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1、生物化学第十三章蛋白质的生物合成第13章 蛋白质的生物合成蛋白质合成简介：p蛋白质合成的信息来自于蛋白质合成的信息来自于蛋白质合成的信息来自于蛋白质合成的信息来自于DNADNAp合成的模板是合成的模板是合成的模板是合成的模板是mRNAmRNA第13章 蛋白质的生物合成 蛋白质的合成机制是最复杂的生物合成机制:pp 真核细胞中，蛋白质的合成需要：真核细胞中，蛋白质的合成需要：真核细胞中，蛋白质的合成需要：真核细胞中，蛋白质的合成需要：pp 70 70种以上的核糖体蛋白参与；种以上的核糖体蛋白参与；种以上的核糖体蛋白参与；种以上的核糖体蛋白参与；pp 多于二十种的酶来激活氨基酸；多于二十种的酶来激
2、活氨基酸；多于二十种的酶来激活氨基酸；多于二十种的酶来激活氨基酸；pp 12 12种或更多的辅酶和其它专一性的蛋白因子来进行肽种或更多的辅酶和其它专一性的蛋白因子来进行肽种或更多的辅酶和其它专一性的蛋白因子来进行肽种或更多的辅酶和其它专一性的蛋白因子来进行肽链合成的起始、延伸、和终止；链合成的起始、延伸、和终止；链合成的起始、延伸、和终止；链合成的起始、延伸、和终止；pp 一百多种酶参与各类蛋白的最后修饰；一百多种酶参与各类蛋白的最后修饰；一百多种酶参与各类蛋白的最后修饰；一百多种酶参与各类蛋白的最后修饰；pp 还需要多于四十种的还需要多于四十种的还需要多于四十种的还需要多于四十种的tRNAt
3、RNA和核糖体和核糖体和核糖体和核糖体RNARNA。 共有共有300300多种不同的生物大分子参与且协同地多种不同的生物大分子参与且协同地工作来合成多肽。工作来合成多肽。13.1 遗传密码13.1 遗传密码mRNA（信使RNA）概念的提出：p 蛋白质的合成是在核糖体上进行的，而遗传信息载体蛋白质的合成是在核糖体上进行的，而遗传信息载体DNA 存在于核中，必然有一种中间物来传递存在于核中，必然有一种中间物来传递DNA上的上的信息。推测这种中间物极不稳定，在蛋白质合成时产信息。推测这种中间物极不稳定，在蛋白质合成时产生，合成结束后又分解，半寿期很短。生，合成结束后又分解，半寿期很短。1961年年J
4、acob 和和 Monod J预言：预言：（1）信使是一种多核苷酸；）信使是一种多核苷酸；（2）信使的碱基组成与相应）信使的碱基组成与相应DNA的碱基组成一致；的碱基组成一致；（3）信使的长度各有不同，因为它所编码的多肽链的长）信使的长度各有不同，因为它所编码的多肽链的长短不一；短不一；（4）在多肽合成中，信使应与核糖体短暂结合；）在多肽合成中，信使应与核糖体短暂结合；（5）信使的半寿期很短，其合成速度应该是很快的。）信使的半寿期很短，其合成速度应该是很快的。13.1 遗传密码mRNA的证明: Brenner S, Jacob Brenner S, Jacob 和和和和Monod MMonod
5、 M为了验证上述预言为了验证上述预言为了验证上述预言为了验证上述预言是否正确设计了下列一组实验：是否正确设计了下列一组实验：是否正确设计了下列一组实验：是否正确设计了下列一组实验：实验一：实验一：实验一：实验一：pp 用噬菌体用噬菌体用噬菌体用噬菌体T T2 2感染大肠杆菌，发现几乎所有在细胞感染大肠杆菌，发现几乎所有在细胞感染大肠杆菌，发现几乎所有在细胞感染大肠杆菌，发现几乎所有在细胞内合成的蛋白质都不再是细胞本身的蛋白质，而内合成的蛋白质都不再是细胞本身的蛋白质，而内合成的蛋白质都不再是细胞本身的蛋白质，而内合成的蛋白质都不再是细胞本身的蛋白质，而是噬菌体所编码的蛋白质，这些蛋白质的合成速
6、是噬菌体所编码的蛋白质，这些蛋白质的合成速是噬菌体所编码的蛋白质，这些蛋白质的合成速是噬菌体所编码的蛋白质，这些蛋白质的合成速度与细胞总度与细胞总度与细胞总度与细胞总RNARNA的合成速度无关；的合成速度无关；的合成速度无关；的合成速度无关；T T2 2感染后不久，感染后不久，感染后不久，感染后不久，细胞中出现少量半寿期很短的细胞中出现少量半寿期很短的细胞中出现少量半寿期很短的细胞中出现少量半寿期很短的RNARNA，它们的碱基它们的碱基它们的碱基它们的碱基与与与与T T2 2DNADNA是一致的，这些特性与他们上述预言的是一致的，这些特性与他们上述预言的是一致的，这些特性与他们上述预言的是一致
7、的，这些特性与他们上述预言的信使分子特征十分符合。信使分子特征十分符合。信使分子特征十分符合。信使分子特征十分符合。13.1 遗传密码mRNA的证明: Brenner S, Jacob Brenner S, Jacob 和和和和Monod MMonod M为了验证上述预言为了验证上述预言为了验证上述预言为了验证上述预言是否正确设计了下列一组实验：是否正确设计了下列一组实验：是否正确设计了下列一组实验：是否正确设计了下列一组实验：实验二：实验二：实验二：实验二：pp将大肠杆菌接种至含有重标记（将大肠杆菌接种至含有重标记（将大肠杆菌接种至含有重标记（将大肠杆菌接种至含有重标记（1515N N和和和
8、和1414C C）的培养的培养的培养的培养基上，再用基上，再用基上，再用基上，再用T T2 2感染，感染后立即转移至含有轻同感染，感染后立即转移至含有轻同感染，感染后立即转移至含有轻同感染，感染后立即转移至含有轻同位素的培养基上培养。将感染前与感染后的细菌位素的培养基上培养。将感染前与感染后的细菌位素的培养基上培养。将感染前与感染后的细菌位素的培养基上培养。将感染前与感染后的细菌破碎，分离出核糖体，用密度梯度离心技术将带破碎，分离出核糖体，用密度梯度离心技术将带破碎，分离出核糖体，用密度梯度离心技术将带破碎，分离出核糖体，用密度梯度离心技术将带有重标记的核糖体与带有轻标记的核糖体分开。有重标记
9、的核糖体与带有轻标记的核糖体分开。有重标记的核糖体与带有轻标记的核糖体分开。有重标记的核糖体与带有轻标记的核糖体分开。他们还用他们还用他们还用他们还用3232P P和和和和1414C C的尿苷标记的尿苷标记的尿苷标记的尿苷标记RNARNA，并用并用并用并用3535S-S-甲硫甲硫甲硫甲硫氨酸去标记新合成的蛋白质。氨酸去标记新合成的蛋白质。氨酸去标记新合成的蛋白质。氨酸去标记新合成的蛋白质。13.1 遗传密码实验结果表明：1 1、T T2 2感染后并无轻标记的核糖体出现，说明在感染后并无轻标记的核糖体出现，说明在感染后并无轻标记的核糖体出现，说明在感染后并无轻标记的核糖体出现，说明在T T2 2
10、感染后并感染后并感染后并感染后并没有引起新核糖体的合成；没有引起新核糖体的合成；没有引起新核糖体的合成；没有引起新核糖体的合成；2 2、T T2 2感染后，诱发新的感染后，诱发新的感染后，诱发新的感染后，诱发新的RNARNA的合成，大多数放射标记的合成，大多数放射标记的合成，大多数放射标记的合成，大多数放射标记RNARNA出现在重标记的核糖体中。这种新合成出现在重标记的核糖体中。这种新合成出现在重标记的核糖体中。这种新合成出现在重标记的核糖体中。这种新合成RNARNA代谢速度极代谢速度极代谢速度极代谢速度极快；快；快；快；3 3、3232S S标记的蛋白质只短暂地出现在重标记的核糖体中，说标记
11、的蛋白质只短暂地出现在重标记的核糖体中，说标记的蛋白质只短暂地出现在重标记的核糖体中，说标记的蛋白质只短暂地出现在重标记的核糖体中，说明新合成的蛋白质是在早就存在的核糖体中合成的。明新合成的蛋白质是在早就存在的核糖体中合成的。明新合成的蛋白质是在早就存在的核糖体中合成的。明新合成的蛋白质是在早就存在的核糖体中合成的。pp另外，另外，另外，另外，SpiegelmanSpiegelman S S又用分子杂交技术证明了经又用分子杂交技术证明了经又用分子杂交技术证明了经又用分子杂交技术证明了经T T2 2感染的感染的感染的感染的新合成新合成新合成新合成RNARNA可以可以可以可以T T2 2DNADN
12、A杂交，但细胞内的其它杂交，但细胞内的其它杂交，但细胞内的其它杂交，但细胞内的其它RNARNA不能不能不能不能与与与与T T2 2DNADNA杂交。从而证明新合成的杂交。从而证明新合成的杂交。从而证明新合成的杂交。从而证明新合成的RNARNA是是是是T T2 2噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体DNADNA所编码。所编码。所编码。所编码。13.1 遗传密码遗传密码的破译p 1954年年,物理学家物理学家Gamouv G首先对遗传密码进行探讨。首先对遗传密码进行探讨。他认为核酸分子中只有四种碱基，显然碱基与氨基酸他认为核酸分子中只有四种碱基，显然碱基与氨基酸的关系不是一对一的关系。若两个碱基决定一个氨基的
13、关系不是一对一的关系。若两个碱基决定一个氨基酸只能编码酸只能编码16种氨基酸，也是不够的；而三个碱基对种氨基酸，也是不够的；而三个碱基对一个氨基酸，四个碱基可产生一个氨基酸，四个碱基可产生64个密码，足以编码个密码，足以编码20种氨基酸，所以编码氨基酸的最低碱基数是种氨基酸，所以编码氨基酸的最低碱基数是3，即密码，即密码子可能是三联体。子可能是三联体。 p1961年，年，Crick F H C等人用遗传学的方法证明了三联等人用遗传学的方法证明了三联密码子的学说是正确的。密码子的学说是正确的。p1961年，年，Nirenberg 等人用大肠杆菌的无细胞体系在各等人用大肠杆菌的无细胞体系在各种种R
14、NA的人工模板下合成多肽，从而推断出各氨基酸的人工模板下合成多肽，从而推断出各氨基酸的密码子。的密码子。13.1 遗传密码mRNA是蛋白质合成的直接模板13.2 核糖体(一) 核糖体是蛋白质的合成部位：p 2020世纪五十年代，世纪五十年代，世纪五十年代，世纪五十年代，Paul Paul ZamecnikZamecnik 等给小白鼠等给小白鼠等给小白鼠等给小白鼠注射带放射性标记的氨基酸，然后在不同时间注射带放射性标记的氨基酸，然后在不同时间注射带放射性标记的氨基酸，然后在不同时间注射带放射性标记的氨基酸，然后在不同时间取小白鼠的肝脏，经匀浆、离心、检测发现注取小白鼠的肝脏，经匀浆、离心、检测发
15、现注取小白鼠的肝脏，经匀浆、离心、检测发现注取小白鼠的肝脏，经匀浆、离心、检测发现注射的氨基酸几分钟后出现在核糖核蛋白体颗粒射的氨基酸几分钟后出现在核糖核蛋白体颗粒射的氨基酸几分钟后出现在核糖核蛋白体颗粒射的氨基酸几分钟后出现在核糖核蛋白体颗粒上，几小时或几天后所有的亚细胞成分都含有上，几小时或几天后所有的亚细胞成分都含有上，几小时或几天后所有的亚细胞成分都含有上，几小时或几天后所有的亚细胞成分都含有放射性标记。这证明蛋白质的合成是在核糖体放射性标记。这证明蛋白质的合成是在核糖体放射性标记。这证明蛋白质的合成是在核糖体放射性标记。这证明蛋白质的合成是在核糖体上进行的。上进行的。上进行的。上进行
16、的。 13.2 核糖体(二) 核糖体的组成和结构： 核糖体的存在形态有三种：单核糖体、核糖体核糖体的存在形态有三种：单核糖体、核糖体核糖体的存在形态有三种：单核糖体、核糖体核糖体的存在形态有三种：单核糖体、核糖体亚基和多核糖体。亚基和多核糖体。亚基和多核糖体。亚基和多核糖体。真核生物：游离核糖体或与内质网结合真核生物：游离核糖体或与内质网结合真核生物：游离核糖体或与内质网结合真核生物：游离核糖体或与内质网结合原核生物：游离核糖体或与原核生物：游离核糖体或与原核生物：游离核糖体或与原核生物：游离核糖体或与mRNAmRNAmRNAmRNA结合成串状结合成串状结合成串状结合成串状的多核糖体的多核糖体
17、的多核糖体的多核糖体( ( ( (提高翻译效率提高翻译效率提高翻译效率提高翻译效率) ) ) )。 核糖体亚基可在核糖体亚基可在核糖体亚基可在核糖体亚基可在10mmol/L10mmol/L10mmol/L10mmol/L浓度的浓度的浓度的浓度的 Mg Mg Mg Mg 2+2+2+2+溶液中溶液中溶液中溶液中聚合，在聚合，在聚合，在聚合，在0.1mmol/L 0.1mmol/L 0.1mmol/L 0.1mmol/L 浓度的浓度的浓度的浓度的Mg Mg Mg Mg 2+2+2+2+溶液中解聚。溶液中解聚。溶液中解聚。溶液中解聚。13.2 核糖体(二) 核糖体的组成和结构： 13.2 核糖体(二
18、) 核糖体的组成和结构： 13.2 核糖体(二) 核糖体的组成和结构： 13.2 核糖体( (二二) ) 核糖体的组成和结构：核糖体的组成和结构： pp大大大大肠肠肠肠杆杆杆杆菌菌菌菌由由由由一一一一定定定定数数数数目目目目的的的的单单单单个个个个核核核核糖糖糖糖体体体体与与与与一一一一个个个个mRNA mRNA mRNA mRNA 分分分分子子子子结结结结合合合合而而而而成成成成的的的的念念念念珠珠珠珠状状状状结结结结构构构构。每每每每个个个个核核核核糖糖糖糖体体体体可可可可独独独独立立立立完完完完成成成成一一一一条条条条肽肽肽肽链链链链的的的的合合合合成成成成，所所所所以以以以在在在在多多
19、多多核核核核糖糖糖糖体体体体上上上上可可可可以以以以同同同同时时时时进进进进行行行行多多多多条条条条肽肽肽肽链链链链的的的的合合合合成，提高了翻译的效率。成，提高了翻译的效率。成，提高了翻译的效率。成，提高了翻译的效率。13.2 核糖体(二) 核糖体的组成和结构： 13.2 核糖体(三) 核糖体的功能：p大肠杆菌中大肠杆菌中大肠杆菌中大肠杆菌中30S30S的亚基能单独与的亚基能单独与的亚基能单独与的亚基能单独与mRNAmRNA结合成结合成结合成结合成30S30S核糖体核糖体核糖体核糖体-mRNA-mRNA复合体，后者与复合体，后者与复合体，后者与复合体，后者与tRNAtRNA可以可以可以可以专
20、一性结合。专一性结合。专一性结合。专一性结合。50S50S亚基不能单独与亚基不能单独与亚基不能单独与亚基不能单独与 mRNAmRNA结合，结合，结合，结合，但可以非专一地与但可以非专一地与但可以非专一地与但可以非专一地与tRNAtRNA结合，结合，结合，结合， 50S50S亚基上有两亚基上有两亚基上有两亚基上有两个个个个tRNAtRNA结合位点：氨酰基位点结合位点：氨酰基位点结合位点：氨酰基位点结合位点：氨酰基位点-A-A；肽酰基位；肽酰基位；肽酰基位；肽酰基位点点点点-P-P。还有一个。还有一个。还有一个。还有一个GTPGTP结合位点。结合位点。结合位点。结合位点。 13.2 核糖体(三)
21、核糖体的功能： P P位和位和位和位和A A位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。 P P：结合起始的氨酰结合起始的氨酰结合起始的氨酰结合起始的氨酰- -tRNAtRNA和肽酰和肽酰和肽酰和肽酰- -tRNAtRNA， A A：结合新掺入的氨酰结合新掺入的氨酰结合新掺入的氨酰结合新掺入的氨酰- - tRNAtRNA。 P P位上肽酰位上肽酰位上肽酰位上肽酰- - tRNAtRNA上的羧基与进入上的羧基与进入上的羧基与进入上的羧基与进入A A位的氨酰位的氨酰位的氨酰位的氨酰-
22、 - tRNAtRNA上的上的上的上的氨基形成新的肽键氨基形成新的肽键氨基形成新的肽键氨基形成新的肽键P P位上位上位上位上tRNAtRNA卸下肽链成为无负载的卸下肽链成为无负载的卸下肽链成为无负载的卸下肽链成为无负载的tRNAtRNA核糖体核糖体核糖体核糖体移动一个密码子的距离，移动一个密码子的距离，移动一个密码子的距离，移动一个密码子的距离，A A位上的肽酰位上的肽酰位上的肽酰位上的肽酰- - tRNAtRNA又回到又回到又回到又回到P P位，位，位，位，A A位又空，再进行下一次循环。位又空，再进行下一次循环。位又空，再进行下一次循环。位又空，再进行下一次循环。核糖体的核糖体的A A部位
23、与部位与P P部位：部位：A53p13.3 转移RNA的功能 tRNA是将mRNA的核苷酸顺序转换成蛋白质多肽链顺序的适配器：pp在蛋白质合成中，在蛋白质合成中，在蛋白质合成中，在蛋白质合成中，tRNAtRNA起着运载氨基酸的作用，按照起着运载氨基酸的作用，按照起着运载氨基酸的作用，按照起着运载氨基酸的作用，按照mRNAmRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。运到核糖体的特定部位。运到核糖体的特定部位。运到核糖体的特定部位。pp同义同义同义同义t
24、RNAtRNA: :一种氨基酸可以有一种以上一种氨基酸可以有一种以上一种氨基酸可以有一种以上一种氨基酸可以有一种以上tRNAtRNA作为运载作为运载作为运载作为运载工具。通常把携带相同氨基酸而反密码子不同的一组工具。通常把携带相同氨基酸而反密码子不同的一组工具。通常把携带相同氨基酸而反密码子不同的一组工具。通常把携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNAtRNA称为同义称为同义称为同义称为同义tRNAtRNA. .pptRNAtRNA分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于分子上三个特定的碱基组成一个反密码子
25、，位于反密码子环上反密码子环上反密码子环上反密码子环上, ,这是这是这是这是tRNAtRNA与与与与mRNAmRNA的识别部位。的识别部位。的识别部位。的识别部位。13.4 蛋白质生物合成的分子机制13.4 .1 氨基酸的活化13.4 .2 在核糖体上合成多肽（一）肽链合成的起始13.4 .2 在核糖体上合成多肽（一）肽链合成的起始f fMMe et tt tR RN NA A启启启启动动动动蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质的的的的合合合合成成成成13.4 .2 在核糖体上合成多肽（一）肽链合成的起始13.4 .2 在核糖体上合成多肽（一）肽链合成的起始13.4 .2 在核糖体上合成多肽（二）肽链的延
26、长13.4 .2 在核糖体上合成多肽（二）肽链的延长13.4 .2 在核糖体上合成多肽（二）肽链的延长13.4 .2 在核糖体上合成多肽（二）肽链的延长13.4 .2 在核糖体上合成多肽（二）肽链的延长13.4 .2 在核糖体上合成多肽（三）肽链合成的终止和释放13.4 .2 在核糖体上合成多肽（三）肽链合成的终止和释放13.4 .2 在核糖体上合成多肽（三）肽链合成的终止和释放13.4 .2 在核糖体上合成多肽（三）肽链合成的终止和释放13.4 .2 在核糖体上合成多肽（三）肽链合成的终止和释放13.4 .2 在核糖体上合成多肽（三）肽链合成的终止和释放13.4 .3 肽链合成后的“加工处理
27、”13.4 .3 肽链合成后的“加工处理”13.4 .3 肽链合成后的“加工处理”13.4 .3 肽链合成后的“加工处理”13.4 .4 蛋白质合成所需要的能量每生成一个肽键消耗四个高能键： 1 1、氨基酸的、氨基酸的、氨基酸的、氨基酸的“ “活化活化活化活化” ”消耗二个高能键；消耗二个高能键；消耗二个高能键；消耗二个高能键； 2 2、氨酰、氨酰、氨酰、氨酰- -tRNAtRNA的的的的“ “进位进位进位进位” ”消耗一个高能键；消耗一个高能键；消耗一个高能键；消耗一个高能键； 3 3、肽酰、肽酰、肽酰、肽酰- -tRNAtRNA的的的的“ “移位移位移位移位” ”消耗一个高能键。消耗一个高能键。消耗一个高能键。消耗一个高能键。 合成一个100个氨基酸残基的多肽要消耗398个高能键 。第13章 蛋白质的生物合成
