第十四章蛋白質(zhì)的生物合成

1、 第十四章第十四章 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成中心法則指出，遺傳信息的表達最終是合成出具有特中心法則指出，遺傳信息的表達最終是合成出具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)，這種以定氨基酸順序的蛋白質(zhì)，這種以mRNA上所攜帶的遺傳信上所攜帶的遺傳信息息,到多肽鏈上所攜帶的遺傳信息的傳遞，就好象以一種語到多肽鏈上所攜帶的遺傳信息的傳遞，就好象以一種語言翻譯成另一種語言時的情形相似，所以稱以言翻譯成另一種語言時的情形相似，所以稱以mRNA為模為模板的蛋白質(zhì)合成過程為翻譯板的蛋白質(zhì)合成過程為翻譯(translation)。 翻譯過程十分復雜，需要翻譯過程十分復雜，需要mRNA、tRNA、rRNA和多和多種蛋

2、白因子參與。在此過程中種蛋白因子參與。在此過程中mRNA為合成的模板，為合成的模板，tRNA為運輸氨基酸工具，為運輸氨基酸工具，rRNA和蛋白質(zhì)構成核糖體，是合成蛋和蛋白質(zhì)構成核糖體，是合成蛋白質(zhì)的場所，蛋白質(zhì)合成的方向為白質(zhì)的場所，蛋白質(zhì)合成的方向為NC端。端。思考思考遺遺傳傳信信息息流流動動示示意意圖圖核糖體核糖體DNAmRNAtRNA第一節(jié) 蛋白質(zhì)合成體系第二節(jié) 蛋白質(zhì)合成的機理第三節(jié) 肽鏈合成后的折疊與加工第四節(jié) 蛋白質(zhì)定位二、t RNA三、核糖體核糖體一、一、mRNA和和遺傳密碼遺傳密碼四、四、輔助因子輔助因子mRNA (messenger RNA)是蛋白質(zhì)生物合成過程是蛋白質(zhì)生物合

3、成過程中直接指令氨基酸摻入的模板，是遺傳信息的載體。中直接指令氨基酸摻入的模板，是遺傳信息的載體。原核生物原核生物和和真核生物真核生物mRNA的比較的比較 遺傳密碼遺傳密碼: DNA（或（或mRNA）中的核苷酸序）中的核苷酸序列與蛋白質(zhì)中氨基酸序列之間的對應關系稱為列與蛋白質(zhì)中氨基酸序列之間的對應關系稱為遺傳密碼。遺傳密碼。 密碼子密碼子(codon)：mRNA上每上每3個相鄰的核個相鄰的核苷酸編碼蛋白質(zhì)多肽鏈中的一個氨基酸，這三苷酸編碼蛋白質(zhì)多肽鏈中的一個氨基酸，這三個核苷酸就稱為一個密碼子或三聯(lián)體密碼。個核苷酸就稱為一個密碼子或三聯(lián)體密碼。 遺傳密碼字典遺傳密碼字典 三聯(lián)體密碼的破譯三聯(lián)體

4、密碼的破譯 遺傳密碼的性質(zhì)遺傳密碼的性質(zhì)1954年年Gamov確認核酸分子中三個堿基決定一確認核酸分子中三個堿基決定一個氨基酸個氨基酸 1961年年Crick 等用遺傳學方法也證實三聯(lián)體密碼等用遺傳學方法也證實三聯(lián)體密碼子學說是正確的子學說是正確的 Nirenberg以均聚物共聚物為模板指導多肽的合以均聚物共聚物為模板指導多肽的合成成,尋找到了破譯遺傳密碼的途徑尋找到了破譯遺傳密碼的途徑 Khorana以以共聚物指導多肽的合成，加快了破譯共聚物指導多肽的合成，加快了破譯遺傳密碼的步伐遺傳密碼的步伐缺失或插入核苷酸引起三聯(lián)體密碼的改變?nèi)笔Щ虿迦牒塑账嵋鹑?lián)體密碼的改變CAT CAT CAT C

5、AT CAT CATCAT CAC ATC ATC ATC ATCCAT CAC AXT CAT CAT CAT CAX TXC ATX CAT CAT CAT-1-1,+1+3以均聚物為模板指導多肽的合成Poly U 為模板，產(chǎn)生的多肽鏈為為模板，產(chǎn)生的多肽鏈為Poly PhePoly A 為模板，產(chǎn)生的多肽鏈為為模板，產(chǎn)生的多肽鏈為Poly LysPoly C 為模板，產(chǎn)生的多肽鏈為為模板，產(chǎn)生的多肽鏈為Poly Pro （1）以多聚二核苷酸作模板可合成由以多聚二核苷酸作模板可合成由2個氨基個氨基酸組成的多肽酸組成的多肽 ,如以如以Poly UG 為模板，合成產(chǎn)物為模板，合成產(chǎn)物為為Pol

6、y Lys-Val。（2）以多聚三核苷酸作為模板，可得三種氨以多聚三核苷酸作為模板，可得三種氨 基酸組成的多肽?；峤M成的多肽。技術要點：保溫 分析留在濾膜上的-AAtRNA 確定與核糖體結(jié)合的AA以人工合成的以人工合成的+AA-tRNA遺傳密碼字典遺傳密碼字典UACGUCAGUCAG第二位第二位 第一位第一位（5） 第三位第三位（3）UCAGUCAGUCAG 1、密碼是、密碼是無標點符號無標點符號的且相鄰密碼子的且相鄰密碼子互不重疊互不重疊。 2、密碼的、密碼的簡并性簡并性：由一種以上密碼子編碼同一個：由一種以上密碼子編碼同一個 氨基酸的氨基酸的現(xiàn)象稱為簡并性（現(xiàn)象稱為簡并性（ dogene

7、racy），對應于同一氨基酸的密碼子），對應于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子稱為同義密碼子(Synonymous codon)。密碼的簡并性可以減少。密碼的簡并性可以減少有害突變有害突變 。 3、密碼的、密碼的擺動性（變偶性）：擺動性（變偶性）：密碼的專一性主要是由第一密碼的專一性主要是由第一第二個堿基所決定，第二個堿基所決定，tRNA上的反密碼子與上的反密碼子與mRNA密碼子配對密碼子配對時，密碼子的第一、二位堿基是嚴格的，第三位堿基可以有一時，密碼子的第一、二位堿基是嚴格的，第三位堿基可以有一定的變動。定的變動。Crick稱這一為稱這一為變偶性變偶性（wobble）. 4、密碼的通用性和

8、、密碼的通用性和變異性變異性 5、 64組密碼子中，組密碼子中，AUG既是甲硫氨酸的密碼，又是起始密既是甲硫氨酸的密碼，又是起始密 碼；有三組密碼不編碼任何氨基酸，而是多肽鏈合成的終止密碼；有三組密碼不編碼任何氨基酸，而是多肽鏈合成的終止密碼子：碼子：UAG、UAA、UGA。 反密碼子與密碼子之間的堿基配對反密碼子與密碼子之間的堿基配對A UC G反密碼子第一位堿基反密碼子第一位堿基 密碼子第三位堿基密碼子第三位堿基GUCUAGIUCA1966年年Crick根據(jù)立體化學原理提出：根據(jù)立體化學原理提出：（2）有些反密碼子的第一個堿基（按）有些反密碼子的第一個堿基（按5 -3 ）決定了）決定了 該

9、該tRNA識別密碼子的數(shù)目。識別密碼子的數(shù)目。（3）當一種氨基酸有幾個密碼子時，只要他們的第一）當一種氨基酸有幾個密碼子時，只要他們的第一 和第二個堿基中有一個不同，則需要不同的和第二個堿基中有一個不同，則需要不同的tRNA 來識別。來識別。（1）mRNA上的密碼子的第一、第二個堿基上的密碼子的第一、第二個堿基 與與tRNA上上 的反密碼子相應的堿基形成強的配對；密碼的專一的反密碼子相應的堿基形成強的配對；密碼的專一 性主要是由這兩個堿基對的性主要是由這兩個堿基對的 作用。作用。人線粒體中變異的密碼子人線粒體中變異的密碼子UGA 終止信號終止信號 TrpAUA Ile Met AGA Arg

10、終止信號終止信號AGG Arg 終止信號終止信號密碼子密碼子 正常情況下編碼正常情況下編碼 線粒體線粒體DNA編碼編碼原核細胞原核細胞mRNAmRNA的結(jié)構特點的結(jié)構特點5 3 順反子順反子順反子順反子順反子順反子插入順序插入順序插入順序插入順序先導區(qū)先導區(qū)末端順序末端順序AGGAGGUSD區(qū)區(qū)特點特點半衰期短半衰期短許多原核生物許多原核生物mRNAmRNA以多順反子形式存在以多順反子形式存在 AUGAUG作為起始密碼；作為起始密碼；AUGAUG上游上游7 71212個核苷酸處有一被稱為個核苷酸處有一被稱為SDSD序列的序列的保守區(qū)，保守區(qū)， 16S rRNA3- 16S rRNA3- 端反向

11、互補而使端反向互補而使mRNAmRNA與核糖體結(jié)合。與核糖體結(jié)合。真核細胞真核細胞mRNAmRNA的結(jié)構特點的結(jié)構特點5 “帽子帽子”PolyA 3 順反子順反子m7G-5 ppp-N-3 p帽子結(jié)構功能帽子結(jié)構功能使使mRNAmRNA免遭核酸酶的破壞免遭核酸酶的破壞使使mRNAmRNA能與核糖體小亞基結(jié)合并開始能與核糖體小亞基結(jié)合并開始合成蛋白質(zhì)合成蛋白質(zhì) 被蛋白質(zhì)合成的起始因子所識別，從被蛋白質(zhì)合成的起始因子所識別，從而促進蛋白質(zhì)的合成。而促進蛋白質(zhì)的合成。是是mRNAmRNA由細胞核進入細胞質(zhì)由細胞核進入細胞質(zhì)所必需的形式所必需的形式 它大大提高了它大大提高了mRNAmRNA在細胞質(zhì)在細

12、胞質(zhì)中的穩(wěn)定性中的穩(wěn)定性AAAAAAA-OHtRNA （transfer ribonucleic asid）在蛋白質(zhì)合成中處于關鍵地位，它）在蛋白質(zhì)合成中處于關鍵地位，它不但為每個三聯(lián)體密碼子譯成氨基酸提供接合體，還為準確無誤地將活化不但為每個三聯(lián)體密碼子譯成氨基酸提供接合體，還為準確無誤地將活化的氨基酸運送到核糖體中的氨基酸運送到核糖體中mRNA模板上。模板上。1、tRNA的結(jié)構特征的結(jié)構特征2、tRNA的功能的功能 （1）tRNA的接頭的接頭(adaptor)作用作用 3 -端上的氨基酸接受位點端上的氨基酸接受位點 識別氨酰識別氨酰- tRNA合成酶的位點合成酶的位點 核糖體識別位點核糖體

13、識別位點 反密碼子位點反密碼子位點 （2）tRNA的的突變與校正基因突變與校正基因 (回復突變，回復突變，reverse mutation) 密密碼碼子子與與反反密密碼碼子子的的配配對對關關系系反密碼子反密碼子tRNA5 3 A U C5 mRNA3 密碼子密碼子1 2 3基基因因間間的的校校正正突突變變GluH2NCOOH 第一個突變：由于第一個突變：由于DNA突變使突變使mRNA分分子中子中GAG變?yōu)樽優(yōu)閁AGGAG(Glu) UAG（終止密碼）（終止密碼）H2NCOOHTyrH2NCOOH 第二個突變：第二個突變： tRNA Tyr的反密碼子的反密碼子GUA突變成突變成CUA突變突變tR

14、NATyr可以將終止密可以將終止密碼碼 UAG讀作讀作Tyr3 -A-U-C- 5 5 -U-A-G- 3 突變突變tRNA Tyr 的反密碼子（正常時應為的反密碼子（正常時應為3 -A-U-G- 5 ）此終止密碼被讀作此終止密碼被讀作Tyr核糖體核糖體核核 糖糖 體體 是由是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和多種蛋白質(zhì)結(jié)合而成的一種大的核糖核）和多種蛋白質(zhì)結(jié)合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒，蛋白質(zhì)肽鍵的合成就是在這種核糖蛋白顆粒，蛋白質(zhì)肽鍵的合成就是在這種核糖體上進行的。體上進行的。2、核糖體的功能核糖體的功能1、核糖體的結(jié)構和組成核糖體的結(jié)構和組成核核糖糖體

15、體的的組組成成原核生物核原核生物核糖體的組成糖體的組成34 protein21 protein23S RNA 5S RNA16S RNA50S subunit70S ribosome30S subunit原核生物核糖體結(jié)構示意圖原核生物核糖體結(jié)構示意圖30S subunit50S subunit原核細胞原核細胞70S核糖體的核糖體的A位、位、P位及位及mRNA結(jié)合部位示意圖結(jié)合部位示意圖30S與與mRNA結(jié)合部位結(jié)合部位結(jié)合結(jié)合或接受肽基或接受肽基的部位）的部位）結(jié)合或接結(jié)合或接受受AA- tRNA的的部位）部位）50SmRNA真核和原核細胞參與翻譯的蛋白質(zhì)因子真核和原核細胞參與翻譯的蛋白質(zhì)因

16、子階段階段原核原核 真核真核 功功 能能IF1IF2 eIF2 參與起始復合物的形成參與起始復合物的形成IF3 eIF3、eIF4C起始起始CBP I 與與mRNA帽子結(jié)合帽子結(jié)合 eIF4A B F 參與尋找第一個參與尋找第一個AUGeIF5 協(xié)助協(xié)助eIF2 、 eIF3、eIF4C的釋放的釋放eIF6 協(xié)助協(xié)助60S亞基從無活性的核糖體上解離亞基從無活性的核糖體上解離EF-Tu eEF1 協(xié)助氨酰協(xié)助氨酰-tRNA進入核糖體進入核糖體延長延長EF-Ts eEF1 幫助幫助EF-Tu 、 eEF1 周轉(zhuǎn)周轉(zhuǎn) EF-G eEF2 移位因子移位因子RF-1終止終止 eRF 釋放完整的肽鏈釋放完

17、整的肽鏈RF-2原核生物多肽鏈的合成過程真核生物多肽鏈的合成多核糖體與核糖體循環(huán)氨氨基基酸酸的的活活化化EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸氨基酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸第一步第一步第二步第二步氨氨基基酸酸的的活活化化3-氨酰氨酰-tRNAN-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNAiMet的形成的形成CHOCHO-HN-CH-COO-tRNA-HN-CH-COO-tRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S COO- COO- + +H H2 2N-CH-COO-tRNAN-CH-COO-tRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S COO- COO-Met-t

18、RNAiMetfMet-tRNAtMet轉(zhuǎn)甲酰酶轉(zhuǎn)甲酰酶 ： 對氨基酸有極高的專一性，每種氨基酸都有專一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。 對tRNA 具有極高專一性。 ：氨酰- tRNA合成酶的水解 部位可以水解錯誤活化的氨基酸。 原核生物多肽鏈的合成分為三個階段：肽鏈合成的起始、肽鏈的延伸、肽鏈合成的終止和釋放。1、肽鏈合成的起始2、肽鏈的延長3、肽鏈合成的終止及釋放30S亞基亞基 mRNA IF3- IF1復合物復合物30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1復合物復合物70S起始復合物起始復合物 mRNA +30S亞基亞基-IF3IF-3IF2GTP

19、IF3 IF2 IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S50S亞基亞基IF2+ IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始起始復合物復合物肽鏈的延長（1 1）釋放因子）釋放因子RFRF1 1或或RFRF2 2進入核糖體進入核糖體A A位。位。 （2 2）多肽鏈的釋放）多肽鏈的釋放（3 3）70S70S核糖體解離核糖體解離tRNARFRF肽肽鍵的形成鍵的形成TuTs循環(huán)循環(huán)TsTs-GDP多多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)1、真核細胞核糖體比原核細胞核糖體更大更復雜；2、起

20、始氨基酸為Met，不是fMet；3、肽鏈合成的起始：由40S核糖體亞基首 先識別mRNA的5端-帽子，然后沿mRNA移動尋找AUG；4、起始因子有12種，但只有2種延長因子和1種終止因子；5、真核細胞種線粒體、葉綠體的核糖體大小、組成及蛋白質(zhì)合成過程都類似于原核細胞。 肽鏈折疊是指從多肽鏈的氨基酸序列形成具肽鏈折疊是指從多肽鏈的氨基酸序列形成具有正確三維空間結(jié)構的蛋白質(zhì)的過程。有正確三維空間結(jié)構的蛋白質(zhì)的過程。 體內(nèi)多肽鏈的折疊目前認為至少有兩類蛋白體內(nèi)多肽鏈的折疊目前認為至少有兩類蛋白質(zhì)參與，稱為助折疊蛋白質(zhì)參與，稱為助折疊蛋白: （1）酶：蛋白質(zhì)二硫酶：蛋白質(zhì)二硫鍵異構酶鍵異構酶（PDI）

21、； （2）分子伴侶分子伴侶 Lasky于于1978年首先提出分子伴侶（年首先提出分子伴侶（mulecular chaperone）的概念，這是一類在細胞內(nèi)能幫助新生肽）的概念，這是一類在細胞內(nèi)能幫助新生肽鏈正確折疊與裝配組裝成為成熟蛋白質(zhì)，但其本身并鏈正確折疊與裝配組裝成為成熟蛋白質(zhì)，但其本身并不構成被介導的蛋白質(zhì)組成部分的一類蛋白因子，在不構成被介導的蛋白質(zhì)組成部分的一類蛋白因子，在原核生物和真核生物中廣泛存在。原核生物和真核生物中廣泛存在。1、肽鏈末端的修飾：、肽鏈末端的修飾： N-端端fMet或或Met的切除的切除2、信號序列的切除、信號序列的切除3、二硫鍵的形成、二硫鍵的形成4、部分肽段的切除、部分肽段的切除5、個別氨基酸的修飾、個別氨基酸的修飾6、糖基側(cè)鏈的添加、糖基側(cè)鏈的添加7、輔基的加入、輔基的加入實例：實例：胰島素原的加工胰島素原的加工胰島素原的加工胰島素原的加工A鏈區(qū)鏈區(qū)B鏈區(qū)鏈區(qū)間插序列（間插序列（C肽區(qū)）肽區(qū)）HSSHSHSHHSHS信號肽信號肽NC核糖體上合成出無規(guī)核糖體上合成出無規(guī)則卷曲的則卷曲的前胰島