生物化學(xué)-第十一章 蛋白質(zhì)的生物合成

第十一章蛋白質(zhì)的生物合成

第一節(jié)蛋白質(zhì)合成體系

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成過程

第三節(jié)蛋白質(zhì)合成后加工和輸送第一節(jié)蛋白質(zhì)合成體系

ProteinBiosynthesisSystem

20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、無機(jī)離子

三種RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白體RNA）tRNA（transferRNA,轉(zhuǎn)移RNA）是目前已知的最復(fù)雜的合成過程，涉及300多種分子一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼

二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置

三、tRNA與氨基酸的活化第一節(jié)蛋白質(zhì)合成體系

一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼（一）mRNA是遺傳信息的攜帶者1.順反子(cistron):將編碼一個(gè)多肽的遺傳單位稱為順反子。2.開放閱讀框架(openreadingframe,ORF):從mRNA5

端起始密碼子AUG到3

端終止密碼子之間的核苷酸序列。

P602原核生物的多順反子非編碼序列核蛋白體結(jié)合位點(diǎn)起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP5

3

蛋白質(zhì)真核生物的單順反子PPPmG-5

3

蛋白質(zhì)目錄mRNA的結(jié)構(gòu)ORFORFORF（二）遺傳密碼密碼子：mRNA分子上從5

至3

方向，由AUG開始，每3個(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號(hào)，稱為三聯(lián)體密碼(tripletcoden)。遺傳密碼（geneticcode)-共64個(gè)遺傳密碼子遺傳密碼：指核苷酸序列與氨基酸種類的對(duì)應(yīng)關(guān)系P5011954年物理學(xué)家伽莫夫（大爆炸理論）提出了三聯(lián)體密碼子假說EstablishedthechemicalstructureoftRNAEstablishedtheinvitrosystemforrevealingthegeneticcodesDevisedmethodstosynthesizeRNAswithdefinedsequences遺傳密碼的破譯具有里程碑式的意義P501P5012.Nirenberg等，兩種或三種核苷酸的共聚物，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，根據(jù)加入核苷酸的比例計(jì)算各種密碼出現(xiàn)的概率，與翻譯產(chǎn)物中氨基酸的摻入比例一致。Nirenberg等,均聚核苷酸，經(jīng)無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)翻譯polyU，產(chǎn)物只有多聚Phe3.Nirenberg等，核糖體結(jié)合技術(shù)（三核苷酸與對(duì)應(yīng)的氨酰tRNA結(jié)合在核糖體上）4.Khorana等，合成有重復(fù)序列的多聚核苷酸。

如poly(UG)UGU或GUG產(chǎn)物中只有Cys和Val。遺傳密碼表目錄1.連續(xù)性(commaless)（或無標(biāo)點(diǎn)）（三）遺傳密碼的特點(diǎn)

連續(xù)閱讀從mRNA5’3’

肽鏈合成N端C端

重疊密碼非重疊連續(xù)的密碼不連續(xù)的密碼少數(shù)病毒基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導(dǎo)致框移突變(frameshiftmutation)，蛋白功能喪失。mRNA編輯2.簡(jiǎn)并性(degeneracy)與兼職除Trp、Met（還有硒代半胱氨酸、吡咯賴氨酸）僅有一個(gè)密碼子外，簡(jiǎn)并性：多個(gè)密碼子編碼同一氨基酸的現(xiàn)象?？山档屯蛔儌νx密碼子起始密碼(initiationcoden):AUGGUGUUG終止密碼(terminationcoden):3.通用性(universal)和變異性蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。

但已發(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。ArgIleP5064.擺動(dòng)性(wobble)或變偶性61個(gè)編碼氨基酸的密碼子需要多少個(gè)tRNA來與其相互識(shí)別？aa密碼子

mRNA5’3’3’5’反密碼子

tRNAGCUCGICA123123擺動(dòng)配對(duì)：tRNA的反密碼子通過堿基互補(bǔ)與mRNA上的密碼子反向配對(duì)結(jié)合，但反密碼與密碼子間不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對(duì)規(guī)律，稱為擺動(dòng)配對(duì)。擺動(dòng)配對(duì)規(guī)則tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U,C,AA,GU,CUG擺動(dòng)的大小由tRNA反密碼子第1位堿基的種類決定。由于擺動(dòng)配對(duì)識(shí)別64個(gè)密碼子只需要32種ｔＲＮＡ擺動(dòng)配對(duì)規(guī)則不適用于線粒體翻譯系統(tǒng)，因?yàn)橹挥?1種tRNA卻要識(shí)別60多種密碼子，因此遵守規(guī)則更為寬松的超擺動(dòng)規(guī)則。不重疊

同一個(gè)開放性閱讀框架中，前后兩個(gè)密碼子不共用核苷酸。

6.同義密碼子使用頻率不同

大腸桿菌編碼Thr的密碼子

ACU36次，ACC26次，ACA3次，ACG0次二、tRNA與氨基酸的活化反密碼子環(huán)氨基酸臂（一）tRNA1.接頭分子2.同工受體tRNA：攜帶同一氨基酸的不同tRNA分子P600氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（二）氨基酸的活化氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase，AARS)：具有高度特異性，只催化一種AA的所有同工受體與AA結(jié)合，并具有校正活性。這也決定了翻譯的忠實(shí)性。如何識(shí)別？大腸桿菌21種AARS（Lys有2種）tRNA與酶結(jié)合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP1.起始tRNA真核生物：tRNAiMet原核生物：tRNAfMet2.tmRNA（兼有mRNA功能）3.校正tRNA（保持忠實(shí)性）（三）特殊的tRNA真核生物延伸過程中：tRNAeMet三、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置P597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70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNAPrrpS21種rpL34種rpS34種rpL50種

（一）不同生物細(xì)胞核蛋白體的組成（二）原核生物翻譯過程中核蛋白體功能部位（P599）2.A位：氨?；课?aminoacylsite)1.P位：肽酰基部位(peptidylsite)3.E位：排出位(exitsite)目錄4.肽基轉(zhuǎn)移酶：23SrRNA5.mRNA結(jié)合部位：30S亞基上16SrRNA3′端富含嘧啶的序列（與mRNA上的SD序列互補(bǔ)）還有一些Pr因子的結(jié)合部位多聚核糖體多肽多肽第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成過程

TheProcessofProteinBiosynthesis

翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(zhǎng)(elongation)翻譯的終止(termination)整個(gè)翻譯過程可分為：翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長(zhǎng)肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。一、肽鏈合成起始指mRNA和起始氨酰-tRNA分別與核蛋白體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物

(translationalinitiationcomplex)。原核、真核生物各種起始因子的生物功能（一）原核生物翻譯起始復(fù)合物形成（P606）核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA的結(jié)合；核蛋白體大亞基結(jié)合。IF-3IF-11.核蛋白體大小亞基分離IF1：與A位結(jié)合防止其它tRNA進(jìn)入;協(xié)助IF3IF3：促進(jìn)亞基解離、小亞基與mRNA的結(jié)合AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合目錄（如何實(shí)現(xiàn)）mRNA的S-D序列在起始密碼子上游約10個(gè)核苷酸處通常有一段富含Pu的序列”AGGAGG”。這一序列最初由Shine—Dalgaino首先發(fā)現(xiàn)的，因此稱為SD序列。SD序列可以與小亞基16SrRNA3’末端的序列互補(bǔ)（反SD序列），使二者結(jié)合形成mRNA?核糖體，使mRNA正確定位。P602IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAf)結(jié)合到小亞基AUG5'3'目錄IF2：小分子G蛋白，與GTP結(jié)合，促進(jìn)fMet-tRNAfMet進(jìn)入P位IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成AUG5'3'目錄IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目錄原核生物蛋白質(zhì)合成起始過程（二）真核生物翻譯起始復(fù)合物形成核蛋白體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結(jié)合；mRNA在核蛋白體小亞基就位；核蛋白體大亞基結(jié)合。P606二、肽鏈合成延伸指根據(jù)mRNA密碼序列的指導(dǎo)，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。肽鏈延長(zhǎng)在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomalcycle)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸，包括以下三步：進(jìn)位(entrance)成肽(peptidebondformation)轉(zhuǎn)位(translocation)原核延長(zhǎng)因子生物功能對(duì)應(yīng)真核延長(zhǎng)因子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTPeEF-1-AEF-Ts再生EF-TueEF-1-BEFG有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進(jìn)卸載tRNA釋放eEF-2肽鏈合成的延長(zhǎng)因子延伸過程所需蛋白因子稱為延長(zhǎng)因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts);EF-G真核生物：EF-1、EF-2又稱注冊(cè)(registration)（一）進(jìn)位（P607609）指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進(jìn)入核蛋白體A位。

EF-Tu：促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合并分解GTP，確保準(zhǔn)確性三元復(fù)合物延長(zhǎng)因子EF-T催化進(jìn)位（原核生物）

EF-Ts：再生EF-Tu-GTP（二）成肽（P609）由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)（23SrRNA）催化肽鍵形成過程?？蛰d肽鏈的延伸方向是N端向C端

嘌呤霉素作用示意圖試用于腫瘤的治療它有與tRNA分子末端AMP類似的結(jié)構(gòu),能夠同氨基酸結(jié)合，代替氨?；膖RNA與A位點(diǎn)結(jié)合，（三）移位延長(zhǎng)因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶(translocase)活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3'側(cè)移動(dòng)。fMetAUG5'3'fMetTuGTP進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽真核生物肽鏈合成的延長(zhǎng)過程與原核基本相似，但有不同的反應(yīng)體系和延長(zhǎng)因子。另外，真核細(xì)胞核蛋白體沒有E位，轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。（四）真核生物延長(zhǎng)過程

三、肽鏈合成的終止和釋放當(dāng)mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。

終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子(releasefactor,RF)原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3真核生物釋放因子：eRFP610RF3：小分子GTP結(jié)合蛋白（水解GTP），促進(jìn)RF1和RF2的脫落。（一）識(shí)別終止密碼RF-1、RF-2三級(jí)結(jié)構(gòu)與tRNA類似。RF-1特異識(shí)別UAA、UAG；RF-2可識(shí)別UAA、UGA。（二）活化肽基轉(zhuǎn)移酶活性，誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚裕瑢㈦幕D(zhuǎn)到水分子上。核糖體與tRNA和mRNA的解離還需要核糖體再循環(huán)因子（RRF）等，水解1GTP。UAG5'3'RFCOO-目錄氨基酸的活化-2ATP起始階段-GTP延伸階段（進(jìn)位、移位）-2GTP終止階段-GTP核糖體、tRNA、mRNA的解離-GTP每合成一個(gè)肽鍵至少消耗4個(gè)~P蛋白質(zhì)生物合成是高耗能過程第三節(jié)蛋白質(zhì)合成后加工和輸送一、蛋白質(zhì)合成后加工二、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復(fù)雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。主要包括多肽鏈折疊為天然的三維結(jié)構(gòu)肽鏈一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾高級(jí)結(jié)構(gòu)修飾一、蛋白質(zhì)合成后加工（一）新生多肽鏈的折疊一般認(rèn)為，多肽鏈自身氨基酸順序儲(chǔ)存著蛋白質(zhì)折疊的信息，即一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成。并需要不斷調(diào)整其已折疊的結(jié)構(gòu)，直至產(chǎn)生正確的二級(jí)結(jié)構(gòu)、模序、結(jié)構(gòu)域到形成完整空間構(gòu)象。細(xì)胞中環(huán)境復(fù)雜，多肽鏈的折疊易受到干擾而產(chǎn)生非天然構(gòu)象。因此大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都不是自動(dòng)完成，而需要其他酶、蛋白輔助。P610幾種有促進(jìn)蛋白折疊功能的大分子2.蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)熱休克蛋白(heatshockprotein,HSP):HSP70、HSP40和GreE族伴侶素(chaperonins):GroEL和GroES家族1.分子伴侶(molecularchaperon)分子伴侶是細(xì)胞一類保守蛋白質(zhì)，可識(shí)別肽鏈的非天然構(gòu)象，防止蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊。伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊過程伴侶素的主要作用——為非自發(fā)性折疊蛋白質(zhì)提供能折疊形成天然空間構(gòu)象的微環(huán)境。P611（二）一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾1.肽鏈末端的修飾（主要是剪切）P612信號(hào)肽的切除、原核生物N端fMet的切除。2.個(gè)別氨基酸的共價(jià)修飾酪蛋白(Ser、Thr、Tyr)的磷酸化凝血因子中Glu羧基化膠原蛋白原Lys、Pro羥基化甲基化、乙酰化、糖基化4.多肽鏈的水解修飾蛋白前體蛋白質(zhì)蛋白酶水解（無活性）（有活性）3.蛋白質(zhì)的剪接（三）高級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾1.亞基聚合

2.添加輔因子3.疏水脂鏈等的共價(jià)連接如Ras、G蛋白需連接一個(gè)或多個(gè)脂鏈，包括脂肪酸鏈、多異戊二烯鏈蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復(fù)雜機(jī)制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細(xì)胞靶部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送。

二、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在分選信號(hào)，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的適當(dāng)靶部位，這一序列稱為信號(hào)序列。?信號(hào)序列(signalsequence)P614靶向輸送蛋白信號(hào)序列或成分分泌蛋白信號(hào)肽內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白信號(hào)肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)線粒體蛋白N端靶向序列（20～35氨基酸殘基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T