第二章+蛋白質的合成、轉運、加工與修飾

第二章蛋白質的合成、轉運、加工與修飾本章內容2.1蛋白質的生物合成2.2蛋白質合成后的定向輸送2.3蛋白質合成后的加工與修飾1.1蛋白質的生物合成問題1.蛋白質生物合成過程中涉及哪些重要元素？這些元素的特點/結構特征及功能如何？2.蛋白質的生物合成過程分哪幾個階段？每個階段是如何進行的？各階段涉及哪些蛋白因子？這些因子與以上各元素是如何相互配合，共同完成蛋白質生物合成的？3.真核生物與原核生物的蛋白合成過程有何異同點？1.1蛋白質的生物合成一、蛋白質生物合成過程中的重要元素信使RNA（messengerRNA,mRNA）遺傳密碼子核糖體轉運RNA（transferRNA,tRNA）二、蛋白質的生物合成過程原核生物真核生物1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素基因轉錄及翻譯的過程

1.信使RNA1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素mRNA的概念是在理論上先提出，然后通過實驗來驗證。1961年由Jaiob和Monod提出mRNA假說信使是一種多核苷酸信使的堿基應與相應的DNA堿基一致信使具有不同長度信使應與核糖體有短暫結合信使的半衰期很短隨后，Brenner和Spiegelman等通過實驗來證明以上假說的正確性由噬菌體T2感染大腸桿菌→噬菌體蛋白和半衰期很短的新生RNA；感染后新合成的RNA可以與噬菌體DNA相雜交，不可與細胞內其他DNA雜交。1.信使RNA1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素真核生物與原核生物中的mRNA有何區(qū)別？真核生物：存在外顯子和內含子DNA轉錄為前體RNA，需要剪切加工后得到成熟mRNA外顯子拼接；5’端加“帽”（m’GpppNm）——有利于核糖體識別及保持mRNA的穩(wěn)定性；3’端酶切、poly(A)接尾——有利于由細胞核向細胞質轉運及保持mRNA的穩(wěn)定性。只有單順反子mRNA（一種mRNA分子只能編碼一種多肽鏈）原核生物不需要剪切加工；在起始密碼子前存在一個SD序列（即核糖體結合位點）；含有多順反子mRNA（一種mRNA分子編碼多種肽鏈）；1.信使RNA1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素功能：

指導蛋白質合成的直接模板（好比一座大樓的設計圖紙）。

1.信使RNA1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素第二密碼第三密碼第一密碼遺傳密碼表2.遺傳密碼子1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素連續(xù)性通用性簡并性擺動性不重疊性2.遺傳密碼子——基本特征1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素①遺傳密碼無標點符號（連續(xù)性）

閱讀框架(readingframes)：

通常從一個正確起點（AUG）開始，3個一組，一個不漏的讀下去至終止密碼。若刪/增，即引起突變(移碼突變）。2.遺傳密碼子——基本特征1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素②

通用性

在地球上所有的生物中，合成蛋白質的遺傳密碼都使用同一套，只是在不同種類的生物中存在密碼子的偏好性。但近年來發(fā)現(xiàn)在哺乳動物的線粒體的蛋白合成體系中有一些例外：UAG——色氨酸（并非終止密碼子）CUA——蘇氨酸（并非亮氨酸）AUA——蛋氨酸（并非異亮氨酸）2.遺傳密碼子——基本特征1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素③

簡并性大多數(shù)情況下，1個氨基酸可有幾種不同的密碼子編碼即簡并性。同義密碼子：編碼同一氨基酸的密碼子。如：UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG

都編碼Leu。密碼子的專一性主要由前2個堿基決定，第三位堿基的改變不重要：

如：His：CAU、CAC；第3位均為嘧啶；

Glu：CAA、CAG；第3位均為嘌呤。降低了由于第3個堿基發(fā)生突變造成的誤差。意義:DNA堿基有較大變化時，仍保持多肽鏈中氨基酸順序不變，減少有害突變。保證了物種的穩(wěn)定性。2.遺傳密碼子——基本特征1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素④擺動性翻譯過程氨基酸的正確加入是靠mRNA的密碼與tRNA上的反密碼子相互以堿基配對辨認。密碼子的擺動性是指密碼子與反密碼子有時雖不嚴格互補，卻能相互辨認。（參見表2.2）2.遺傳密碼子——基本特征1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素⑤不重疊性即讀碼規(guī)則是不重疊的。2.遺傳密碼子——基本特征1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素功能：將mRNA上的信息轉化成蛋白質中多肽鏈的氨基酸順序的信息。（好比一本英漢詞典）2.遺傳密碼子1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素

60-65%rRNA，30-35%蛋白質。3.核糖體——組成1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素1)mRNA結合位點：大小亞基的結合面上，為蛋白質合成處。2）A位點（受位）：氨酰-tRNA結合位點。3）P位點(供位)：肽酰-tRNA結合位點，是肽基-tRNA移交肽鏈后，tRNA被釋放的部位。4）肽基轉移酶位：肽鏈合成過程中催化氨基酸之間形成肽鍵的酶活性部位。5）GTP酶位：水解GTP，產(chǎn)生能量用來催化肽基-tRNA由A位轉到P位。321445肽基轉移酶位GTP酶位3.核糖體——結構（以大腸桿菌的核糖體為例）1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素核糖體單體——無蛋白合成功能多聚核糖體：與mRNA結合——具有蛋白合成功能游離核糖體結合核糖體（與內質網(wǎng)膜結合）3.核糖體——存在形式1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素核糖體是蛋白質合成的工廠使mRNA不斷與tRNA結合，保證氨基酸序列正確性；控制肽鏈的合成大、小亞基分工協(xié)作，共同完成蛋白質的合成過程。小亞基：將mRNA結合到核糖體上（16sRNA可以識別mRMA上的RBS）提供部分tRNA結合部位（A位）充當tRNA釋放部位（P位）大亞基提供部分tRNA結合部位（A位）提供肽基轉移酶提供能量（GTP酶位）提供新生肽鏈的釋放通道

3.核糖體——功能1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素（一）結構三葉草結構倒“L”結構4.轉運RNA（tRNA）——結構1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素反密碼子位點：由密碼子環(huán)下方的3個堿基組成，與mRNA上密碼子的堿基互補3’末端的CCA序列：為氨基酸接受位點，氨基酸共價結合到A殘基上。識別氨酰-tRNA合成酶的位點。反密碼子合成酶aa位點4.轉運RNA（tRNA）——與蛋白質合成有關的位點氨基酸活化生成氨酰-tRNAE+E--E其中，氨基酰tRNA合成酶具有高度專一性：

1.對氨基酸具有極高的專一性只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸每種酶都對應一個專一的氨基酸；2.對tRNA具有極高的專一性。

1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素運輸氨基酸的功能（好比一種特殊的交通工具）1、有攜帶aa的功能；

2、有接頭作用氨酰-tRNA憑借自身的反密碼子，依靠在核糖體的特定位點識別mRNA的密碼子并以堿基配對方式與之結合的作用。將氨基酸帶到肽鏈的一定位置。4.轉運RNA（tRNA）——功能1.1蛋白質的生物合成

一、蛋白質生物合成過程中的重要元素“啟動”

tRNAt特異地識別起始密碼子AUG;只攜帶蛋氨酸（真核）或甲酰蛋氨酸（原核）?！胺菃印?/p>

tRNA不識別起始密碼子。特殊的tRNA（原核）:它可以識別AUG密碼子，但不能與甲酰蛋氨酸結合，只能與蛋氨酸結合，該類tRNA也屬于“非啟動”

tRNA。

4.轉運RNA（tRNA）——分類1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程

mRNA解讀方向：

5’→3’

肽鏈延伸方向：從N端向C端進行。C端N端5’3’1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程

（以原核生物為例）（一）肽鏈合成的起始（initiation）；（二）肽鏈的延伸（elongation)：

（三）肽鏈合成的終止（termination）與釋放；1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程大腸桿菌及其他原核細胞中幾乎所有蛋白質合成都始于甲硫氨酸（以AUG為起始密碼子），但并不是以Met-tRNA作為起始物，而是以N-甲酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNAt

）作為肽鏈合成的起始物。細胞內有一種甲酰化酶可催化Met-tRNA的α-NH2甲?；纬蒮Met-tRNAt：（不可催化游離的Met或非啟動Met-tRNAm

）（一）肽鏈合成的起始1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程起始過程：1.核糖體大小亞基分開（在IF-3作用下）；2.

mRNA與小亞基結合3.fMet-tRNAt與mRNA及小亞基結合——形成30S起始復合物4.大小亞基結合，形成有生物學功能的70S起始復合物。（一）肽鏈合成的起始①②③④2.mRNA與小亞基結合1）小亞基上的16srRNA與mRNA上的S-D序列結合2）小亞基蛋白（rps-1）與mRNA上的核苷酸序列結合3）由起始因子3（IF-3）介導4）IF-1促進IF-3與小亞基的結合（一）肽鏈合成的起始②S-D序列(Shine-Dalgarnosequence)：在mRNA起始密碼上游，富含嘌呤，可與16SrRNA中部分互補，使mRNA與核糖體結合。故又稱核蛋白結合位點（ribosomalbindingsite，RBS)（一）肽鏈合成的起始3.30S起始復合物的形成在IF-2作用下，fMet-tRNAt與mRNA分子中的AUG相結合，即密碼子與反密碼子配對，形成30S起始復合物）——30S亞基-mRNA-fMet-tRNAfmet復合物此步需要GTP和Mg2+參與。（一）肽鏈合成的起始③②

4.70S起始復合物50S大亞基與上述的30S起始復合物結合，形成70S起始復合物，即30S亞基.mRNA.50S亞基.fMet-tRNAt復合物。同時，釋放起始因子（IF-1、IF-2和IF-3）此時核糖體的Ｐ位被fMet-tRNA和ＡＵＧ占據(jù)；而A位則空著，有待于對應mRNA中第二個密碼的相應氨基酰tRNA進入，從而進入延伸階段。（一）肽鏈合成的起始1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程起始所需材料：核糖體大小亞基：30S亞基（16srRNA）、50S亞基；模板：帶起始密碼的mRNA（含有SD序列）；起始用的氨酰-tRNA

：fMet-tRNAt

；

起始因子(initiationfactors，IF)

（IF1、IF2、IF3）；

2個GTP；

Mg2+

。（一）肽鏈合成的起始1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程起始因子(initiationfactors，IF)的作用：IF3

：阻止大、小亞基的結合；IF2

：攜帶fMet-tRNAt

、GTP；

并具GTP水解酶的作用；IF1

：協(xié)調IF2、IF3與核糖體亞基的結合與脫落。（一）肽鏈合成的起始進位轉位成肽（二）肽鏈延伸1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程1）

EFTu與GTP結合后，再與aa2-tRNA2結合成復合物；2）aa2-tRNA2與A位點上mRNA密碼子結合，釋放出EFTu-GDP

；3）EFTu-GDP再與EFTs及GTP相反應，重新生成EFTu-GTP。EFT1包括EFTu和EFTs除fMet-tRNAt外，所有aa-tRNA進入A位點都需先與EFTu-GTP結合。（二）肽鏈延伸——1.進位1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程在肽基轉移酶作用下，P位上的氨基酸和A位上的氨基酸之間形成肽鍵，成二肽；P位點上fMet與tRNA脫離；此時，P位上的tRNA成為無負載的tRNA

，而A位上tRNA

負載著以“肽鍵”相連的兩個氨基酸（二肽）。這一步反應需要較高的K+離子濃度。（二）肽鏈延伸——2.肽鍵形成1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程1）在移位酶(EFG因子)作用下，消耗1個GTP,核糖體沿mRNA5’→3’移動了1個密碼子的距離.

2）A位上的肽酰-tRNA到P位，原來P位上無負載的tRNA離開核糖體。（二）肽鏈延伸——3.移位1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程所需材料：70S起始復合物aa2-tRNA2轉肽酶（肽酰轉移酶peptidyl

transferase）延伸因子（EFT1）：EFTu（不穩(wěn)定），EFTs（較穩(wěn)定）延伸因子EFG（移位酶，G因子）

2個GTPMg2+，

K+延伸步驟：1.aa2-tRNA2進入A位點（進位）2.肽鍵形成（成肽）3.移位（二）肽鏈延伸1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程延伸因子的作用：EFTu：與GTP結合后，再與氨酰-tRNA結合成復合物，使氨酰-tRNA活化；EFTs：促使EFTu-GTP的形成；EFG因子：水解GTP，為核糖體沿mRNA5’→3’移動提供能量。（二）肽鏈延伸1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程延長過程（二）肽鏈延伸過程不斷重復肽鏈延伸過程的①，②，③步驟，直到遇到終止密碼子為止。（三）肽鏈合成的終止與釋放A.RF1/RF2與mRNA終止信號結合，RF3將轉肽酶活性轉變成水解酶活性；B.水解酶水解肽鏈和tRNA之間的鍵→新合成肽鏈離開核糖體；C.tRNA、mRNA離開核糖體；D.核糖體在IF-3作用下解離成大、小亞基，進入下一輪反應。1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程所需材料

70S核糖體帶終止密碼的mRNA、

釋放因子（RF1、RF2、RF3、RR）。RF1：識別終止密碼UAA、UAG；RF2：識別終止密碼UAA、UGA；RF3：激活核糖體上的轉肽酶使其發(fā)生變構，轉肽酶活性轉變成水解酶活性，使P位上的肽鏈與tRNA分離。RR：使tRNA、mRNA及RF（RF1、RF2、RF3）從核糖體上脫落（三）肽鏈合成的終止與釋放小結

原核生物的蛋白質合成過程1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程（一）肽鏈合成的起始階段1.起始氨基酸為甲硫氨酸（不需N-甲酰化）；2.mRNA與核糖體小亞基結合是靠與mRNA5′-端的帽子相結合（不存在SD序列）；3.起始因子（eIF）有10多種，其中，eIF-2的作用類似于原核生物中的IF-2（與met-tRNAi及GTP結合）4.所需能量由GTP和ATP提供。（二）肽鏈延伸階段：過程類似，只是延伸因子較復雜：EF1αEF1βγ——EFTu、EFTs；EF2——G因子。（三）肽鏈合成的終止與釋放：過程類似，只是釋放因子有所不同。真核生物與原核生物蛋白質合成的差異1.1蛋白質的生物合成

二、蛋白質生物合成過程原核生物真核生物mRNA多順反子，具有SD序列單順反子，無SD序列起始復合物fMet-tRNAtGTP（所需能量）Met-tRNAiMetGTP,ATP（所需能量）肽鏈延伸因子Tu、TsEF1αEF1βγ移位因子G因子EF2釋放因子RF1、

RF2、RF3、RRRF真核生物與原核生物蛋白質合成的差異2.2蛋白質合成后的定向輸送蛋白質在核糖體上合成后，有三種去向：1.保留在細胞質中——胞內產(chǎn)物；2.進入細胞核、線粒體或其他細胞器中；3.分泌到細胞外——胞外產(chǎn)物。后兩種情況均需要有一個跨膜輸送的過程如何輸送？存在多種不同學說。“信號假說（signalhypothesis）”較為被接受。信號假說（signalhypothesis）G.Blobel（甘特.布洛貝爾

）等1975年提出了信號假說(Signalhypothesis)，認為蛋白質N端的信號肽，指導蛋白質由核糖體轉至內質網(wǎng)上合成。因此獲1999年諾貝爾生理醫(yī)學獎。信號肽的合成

信號識別顆粒(SRP)-核糖體復合體形成核糖體與內質網(wǎng)膜結合多肽鏈進入內質網(wǎng)腔主要過程1.蛋白質跨膜位移機制的“信號假說”涉及那些主要元素？其結構特征和功能是什么？2.根據(jù)“信號假說”，描述蛋白質跨膜位移的機制。問題2.2蛋白質合成后的定向輸送

信號假說（signalhypothesis）一、信號假說中涉及的幾個重要元素二、蛋白質跨膜位移的機制2.2蛋白質合成后的定向輸送

信號假說（signalhypothesis）1.信號肽：在成熟mRNA5′端起始密碼（AUG)之后，有一組編碼特殊氨基酸序列的密碼子，稱為信號密碼，由信號密碼翻譯出的肽鏈，叫做信號肽。信號肽為高度疏水氨基酸組成的肽鏈（16~30個氨基酸），是新生肽鏈上的一段特殊的氨基酸序列（引導蛋白跨膜或分泌到胞外）。2.信號識別顆粒（SPR）：識別新生肽鏈上的信號肽。是一類游離在細胞質中的核蛋白顆粒（由1條7S-RNA和6條多肽鏈組成，每條肽鏈都含有豐富的堿性氨基酸）。3.SPR受體（SPR-R）：內質網(wǎng)膜整合蛋白，可識別SPR。分子量為72kDa的異二聚體（1條α鏈和1條β鏈組成），每條鏈上均具有GTP酶活性區(qū)域。4.通道蛋白——位移子（translocon）：嵌附在內質網(wǎng)上的蛋白復合體，與蛋白通道直接相關。一、信號假說中涉及的幾個重要元素信號肽的結構分泌性蛋白質的信號肽沒有嚴格的專一性，目前尚未發(fā)現(xiàn)共同的信號序列。

一般均可分為三個區(qū)：

1）N端為親水區(qū)含堿性氨基酸,提供正電荷

2）疏水區(qū)含中性或疏水性氨基酸

3）加工區(qū)是信號肽酶切割信號肽的部位2.2蛋白質合成后的定向輸送

信號假說（signalhypothesis）信號肽與SRP結合→肽鏈延伸暫時終止→SRP與受體結合→SRP脫離信號肽→肽鏈在內質網(wǎng)上繼續(xù)合成，同時信號肽引導新生肽鏈進入內質網(wǎng)腔→信號肽切除→肽鏈延伸至終止。二、蛋白質跨膜位移的機制SPR-R位移子SPR信號肽2.3蛋白質合成后的加工與修飾1.蛋白質合成后一級結構上和高級結構上的修飾有哪些？2.什么是分子伴侶？其在蛋白質折疊中的作用是什么？3.查找相關資料，綜述“分子伴侶”的分類、作用機制及其應用。（討論課）問題2.3蛋白質合成后的加工與修飾肽鏈合成后，經(jīng)若干加工和修飾后，才能使合成的肽鏈具一定的空間結構和生物學活性。一、一級結構的修飾：切除氨基末端的fMet或Met蛋白質前體的剪切（以胰島素為例）氨基酸側鏈的共價修飾（糖基化、磷酸化、羧化等）水解修飾——阿片促黑皮質素原（POMC）二、高級結構的修飾：蛋白質折疊與分子伴侶蛋白質亞基的聚合蛋白質與輔基的鏈接胰島素的加工過程①信號肽的切除（前胰島素原→胰島素原）②二硫鍵的形成③Ｃ肽的切除（胰島素原→胰島素）蛋白質的糖基化蛋白質的糖基化：是指單糖或寡糖與蛋白質共價結合形成糖蛋白。蛋白質糖基化的作用使蛋白質能夠抵抗消化酶的作用賦予蛋白質傳導信號的功能某些蛋白只有在糖基化之后才能正確折疊蛋白質糖基化作用方式N-連接的糖基化：發(fā)生在內質網(wǎng)腔內，糖蛋白中最普遍的一種。O-連接的糖基化：主要或全部在高爾基復合體中進行。N-連接的糖基化在粗面內質網(wǎng)中，糖鏈被連接在多肽鏈中天冬酰胺

(Asn)

/谷氨酰胺（Gln）殘基的氨基基團上，故稱之為N-連接糖基化。在內質網(wǎng)腔中N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖的多個分子按順序先后被連接到內質網(wǎng)膜中叫多帖醇的脂質分子上，成為寡聚糖，并使寡聚糖活化。已活化的寡聚糖即由糖基轉移酶催化O-連接的寡糖的糖基化O-連接的寡糖是指與蛋白質的絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基側鏈上的羥基基團連接的寡糖。O-連接的寡糖的糖鏈中又增加了半乳糖、巖藻糖和唾液酸等糖殘基。磷酸化可逆磷酸化主要發(fā)生在真核生物中，有時也會在原核生物中。最常用的磷酸基團供體是ATP；目標蛋白的磷酸化和去磷酸化由底物特異的蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化完成；磷酸化的位點一般是絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸的羥基。N端加工

原核生物脫甲酰基酶Met-fMet-氨基肽酶真核細胞2.3蛋白質合成后的加工與修飾

一、一級結構的修飾POMC有265個氨基酸殘基組成，水解前無生物學活性；促腎上腺皮質激素（39肽）β-促黑激素（18肽）β-內啡肽（11肽）β-脂酸釋放激素（91肽）4.水解修飾——阿片促黑皮質素原（POMC）2.3蛋白質合成后的加工與修飾

二、高級結構的修飾