生物化学第八章节幻灯片

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1、第八章 蛋白质的生物合成,目 录,第一节 蛋白质合成体系,第二节 蛋白质合成过程,第三节 肽链合成后的折叠与加工,第四节 蛋白质定位（自学）,中心法则,蛋白质生物合成:是指mRNA分子上4种核苷酸的遗传信息，变成蛋白质多肽链的20种氨基酸排列顺序的过程，类似一种语言翻译成另一种语言时的情形，所以也称为翻译。,遗传信息流动示意图,核糖体,DNA,mRNA,tRNA,DNA,mRNA,核糖体,tRNA,蛋白质生物合成中的三大发现,Paul Zamecnik,核糖体是蛋白质生物合成的场所,Mahlon Hoagland,发现转运RNA（tRNA）,Francis Crick,提出tRNA应接器假说,

2、第一节 蛋白质合成体系,蛋白质合成体系的组分,蛋白质的合成是一个十分复杂的过程，蛋白质的合成要求100多种大分子物质参与和相互协作，这些大分子物质包括mRNA、tRNA、核糖体、多种活化酶及各种蛋白质因子。,蛋白质的合成不只是氨基酸之间形成肽键的问题，更重要的在于安排氨基酸的排列顺序，以形成千差万别的蛋白质。,在蛋白质合成中，tRNA 按mRNA 模板的要求将相应的氨基酸搬运到蛋白质合成的场所-核糖体(ribosome)上，所以把核糖体称作蛋白质合成的工厂，氨基酸之间以肽键连接，生成具有一定排列顺序的蛋白质。蛋白质合成的原料是氨基酸，反应所需能量由ATP和GTP 提供.,20种氨基酸（AA）作

3、为原料 酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质包括：,三种RNA mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA）,合成方向：NC端,mRNA,(messenger RNA)是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。,一、m R N A,原核生物和真核生物mRNA的比较,* mRNA是遗传信息的携带者,遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。 原核生物的一段mRNA常常编码几种功能相关的蛋白质

4、，这种mRNA被称为多顺反子（poly cistron）。,真核生物的一段mRNA常常只能编码一条多肽链，这种mRNA被称为单顺反子（single cistron）。,多顺反子,单顺反子,遗 传 密 码,三联体密码的破译,遗传密码的性质,遗传密码: mRNA(或DNA)中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。 密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。,遗传密码字典,mRNA及遗传密码,1mRNA作为蛋白质生物合成的直接模板。 2mRNA分子中核苷酸顺序与蛋白质分子中氨基酸排列顺序通过遗传密

5、码相沟通。 3每三个核苷酸组成一个密码子，四种碱基可组成64种密码子，代表20种氨基酸，AUG既是起始密码，同时也是蛋氨酸密码子;UAA、UAG、UGA作为终止密码。,三联体密码的破译,2、以随机共聚合指导多肽的合成,例：以随机共聚物A、C为模板，任意排列可 出现8种三体，获得六种氨基酸组成的多肽。,1、以均聚物为模板指导多肽的合成,3、以特定的共聚物为模板指导多肽的合成,以均聚物为模板指导多肽的合成,PolyU为模板，产生的多肽链为Polyphe,PolyA为模板，产生的多肽链为Polylys,PolyC为模板，产生的多肽链为Polypro,以特定的共聚物为模板指导多肽的合成,（1）以多聚二

6、核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽、PolyUG的模板，合成产物为Lys和Val。,（2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨 基酸组成的多肽。,遗传密码字典,U,A,C,G,UCAG,U,C,A,G,第二位,第一位（5）,第三位（3）,UCAG,UCAG,UCAG,(1)连续性和方向性:两个密码子之间无任何核苷酸加以隔开和重叠，如插入/删除碱基，可发生移码突变.方向53,遗传密码的特点,(2)简并性:是指大多数氨基酸都可以具有几组不同的密码子。如UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG 六组密码子都编码亮氨酸。编码同一个氨基酸的一组密码称为同义密码子。只有色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密

7、码子。,（3） 密码子的通用性和例外,密码子的通用性是指生物细胞共同使用同一套遗传密码字典。只有在一些线粒体中使用的遗传密码与通用密码有所区别。如人线粒体中UGA不再是终止密码子，而编码色氨酸。所以说遗传密码基本通用，但非绝对通用。,（4） 起始密码子和终止密码子,在64个密码子中，有3个密码子不编码任何氨基酸，从而成为肽链合成的终止信号，称为终止密码子或无义密码子，它们是UAA、UAG、UGA。其余的61个密码子均编码不同的氨基酸，其中AUG既是Met的密码子，又是肽链合成的起始信号，称为起始密码子。但细菌例外，在细菌中GUG表示起始的甲酰蛋氨酸,（5）密码子的摆动性（变偶性）,密码子的专一

8、性主要是由前两位的碱基决定，而第三位碱基有较大的灵活性。,二、tRNA,在蛋白质合成中，tRNA 是搬运活性氨基酸的工具。它将氨基酸按照mRNA 链上的密码子所决定的氨基酸顺序搬运到蛋白质合成的场所-核糖体的特定部位,tRNA的二级结构示意图,tRNA的三级结构示意图,1、3端CCA上氨基酸接受位点 2、识别氨酰tRNA合成酶 的位点（DHU、反密码环） 3、核糖体识别位点 4、反密码子位点 在tRNA 链上有三个特定的碱基，组成一个反密码子，反密码子与密码子的方向相反。,由于密码的简并性，绝大多数氨基酸需要一种以上的tRNA作为转运工具。运输同一种氨基酸的不同tRNA称为同工受体tRNA。

9、蛋氨酸有两种tRNA： tRNAfmet只与起始密码子结合 tRNAmmet负责把MET运到肽链中间 真核生物起始tRNA表示为：tRNAimet 用于肽链延伸的表示为：tRNAmet,被特定的氨酰-tRNA合成酶所识别。 识别mRNA链上的密码子，这是因为tRNA上有3个特定碱基组成的一个反密码子与mRNA链上的密码子配对，保证氨基酸按mRNA的碱基顺序入号。 tRNA将多肽链联结在核糖体上。,tRNA的功能,三、 核糖体,核糖体是合成蛋白质的场所。,1955年，Paul Zamecnik通过实验确认核糖体是蛋白合成的场所。他将放射性同位素标记的氨基酸注射到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成

10、匀浆，离心后分成细胞核、线粒体、微粒体和可溶部分。发现微粒体中的放射性强度最高，若将微粒体部分进一步分级分离，可在核糖体中大量回收到所掺入的放射性，这说明核糖体是合成蛋白质的部位。,1. 核糖体的存在部位,核糖体是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。,真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，参与细胞固有蛋白质的合成 。另一部分与内质网结合，形成粗面内质网。此外在其线粒体和叶绿体中也有核糖体。,原核生物的核糖体存在于细胞质中；,核糖体是一个巨大的核糖核蛋白体,功能：核糖体相当

11、于装配机，大亚基有转肽酶活性，促进氨基酸合成肽,2. 核糖体的组成,核蛋白体的组成,mRNA结合部位： 大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳mRNA；此外，小亚基的16S rRNA可以与mRNA相互作用，从而参与mRNA与核糖体的结合。,3. 核糖体上的活性部位,(1) 结合部位,tRNA结合部位：有2个,氨酰基部位（A位） 氨酰tRNA的结合部位； 肽基部位 （P位） 正在延长的多肽基tRNA的结合部位；,tRNA的这两个结合部位有一小部分在30S亚基内，大部分在50S亚基内。,（1）P位：即肽位(peptidyl site)，或给位，在延长成肽之后，3端连接肽链的肽酰tRNA占据的位置，肽链

12、转位至此，延长继续。 （2）A位：即氨基酰位(aminoacyl site)，或称受位，每次延长，氨基酰tRNA就加入到A位上，延长成肽中，此位因接受肽酰基链，故名受位。,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),催化肽键形成的部位： 称为肽基转移酶，又叫转肽酶。位于大亚基上。 1992年发现该活性是由23S rRNA提供的。,3. 核糖体上的活性部位,(2) 催化部位,催化GTP水解的部位：,位于大亚基上，在核糖体移位期间将GTP水解成GDP和Pi。,多核糖体,一

13、mRNA上同时结合多个核蛋白体进行蛋白质多肽链合成，每个核糖体独立完成一条多肽链的合成。,四、辅助因子,在蛋白质合成体系中，还有溶解在胞质中的蛋白质，在蛋白质合成的不同阶段起作用.,蛋白质因子,第二节 蛋白质的生物合成过程,氨基酸的活化 多肽链合成的起始 肽链的延长 肽链合成终止（以原核为例）,一、氨基酸的活化,游离氨基酸掺入多肽链以前必须活化即氨基酸与特异tRNA形成氨酰-tRNA。原因有两个： 第一，蛋白质的合成依赖于tRNA的接头作用，以保证正确的氨基酸得到整合，每个氨基酸为了参与蛋白质合成必须共价连接到tRNA分子上。 第二，氨基酸与tRNA之间形成的共价键是一个高能键，它使氨基酸和正

14、在延伸的多肽链末端反应形成新的肽键，因此, 这一氨酰-tRNA的合成过程被称为氨基酸的活化。,1.氨酰-tRNA的形成,氨基酸的活化是指氨基酸与tRNA相连，形成氨酰-tRNA的过程。,氨基酸的活化在细胞质中进行。反应由氨酰-tRNA合成酶（又称氨基酸活化酶）催化。,AA的活化： AA+ATP+tRNAAA-tRNA + AMP + PPi 活化过程分两步： 氨基酸与ATP生成氨酰AMP 氨酰AMP转化为氨酰tRNA,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi,氨基酸羧基通过酸酐键与AMP上的5-磷酸基相连,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E

15、,氨酰-tRNA合成酶： 此酶具有较高专一性，能有效识别tRNA和相应的氨基酸。是只作用于L-氨基酸，形成氨酰-tRNA，对D-氨基酸不起作用。 此酶具有校对功能。 活化一个氨基酸消耗2分子ATP。,氨基酰tRNA的表示方法,氨基酰-tRNA书写规则：aa-tRNAaa；Arg-tRNAArg； 原核生物：起始密码（AUG、GUG、UUG） 编码N-甲酰甲硫氨酸 fMet、tRNAfMet， fMet-tRNAfMet； 真核生物：起始密码（AUG） 编码甲硫氨酸 Met、Met-tRNAiMet； 翻译过程：密码（AUG） 编码甲硫氨酸 Met、Met-tRNAeMet,1）识别mRNA的起

16、始密码子为AUG，而AUG对应的氨基酸为Met。 2）有两种甲硫氨酸专一性的tRNA： tRNAfmet只与起始密码子结合 tRNAmmet只与肽链内部的AUG有关 在原核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲酰甲硫氨酸。,2. 起始氨酰tRNA的形成,蛋白质生物合成过程,翻译的起始 翻译的延伸 翻译的终止,(一)起始密码子(起始信号)的识别,蛋白质合成的起始过程很复杂，细菌中多肽的合成并不是从mRNA 的5-端第一个核苷酸开始的。被转译的头一个密码子往往位于5-端的第25 个核苷酸以后。,在核糖体小亚基内部的16SrRNA 的3-端含有一个或几个富含嘧啶碱基的序列，而在mRNA 上起始密码子AUG 的5端处大约10个核苷酸的富含嘌呤碱基的序列，这两个序列恰好有碱基互补的关系。所以有两种相互作用确定了蛋白质合成的起始部位：一是mRNA 的5端序列与16SrRNA3端序列的配对，二是mRNA上起始