蛋白質(zhì)的生物合成

1、 第 十五 章蛋白質(zhì) 的生物合成 Protein Biosynthesis 生物化學(xué)教研室 劉群良 基因的遺傳信息在轉(zhuǎn)錄過程中從DNA轉(zhuǎn)移到RNA，再由mRNA將這種遺傳信息翻譯為蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序。 蛋白質(zhì)的生物合成過程即為翻譯(translation)。引入：本章節(jié)內(nèi)容第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的主要物質(zhì)第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成過程第三節(jié)翻譯后的加工與靶向輸送 第四節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的抑制劑第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的主要物質(zhì) 蛋白質(zhì)合成體系：20種氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白體、酶和蛋白因子、無機(jī)離子、ATP 、GTP 等。一、mRNA：合成蛋白質(zhì)的模板 （一） mRNA是遺傳信息的攜

2、帶者 遺傳學(xué)將編碼一個(gè)多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。 原核細(xì)胞中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順反子(polycistron)。 真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(single cistron) 。（二） mRNA上存在遺傳密碼 mRNA分子中的每3個(gè)相鄰的堿基組成1個(gè)密碼子，稱為三聯(lián)體。 4種堿基一共可以組成64個(gè)密碼子。 AUG代表甲硫氨酸，在5 -端時(shí)代表啟動(dòng)信號，稱為起始密碼子。 UAA、UAG和UGA：稱為終止密碼子。 代表氨基酸的密碼子只有61個(gè)。 載脂蛋白B-100的一段mRNA的密碼子序列 （三）遺傳密

3、碼的特點(diǎn) 1.通用性(universal)： 蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。2.方向性： 533.連續(xù)性(commaless)： 密碼間連續(xù)閱讀，無間斷。 基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失（不是3的整倍數(shù)） ，可導(dǎo)致框移突變。4.簡并性(degeneracy) 遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個(gè)密碼子外，其余氨基酸有2-6個(gè)密碼。 同一種氨基酸可以有多個(gè)密碼子，或不同的密碼子可以代表同一種氨基酸，稱為遺傳密碼的簡并性。 簡并性密碼子的第一和第二位堿基大多相同，只是第三位堿基不同。因此，第三位堿基的

4、改變并不影響氨基酸的翻譯。 二、tRNA:氨基酸的搬運(yùn)工具（一）tRNA的特點(diǎn) 結(jié)合氨基酸： tRNA的3 -CCA端與AA結(jié)合而搬運(yùn)，一種氨基酸有幾種tRNA攜帶。 反密碼子：每種tRNA的反密碼子，決定了所帶氨基酸能準(zhǔn)確的在mRNA上對號入座 。 密碼子與反密碼子“對號入座”密碼子與反密碼子的方向是相反 5 -U-U-C- 3 密碼 1 2 3 3-A-A-G- 5 反密碼 3 2 1 密碼子與反密碼子除通過堿基互補(bǔ)結(jié)合外，還具有擺動(dòng)性，即密碼子的第3位堿基與反密碼子的第1位堿基配對不嚴(yán)格，稱為擺動(dòng)配對。密碼子、反密碼子配對的擺動(dòng)現(xiàn)象tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位

5、堿基U, C, AA, GU, CUG 密碼子的第3位堿基發(fā)生突變時(shí)，并不影響tRNA帶入正確的氨基酸。 同工tRNA：攜帶相同氨基酸而反密碼子不同的一組tRNA稱為同工tRNA。 （二）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶 1. 氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性：每種氨基酸都只有1種氨基酰-tRNA合成酶，生成特定的氨基酰-tRNA(aa-tRNA) 2.氨基酰-tRNA的表示方法： Ser-tRNASer Met-tRNAMet 真核生物起始因子

6、辨認(rèn)的Met-tRNAiMet 延長因子辨認(rèn)Met-tRNAeMet 右上角字母可略 三、核糖體：合成蛋白質(zhì)的場所 核糖體(ribosome)也叫核蛋白體。 數(shù)種rRNA和數(shù)十種蛋白質(zhì)（包括酶和各種蛋白因子）組成的復(fù)合體。 核糖體分為2類： 1、附著于粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，主要合成分泌性蛋白質(zhì)，如清蛋白、胰島素等。 2、游離于胞漿，主要合成細(xì)胞固有蛋白質(zhì)。 核糖體由大、小兩個(gè)亞基組成 原核生物真核生物核蛋白體小亞基大亞基核蛋白體小亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質(zhì)21

7、種34種33種49種 核蛋白體的組成 核蛋白體的組成SD序列 核糖體小亞基:有與SD序列結(jié)合的 互補(bǔ)堿基大亞基:有轉(zhuǎn)肽酶； P位（肽酰位) 、 A位（氨基酰位)。第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成過程 第一步：氨基酸必須在氨基酰-tRNA合成酶的作用下先活化成氨基酰-tRNA。 氨基酸+ tRNA + ATP 氨基酰-tRNA + AMP + PPi 第二步：肽鏈的合成過程，即mRNA的翻譯過程。整個(gè)過程分為分為起始、延長和終止3個(gè)階段。以原核生物為例說明翻譯全過程一、起始階段 參入肽鏈起始階段的物質(zhì)： 核糖體大、小亞基； mRNA； fMet-tRNA； 起始因子(initiation factor，IF

8、)； GTP 等。 1.三元復(fù)合物的形成 2. 30S前起始復(fù)合物的形成 3. 70S起始復(fù)合物形成真核生物的起始階段 真核生物的起始階段需要的起始因子更多，有eIF1(e表示真核細(xì)胞，eukaryote)、eIF2、eIF3、eIF4(A-E)、eIF5等， 真核生物的mRNA有帽子結(jié)構(gòu)和polyA尾，還需要帽子結(jié)合蛋白(cap binding protein，CBP)參與,形成80S起始復(fù)合物。 二、肽鏈延長階段 包括進(jìn)位、成肽和轉(zhuǎn)位3個(gè)步驟。 肽鏈延長需要2種延長因子(elongation factor，EF)參與 。 EF-G EF EF-Tu EF-T EF-Ts 進(jìn)位：進(jìn)位又稱注冊

9、 此步需GTP、EF-T及Mg2+的參與。 EF-T構(gòu)成EF-TuEF-Ts循環(huán)，使aa-tRNA進(jìn)入A位。 三、終止階段 肽鏈合成終止的相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子 (release factor，RF) 。 RF有3種：RF-1、RF-2和RF-3。RF-1和RF-2能辨認(rèn)終止密碼子: RF-1可識別UAA和UAG RF-2可識別UAA和UGARF-3能激活核糖體上的轉(zhuǎn)肽酶，表現(xiàn)出酯酶活性，將蛋白質(zhì)多肽鏈水解下來。多核糖體循環(huán) 蛋白質(zhì)的生物合成耗能 AA活化消耗2ATP，肽鏈延長進(jìn)位和轉(zhuǎn)位各消耗1GTP，所以，蛋白質(zhì)的生物合成啟動(dòng)以后，每形成1個(gè)肽鍵，需要消耗4ATP。 合成一條n個(gè)肽鍵組成

10、的多肽鏈所需能量為4n1 ATP 蛋白質(zhì)合成過程小結(jié)以mRNA的5 3方向閱讀遺傳密碼肽鏈合成方向N C（同位素證明）該合成過程是一個(gè)耗能過程第三節(jié)翻譯后的加工 核糖體循環(huán)合成的多肽鏈還不具備生物活性，它需要在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過加工修飾以后，才能成為有活性的蛋白質(zhì)。 一、一級結(jié)構(gòu)的修飾 （一）N-末端的修飾 去掉N-甲?；蚣琢虬彼?（二）個(gè)別氨基酸的修飾 脯氨酸和賴氨酸的羥化 絲、蘇氨酸等的磷酸化 2個(gè)半胱氨酸形成二硫鍵 （三）水解剪裁修飾 胰島素原去C肽，形成A、B 2條鏈二、高級結(jié)構(gòu)的修飾(一) 輔基的連接 結(jié)合蛋白質(zhì)需要與輔基結(jié)合，才能發(fā)揮生物活性 。(二) 亞基的聚合 具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子的聚合，如血紅蛋白是一個(gè)四聚體(22)，RNA聚合酶是一個(gè)五聚體(2)。三、靶向輸送 蛋白質(zhì)在胞漿的核糖體上合成以后的去向： 仍然保留在胞漿； 進(jìn)入其他的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，如細(xì)胞核、線粒體、細(xì)胞膜、溶酶體等； 分泌到細(xì)胞外，然后運(yùn)輸?shù)皆摰鞍踪|(zhì)發(fā)揮作用的靶器官或靶細(xì)胞。 靶向輸送：即是指蛋白質(zhì)在合成以后，定向地到達(dá)其功能部位的過程。 信號肽 分泌性蛋白質(zhì)mRNA的5-端常常編碼一段富含疏水氨基酸的短肽（長約1540個(gè)氨基酸殘基），這一短肽稱為信號肽(signal peptide)。 信號肽的作用是引導(dǎo)合成的蛋白質(zhì)到達(dá)功能部位。第四節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的抑制劑 1、嘌呤霉素(pur