第九章 蛋白質的生物合成

1、 蛋白質的合成過程是指蛋白質的合成過程是指遺傳信息遺傳信息從從DNA傳遞給傳遞給RNA，再，再從從RNA傳遞給蛋白質，即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過傳遞給蛋白質，即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程。也可以從程。也可以從DNA傳遞給傳遞給DNA，即完成，即完成DNA的復制過程。的復制過程。這是所有有這是所有有細胞結構細胞結構的生物所遵循的法則。在某些病毒中的生物所遵循的法則。在某些病毒中的的RNA自我復制（如自我復制（如煙草花葉病毒煙草花葉病毒等）和在某些病毒中能等）和在某些病毒中能以以RNA為模板為模板逆轉錄逆轉錄成成DNA的過程（某些致癌病毒）是的過程（某些致癌病毒）是對中心法則的補充。對中心

2、法則的補充。 中心法則強調的是遺傳信息傳遞的方向。中心法則強調的是遺傳信息傳遞的方向。由由DNA到到DNA這代表這代表DNA復制，復制， DNA到到RNA代表轉錄，代表轉錄，RNA到蛋白到蛋白質質代表翻譯，代表翻譯，RNA到到RNA代表代表某些某些RNA病毒在宿主細胞中進行病毒在宿主細胞中進行RNA復復制，制，RNA到到DNA指某些逆轉錄病毒指某些逆轉錄病毒（HIV、致癌病毒）在宿主細胞中進行逆、致癌病毒）在宿主細胞中進行逆轉錄過程，該過程需要逆轉錄酶。所以轉錄過程，該過程需要逆轉錄酶。所以中心法則全過程包括中心法則全過程包括5個生理過程。個生理過程。 第一節(jié)蛋白質合成體系的重要組成成分第一節(jié)

3、蛋白質合成體系的重要組成成分 蛋白質的合成是一個非常復雜的過程，在蛋白質的合成是一個非常復雜的過程，在此過程中參與合成的主要物質：此過程中參與合成的主要物質： mRNA、tRNA、核糖體、酶及多種蛋白質、核糖體、酶及多種蛋白質因子，同時還需要無機離子、因子，同時還需要無機離子、ATP和和GTP等參與，這些物質共同組成蛋白質合成體等參與，這些物質共同組成蛋白質合成體系。系。一、mRNA與遺傳密碼 （一）（一）mRNA mRNA是單鏈線狀大分子，約有是單鏈線狀大分子，約有400-4000個核苷酸組成，約占個核苷酸組成，約占RNA總量的總量的5%。其主。其主要功能是把從要功能是把從DNA傳遞來的遺傳

4、信息，帶傳遞來的遺傳信息，帶到細胞質中的核糖體內，再以到細胞質中的核糖體內，再以mRNA為直為直接模板合成蛋白質。接模板合成蛋白質。含有密碼子含有密碼子閱讀方向閱讀方向5到到3起始密碼和終止密碼起始密碼和終止密碼（二）遺傳密碼 遺傳信息是指遺傳信息是指DNA分子中的核苷酸排列順分子中的核苷酸排列順序。在蛋白質的合成中，序。在蛋白質的合成中，DNA把遺傳信息把遺傳信息轉錄到轉錄到mRNA分子上，再由分子上，再由mRNA分子中分子中的核苷酸排列順序決定蛋白質中氨基酸的的核苷酸排列順序決定蛋白質中氨基酸的順序。因此，我們所討論的遺傳密碼就是順序。因此，我們所討論的遺傳密碼就是指指mRNA分子中分子中

5、決定蛋白質中氨基酸排列決定蛋白質中氨基酸排列順序的核苷酸組。順序的核苷酸組。 遺傳密碼又稱遺傳密碼又稱密碼子密碼子、遺傳密碼子、三聯(lián)體密、遺傳密碼子、三聯(lián)體密碼。指信使碼。指信使RNA(mRNA）分子上從）分子上從5端到端到3端方端方向，由起始密碼子向，由起始密碼子AUG開始，每三個核苷酸組成開始，每三個核苷酸組成的三聯(lián)體。它決定肽鏈上每一個的三聯(lián)體。它決定肽鏈上每一個氨基酸氨基酸和各氨基和各氨基酸的合成順序，以及酸的合成順序，以及蛋白質蛋白質合成的起始、延伸和合成的起始、延伸和終止。終止。 遺傳密碼是一組規(guī)則，將遺傳密碼是一組規(guī)則，將DNA或或RNA序列以三序列以三個核苷酸為一組的密碼子轉譯

6、為蛋白質的氨基酸個核苷酸為一組的密碼子轉譯為蛋白質的氨基酸序列，以用于蛋白質合成。幾乎所有的生物都使序列，以用于蛋白質合成。幾乎所有的生物都使用同樣的遺傳密碼，稱為標準遺傳密碼；即使是用同樣的遺傳密碼，稱為標準遺傳密碼；即使是非細胞結構的病毒，它們也是使用標準遺傳密碼。非細胞結構的病毒，它們也是使用標準遺傳密碼。但是也有少數(shù)生物使用一些稍微不同的遺傳密碼。但是也有少數(shù)生物使用一些稍微不同的遺傳密碼。破解歷史基本簡介破解歷史基本簡介 遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)是遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)是20世紀世紀50年代的一項奇妙想象和嚴密年代的一項奇妙想象和嚴密論證的偉大結晶。論證的偉大結晶。mRNA由四種含有不同堿基腺嘌呤（簡

7、稱由四種含有不同堿基腺嘌呤（簡稱A）、尿嘧啶（簡稱）、尿嘧啶（簡稱U）、胞嘧啶（簡稱）、胞嘧啶（簡稱C）、鳥嘌呤（簡稱）、鳥嘌呤（簡稱G）的核苷酸組成。最初科學家猜想，一個堿基決定一種氨基）的核苷酸組成。最初科學家猜想，一個堿基決定一種氨基酸，那就只能決定四種氨基酸，顯然不夠決定生物體內的二酸，那就只能決定四種氨基酸，顯然不夠決定生物體內的二十種氨基酸。那么二個堿基結合在一起，決定一個氨基酸，十種氨基酸。那么二個堿基結合在一起，決定一個氨基酸，就可決定十六種氨基酸，顯然還是不夠。如果三個堿基組合就可決定十六種氨基酸，顯然還是不夠。如果三個堿基組合在一起決定一個氨基酸，則有六十四種組合方式，看來

8、三個在一起決定一個氨基酸，則有六十四種組合方式，看來三個堿基的三聯(lián)體就可以滿足二十種氨基酸的表示了，而且還有堿基的三聯(lián)體就可以滿足二十種氨基酸的表示了，而且還有富余。猜想畢竟是猜想，還要嚴密論證才行。富余。猜想畢竟是猜想，還要嚴密論證才行。自從發(fā)現(xiàn)了自從發(fā)現(xiàn)了DNA的結構，科學家便開始致力研究有關制的結構，科學家便開始致力研究有關制造蛋白質的秘密。伽莫夫指出需要以三個核酸一組才能為造蛋白質的秘密。伽莫夫指出需要以三個核酸一組才能為20個氨基酸編碼。個氨基酸編碼。1961年，美國國家衛(wèi)生院的年，美國國家衛(wèi)生院的Matthaei與馬歇與馬歇爾爾沃倫沃倫尼倫伯格在無細胞系統(tǒng)環(huán)境下，把一條只由尿嘧啶組

9、尼倫伯格在無細胞系統(tǒng)環(huán)境下，把一條只由尿嘧啶組成的成的RNA轉釋成一條只有苯丙氨酸的多肽，由此破解了首個轉釋成一條只有苯丙氨酸的多肽，由此破解了首個密碼子。隨后哈爾密碼子。隨后哈爾葛賓葛賓科拉納破解了其它密碼子，接著羅伯科拉納破解了其它密碼子，接著羅伯特特W霍利發(fā)現(xiàn)了負責轉錄過程的霍利發(fā)現(xiàn)了負責轉錄過程的tRNA。1968年，科拉納、年，科拉納、霍利和尼倫伯格分享了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎霍利和尼倫伯格分享了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯 4種堿基如何對應種堿基如何對應20種基本氨基酸？種基本氨基酸？ 1個堿基對應一種個堿基對應一種AA 4（41） 2個堿基對應一種個堿基對應一種

10、AA 16（42） 3個堿基對應一種個堿基對應一種AA 64（43）密碼子為三聯(lián)體密碼子為三聯(lián)體遺傳密碼的基本特點遺傳密碼的基本特點 編碼性編碼性：在：在64個密碼子中，有個密碼子中，有61個是氨基酸的密碼子，其中個是氨基酸的密碼子，其中AUG不僅是甲硫氨酸的密碼子，也是蛋白質合成的起始密碼；不僅是甲硫氨酸的密碼子，也是蛋白質合成的起始密碼；UAA、UAG、UGA是終止密碼，它們不代表任何氨基酸。是終止密碼，它們不代表任何氨基酸。 連續(xù)性連續(xù)性：mRNA的讀碼方向從的讀碼方向從5端至端至3端方向，兩個密碼子端方向，兩個密碼子之間無任何核苷酸隔開。之間無任何核苷酸隔開。mRNA鏈上鏈上堿基堿基的

11、插入、缺失和重的插入、缺失和重疊，均造成框移突變。疊，均造成框移突變。 簡并性：簡并性：指一個氨基酸具有兩個或兩個以上的密碼子。密碼指一個氨基酸具有兩個或兩個以上的密碼子。密碼子的第三位堿基改變往往不影響氨基酸子的第三位堿基改變往往不影響氨基酸翻譯翻譯。 通用性通用性：蛋白質生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都：蛋白質生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。但已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細胞的通用。但已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細胞的線粒體線粒體、植物細胞、植物細胞的的葉綠體葉綠體。 每種每種AA都都至少有一種至少有一種tRNA負責轉運負責轉運 書寫方式：書寫方式：tRNAPhe、 tRNASer

12、通常一種通常一種AA具有幾種具有幾種tRNA（2-6種）種）二、二、tRNASee movietRNA分子具有：分子具有： 3CCA-OH氨基酸接受位點氨基酸接受位點 識別氨酰識別氨酰-tRNA合成酶位點合成酶位點 核糖體識別位點核糖體識別位點 反密碼子位點反密碼子位點三、rRNA與核糖體 核糖體核糖體RNA：即：即rRNA，是最多的一類，是最多的一類RNA，也，也是是3類類RNA（tRNA,mRNA,rRNA)中相對分子質中相對分子質量最大的一類量最大的一類RNA，它與蛋白質結合而形成核糖，它與蛋白質結合而形成核糖體，其功能是作為體，其功能是作為mRNA的支架，使的支架，使mRNA分子分子在

13、其上展開，實現(xiàn)蛋白質的合成。在其上展開，實現(xiàn)蛋白質的合成。rRNA占占RNA總量的總量的82%左右。左右。rRNA單獨存在時不執(zhí)行其功能，單獨存在時不執(zhí)行其功能，它與多種蛋白質結合成核糖體，作為它與多種蛋白質結合成核糖體，作為蛋白質生物蛋白質生物合成合成的的“裝配機裝配機”。 核糖體是蛋白質合成的工廠核糖體是蛋白質合成的工廠 A：aminoacyl site P：peptide site E：exit site（大部分在大亞基上）（大部分在大亞基上）核糖體的結構 在核蛋白體上有結合在核蛋白體上有結合mRNA的部位，的部位，還有結合不同形式氨基酸的部位。其還有結合不同形式氨基酸的部位。其中能結合

14、中能結合肽酰肽酰-tRNA的部位稱的部位稱肽酰位肽酰位(Petidyl site，P位位)；能結合；能結合氨基酰氨基酰-tRNA的部位稱的部位稱氨基酰位氨基酰位(aminoacyl site，A位位)。原核生物核蛋白體結構模式原核生物核蛋白體結構模式 30S小亞基：有小亞基：有mRNA結合位點結合位點50S大亞基：大亞基： E位：排出位（位：排出位（Exit site）轉肽酶活性轉肽酶活性大小亞基共同組成：大小亞基共同組成：A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)四、輔助因子四、輔助因子 1、起始因子：、起始因子：IF-1、

15、IF-2、IF-3三類共同參三類共同參與完成翻譯的起始。與完成翻譯的起始。 2、延長因子、延長因子EFT：由：由EFTu和和EFTs兩個亞兩個亞基組成，其作用是協(xié)助氨基?；M成，其作用是協(xié)助氨基酰-tRNA進入進入A位，具有位，具有GTP活性活性 3、釋放因子、釋放因子RF能辨認終止密碼，激活酯能辨認終止密碼，激活酯酶，使大亞基轉肽酶將酶，使大亞基轉肽酶將“給位給位”上已合成上已合成的肽鏈水解釋放的肽鏈水解釋放 。一、氨基酸的活化一、氨基酸的活化氨酰氨酰-tRNA的生成的生成第二節(jié)第二節(jié) 蛋白質的生物合成蛋白質的生物合成氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基

16、酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶（一）氨基酰（一）氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)第一步反應第一步反應氨基酸氨基酸ATPE 氨基酰氨基酰-AMP-EAMP PPi第二步反應第二步反應氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E 氨基酸的活化形式：氨基酸的活化形式：氨基酰氨基酰tRNAtRNA氨基酸的活化部位：氨基酸的活化部位：羧基羧基氨基酸與氨基酸與tRNAtRNA連接方式：連接方式：酯鍵酯鍵氨基酸活化耗能：氨基酸活化耗能：2 2個個PP說明 氨酰氨酰-tRNA合成酶對氨基酸和合成酶對氨基酸和tRNA具有高具有高度的特異

17、性，它既能識別特異的氨基酸，度的特異性，它既能識別特異的氨基酸，又能識別特異的又能識別特異的tRNA。 原核生物中起始氨基酸活化后，還要甲酰原核生物中起始氨基酸活化后，還要甲?；?，形成甲酰甲硫氨酰化，形成甲酰甲硫氨酰-tRNA，而真核生物，而真核生物細胞沒有此過程。細胞沒有此過程。原核生物中的甲酰原核生物中的甲酰Met fMet - tRNAiMet真核生物：真核生物： Met-tRNAiMet原核生物：原核生物： fMet-tRNAifMet（二）起始肽鏈合成的氨基酰（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA蛋白質合成中蛋白質合成中mRNA模板的方向：模板的方向：5 3；蛋白質的合成方向：蛋白質的

18、合成方向：N端端 C端。端。蛋白質合成過程：蛋白質合成過程：起始起始延長延長終止終止二、肽鏈合成的起始二、肽鏈合成的起始指指mRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA分別與分別與核蛋白體結合而形成核蛋白體結合而形成翻譯起始復合物翻譯起始復合物 (translational initiation complex)。參與起始過程的蛋白質因子稱起始因參與起始過程的蛋白質因子稱起始因子（子（initiation factor，IF）。）。參與起始過程的蛋白質因子稱起始因參與起始過程的蛋白質因子稱起始因子（子（initiation factor，IF）。原核生物起）。原核生物起始因子有三種：始因子有三種

19、：IF-1：占據(jù)：占據(jù)A位防止結合其他位防止結合其他tRNA。IF-2：促進起始：促進起始tRNA與小亞基結合。與小亞基結合。IF-3：促進大小亞基分離，提高：促進大小亞基分離，提高P位對位對結合起始結合起始tRNA敏感性。敏感性。（一）原核生物翻譯起始復合物形成（一）原核生物翻譯起始復合物形成核蛋白體大小亞基分離；核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結合；在小亞基定位結合；起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的結合；的結合； 核蛋白體大亞基結合。核蛋白體大亞基結合。IF-3IF-11. 核蛋白體大小亞基分離核蛋白體大小亞基分離A U G53IF-3IF-12. mRNA在小亞基定位結合在小亞

20、基定位結合IF-3IF-1IF-2GTPA U G533. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA與小亞基結合與小亞基結合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiA U G534. 核蛋白體大亞基結合核蛋白體大亞基結合IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始過程消耗起始過程消耗1個個GTP。三、肽鏈的延長三、肽鏈的延長指按照指按照mRNA密碼序列的指導，依次添密碼序列的指導，依次添加氨基酸加氨基酸從從N端向端向C端端延伸肽鏈，直到合成延伸肽鏈，直到合成終止的過程。終止的過程。 肽鏈的延長是在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式肽鏈的延長是在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進行，又稱為核蛋白體循

21、環(huán)（進行，又稱為核蛋白體循環(huán)（ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，分為，每次循環(huán)增加一個氨基酸，分為以下三步：以下三步： 進位進位（entrance） 成肽成肽（peptide bond formation） 轉位轉位（translocation）原核延原核延長因子長因子生物功能生物功能對應真核對應真核延長因子延長因子EF-Tu促進氨基酰促進氨基酰-tRNA進入進入A位，位，結合分解結合分解GTPEF-1-EF-Ts調節(jié)亞基調節(jié)亞基EF-1-EFG有轉位酶活性，促進有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，位，促進卸載促進卸載tRNA釋放釋

22、放EF-2肽鏈合成的延長因子肽鏈合成的延長因子 （一）進位（一）進位指根據(jù)指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰導，使相應氨基酰-tRNA進入核蛋白進入核蛋白體體A位。位。延長因子延長因子EF-T催化催化進位（原核生物）進位（原核生物）Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP（二）成肽（二）成肽是由轉肽酶（是由轉肽酶（transpeptidase）催化的肽）催化的肽鍵形成過程。鍵形成過程。（三）轉位（三）轉位延長因子延長因子EF-G有轉位酶有轉位酶（translocase ）活性，可結合并水解）活性，可結合并水解1分分子子GTP，促進核蛋白體向，促進核蛋白體向

23、mRNA的的3側移動。側移動。fMetA U G53fMetTuGTP進進位位轉轉位位成肽成肽 四、肽鏈合成的終止四、肽鏈合成的終止當當mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，中釋出，mRNA、核蛋白體等分離，這些過程稱、核蛋白體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。為肽鏈合成終止。終止相關的蛋白因子稱為釋放因子終止相關的蛋白因子稱為釋放因子 (release factor, RF) 識別終止密碼，如識別終止密碼，如RF-1特異識別特異識別UAA、UAG；而而RF-2可識別可識別UAA、UGA。 誘導轉肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，?/p>

24、肽鏈從核蛋誘導轉肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，使肽鏈從核蛋白體上釋放。白體上釋放。 釋放因子的功能釋放因子的功能原核生物釋放因子：原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物釋放因子：真核生物釋放因子：eRF 原原核核肽肽鏈鏈合合成成終終止止過過程程 U A G53COO- 原核生物蛋白質合成的原核生物蛋白質合成的能量計算能量計算氨基酸活化：氨基酸活化：2個個PATP起始：起始： 1個個GTP延長：延長： 2個個GTP結論：結論：每合成一個肽鍵至少消耗每合成一個肽鍵至少消耗4個個P。 多聚核蛋白體多聚核蛋白體 （polysome)一個一個mRNA分子可分子可同時有多個核蛋白體在同時有多個核蛋

25、白體在進行同一種蛋白質的合進行同一種蛋白質的合成，這種成，這種mRNA和多個和多個核蛋白體的聚合物稱為核蛋白體的聚合物稱為多聚核蛋白體。多聚核蛋白體。多核糖體與核糖體循環(huán)多核糖體與核糖體循環(huán)合成完畢合成完畢的肽鏈的肽鏈多核糖體多核糖體3mRNA延伸中的肽鏈延伸中的肽鏈5核糖體循環(huán)核糖體循環(huán)六、肽鏈合成后的加工與折疊六、肽鏈合成后的加工與折疊 新生肽鏈（蛋白質前體）的加工新生肽鏈（蛋白質前體）的加工 由由mRNA翻譯出來的多肽鏈通常是沒有生翻譯出來的多肽鏈通常是沒有生物活性的，稱為蛋白質前體。前體經過加工物活性的，稱為蛋白質前體。前體經過加工改造才能成為有功能的蛋白質分子。前體的改造才能成為有功

26、能的蛋白質分子。前體的加工方式大致有以下幾種：加工方式大致有以下幾種：1.氨基末端的修飾：氨基末端的修飾：除去一般功能蛋白質除去一般功能蛋白質 N端端所沒有的甲酰甲硫氨酸（原核）或甲硫氨酸所沒有的甲酰甲硫氨酸（原核）或甲硫氨酸（真核）。（真核）。 2.個別氨基酸殘基的修飾：個別氨基酸殘基的修飾： 蛋白質分子內某些氨基酸殘基的修飾如蛋白質分子內某些氨基酸殘基的修飾如磷?；?、糖基化、甲基化、乙酰化和羥基磷?；?、糖基化、甲基化、乙酰化和羥基化等?；取?.切除肽段切除肽段：切除功能蛋白質中不需要的：切除功能蛋白質中不需要的而存在于前體中的肽段。而存在于前體中的肽段。4.二硫鍵的形成二硫鍵的形成：通過氧化新生肽鏈上的：通過氧化新生肽鏈上的二個半胱氨酸的巰基生成許多功能蛋白質二個半胱氨酸的巰基生成許多功能蛋