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1、医学课件蛋白质的生物合成医学课件蛋白质的生物合成l l蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成，即，即翻译翻译，就是将核酸，就是将核酸中由中由 4 种种核苷酸序列核苷酸序列编码的遗传信息，通编码的遗传信息，通过过遗传密码遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级破译的方式解读为蛋白质一级结构中结构中20种种氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序 。2. 简并性简并性(degeneracy)遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或个或多至多至6个三联体为其编码。个三联体为其编码。目目 录录2. 简并性简并性(degenera
2、cy)目目 录录3. 通用性通用性(universal)蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。一祖先。 4. 摆动性摆动性(wobble)转转运运氨氨基基酸酸的的tRNA的的反反密密码码需需要要通通过过碱碱基基互互补补与与mRNA上上的的遗遗传传密密码码反反向向配配对对结结合合，但但反反密密码码与与密密码码间间不不严严格格遵遵守守常常见见的的
3、碱碱基配对规律，称为摆动配对。基配对规律，称为摆动配对。 U摆动配对摆动配对目目 录录密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子反密码子第第1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子密码子第第3位碱基位碱基U, C, AA, GU, CUG二、蛋白质合成体系二、蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System l l2020种氨基酸种氨基酸种氨基酸种氨基酸(AA)(AA)作为原料作为原料作为原料作为原料l l酶及众多蛋白因子，如酶及众多蛋白因子，如酶及众多蛋白因子，如酶及众多蛋白因子，如IFIF、eIFeIF l lATPATP、GTPGTP、
4、无机离子、无机离子、无机离子、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括参与蛋白质生物合成的物质包括l l 三种三种三种三种RNARNAmRNAmRNA（messenger RNA, messenger RNA, 信使信使信使信使RNARNA）rRNArRNA（ribosomal RNA, ribosomal RNA, 核蛋白体核蛋白体核蛋白体核蛋白体RNARNA）tRNAtRNA（transfer RNA, transfer RNA, 转移转移转移转移RNARNA）一）、翻译模板一）、翻译模板mRNA及遗传密码及遗传密码l mRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者遗遗传传学学将将编编码码一一个
5、个多多肽肽的的遗遗传传单单位位称称为为顺顺反反子子(cistron)。原原核核细细胞胞中中数数个个结结构构基基因因常常串串联联为为一一个个转转录录单单位位，转转录录生生成成的的mRNA可可编编码码几几种种功功能能相相关的蛋白质，为关的蛋白质，为多顺反子多顺反子(polycistron) 。真真核核mRNA只只编编码码一一种种蛋蛋白白质质，为为单单顺顺反反子子(single cistron) 。 二）、二）、tRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂tRNA的三级结构示意图的三级结构示意图氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰
6、-tRNA合成酶合成酶1 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)l 氨基酸的活化氨基酸的活化第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸 ATP-E ATP-E 氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-AMP-E-AMP-E AMP AMP PPi PPi 目目目目 录录录录第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-AMP-E -AMP-E tRNA tRNA 氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-tRNA -tRNA AMPAMP E E目目目目 录录录录 tRNA tRNA与酶与酶与酶与酶结合的模型结合的模型结合的模型结合的模型tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成
7、酶合成酶ATPl氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有都有高度特异性。高度特异性。l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。l氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法：的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 真核生物真核生物： Met-tRNAiMet原核生物原核生物： fMet-tRNAifMet2 起始肽链合成的氨基酰起始肽链合成的氨基酰-tRNA二、核蛋白体是多肽链合成的装置二、核蛋白体是多肽链合成的装置目目目目 录录录录原核生物原核生物真核生物真核生
8、物核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白蛋白质质rpS 21种种rpL 36种种rpS 33种种rpL 49种种 不同细胞核蛋白体的组成不同细胞核蛋白体的组成 核核蛋蛋白白体体的的组组成成目目 录录原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A A位：氨基酰位位：氨基酰位位：氨基酰位位：氨基酰位P P位：肽酰位位：肽酰位位：肽酰位位：肽酰位E E位：排出位位：排出位位：
9、排出位位：排出位目目目目 录录录录三、蛋白质生物合成过程三、蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis l翻译的起始翻译的起始(initiation)l翻译的延长翻译的延长(elongation)l翻译的终止翻译的终止(termination )整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为 ：翻翻译译过过程程从从阅阅读读框框架架的的5-AUG开开始始，按按mRNA模模板板三三联联体体密密码码的的顺顺序序延延长长肽肽链链，直直至终止密码出现。至终止密码出现。 一）、肽链合成起始一）、肽链合成起始指指mRNA和和起起始始氨氨基基酰酰 -tRNA分分别别与与核
10、核蛋蛋 白白 体体 结结 合合 而而 形形 成成 翻翻 译译 起起 始始 复复 合合 物物 (translational initiation complex)。原核生物翻译起始复合物形成原核生物翻译起始复合物形成l核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；lmRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；l起始氨基酰起始氨基酰- -tRNA的结合；的结合； l核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。IF-3IF-11. 核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离A U G53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合S-D序列序列 IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基
11、酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到结合到小亚基小亚基A U G53目目 录录IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPilF1lF1、3 3met-GTP-lF2met-GTP-lF230S30S50S50SGDP+PiGDP+PilF2,lF2,fmetfmetfmetfmet30S30S50S50SlF1lF1、3 3mRNAmRNAGTPGTP二）、肽链合成延长二）、肽链合成延长指指根根据据mRNA密密码码序序
12、列列的的指指导导，次次序序添添加加氨氨基基酸酸从从N端端向向C端端延延伸伸肽肽链链，直直到到合合成成终终止止的过程。的过程。 l肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为称为核蛋白体循环核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：增加一个氨基酸，包括以下三步：进位进位(entrance)成肽成肽(peptide bond formation)转位转位(translocation)l延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF)原核生物：原
13、核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：真核生物：EF-1 、EF-2 原核延长原核延长因子因子生物功能生物功能对应真核延对应真核延长因子长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，位，结合分解结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽肽酰酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，促位，促进卸载进卸载tRNA释放释放EF-2肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 延长过程延长过程1 1 进位（注册）：进位（注册）： 氨氨基基酰酰-tRNA-tRNA根根据据遗遗传传密密码码的的指指引引，进
14、进入入核核蛋蛋白白体的体的A A位。位。 AUG P位 A位EFT延长因子延长因子 EFTu EFTsAA-tRNA-Tu-GTPAA-tRNA-Tu-GTPEF-Tu-GTPEF-Tu-GTPTsTs（EF-Tu+TsEF-Tu+Ts）GTP+ Aa-tRNAAAAA tRNA-Tu-GTPtRNA-Tu-GTP 小亚基上的mRNAAAAA tRNA- mRNAtRNA- mRNA Tu-GTPTu-GTPPiEF-TEF-TTu-GDPTu-GDPTs +Ts +EFT + GTP + AA-tRNA AA-tRNA-Tu-GTP + Ts Pi + Tu-GDP + aa-tRNA-mR
15、NA mRNA Ts 2 2 成肽成肽 P位位 A位位AUGAUG P P位的位的fMet-tRNAfMet-tRNAi imetmet的酰基与的酰基与A A位上的位上的AA-tRNAAA-tRNA的的氨基成肽键。氨基成肽键。tRNAtRNA本身则从本身则从P P位脱落，使位脱落，使P P位空出。位空出。转肽酶转肽酶 核蛋白体大亚基上的蛋白质（核蛋白体大亚基上的蛋白质（rpLrpL）。）。3 3 转位转位 在在A A位上的二肽连同位上的二肽连同tRNAtRNA从从A A位转移到位转移到P P位。位。 P位 A位P位 A位 三）、肽链合成的终止三）、肽链合成的终止当当mRNA上终止密码出现后，多
16、肽链合成上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。 终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF) 一一是是识识别别终终止止密密码码，如如RF-1特特异异识识别别UAA、UAG；而；而RF-2可识别可识别UAA、UGA。二二是是诱诱导导转转肽肽酶酶改改变变为为酯酯酶酶活活性性，相相当当于于催催化化肽肽酰酰基基转转移移到到水水分分子子-OH上上，使使肽肽链链从从核核蛋蛋白体上释放。白体上释放。 释放因子
17、的功能释放因子的功能原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF 终止过程终止过程1 1当当翻翻译译到到A A位位mRNAmRNA出出现现终终止止密密码码时时，由由RF-1RF-1或或RF-2RF-2识别终止密码进入识别终止密码进入A A位。位。2.RF2.RF3 3激激活活核核蛋蛋白白体体上上的的转转肽肽酶酶（具具酯酯酶酶活活性性）。使使P P位上的肽与位上的肽与tRNAtRNA分离。分离。3 3在在RRRR作作用用下下，tRNAtRNA，mRNAmRNA及及RFRF均均从从核核蛋蛋白白体体脱脱落，在落，在IFIF作用下，核蛋白
18、体解聚成大作用下，核蛋白体解聚成大小亚基。小亚基。UAAUAAUAAUAARF3RF3RF1,2UAAUAARRRR四、蛋白质合成后加工和输送四、蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation一）翻译后加工修饰一）翻译后加工修饰1 亚基聚合 例 Hb分子由22组成2 辅基连接 例 糖蛋白的糖基，3 3 去除去除N-N-端的端的N-N-甲酰基或甲酰基或N-N-蛋氨酸蛋氨酸 MetMetMet脱甲酰基或氨基肽酶1）磷酸化 在含-OH基的R基团磷酸化，由激酶催化，使蛋白质活性增高或降低。2）羟化 结缔组织蛋白质脯氨酸残
19、基和赖氨酸残基羟化。3）二硫键的形成 稳定蛋白质构象 4 4 个别氨基酸的修饰个别氨基酸的修饰 5 5 水解修饰水解修饰以POMC为例 信号肽信号肽 N NC C -MSH - MSH Endophin103肽 ACTH -LT二）蛋白质合成后的靶向输送二）蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质合成后从核蛋白体定向到达其执行功能的目标地。靶细胞靶组织靶器官细胞膜去向去向 1 1保留在保留在胞浆胞浆 2 2进入细胞核、线粒体等进入细胞核、线粒体等细胞器细胞器 3 3分泌至体液，再输送到分泌至体液，再输送到靶器官和靶细胞靶器官和靶细胞1 1定义定义 穿穿过过合合成成所所在在的的细细胞胞，到到其其它它组组织
20、织细细胞胞去去的的蛋蛋白质。白质。 例如：肽类激素、血浆蛋白、抗体蛋白等。例如：肽类激素、血浆蛋白、抗体蛋白等。2 2特点特点（1 1）信号肽）信号肽 分泌性蛋白质分泌性蛋白质N N端的一段疏水氨基酸较多的肽。端的一段疏水氨基酸较多的肽。 其作用是将合成的蛋白质移向胞膜，送出胞外。其作用是将合成的蛋白质移向胞膜，送出胞外。 （2 2）蛋白质的前体：）蛋白质的前体：例如前胰岛素原等。例如前胰岛素原等。分泌性蛋白质分泌性蛋白质信号肽信号肽N-N-端端碱性氨基碱性氨基酸末端区酸末端区疏水核心区疏水核心区加工区加工区信号肽酶3 3分泌性蛋白的转运机制分泌性蛋白的转运机制信号假说：信号假说： 信信号号肽
21、肽被被信信号号肽肽识识别别粒粒子子（SRPSRP）辨辨认认、结结合合，把把正正在在合合成成蛋蛋白白质质的的核核蛋蛋白白体体带带到到细细胞胞膜膜的的胞胞浆浆面面，与与对对接接蛋蛋白白（DPDP）结结合合，促促使使膜膜蛋蛋白白通通道道开开放放，信信号号肽肽引引导导正正在在合合成成的的蛋蛋白白质质 穿穿过过胞胞膜膜，信信号号肽肽折折回回膜膜内内，由由膜膜外外侧侧的的信信号号肽肽酶酶在在加加工工区区切切断断，成成熟熟蛋白则释放至胞外。蛋白则释放至胞外。SRPDP信号肽信号肽酶胞浆胞胞膜膜五、蛋白质生物合成与医学五、蛋白质生物合成与医学l蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的蛋白质生物合成是很多天然
22、抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。物合成过程而起作用的。 l可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。 l抗生素抗生素(antibiot
23、ics)是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。一类药物。l抗代谢药物抗代谢药物指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如度生长的药物，如：6-MP。l 某些毒素也作用于基因信息传递过程某些毒素也作用于基因信息传递过程。一、抗生素类一、抗生素类抗生素抗生素作用点作用点作用原理作用原理应用应用四环素族（金霉素四环素族（金霉素 新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、链霉素、卡那霉素、新霉素新霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素红霉素红霉素梭链孢酸梭链孢酸 放线菌酮放线菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素原核核蛋白原核核
24、蛋白体小亚基体小亚基原核核蛋白原核核蛋白体小亚基体小亚基原核核蛋白原核核蛋白体大亚基体大亚基原核核蛋白原核核蛋白体大亚基体大亚基原核核蛋白原核核蛋白体大亚基体大亚基真核核蛋白真核核蛋白体大亚基体大亚基真核、原核真核、原核核蛋白体核蛋白体 抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA与小亚基与小亚基结合结合改变构象引起读码错误、抑改变构象引起读码错误、抑制起始制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位抑制转肽酶、妨碍转位与与EFG-GTP结合，抑制肽结合，抑制肽链延长链延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰氨基酰-tRNA类似物，进位类似物，进位后引起未成熟肽链脱落后引起未
25、成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究医学研究抗肿瘤药抗肿瘤药抗生素抑制蛋白质生物合成的原理抗生素抑制蛋白质生物合成的原理 四四环环素素族族氯霉素氯霉素链霉素和卡那霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素嘌呤霉素放线菌酮放线菌酮二、其他干扰蛋白质生物合成的物质二、其他干扰蛋白质生物合成的物质l毒素毒素(toxin)l干扰素干扰素(interferon)白喉毒素白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理的作用机理白白喉喉毒毒素素+延长因子延长因子延长因子延长因子-2-2（有活性有活性）延长因子延长因子延长因子延长因子-2-2（无活性无活性）干扰素的作用机理干扰素的作用机理干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA1. 干扰素诱导干扰素诱导eIF2磷酸化而失活磷酸化而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）（失活）Pi磷酸酶磷酸酶2. 干扰素诱导病毒干扰素诱导病毒RNA降解降解降解降解mRNAdsRNA干扰素干扰素AAPAPPPP2 5 2 5 5 2 - 5 AAPPPATP2-5A合成酶合成酶RNaseLRNaseL活化活化
