而是甲酰甲硫氨酸。fMet-tRNAfMet-tRNAf f的形成的形成Met-tRNAf+N10-甲酰FH4fMet-tRNAf+FH4甲酰化酶真核生物：Met-tRNAMet。真核生物无甲基化过程，起始氨真核生物无甲基化过程，起始氨基酸是基酸是Met,Met,起始起始tRNAtRNA为为Met-tRNAMet-tRNAMetMetfMet-tRNAifMet2、起始复合物的形成：原核细胞中的起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸，而不是甲硫氨酸，它是在甲酰化酶作用下形成的。但需注意的是这种酶只能催化甲硫氨酸-tRNAf转化为甲酰甲硫氨酸-tRNA(fMet-tRNA），而不能催化

8、游离的甲硫氨酸或Met-tRNAm的甲酰化。这就是说细胞内有两种携带甲硫氨酸的tRNA。即tRNAf用来与fMet相结合，参与原核生物肽链的合成的起始；而tRNAm携带正常的甲硫氨酸掺入肽链。起始复合物的形成可分三个步骤进行：首先始30S的亚基与起始因子3（IF3）结合以阻止30亚基与50S亚基重新结合；然后30S亚基与mRNA结合成30SmRNAIF3复合物（组分比例1:1:1)。第二步是30SmRNAIF3与已经含有结合态GTP及甲酰甲硫氨酰-tRNA的起始因子IF1和IF2结合形成更大的复合物。第三步是此复合物释放出IF3后就与50S大亚基结合，同时与IF2结合的GTP水解生成GDP及磷

9、酸释放出来。IF1及IF2也离开此复合物，形成具有起始功能的起始复合物，即30SmRNA50SfMet-tRNA。这时fMettRNA占据了核糖体上的肽基部位（P位），空着的氨酰tRNA部位（A位）准备接受下一个氨酰tRNA。至此肽链延长的准备工作已经完成。起始复合物形成过程中。起始因子IF2具有GTP酶活性，而IF1起协调IF2和促进IF3离开小亚基的作用。其起始过程的图解如下：3030S S复合物形成：复合物形成：AUGIF3IF3AUGIF3GTP、IF1、IF2fMet-tRNAf小亚基小亚基AUGGTP、IF1、IF2fMetUAC57070S S复合物的形成：复合物的形成：AUGG

10、TP、IF1、IF2fMetUAC5+5050S S核糖体核糖体AUGGTP、IF1、IF2fMetUAC5P P位点位点A A位点位点GDP+PiGDP+Pi、IF1IF1、IF2IF2在肽链合成起始时，首先是核糖体小亚基与在肽链合成起始时，首先是核糖体小亚基与mRNAmRNA上的核糖体结合位点识别结合，然后，大上的核糖体结合位点识别结合，然后，大亚基与小亚基结合，形成完整的核糖体亚基与小亚基结合，形成完整的核糖体(7070S S起起始复合物始复合物)。ff(三三)肽链的延伸肽链的延伸分为三步分为三步：1 1、进位、进位 新的氨酰新的氨酰-tRNAtRNA进入进入A A位。需要消耗位。需要消

11、耗GTPGTP，并需并需EF-TuEF-Tu（热不稳定）热不稳定）,EF-TsEF-Ts（热稳定）两种延伸因子。热稳定）两种延伸因子。EF-Tu-GTP+EF-Tu-GTP+下一个要进入的氨酰下一个要进入的氨酰-tRNAtRNA 形成复合物形成复合物，将这个氨，将这个氨酰酰-tRNA tRNA 送入核糖体送入核糖体A A位，同时位，同时GTPGTP GDP+Pi GDP+Pi，EFTu-GDPEFTu-GDP释放。释放。v EF-EF-TuTu-GDP+EF-Ts EF-GDP+EF-Ts EF-TuTu-Ts+GDP-Ts+GDP EF-EF-TuTu-Ts+GTP EF-Ts+GTP EF

12、-TuTu-GTP+EF-Ts-GTP+EF-Ts重新参与下一轮循环重新参与下一轮循环促进氨酰促进氨酰-tRNA tRNA 进入进入A A位与位与mRNAmRNA结合结合所有氨酰所有氨酰-tRNAtRNA必须与必须与EF-Tu-GTPEF-Tu-GTP结合才可进入结合才可进入7070S S核糖体，除了核糖体，除了fMet-tRNAfMet-tRNAf f f2 2、转肽、转肽 肽酰转移酶肽酰转移酶(反应需要较高浓度的K+参加)在肽酰转移酶的作用下在肽酰转移酶的作用下P P位点上位点上fMet-tRNAfMet-tRNAf f的甲酰甲的甲酰甲硫氨酸从相应的硫氨酸从相应的tRNAtRNA上解离下来

13、，其上解离下来，其-COOHCOOH（高能酯高能酯键）键）与刚进入与刚进入A A位的氨酰位的氨酰-tRNAtRNA上的上的-NH2NH2形成肽键形成肽键（实质是（实质是A A位点氨酰位点氨酰-tRNAtRNA氨基亲核攻击氨基亲核攻击酯键羰基酯键羰基），），无负荷的无负荷的tRNAtRNA留在留在P P位，此时位，此时A A位点携带一个二肽。位点携带一个二肽。53PAAA-fMetAAAPfMet53嘌呤霉素（与嘌呤霉素（与AMP相似）与相似）与AA反应生成反应生成氨酰嘌呤霉素，中断蛋白质的合成反应。氨酰嘌呤霉素，中断蛋白质的合成反应。3、脱落：卸下肽链无负载的tRNA从核糖体上面脱落下来。4、

14、移位（translocation）：它是指核糖体沿mRNA（53）作相对移动，每次移动的距离位为一个密码子的位置。移位的结果是原来在A位点上的肽酰-tRNA又回到了P位点。移位反应需要延伸因子G（也称移位酶）和GTP参于。以后每增加一个氨基酸残基就重复这四个过程，直至A位上出现终止密码子。PA53也就是：也就是：在在EF-GEF-G（移位酶）的作用下，核糖体沿移位酶）的作用下，核糖体沿mRNA5mRNA5 3 3方向移动，每次移动一个密码子的距离，结果使原来在方向移动，每次移动一个密码子的距离，结果使原来在A A上上的肽酰的肽酰-tRNAtRNA移到了移到了P P位点，原来在位点，原来在P P

15、位点的无负载的位点的无负载的tRNAtRNA离离开核糖体，同时一个新的密码子进入空的开核糖体，同时一个新的密码子进入空的A A位，位，EF-G EF-G 催化催化的的移位过程需水解移位过程需水解GTPGTP提供能量提供能量。肽链合成。肽链合成从从N-CN-C。PA53PAPPAA以上三（或四步）步为一个延伸循环，肽链每以上三（或四步）步为一个延伸循环，肽链每掺入一个氨基酸就重复一次延伸循环。掺入一个氨基酸就重复一次延伸循环。肽链合成肽链合成从从N-CN-C（四）肽链合成的终止与释放（四）肽链合成的终止与释放v当终止密码子出现在当终止密码子出现在A A位时，终止因子结合在位时，终止因子结合在A

16、A位，肽链合成终止。位，肽链合成终止。RFRF1 1：识别终止密码子识别终止密码子UAAUAA和和UAG UAG RFRF2 2：识别终止密码子识别终止密码子UAAUAA和和UGAUGARFRF3 3：具具GTPGTP酶活性，激活酶活性，激活RFRF1 1和和RFRF2 2活性，协助肽链的释放活性，协助肽链的释放v终止因子的结合使肽酰转移酶活性变为终止因子的结合使肽酰转移酶活性变为水解酶活性水解酶活性，肽基不转移，肽基不转移给给A A位位tRNAtRNA，而转移给而转移给H H2 2O O，并把已合成的多肽链从核糖体和并把已合成的多肽链从核糖体和 tRNAtRNA上上释放出来，无负荷的释放出来

17、，无负荷的tRNAtRNA随机从核糖体脱落，该核糖体立即离开随机从核糖体脱落，该核糖体立即离开 mRNAmRNA，在在IFIF3 3存在下存在下,消耗消耗GTPGTP而解离为而解离为3030S S 和和5050S S非功能性亚基。再非功能性亚基。再重复下一轮过程。重复下一轮过程。肽链合成的终止（termination）包括两步反应：即对mRNA上的终止密码子（终止信号）的识别及水解所合成肽链与tRNA间的酯键而释放出新生的蛋白质：肽链合成的终止密码子有三种，即UAA、UAG和UGA。三种蛋白质因子（RF1、RF2、RF3）参与这一步反应。RF1识别密码子UAA、UAG；RF2帮助识别UAA、U

18、GA。RF3不识别任何终止密码子，但能协助肽链释放。RF1或RF2可能还可以使P位点上的肽酰转移酶活力转变为水解活力，从而使肽酰tRNA不再转移到氨酰tRNA上，而转入水相中。一旦tRNA从70S核糖体脱落，该核糖体就立即离开mRNA，解离成50S与30S亚基，重新参加新一轮反应中去以合成另一新的蛋白质。在tRNA从核糖体上脱落过程中，还需要肽链释放因子RR的参与。此外，IF3与30S亚基结合后，可防止50S亚基与30S亚基的重新聚合。肽链终止和释放图解如下：v蛋白质的合成是一个高耗能过程蛋白质的合成是一个高耗能过程 AAAA活化活化 2 2个高能磷酸键（个高能磷酸键（ATPATP）肽链起始肽

19、链起始 1 1个（个（7070S S复合物形成，复合物形成，GTPGTP）进位进位 1 1个（个（GTPGTP）移位移位 1 1个（个（GTPGTP）第一个氨基酸参入需消耗第一个氨基酸参入需消耗3 3个（活化个（活化2+2+起始起始1 1）以后每掺入一个以后每掺入一个AAAA需要消耗需要消耗4 4个（活化个（活化2+2+进位进位 1 1个个 +移位移位1 1个）。个）。（五）真核细胞蛋白质的生物合成真核细胞蛋白质合成的机理与原核十分相似，但是某些步骤更为复杂，涉及到的蛋白质因子也更多。1、核糖体更大：真核细胞的核糖体为80S，可解离成60S和40S两个亚基。2、起始tRNA：真核细胞多肽合成的

20、起始氨基酸为甲硫氨酸，而不是N-甲酰甲硫氨酸。起始tRNA为Met-tRNAMet，此tRNA不含TC序列，这在tRNA家族中是十分特殊的。3、起始密码子：为AUG，它的上游5端也不富含嘌呤（SD）的序列。它通常是在mRNA5端的AUG密码子所在的位置也就是多肽合成的起始点。40S核糖体与mRNA5端的帽子相结合后，向3-方向移动，以便寻找AUG密码子，这过程要消耗ATP。真核细胞mRNA通常只有一个AUG密码子，每种mRNA只转译出一种多肽。4、起始复合物：真核细胞中涉及的蛋白质因子比原核要多。原核生物的起始因子有3种，而真核生物可达9种左右（详细情况见书中描述）。5、肽链延伸因子和终止因子

21、：真核细胞蛋白质生物合成的肽链延长因子一是EF1，它可与GTP、氨酰tRNA形成复合物，促使氨酰tRNA进入核糖体。其二是EF1，它催化GDP与GTP交换，利于EF1循环利用。而移位是由EF2作用进行的，相当于原核生物的EF-G，它催化GTP水解和驱动氨酰tRNA从A位移到P位。原核生物的终止密码分别由RF1和RF2所识别，而真核生物只有一种释放因子（RF因子）识别所有终止密码子。6、蛋白质激酶参与真核细胞蛋白质合成的调节：在真核细胞中，蛋白质激酶可以催化起始因子eIF2的磷酸化。而eIF2的作用是将Met-tRNAMet运送至40S核糖体亚基上，eIF2被磷酸化后就难以再投入下一轮的起始作用

22、。所以蛋白质合成受到抑制。若使其恢复其功能，必须解除其磷酸化，这由专一的磷酸酶来催化。eIF2的磷酸化作用具有重要的生理意义：如当血红素含量降低时，血红蛋白的合成就会受到抑制（血红素缺乏可激活蛋白激酶），这样就可防止无血红素血红蛋白的合成，因为它很易变性。细胞是不会做这种徒劳无功的事情的。（六）蛋白质合成的抑制剂除了嘌呤霉素外，还有许多抗菌素及毒素抑制蛋白质的合成。链霉素、氯霉素、四环素可抑制原核细胞的转译，但不抑制真核细胞的转译。其外，链霉素、卡那霉素、新霉素可与原核细胞的30S核糖体结合，可引起密码错读。亚胺环己酮只作用于80S核糖体，所以只抑制真核细胞的转译。白喉棒状杆菌所产生的白喉毒素

23、是一种蛋白质可与EF2结合，可以抑制肽链的移位作用。（七）多肽合成后的定向输送及转译后加工在核糖体上新合成的多肽被送往细胞的各个部分，以行使各自的功能。现已经知道，新合成的多肽是定向且有目的输送的。到达目的地后可再进行一系列的加工而转变为具有生物活性的蛋白质。定向输送：在真核细胞中，当某一蛋白质多肽的N-端刚开始不久，这种多肽合成后的去向就已被决定。而行使定向作用的是在其N-端有一段起信号作用的肽段，这个肽段成为信号肽（signalsequence）。信号肽的概念是由和提出的，以后，和在体外合成的免疫球蛋白肽链的N-端找到了这种信号肽。随后人们在不同的个体中发现了这种信号肽。信号肽具有一些共同

24、的特征：肽链长度为13-26个氨基酸残基，氨基端至少含有一个带正电荷的氨基酸，在中部有一段长度为10-15个氨基酸残基且高度疏水性的肽链，常见的有丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸。此疏水区极为重要，其中的某一个氨基酸被非极性氨基酸置换时，信号肽就失去其功能；在信号肽的C-端有一个可被信号肽酶识别的位点，此位点上游有一段疏水区较强的5肽，信号肽切点上游的第一个（-1）及第三个（-3）氨基酸常为具有一个小侧链的氨基酸（如丙氨酸）。信号肽的位置也不一定在新生肽的N-端。有些蛋白质（如卵清蛋白）的信号肽位于多肽链的中部，但其功能相同。信号肽是由信号识别体（signalrecognitionp

25、article,SRP）来识别的。SPR有两个功能区，一个用于识别信号肽，另一个用以干扰进入的氨酰-tRNA的肽酰移位酶的反应，以终止肽链的延伸。信号肽与SPR的结合发生在蛋白质合成刚一开始时，即N-端的新生肽链刚一出现时，一旦SPR与带有新生肽链的核糖体相结合，肽链的延伸就暂时终止或减弱。然后SPR-核糖体复合物就移动到内质网上并与那里的SPR受体停泊蛋白（dockingprotein）结合，一旦与此受体相结合后，蛋白质合成的延伸又重新开始。然后，带有新生肽链的核糖体被送入多肽移位装置，同时，SPR又被释放到胞浆中，新生肽链又继续延伸。其作用过程如下图：信号肽的识别过程 1 1、水解水解N

26、N末端的末端的(甲酰甲酰)甲硫氨酸的切除甲硫氨酸的切除.在去甲酰酶催化下将肽链合成的起始氨基酸在去甲酰酶催化下将肽链合成的起始氨基酸-甲酰甲硫甲酰甲硫氨酸水解脱掉甲酰基，以便肽链形成所需的构象氨酸水解脱掉甲酰基，以便肽链形成所需的构象.在氨肽酶催化下切去在氨肽酶催化下切去N N末端一个或几个氨基酸。末端一个或几个氨基酸。多肽链还未释放时，上两个过程已发生。而真核生物多肽链还未释放时，上两个过程已发生。而真核生物15-3015-30氨基酸时，就已开始上过程。氨基酸时，就已开始上过程。水解断裂水解断裂如动物体中蛋白酶形成的是无活性的酶原，到消化道如动物体中蛋白酶形成的是无活性的酶原，到消化道后，水

27、解切下一部分肽链，使酶原变成有活性的酶。后，水解切下一部分肽链，使酶原变成有活性的酶。2 2、氨基酸侧链的修饰、氨基酸侧链的修饰脯氨酸、赖氨酸侧链发生羟基化作用。脯氨酸、赖氨酸侧链发生羟基化作用。苏氨酸、丝氨酸、酪氨酸羟基磷酸化。如糖原磷酸化酶苏氨酸、丝氨酸、酪氨酸羟基磷酸化。如糖原磷酸化酶糖基化作用使蛋白质多肽链转变成糖蛋白（糖基化作用使蛋白质多肽链转变成糖蛋白（N-N-糖苷键和糖苷键和O-O-糖苷键）。糖苷键）。3 3、加辅基、加辅基结合上辅基（酶）才具生物活性，如乙酰辅酶结合上辅基（酶）才具生物活性，如乙酰辅酶A A羧化酶羧化酶与生物素的结合。与生物素的结合。4 4、二硫键的形成、二硫键

28、的形成两个半胱氨酸两个半胱氨酸-SHSH氧化氧化 5 5、蛋白质构象的形成、蛋白质构象的形成v 新生肽连在细胞内特定的部位，在多种蛋白新生肽连在细胞内特定的部位，在多种蛋白质的帮助下卷曲成正确构象，大多数蛋白质的质的帮助下卷曲成正确构象，大多数蛋白质的折叠是边翻译边折叠的，至少有两类因子参与折叠是边翻译边折叠的，至少有两类因子参与了折叠过程：了折叠过程：酶：二硫键异构酶、脯氨酰顺反异构酶酶：二硫键异构酶、脯氨酰顺反异构酶分子伴侣分子伴侣：由若干在结构上不相关的蛋白：由若干在结构上不相关的蛋白质家族组成，但它们具有共同的功能，在细质家族组成，但它们具有共同的功能，在细胞内帮助其他多肽链的结构完成

29、正确的组装，胞内帮助其他多肽链的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质在执行功能时的结构组分。白质在执行功能时的结构组分。1.某蛋白质经分析含有高百分比的赖氨酸和精氨酸残基,但甲硫氨酸残基的百分含量却很低.为了测定该蛋白质的氨基酸顺序,你认为下面哪种程序更有效?为什么?(5分).胰蛋白酶处理分离碎片CNBr处理分离碎片Edman降解片段重叠CNBr处理分离碎片胰蛋白酶处理分离碎片Edman降解片段重叠2.双螺旋DNA的一股转录股的顺序如下：（5）CTTAACACCCCTGACTTCGCGCCGTCG(3)（1)由这段顺序转录成的信使RNA的顺序是怎样的?(2)由这段顺序编码的氨基酸的顺序是怎样的?(3)若该双螺旋DNA的另一条链被转录和翻译，得到的氨基酸顺序与(2)中的相同吗?你从对(2)和(3)的比较中得出什么样的结论?3.在一基因的DNA反意义股内，密码子ATA突变成ATG，继DNA复制后，多肽链产物将会出现什么变化？4.合成一个六肽的肽链。需要多少分子的高能化合物？