大連理工大學生物化學課件-蛋白質(zhì)合成與轉(zhuǎn)運

蛋白質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運中心法則蛋白質(zhì)合成概述細胞：成千上萬個蛋白維持功能蛋白質(zhì)生物合成：最復雜，參與300多種大分子、使用細胞90%能量；蛋白質(zhì)占細胞重量的35%細菌：2萬個核糖體（蛋白質(zhì)合成場所）

10萬個酶因子

20萬個tRNA合成速度：20個aa/s目前研究熱點：細胞中的準確定位蛋白質(zhì)選擇性降解機制……蛋白質(zhì)的生物合成過程，就是將DNA傳遞給mRNA的遺傳信息，解譯為蛋白質(zhì)中氨基酸排列順序的過程，這一過程被稱為翻譯(translation)。蛋白質(zhì)的生物合成★參與蛋白質(zhì)合成的RNA分子體系

mRNA：蛋白質(zhì)合成的直接模板√遺傳密碼存在于mRNA分子上，每3個堿基決定1個氨基酸

√起始密碼：AUG

√氨基酸碼：61種

√終止密碼：UAA、UAG、UGA

tRNA:專一運送氨基酸至mRNA并于密碼子配對

rRNA:與蛋白質(zhì)構(gòu)成核糖核蛋白體，是蛋白質(zhì)合成的場所，核糖體由大亞基和小亞基構(gòu)成★蛋白質(zhì)合成的過程氨基酸的活化：氨基酸與tRNA合成氨基酰-tRNA

1、起始階段：mRNA、Met-tRNA

、核糖體構(gòu)成起始復合體

2、肽鏈的延伸：進位、轉(zhuǎn)肽、移位循環(huán)、肽鏈延長

3、終止階段：延伸至終止密碼，肽鏈釋放，核糖體大小亞基與mRNA解離蛋白質(zhì)的生物合成一、參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)生物體內(nèi)的各種蛋白質(zhì)都是利用生物體內(nèi)的氨基酸為原料自行合成的。參與蛋白質(zhì)生物合成的各種因素構(gòu)成了蛋白質(zhì)合成體系，該體系包括：①mRNA：作為蛋白質(zhì)生物合成的模板，決定多肽鏈中氨基酸的排列順序；②tRNA：搬運氨基酸的工具；③核蛋白體：蛋白體生物合成的場所；④酶及其他蛋白質(zhì)因子；氨酰-tRNA合成酶；⑤供能物質(zhì)及無機離子。ATP和GTP，Mg2+、K+

；原核生物和真核生物mRNA的比較1、mRNA(messengerRNA)：蛋白質(zhì)生物合成過程中直接指令氨基酸摻入的模板，是遺傳信息的載體。mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板mRNA分子中每三個相鄰堿基組成一個密碼子，密碼子分為起始碼、氨基酸碼和終止碼3類。mRNA上的四種堿基可組成64個密碼子，其中61個代表不同的氨基酸，其余三個代表終止信號。①連續(xù)性：密碼為不重疊、無標點的三聯(lián)體密碼②簡并性：一種氨基酸有兩個或多個密碼子的現(xiàn)象。對應同一種氨基酸的不同密碼子叫同義密碼子。減少了氨基酸突變的幾率，在物種的穩(wěn)定上起一定作用。簡并性常表現(xiàn)在密碼子的第三位堿基上。③通用性：（但在線粒體或葉綠體中特殊）④方向性：閱讀方向為5′→3′；⑤變偶性（擺動性）：密碼子中第三位堿基可有一定的變動。⑥起始密碼：AUG（Met）；

終止密碼：UAA、UAG、UGA。遺傳密碼的基本特性翻譯時須從起始密碼AUG開始確定閱讀框架、移碼突變是最嚴重的突變原核生物的mRNA可包含幾個基因信息-多順反子真核生物的mRNA只有一個基因信息-單順反子絕大多數(shù)基因不重疊，但少數(shù)病毒基因有重疊現(xiàn)象噬菌體φX174：5386bp/10種prλ噬菌體：密碼的簡并性和通用性密碼子的專一性主要由第1，2位堿基決定，第3位堿基可在一定范圍內(nèi)擺動而不影響氨基酸種類。無變偶性的密碼子AUG，UGG。之外的其余密碼子第3位堿基可在同類嘌呤或嘧啶中擺動，如Tyr碼UAU，UAC某些氨基酸碼第3位堿基可在任意4種堿基中擺動，如Tyr碼ACU，ACC，ACA，ACG。tRNA反密碼子與mRNA的第1位第2位堿基嚴格配對（AU，CG），但密碼子第3位堿基與反密碼子第一位堿基有變偶配對現(xiàn)象。密碼的簡并性和變偶性密碼的變偶性（擺動性）遺傳密碼的擺動配對密碼的通用性和變異性絕大多數(shù)生物共同使用同一套遺傳密碼（遺傳密碼的保守性），這意味著生物有一個共同的祖先但是在線粒體中發(fā)現(xiàn)了少數(shù)與通用密碼不一致的密碼子其他少數(shù)生物中也存在非通用密碼密碼的防錯系統(tǒng)起始密碼的選擇4~9個嘌呤堿基8~13個堿基對16SrRNA與SD序列的配對mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板辨認起始密碼子是翻譯（蛋白質(zhì)合成）起始的必須步驟：確定閱讀框架！按照不重疊的三聯(lián)密碼子翻譯產(chǎn)生對應的氨基酸并形成肽鍵當?shù)竭_終止密碼時，合成結(jié)束，肽鍵釋放通常終止密碼不止一個，而是連續(xù)出現(xiàn)2-3個終止密碼對于某些病毒，如果中間有起始密碼，則一條mRNA可產(chǎn)生2條或多條肽鏈2、tRNA在氨酰-tRNA合成酶催化下，特定的tRNA與相應的氨基酸結(jié)合，生成氨酰-tRNA，從而攜帶氨基酸參與蛋白質(zhì)的生物合成。氨基酸+tRNA+ATP氨酰-tRNA+AMP+2Pi無機磷酸酶氨酰-tRNA合成酶氨基酸的活化tRNA反密碼環(huán)中部的三個核苷酸構(gòu)成三聯(lián)體，識別mRNA上相應的密碼，此三聯(lián)體稱為反密碼(anticoden)。反密碼對密碼的識別，也是根據(jù)堿基互補原則，即A-U，G-C。但反密碼的第一個核苷酸與密碼的第三個核苷酸之間的配對，并不嚴格遵循堿基互補原則。如反密碼的第一個核苷酸為Ⅰ，則可與密碼的A、U或C配對，如為U，則可與A或G配對，——不穩(wěn)定配對。能夠識別mRNA中5′端起動密碼AUG的tRNA是一種特殊的tRNA，稱為起動tRNA。原核生物中，起動tRNA是一種攜帶甲酰甲硫氨酸的tRNA，即tRNAifmet；真核生物中，起動tRNA是一種攜帶蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。在原核生物和真核生物中，均存在另一種攜帶蛋氨酸的tRNA，識別非起動部位的蛋氨酸密碼，AUG。

tRNA轉(zhuǎn)運氨基酸至mRNA模板氨基酸+tRNA+ATP氨酰-tRNA+AMP+2Pi無機磷酸酶氨酰-tRNA合成酶N-甲酰甲硫氨酰-tRNAifMet的形成CHO-HN-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-

+H2N-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-Met-tRNAifMetfMet-tRNAifMetN10-CHO-FH4FH4轉(zhuǎn)甲酰酶Met+tRNAifMet

+ATP

Met-tRNAifMet

+AMP+PPi3、rRNA和核蛋白體原核生物中的核蛋白體大小為70S，可分為30S小亞基和50S大亞基。小亞基由16SrRNA和21種蛋白質(zhì)構(gòu)成，大亞基由5SrRNA，23SRNA和35種蛋白質(zhì)構(gòu)成。真核生物中的核蛋白體大小為80S，也分為40S小亞基和60S大亞基。小亞基由18SrRNA和30多種蛋白質(zhì)構(gòu)成，大亞基則由5SrRNA，28SrRNA和50多種蛋白質(zhì)構(gòu)成，在哺乳動物中還含有5.8SrRNA。rRNA與蛋白質(zhì)構(gòu)成核糖體rRNA與蛋白質(zhì)構(gòu)成核糖體核蛋白體的大、小亞基分別有不同的功能：

1．小亞基：可與mRNA、GTP和起動tRNA結(jié)合。

2．大亞基：（1）具有兩個不同的tRNA結(jié)合點。A位：受位或氨?；?，可與新進入的氨基酰tRNA結(jié)合；P位：給位或肽?；?，可與延伸中的肽酰基tRNA結(jié)合。（2）具有轉(zhuǎn)肽酶活性：將給位上的肽酰基轉(zhuǎn)移給受位上的氨酰-tRNA，形成肽鍵。（3）具有GTPase活性，水解GTP，獲得能量。（4）具有起動因子、延長因子及釋放因子的結(jié)合部位。

在蛋白質(zhì)生物合成過程中，常常由若干核蛋白體結(jié)合在同一mRNA分子上，同時進行翻譯，但每兩個相鄰核蛋白之間存在一定的間隔，形成念球狀結(jié)構(gòu)。由若干核蛋白體結(jié)合在一條mRNA上同時進行多肽鏈的翻譯，所形成的念球狀結(jié)構(gòu)稱為多核蛋白體。一條mRNA上有多個有多個核糖體4、起動因子（IF）這是一些與多肽鏈合成起動有關的蛋白因子。原核生物中存在3種起動因子，分別稱為IF1~3。在真核生物中存在9種起動因子（eIF）。其作用主要是促進核蛋白體小亞基與起動tRNA及模板mRNA結(jié)合。5、延長因子（EF）原核生物有3種延長因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2種（EF1，EF2）。其作用主要促使氨酰-tRNA進入核蛋白的受體，并可促進移位過程。6、釋放因子（RF）原核生物中有4種，在真核生物中只有1種。其主要作用是識別終止密碼，協(xié)助多肽鏈的釋放。

7、氨酰tRNA合成酶該酶存在于胞液中，與特異氨基酸的活化以及氨酰tRNA的合成有關。每種氨酰tRNA合成酶，對相應氨基酸以及攜帶氨基酸的數(shù)種tRNA具有高度特異性，這是保證tRNA能夠攜帶正確的氨基酸對號入座的必要條件。該酶對tRNA的識別，是因為在tRNA的氨基酸臂上存在特定的識別密碼，即第二套遺傳密碼。8、供能物質(zhì)和無機離子多肽鏈合成時，需ATP、GTP作為供能物質(zhì)，并需Mg2+、K+參與。氨基酸活化時需消耗2分子高能磷酸鍵，肽鍵形成時又消耗2分子高能磷酸鍵，故縮合一分子氨基酸殘基需消耗4分子高能磷酸鍵。

氨基酸+tRNA+ATP氨酰-tRNA+AMP+2Pi無機磷酸酶氨酰-tRNA合成酶二、蛋白質(zhì)生物合成過程蛋白質(zhì)生物合成過程包括三大步驟：①氨基酸的活化與搬運；②活化氨基酸在核蛋白體上的縮合；③多肽鏈合成后的加工修飾。

核糖體主要存在于粗面ER（1）粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（主要）（2）細胞溶液（3）線粒體和葉綠體一個細菌細胞內(nèi)約有20000個核糖體真核細胞內(nèi)可達106個在未成熟的蟾蜍卵細胞內(nèi)則高達1012個核糖體存在的場所1、氨基酸的活化與搬運

氨基酸的活化以及活化氨基酸與tRNA的結(jié)合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。在此反應中，特異的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羥基與相應的活化氨基酸以酯鍵相連接，形成氨酰-tRNA，從而使活化氨基酸能夠被搬運至核蛋白體上參與多肽鏈的合成。氨酰-tRNA的合成，可使氨基酸：①活化；②搬運；③定位。

Met–tRNA

啟動蛋白質(zhì)合成2、活化氨基酸的縮合——核蛋白體循環(huán)活化氨基酸縮合生成多肽鏈的過程在核蛋白體上進行?；罨被嵩诤说鞍左w上反復翻譯mRNA上的密碼并縮合生成多肽鏈的循環(huán)反應過程，稱為核蛋白體循環(huán)。核蛋白體循環(huán)過程可分為起動、延長和終止三個階段，這三個階段在原核生物和真核生物類似，現(xiàn)以原核生物中的過程加以介紹。多多核糖體與核糖體循環(huán)合成完畢的肽鏈多核糖體3ˊmRNA延伸中的肽鏈5ˊ核糖體循環(huán)一條mRNA上有多個有多個核糖體（一）起動階段：1、30S起動復合物的形成：起動因子促進下，30S小亞基與mRNA、起動tRNA（fmet-tRNAfmet）和GTP結(jié)合，形成復合體。原核mRNA的起動部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸順序組成，稱為SD序列（核蛋白體結(jié)合位點，RBS），可被核蛋白體小亞基辨認結(jié)合。真核生物中的mRNA具有帽子結(jié)構(gòu)，已知需一種特殊的帽子結(jié)合蛋白（CBP）以識別此結(jié)構(gòu)。4~9個嘌呤堿基8~13個堿基對16SrRNA與SD序列的配對形成起始復合體2、70S起動前復合體的形成：IF3從30S起動復合體上脫落；50S大亞基與復合體結(jié)合，形成70S起動前復合體。3、70S起動復合體的形成：GTP被水解，IF1和IF2從復合物上脫落。此時tRNAfmet的反密碼UAC與mRNA上的起動密碼AUG互補結(jié)合，tRNAfmet結(jié)合在核蛋白的給位（P位）。（二）肽鏈延長階段：

1．進位：與mRNA下一個密碼相對應的氨基酰tRNA進入核蛋白體的受位（A位），需GTP，Mg2+，和EF參與。

2．成肽：在轉(zhuǎn)肽酶的催化下，將給位上的tRNA所攜帶的甲酰蛋氨?；螂孽；D(zhuǎn)移到受位上的氨基酰tRNA上，與其α-氨基縮合形成肽鍵。此步驟需Mg2+，K+。給位上已失去蛋氨?；螂孽；膖RNA從核蛋白上脫落。核蛋白體循環(huán)：進位核蛋白體循環(huán)：轉(zhuǎn)肽

3、移位：核蛋白體向mRNA的3'-端滑動相當于一個密碼的距離，同時使肽?；鵷RNA從受體移到給位。此步驟需EF（EFG）、GTP和Mg2+參與。此時，核蛋白體的受位留空，與下一個密碼相對應的氨基酰tRNA即可再進入，重復以上循環(huán)過程，使多肽鏈不斷延長。

核蛋白體循環(huán)：移位（三）肽鏈終止階段：核蛋白體沿mRNA鏈滑動，不斷使多肽鏈延長，直到終止信號進入受位。

1．識別：RF識別終止密碼，進入核蛋白體的受位。

2．水解：RF使轉(zhuǎn)肽酶變?yōu)樗饷?，多肽鏈與tRNA之間的酯鍵被水解，多肽鏈釋放。

3．解離：通過水解GTP，使核蛋白體與mRNA分離，tRNA、RF脫落，核蛋白體解離為大、小亞基。

RF1:UAG/UAARF2:UGA/UAA

RF3:?蛋白質(zhì)合成的終止肽鏈延長：核蛋白體循環(huán)三、多肽鏈合成后的加工修飾（一）一級結(jié)構(gòu)的加工修飾：1．N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：

N端甲酰蛋氨酸，必須在多肽鏈折迭成一定的空間結(jié)構(gòu)之前被切除。①去甲酰化：蛋氨酸氨基肽酶

甲?；讣柞５鞍彼?肽甲酸+蛋氨酸-肽

②去蛋氨?；旱鞍滨?肽蛋氨酸+肽

2．氨基酸的修飾：由專一性的酶催化進行修飾，包括糖基化、羥基化、磷酸化、甲?；取?．二硫鍵的形成：由專一性的氧化酶催化，將-SH氧化為-S-S-。4．肽段的切除：由專一性的蛋白酶催化，將部分肽段切除。

蛋白質(zhì)肽鏈的修飾肽鏈的切割與修飾胰島素原的加工A鏈區(qū)B鏈區(qū)間插序列（C肽區(qū)）HSSHSHSHHSHS信號肽NC核糖體上合成出無規(guī)則卷曲的前胰島素原切除C肽后，形成成熟的胰島素分子切除信號肽后折疊成穩(wěn)定構(gòu)象的胰島素原SSSSNNCCA鏈B鏈胰島素CNS