生物化学第15章 蛋白质的生物合成.

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1、第15章 蛋白质的生物合成 15.1 蛋白质的合成体系 15.1.1 mRNA 15.1.2 核糖体 15.1.3 tRNA 15.2 蛋白质的合成过程 15.2.1 氨基酸的活化 15.2.2 活化氨基酸的转运 15.2.3 肽链合成的起始 15.2.4 肽链合成的延长 15.2.5 肽链合成的终止 15.3 蛋白质合成后的加工 15.4 蛋白质合成所需的能量 15.5 蛋白质的定向转运 15.6 蛋白质合成的抑制剂 15.7 寡肽的生物合成 15. 1 蛋白质合成体系 P391 蛋白质的生物合成 v蛋白质生物合成(protein bisynthesis)，也称翻译，在细 胞代谢中占有重要地

2、位，早期研究工作是用大肠杆菌的 无细胞体系(cellfrees stem)进行； v蛋白质生物合成在细胞质中进行； v蛋白质合成的原料是氨基酸，反应所需能量由ATP和 GTP提供，约占生物合成反应总耗能量的90%； 蛋白质的生物合成快速而复杂 v以E.coil为例，蛋白质占细胞干重50左右。每个细胞 中约有3000种不同的蛋白质分子，每种蛋白质又有无数 分子，而大肠杆菌细胞的分裂周期不过20min，可见蛋 白质生物合成的速度之快； v蛋白质生物合成过程十分复杂，几乎涉及到细胞内所有 种类的RNA和几十种蛋白质因子； v真核细胞蛋白质合成机制与大肠杆菌有许多相似之处； 蛋白质合成过程有许多机制保

3、证蛋白质合成的 忠实性 15. 1. 1 mRNA P393 vDNA上的遗传信息转录给mRNA； vmRNA携带有为20种氨基酸编码的密码子和指导氨基酸 掺入到肽链中的信息； vP393表15-1是mRNA上的密码子： 1. AUG：起始密码，也是甲硫氨酸的密码； 是蛋白质合成的起始信号； 2. UAA、UGA、UAG：终止密码，是蛋白质合成的终止 信号； 遗传密码基本特点 P394 v略。 15. 1. 2 核糖体 P396 v核糖体是蛋白质合成的部位； 核糖体存在部位 v核糖体存在于细胞质中或细胞内膜上： 1. 原核细胞中：核糖体或以游离形式分布在细胞质基质内 ，或附着在细胞质膜内侧，或

4、与mRNA 结合形成串状的 多核糖体； 2. 真核细胞中：核糖体既可游离存在，也可与细胞内质网 （真核细胞重要细胞器，属于细胞膜系统）结合，形成 粗面内质网； 3. 线粒体、叶绿体及细胞核有自己的核糖体； （1）核糖体的组成和结构 P396 v核糖体是一个巨大的核糖核蛋白体； v由两个亚基构成：一个较大，一个较小； 1. 原核细胞核糖体： 70S亚基：由30S和50S亚基组成； 2. 真核细胞核糖体： 80S亚基：由40S和 60S亚基组成； 表 1 5 - 4 表15- 4P397 （2）核糖体的功能 v详见蛋白质合成过程； 15. 1. 3 tRNA P398 v每一种组成蛋白质的氨基酸（

5、20种），至少有一种 tRNA负责转运，大多数氨基酸具有几种用来转运的 tRNA； v一个细胞中常含有50或更多的不同tRNA分子； v书写时，将所运氨基酸写在tRNA的右上角，如 tRNAPhe 及tRNASer分别表示转运Phe和Ser的tRNA； tRNA的三级结构-倒L型 tRNA的二级结构三叶草型 tRNA分子上与多肽合成有关的位点 P398 1. 3端-CCA上氨基酸接 受位点； 2.氨酰-tRNA合成酶识别 位点； 3.核糖体识别位点； 4.反密码子位点； 第二套密码系统 P398 vtRNA分子中贮存的遗传密码称第二套密码系统； v第二套密码系统专一性决定tRNA分子所携带的氨

6、基酸 ，是保证蛋白质生物合成的忠实性机制之一； vtRNA的反密码子中的核苷酸与mRNA中的第三个核苷 酸配对时不严格遵循碱基配对原则； 15. 2 蛋白质的合成过程 P399 v蛋白质合成是最复杂的生物化学过程之一，有上百种不 同的蛋白质以及30多种RNA分子参与； 蛋白质生物合成反应分5个阶段 P399 1. 氨基酸的活化与转移； 2.活化氨基酸的转运； 3.肽链合成的起始； 4.肽链合成的延长； 5. 肽链合成的终止； 1. 多肽链合成方向：从N端向C端进行； 2. mRNA上读码（翻译）方向：从mRNA 5端向3端进行; v因mRNA从DNA模板的转录作用也由53进行，所以 mRNA的

7、转录还没有完成时，翻译就可以开始； 读码方向和肽链合成方向 15. 2.1 氨基酸的活化 v氨基酸在参加蛋白质生物合成之前需要活化以获取能量 ; v在氨酰-tRNA合成酶催化下，生成氨酰-AMP ： 氨基酸 + ATP 氨酰-tRNA合成酶 氨酰AMP-酶 + PPi 高能复合物 v在氨酰-AMP分子中，氨酰基同腺苷酸核糖C-5上的磷 酸基结合； 15. 2. 2 活化氨基酸的转运 v氨酰AMP-酶的氨酰基转移给tRNA形成氨酰-tRNA ， 再转移到核糖体上的一段反应； v仍由氨酰-tRNA合成酶催化完成； v氨酰-tRNA合成酶在转运时有校对作用：发现tRNA错 装氨基酸，能将氨基酸水解下

8、来，并换上正确氨基酸； 在活化氨基酸的转移过程中，tRNA起3种作用 1. 为正确转运所需氨基酸，tRNA能识别专一性的氨酰- tRNA 合成酶（tRNA没有识别氨基酸的能力）； 2. tRNA能识别mRNA的密码子，将携带的氨基酸引到照 mRNA密码顺序特定的“座位上入座”； 3. tRNA能使正在生长的肽链与参加转译的核糖体结合； v对照P398 15.1.3 tRNA中所述4个位点。 氨酰-tRNA合成酶 1.有2个底物：氨基酸和相应的tRNA； 2.对底物具有高度专一性； 3.有两个识别位点： 识别所需氨基酸并与之连接； 识别特定tRNA，将氨基酸转移给tRNA； 4.催化活化氨基酸转

9、运时同时进行氨基酸校对； v酶的这种高度专一性和校对作用是保证遗传信息准确翻 译的重要条件； 氨酰-tRNA合成酶催化的反应 1. 催化2个反应：氨基酸活化和转移； 2. 每合成1个氨酰-tRNA，消耗1个ATP的2个高能磷酸键 1个用来形成氨基酸和tRNA之间的酯键； 1个用来驱使反应向前进行。 15. 2. 3 肽链合成的起始 P400 v多肽合成在核糖体上完成； v大肠杆菌中多肽链合成分三个阶段： 起始、延长、终止； 原核细胞合成蛋白质时的起始物是 f Met - tRNAf（甲酰甲硫氨酰-tRNA） vf Met - tRNAfMet ：f 表示甲酰基； 即第一个氨基酸总是甲硫氨酸（

10、Met ）； v见P401图15-7； f Met-tRNAfMet 形成过程 核糖体和起始tRNA如何识别mRNA分子上 起始密码AUG vmRNA分子5端序列对起始密码的选择有重要作用； vmRNA上的起始密码子为AUG，少数为GUG； vAUG与GUG还分别是链内Met与Val的密码子，f Met- tRNAfMet 怎样找到真正的起始密码子呢？ v通过SD序列； SD序列 2-1 P395 vSD序列：细菌（原核生物）的mRNA在离起始密码子 AUG 5侧约10个核苷酸处有一段富含嘌呤的核苷酸序 列，称 （49个核苷酸长度）； vSD序列与30S核糖体亚基中的16S rRNA3 末端一

11、部分 核苷酸序列互补，这部分碱基配对使核糖体与mRNA结 合，使起始 tRNA找到mRNA上真正的起始密码子； SD序列 2-2 P396图15-4 真核生物如何识别起始密码子 v通过扫描机制寻找起始密码： 其mRNA通常只为一条多肽链编码，核糖体与mRNA 5端结合之后，通过一种扫描机制向3移动寻找起始 密码，翻译起始于从核糖体进入部位向下游扫描到的第 一个AUG序列； （mRNA5末端的帽子结构可能对于 核糖体进入部位的识别起到一定作用）； 真核生物核糖体识别mRNA上AUG的位点 原核生物：形成70S起始复合物 P401 v主要参与物； （1）eIF-l6： 多种起始因子； （2）30S

12、、50S、fMet - tRNAf、mRNA； （3）能量：GTP； v分3步： 第一步 第二步 第一步 第1步：30S-mRNA-IF 第2步：30S起始复合物 第3步：70S起始复合物 fMet tRNAf fMet tRNAf 起 始 复 合 物 的 形 成 P401 图15-7 （1）形成30S-mRNA-IF复合物： 在IF-2，3促成下，30S同mRNA结合形成； （2）形成30S起始复合物(30S-mRNA-fMet-tRNAf-GTP- IF-1-IF-2复合物) ： 30S-mRNA-IF-3复合物在IF-1、IF-2参加下与fMet- tRNAf及GTP结合形成，放出IF-

13、3； （3）形成70S起始复合物： (70S-mRNA-fMet-tRNAf) 50S的加入和GTP的水解形成，释出IF-1和IF-2； vfMet-tRNAf位于70S核糖体的P位置（接受肽基）上； 真核生物：形成80S起始复合物 P402 v自己阅读。 15. 2. 4 肽链的延长： P402 v从70S起始复合物开始，肽链延长过程包括3步： （1） 进位； （2）转肽； （3）移位； v主要参与物： （1）EF-T：延长因子，有EF-Tu、EF-Ts 、EF-G； （2）能量：GTP； （3）新来的氨酰- tRNA； 核糖体上有接受肽基的P位和接受氨酰基的A位 1. P位：fMet-tR

14、NAfMet在P位； 2. A位：新来的AA- tRNA进A位并成肽； 3. fMet-tRNAfMet移到A位成肽； 4 .肽基移到P位，A位空，又接受新来的氨酰- tRNA； 70S 新氨酰- tRNA进A位 消耗能量GTP； 核糖体在mRNA上从 53 方向移动（读码） （1）进位 P402图15-8 （2）转肽 P403图15-9 vfMet tRNA上fMet到A位，其上 的羧基与新来的氨酰-tRNA上的 氨基形成肽键； v空载的tRNA仍在P位； v转肽酶催化反应； 脱落： tRNA 从P位脱落 移位 （3）移位 tRNA从P位脱落； 形成的肽链由A位移到P位； A位空； 移位酶（

15、G蛋白）催化核糖体 移位：在mRNA 上移动一个密 码子； P284图13-8 肽链延长详述 （1）进位： v在mRNA指导下， 氨酰-tRNA与70S的A位结合，EF-T 和GTP参加； v除fMet-tRNAf外，一切氨酰-tRNA都需与EF-Tu-GTP结 合后才能同70S起始复合物的A位结合； vfMet-tRNAf不能同EF-Tu结合，所以fMet-tRNAf不被引 到 A位； （2）转肽： 在转肽酶（肽基转移酶）催化下，P位上fMet-tRNAf的 fMet基转给A位上新来氨酰-tRNA，fMet的羧基与A位新 来氨基酸的NH2基结合形成肽键，由GTP提供能量； 无载荷的OH-tRNAf留在P位上； （3）移位: vfMet-tRNAf的肽基转移给新来的氨酰-tRNA形成肽键后 ： 脱落： P位上的OH-tRNAf离开P位； 移位：A位上的氨酰-tRNA移到P位，A位空，供下轮肽 键延长时新来氨基酸结合之用； 移位：同时，核糖体沿mRNA的5向3方向移动1个密 码子，mRNA的下一个密码子进入A位，被前来参加蛋 白质合成的新氨酰-tRNA反密码子识别，将氨基酸引进 预定位置； v需移位酶（G因子）和GTP参加； 15. 2. 5 肽链合成的终止