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第十三章 蛋白质的生物合成 Chapter 13 Biosynthesis of Protein

第十三章 蛋白质的生物合成 Chapter 13 Biosynthesis of Protein. 一、 蛋白质的生物合成的概念. 蛋白质的生物合成过程，就是将 DNA 传递给 mRNA 的遗传信息，再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为 翻译 (translation) 。. 二、 蛋白质生物合成体系. 除合成原料氨基酸外，蛋白质生物合成体系还包括 mRNA,tRNA, 核蛋白体，有关的酶，蛋白因子， ATP ， GTP 等供能物质及必要的无机离子。. ㈠mRNA. mRNA 作为指导蛋白质生物合成的模板。. ⒈ 三联体密码 :

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第十三章 蛋白质的生物合成 Chapter 13 Biosynthesis of Protein

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  1. 第十三章 蛋白质的生物合成Chapter 13 Biosynthesis of Protein 一、 蛋白质的生物合成的概念 • 蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译(translation)。

  2. 二、蛋白质生物合成体系 • 除合成原料氨基酸外，蛋白质生物合成体系还包括mRNA,tRNA,核蛋白体，有关的酶，蛋白因子，ATP，GTP等供能物质及必要的无机离子。

  3. ㈠mRNA • mRNA作为指导蛋白质生物合成的模板。 ⒈三联体密码: mRNA从5 ’ →3’方向，由起始密码AUG开始到终止密码之间的区域称为一个开放读码框架，读码框架内每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码(coden)。共有64种不同的密码。

  4. 2、三联体密码特点： • 连续性：密码的三联体不间断，必须三个一组连续读下去。 • 简并性：多个密码共同编码一个氨基酸的对象。 • 通用性：全部生物在蛋白质生物合成中都使用 • 同一套密码（但在线粒体或叶绿体中特殊）。 • 摆动性：密码子与反密码子配对时，不遵守 • 碱基配对原则的现象。 • 起始密码与终止密码：起始密码-AUG； • 终止密码-UAA、UAG、UGA。 • 方向性：mRNA密码子的阅读方向是5，→3，。

  5. 遗传密码的连续性

  6. 遗传密码的简并性和通用性

  7. ㈡ tRNA • tRNA是转运氨基酸的工具。在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。 1、反密码(anticoden):tRNA反密码环中部的三个 核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码(anticoden)。

  8. 2、不稳定配对:反密码的第一个核苷酸与密码第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则，称之不稳定配对。如： 5’-反密码第一个核苷酸 3’- 密码第三核苷酸 I A、U或C U A或G G U或C

  9. 遗传密码的摆动配对

  10. 起动tRNA：能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。起动tRNA：能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。 • 原核生物：起动tRNA是tRNAifmet； • 真核生物：起动tRNA是tRNAimet。 • 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码，AUG。

  11. 细胞 核糖体 亚基 rRNA 蛋白质种类 16S 21种 30S 原核 70S 5S 23S 50S 34种 40S 18S 大约33种 真核 80S 5S 5.8S 28S 60S 大约50 种 ㈢ rRNA和核蛋白体 • rRNA与多种蛋白质组成核蛋白体，是肽链合成的场所。

  12. 核蛋白体的组装

  13. 大肠杆菌核蛋白体空间结构 ·为一椭圆球体； ·30S亚基呈哑铃状； ·50S亚基带有三角， 中间凹陷形成空穴， ·两亚基的结合面为 蛋白质生物合成的 场所。 将30S小亚基抱住；

  14. 核蛋白体大、小亚基的功能 • 小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 • 大亚基： • 具有两个不同的tRNA结合点： • A位（右）:受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合. • P位（左）:给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。

  15. 具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。 • 具有GTPase活性:水解GTP，获得能量。 • 具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。

  16. 多核蛋白体：由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。多核蛋白体：由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。

  17. ㈣ 起动因子（IF） • 这是一些与多肽链合成起动有关的蛋 • 白因子。 • 原核生物中存在3种起动因子（IF1-3）。 • 真核生物中存在9种起动因子（eIF）。 • 起动因子的作用主要是促进核蛋白体小亚 • 基与起动tRNA及模板mRNA结合。

  18. ㈤ 延长因子（EF） • 作用：主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体， 并可促进移位过程。 • 原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG）. • 真核生物中存在2种（EF1，EF2）。

  19. ㈥释放因子（RF）、（RR） • RF：主要作用是识别终止密码,协助多肽链的释放。 • 原核生物中有4种 • 真核生物中只有1种。 • RR：主要作用是促使mRNA从核蛋白体上释放。

  20. ㈦ 氨基酰tRNA合成酶 • 功能：该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。 • 特点： • 每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性. • 目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。

  21. Ala G3 U70 G3 U70 人工合成的小螺旋 （不含密码子） 丙氨酸tRNA(含密码子）

  22. ㈧ 供能物质和无机离子 • 多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。 • 氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键， 肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键， • 故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。

  23. 二、蛋白质生物合成过程 • 蛋白质生物合成过程包括三大步骤: • 氨基酸的活化与搬运 • 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

  24. (一) 氨基酸的活化与搬运 氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，由氨基酰tRNA合成酶催化完成。其反应过程为：

  25. 在此反应中，特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酰tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。在此反应中，特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酰tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。 • 氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸活化；搬运；定位。

  26. (二)活化氨基酸的缩合-核蛋白体循环 • 核蛋白体循环：活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环 • 核蛋白体循环过程：分为起始、延伸和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。

  27. 1.起始（initiation):大致分三个阶段 • 30S起始复合物的形成 • 70S起始前复合体的形成 • 70S起始复合体的形成

  28. 30S起始复合物的形成 IF1、IF3 + 70S核糖体 50S亚基 〔IF1· IF3 · 30S亚基〕 mRNA﹡ 〔IF1· IF3 · 30S亚基· mRNA〕 fMet-tRNAfmet+IF2+GTP 〔IF1· IF3 · 30S亚基· fMet-tRNAfmet· mRNA〕 ﹡借助16SrRNA近3’端的3’-UCCUCC-5’序列与mRNA的SD序列互补配对.

  29. SD序列（Shine-Dalgamo)：原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。SD序列（Shine-Dalgamo)：原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。 • 帽子结合蛋白（CBP）：真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。

  30. 70S起动前复合体的形成 • IF3从30S起动复合体上脱落， • 50S大亚基与复合体结合，形 • 成70S起动前复合体。 • 70S起动复合体的形成 • GTP被水解，IF1和IF2从复 • 合物上脱落。 • fMet-tRNAfmet的反密码UAC • 与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的给位（P位）。

  31. EF-Tu + AA-tRNA + GTP 进位 〔AA-tRNA · EF-Tu · GTP 〕 进入核糖体的受位（A位） EF-Tu · GDP 成肽 A位上的AA-tRNA 中AA和 P位的fMet作用生成肽键 EF-G · GTP 移位 A位上的肽基-tRNA 移向P位 GDP 脱落 A位上-tRNA 移向E位 E位点的-tRNA 离开核糖体 2. 延伸(elongation)

  32. 3.终止阶段 • 核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使 多肽链延长，直到终止信号进入受位。 • 识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。 • 水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。 • 解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。

  33. 甲酰化酶 甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽 蛋氨酸氨基肽酶 蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽 三、多肽链合成后的加工修饰 （一）一级结构的加工修饰 1．N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除 N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 • 去甲酰化： • 去蛋氨酰基：

  34. 2．氨基酸的修饰： 由专一性的酶催化进行修饰， 包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。 3．二硫键的形成： 由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。 4．肽段的切除： 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。

  35. （二）高级结构的形成： 1．构象的形成 • 在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。 2．亚基的聚合 3．辅基的连接 • 分子伴侣（chaperonins)：协助肽链折 • 叠成蛋白质的蛋白质或酶，如HSP等。

  36. （三）靶向输送： • 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段，称为信号肽。

  37. 常见的信号肽由10 ~ 40个氨基酸残基组成，N端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水的核心区，而C端由小分子氨基酸残基组成，可被信号肽酶识别并裂解。 • 分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别粒子（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的对接蛋白（DP）识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。

  38. 分泌型蛋白质的靶向输送

  39. （四）翻译抑制剂 1.四环素：抑制氨酰-TRNA与核糖体结合。 2.嘌呤霉素：类似氨酰-TRNA的3’端，进入A位， 产生未成熟肽链。 3.氯霉素：能与50S亚基结合，阻断转肽酶活性。 4.链霉素：能与30S小亚基结合，引起读码错误。 5.红霉素：能与50S亚基结合，阻断移位作用。 6.放綫菌酮：作用与氯霉素类似。

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