【教学课件】第十四章蛋白质的生物合成.ppt

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1、 第十四章第十四章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 第一节第一节遗传密码遗传密码l蛋蛋白白质质的的生生物物合合成成过过程程，就就是是将将DNA传传递递给给mRNA的的遗遗传传信信息息，再再转转变变成成蛋蛋白白质质中中氨氨基基酸酸排排列列顺顺序序的的过过 程程，这这 一一 过过 程程 被被 称称 为为 翻翻 译译(translation)。一、遗传密码：一、遗传密码：1.遗传密码：遗传密码：DNA或或mRNA中的核中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列的苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列的对应关系。对应关系。2.密码子：由三个相邻的碱基编码一密码子：由三个相邻的碱基编码一种氨基酸的核苷酸三联体。种氨基酸

2、的核苷酸三联体。3.遗传密码的特点：遗传密码的特点：（1）通用性：动植物微生物都可使用）通用性：动植物微生物都可使用遗传密码的简并性和通用性遗传密码的简并性和通用性（2）简并性简并性：一种氨基酸可有多种密码子编码：一种氨基酸可有多种密码子编码的现象。的现象。只有只有Met和和Trp没有。没有。同义密码：编码同一种氨基酸的密码子。同义密码：编码同一种氨基酸的密码子。（3）读码的连续性读码的连续性：不重叠无间隔。：不重叠无间隔。（4）有起始密码有起始密码AUG和和终止密码终止密码UAA、UAG、UGA。（5）方向性：密码子的阅读方向为）方向性：密码子的阅读方向为5-3。（6）变偶性（摆动性）：变偶

3、性（摆动性）：密码子的前两个碱基密码子的前两个碱基相同，决定了其专一性，而第三个碱基可以相同，决定了其专一性，而第三个碱基可以发生变化。发生变化。意义：1若突变发生在第三个碱基上翻译仍可进若突变发生在第三个碱基上翻译仍可进行。行。2利于利于mRNA上的密码子与上的密码子与tRNA上反密上反密码子配对时，使码子配对时，使tRNA上稀有碱基可与反上稀有碱基可与反密码子配对。密码子配对。IMP可与可与AMP、UMP、CMP配对。配对。遗传密码的连续性遗传密码的连续性遗传密码的摆动配对遗传密码的摆动配对 二、二、参与蛋白质生物合成的物质参与蛋白质生物合成的物质 生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约生

4、物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约20种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：该体系包括：mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序；多肽链中氨基酸的排列顺序；tRNA：搬运氨基酸的工具；：搬运氨基酸的工具；核糖体（又名核蛋白体）：蛋白体生物合成核糖体（又名核蛋白体）：蛋白体生物合成的场所；的场所；酶及其他蛋白质因子；酶及其他蛋白质因子；供能物质及无机离子。供能物质及无机离子。（一）、（一）、mRNAl作作为为指指导

5、导蛋蛋白白质质生生物物合合成成的的模模板板。mRNA中中每每三三个个相相邻邻的的核核苷苷酸酸组组成成三三联联体体，代代表表一一个个氨氨基基酸酸的的信信息息，此此三三联联体体就就称称为为密密码码子子(coden)。共共有有64种不同的密码。种不同的密码。（二）（二）tRNA：l在氨基酸在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定合成酶催化下，特定的的tRNA可与相应的可与相应的氨基酸结合，生氨基酸结合，生成氨基酸成氨基酸tRNA，从而携带氨基酸参，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。与蛋白质的生物合成。ltRNA反密码环中部的三个核苷酸构反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别成三联体，可以识别mRN

6、A上相应上相应的密码，此三联体就称为的密码，此三联体就称为反密码子反密码子(anticoden)(anticoden)。l反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即原则，即AU，GC配对。但反密码的第一配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为（次黄嘌呤），则可与（次黄嘌呤），则可与A、U或或C配对配对，如为，如为U，则可与，则可与A或或G配对配对，这种配对称为，这种配对称为不稳定配不稳定配对对。l能能够够识识别

7、别mRNA中中5端端起起始始密密码码AUG的的tRNA是是一一种种特特殊殊的的tRNA，称称为为起起始始tRNA。l在在原原核核生生物物中中，起起始始tRNA是是一一种种携携带带甲甲酰蛋氨酸的酰蛋氨酸的tRNA，即，即tRNAifmet；l而而在在真真核核生生物物中中，起起始始tRNA是是一一种种携携带带蛋氨酸的蛋氨酸的tRNA，即，即tRNAimet。l在在原原核核生生物物和和真真核核生生物物中中，均均存存在在另另一一种种携携带带蛋蛋氨氨酸酸的的tRNA，识识别别非非起起始始部部位位的蛋氨酸密码，的蛋氨酸密码，AUG。（三）（三）rRNA和核蛋白体和核蛋白体l原原核核生生物物中中的的核核糖糖

8、体体大大小小为为70S，可可分分为为30S小小亚亚基基和和50S大大亚亚基基。小小亚亚基基由由16SrRNA和和21种种蛋蛋白白质质构构成成，大大亚亚基基由由5SrRNA，23SRNA和和35种蛋白质构成。种蛋白质构成。l真核生物中的核糖体大小为真核生物中的核糖体大小为80S，也分，也分为为40S小亚基和小亚基和60S大亚基。小亚基由大亚基。小亚基由18SrRNA和和30多种蛋白质构成，大亚基多种蛋白质构成，大亚基则由则由5SrRNA，28SrRNA和和50多种蛋白多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有质构成，在哺乳动物中还含有5.8SrRNA。核核糖糖体体的的组组装装l大肠杆菌核糖体的大肠杆菌核

9、糖体的空间结构为一椭圆空间结构为一椭圆球体，其球体，其30S亚基亚基呈哑铃状，呈哑铃状，50S亚亚基带有三角，中间基带有三角，中间凹陷形成空穴，将凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，小亚基抱住，两亚基的结合面为两亚基的结合面为蛋白质生物合成的蛋白质生物合成的场所。场所。l核糖体的大、小亚基分别有不同的功能：核糖体的大、小亚基分别有不同的功能：1小小亚亚基基：可可与与mRNA、GTP和和起起始始tRNA结结合。合。2大亚基：大亚基：（1）具有两个不同的具有两个不同的tRNA结合点结合点。A位位（右右）氨氨酰酰基基基基位位，可可与与新新进进入入的的氨氨基基酰酰tRNA结结合合；P位位（左左）肽肽酰酰

10、基基部部位位，可与延伸中的肽酰基可与延伸中的肽酰基tRNA结合。结合。（2）具具有有转转肽肽酶酶活活性性：将将给给位位上上的的肽肽酰酰基基转转移移给受位上的氨基酰给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。，形成肽键。（3）具有）具有GTPase活性，水解活性，水解GTP，获得能量。，获得能量。（4）具有起始因子、延长因子及释放因子的结）具有起始因子、延长因子及释放因子的结合部位。合部位。l在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核糖体在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核糖体结合在同一结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成每两个相邻核蛋白之

11、间存在一定的间隔，形成念球状结构。念球状结构。l由若干核糖体结合在一条由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核糖体多核糖体。（四）起始因子（四）起始因子（IF）：）：l这这是是一一些些与与多多肽肽链链合合成成起起始始有有关关的的蛋蛋白白因因子子。原原核核生生物物中中存存在在3种种起起始始因因子子，分分别别称称为为IF1-3。在在真真核核生生物物中中存存在在9种种起起始始因因子子（eIF）。其其作作用用主主要要是是促促进进核核糖糖体体小小亚亚基基与与起起始始tRNA及模板及模板mRNA结合。结合。（五）延长因子（五

12、）延长因子（EF）原核生物中存在原核生物中存在3种延长因子（种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在），真核生物中存在2种（种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰）。其作用主要促使氨基酰tRNA进进入核糖体的受体，并可促进移位。入核糖体的受体，并可促进移位。（六）释放因子（六）释放因子（RF）：）：l原核生物中有原核生物中有4种，在真核生物中只种，在真核生物中只有有1种。其主要作用是识别终止密码，种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。协助多肽链的释放。（七）氨基酰（七）氨基酰tRNA合成酶：合成酶：l该该酶酶存存在在于于胞胞液液中中，与与特特异异氨氨基基酸酸的的活

13、活化化以及氨基酰以及氨基酰tRNA的合成有关。的合成有关。l每种氨基酰每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异具有高度特异性性，这是保证，这是保证tRNA能够携带正确的氨基能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。酸对号入座的必要条件。l目前认为，该酶对目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为的识别，是因为在在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。码，即第二套遗传密码。（八）供能物质和无机离子：（八）供能物质和无机离子：l多多肽肽链链合合成成时时，需需ATP、GTP作作为为供能

14、物质，并需供能物质，并需Mg2+、K+参与。参与。l氨氨基基酸酸活活化化时时需需消消耗耗2分分子子高高能能磷磷酸酸键键，肽肽键键形形成成时时又又消消耗耗2分分子子高高能能磷磷酸酸键键，故故缩缩合合一一分分子子氨氨基基酸酸残残基基需需消耗消耗4分子高能磷酸键分子高能磷酸键。第二节第二节 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 蛋白质生物合成过程包括三大步骤：蛋白质生物合成过程包括三大步骤：氨基酸的活化与搬运；氨基酸的活化与搬运；活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；多肽链合成后的加工修饰。多肽链合成后的加工修饰。一、氨基酸的活化与搬运一、氨基酸的活化与搬运 l氨基酸的活化以及

15、活化氨基酸与氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的的结合，均由氨基酰结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。合成酶催化完成。其反应过程为：其反应过程为：l在在此此反反应应中中，特特异异的的tRNA3端端CCA上上的的2或或3位位自自由由羟羟基基与与相相应应的的活活化化氨氨基基酸酸以以酯酯键键相相连连接接，形形成成氨氨基基酸酸tRNA，从从而而使使活活化化氨氨基基酸酸能能够够被被搬搬运运至至核核糖糖体体上上参参与与多肽链的合成。多肽链的合成。l氨基酸氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸的合成，可使氨基酸活化活化；搬运搬运；定位定位。二、活化氨基酸的缩合二、活化氨基酸的缩合核糖体循环核糖体循环 l活化

16、氨基酸缩合生成多肽链的过程在活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译白体上反复翻译mRNA上的密码并缩上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为合生成多肽链的循环反应过程，称为核糖体循环核糖体循环。l核蛋糖体循环过程可分为核蛋糖体循环过程可分为起始、延长起始、延长和终止和终止三个阶段，这三个阶段在原核三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。中的过程加以介绍。（一）起始阶段：（一）起始阶段：130S起始复合物的形成：起始复合物的形成：在起始因子的在起始因子的

17、促进下，促进下，30S小亚基与小亚基与mRNA的起始部位，的起始部位，起始起始tRNA（fmet-fmet-tRNAfmet），和），和GTP结结合，形成复合体。合，形成复合体。l原核原核mRNA的起始部位由一段富含的起始部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列序列（核糖体结合位点，（核糖体结合位点，RBS），），可被核蛋白体小亚基辨认结合可被核蛋白体小亚基辨认结合270S起始前复合体的形成：起始前复合体的形成：IF3从从30S起始复合体上脱落，起始复合体上脱落，50S大亚基大亚基与复合体结合，形成与复合体结合，形成70S起始前复合起始前复合体。体。3

18、70S起始复合体的形成：起始复合体的形成：GTP被水被水解，解，IF1和和IF2从复合物上脱落。此时，从复合物上脱落。此时，tRNAtRNAfmetfmet的反密码的反密码UACUAC与与mRNAmRNA上的起始上的起始密码密码AUGAUG互补结合，互补结合，tRNAtRNAfmetfmet结合在核结合在核蛋白的给位（蛋白的给位（P P位）。位）。（二）肽链延长阶段：（二）肽链延长阶段：1进位：进位：与与mRNA下一个密码相对应下一个密码相对应的氨基酰的氨基酰tRNA进入进入核糖体的受位。此核糖体的受位。此步骤需步骤需GTP，Mg2+，和，和EF参与。参与。2成成肽肽：在在转转肽肽酶酶的的催催

19、化化下下，将将给给位位上上的的tRNA所所携携带带的的甲甲酰酰蛋蛋氨氨酰酰基基或或肽肽酰酰基基转转移移到到受受位位上上的的氨氨基基酰酰tRNA上上，与与其其-氨氨基基缩缩合合形形成成肽肽键键。此此步步骤骤需需Mg2+，K+。给给位位上上已已失失去去蛋蛋氨氨酰酰基基或或肽肽酰酰基基的的tRNA从核糖体上脱落。从核糖体上脱落。3移移位位：核核糖糖体体向向mRNA的的3-端端滑滑动动相相当当于于一一个个密密码码的的距距离离，同同时时使使肽肽酰酰基基tRNA从从受受体体移移到到给给位位。此此 步步 骤骤 需需 EF（EFG）、GTP和和Mg2+参参与与。此此时时，核核糖糖体体的的受受位位留留空空，与与

20、下下一一个个密密码码相相对对应应的的氨氨基基酰酰tRNA即即可可再再进进入入，重重复复以以上上循循环环过程，使多肽链不断延长。过程，使多肽链不断延长。（三）肽链终止阶段：（三）肽链终止阶段：l核核糖糖体体沿沿mRNA链链滑滑动动，不不断断使使多多肽肽链链延延长长，直直到到终终止止信信号号进入受位。进入受位。1识识别别：RF识识别别终终止止密密码码，进入核糖体的受位。进入核糖体的受位。2水水解解：RF使使转转肽肽酶酶变变为为水水解解酶酶，多多肽肽链链与与tRNA之之间间的的酯键被水解，多肽链释放。酯键被水解，多肽链释放。3解离：解离：通过水解通过水解GTP，使，使核糖体与核糖体与mRNA分离，分

21、离，tRNA、RF脱落，核糖体解离为大、脱落，核糖体解离为大、小亚基。小亚基。多肽链合成的能量消耗多肽链合成的能量消耗多肽链的合成是一个消耗能量的过程，其能量多肽链的合成是一个消耗能量的过程，其能量主要由主要由ATP和和GTP提供。提供。若若n个氨基酸合成个氨基酸合成一条一条多肽链：多肽链：n个氨基酸分子的活化个氨基酸分子的活化2n个个（ATPAMP+2ADP）70s起始复合物的形成起始复合物的形成：1个个（GTPGDP+Pi)(n1)个氨酰个氨酰tRNA进入核糖体进入核糖体A位点：位点：n1个个（GTPGDP+Pi)(n1)次核糖体移位：次核糖体移位：(n1)个个(GTPGDP+Pi)共共（

22、4n1）个个三、多肽链合成后的加工修饰三、多肽链合成后的加工修饰（一）一级结构的加工修饰：（一）一级结构的加工修饰：1N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：lN端端甲甲酰酰蛋蛋氨氨酸酸，必必须须在在多多肽肽链链折折迭迭成成一一定定的的空间结构之前被切除。空间结构之前被切除。去甲酰化：去甲酰化：甲酰化酶甲酰化酶甲酰蛋氨酸甲酰蛋氨酸-肽肽甲酸甲酸+蛋氨酸蛋氨酸-肽肽去蛋氨酰基：去蛋氨酰基：蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酰蛋氨酰-肽肽蛋氨酸蛋氨酸+肽肽2氨基酸的修饰：氨基酸的修饰：由由专专一一性性的的酶酶催催化化进进行行修修饰饰，包包括括糖糖基基化化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。

23、羟基化、磷酸化、甲酰化等。3二硫键的形成：二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为氧化为-S-S-。4肽段的切除：肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。如：前胰岛素原（切信号肽）如：前胰岛素原（切信号肽）胰岛素原胰岛素原（切间插序列）（切间插序列）胰岛素胰岛素（二）高级结构的形成：（二）高级结构的形成：1构象的形成：构象的形成：l在在分分子子内内伴伴侣侣、辅辅助助酶酶及及分分子子伴伴侣侣的协助下，形成特定的空间构象。的协助下，形成特定的空间构象。2亚基的聚合。亚基的聚合。3辅基的连接。辅基的连接。（三）靶向输送

24、：三）靶向输送：l蛋白质合成后，定向地被输送到其蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为段，称为信号肽信号肽。l常常见见的的信信号号肽肽由由1040个个氨氨基基酸酸残残基基组组成成，N端端为为带带正正电电荷荷的的氨氨基基酸酸残残基基，中中间间为为疏疏水水的的核核心心区区，而而C端端由由小小分分子子氨氨基基酸酸残残基基组成，可被信号肽酶识别并裂解。组成，可被信号肽酶识别并裂解。l分分泌泌型型蛋蛋白白质质的的定定向向输输送送，就就是是靠靠信信号号肽肽与与胞胞浆浆中中的的信信号号肽肽识识别别蛋蛋白白（SRP）识识别别并并特特异异结结合合，然然后后再再通通过过SRP与与膜膜上上的的停停泊泊蛋蛋白白识识别别并并结结合合后后，将将所所携携带带的蛋白质送出细胞。的蛋白质送出细胞。分分泌泌型型蛋蛋白白质质的的靶靶向向输输送送