7第十三章蛋白质的生物合成

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1、第十三章第十三章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成一一 遗传密码遗传密码遗传密码实际上是指mRNA中的核苷酸排列序列与蛋白质中的氨基酸排列序列的关系。一个三联体密码（密码子）决定着一个氨基酸。mRNA中共有64种密码子，AUG既是Met的密码，也是“起始”密码。UAA、UAG、UGA是终止密码。生物的遗传密码是通用的。在起始密码上游约10个核苷酸处，通常有一段富含嘌呤的序列，称为SD序列。SD序列使mRNA与小亚基结合。二二 核糖体核糖体 （一）核糖体是蛋白质合成的部位一）核糖体是蛋白质合成的部位（二）核糖体的组成和结构二）核糖体的组成和结构原核细胞的核糖体真核细胞的核糖体（三）核糖体的功能三

2、）核糖体的功能核糖体上有两个tRNA结合位点：肽链结合位（P位）和氨酰接受位（A位）。 原核生物核糖体原核生物核糖体 70S50S30S5S rRNA， 23S rRNA34种蛋白质种蛋白质16S rRNA21种蛋白质种蛋白质真核生物核糖体真核生物核糖体 80S60S40S5SrRNA，5.8SrRNA，28SrRNA49种蛋白质种蛋白质18SrRNA33种蛋白质种蛋白质三三 tRNA的功能的功能tRNA分子上与蛋白质合成有关的位点：1. 3端-CCA上的氨基酸接受位点。2. 识别氨酰-tRNA合成酶的位点。3. 核糖体识别位点，使延长中的肽链附着于核糖体上。4. 反密码子位点。第一套密码系统

3、、第二套密码系统第二套密码系统四四蛋白质生物合成的分子机制蛋白质生物合成的分子机制五五蛋白质合成的一般特征：蛋白质合成的一般特征：六六蛋白质生物合成的方向：蛋白质生物合成的方向：N端端C端端 mRNA的翻译方向：的翻译方向：53蛋白质合成除需要蛋白质合成除需要aa外，还需要外，还需要ATP、GTP，一系一系列酶列酶 和许多辅助因子。和许多辅助因子。 （一）氨基酸的激活一）氨基酸的激活ATP + HOOCCH(NH2)R APOCCH(NH2)R + PPiPAPOCCH(NH2)R + tRNA RCH(NH2)CO-tRNA + AMPP（三）肽链合成后的（三）肽链合成后的“加工处理加工处理

4、”（四）蛋白质合成所需的能量四）蛋白质合成所需的能量（五）活性肽合成的特征五）活性肽合成的特征3. 肽链合成的终止和释放肽链合成的终止和释放2. 肽链的延长肽链的延长1. 肽链合成的起始肽链合成的起始（二）在核糖体上合成多肽（二）在核糖体上合成多肽E.Coli蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 :1.氨基酸的活化：氨基酸的活化： 由高度特异的由高度特异的氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase)催化，反催化，反应分两步应分两步 总反应式总反应式 2肽链的起始：肽链的起始： mRNA中的中的起始密码是起始密码是AUG，少数是少数是GUG。 起始密码子的上

5、游约起始密码子的上游约10个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列称个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列称SD序列序列（Shine-Dalgarno序列），一般为序列），一般为310个核苷酸，它与核糖体个核苷酸，它与核糖体16srRNA 3端的核苷酸序列互补，可促使核糖体与端的核苷酸序列互补，可促使核糖体与mRNA的结合。的结合。 在在E.Coli和其它原核生物中与这起始密码和其它原核生物中与这起始密码（AUG）相对应的相对应的tRNA是甲酰甲硫氨酰是甲酰甲硫氨酰tRNA（fMet-tRNAf Met），），这是起始这是起始tRNA。 起始起始tRNA怎样形成？由甲硫氨酰怎样形成？由甲硫氨酰-

6、tRNA甲酰化甲酰化 tRNAMetMet-tRNA甲酰基转移酶甲酰基转移酶N10甲酰甲酰FH4FH4（fMettRNAf）甲酰基甲酰基Structure of N-formyl-methionyl-tRNAMetDifferences with other tRNAs 细胞内有细胞内有2种可携带种可携带Met的的tRNA，它们都识别同样的它们都识别同样的AUG密码子，但它们的一级结构和功能不同。密码子，但它们的一级结构和功能不同。 （2）tRNAmMet带上带上Met后不能甲酰化，用于肽链的内部，后不能甲酰化，用于肽链的内部，在肽在肽 链延伸中起作用。链延伸中起作用。 （1）tRNAf Me

7、t 带上带上Met后能甲酰化，是起始后能甲酰化，是起始tRNA，用用于肽链于肽链 合成的起始。合成的起始。 所以所以AUG和和GUG是兼职密码子，它们既可以作是兼职密码子，它们既可以作为起始密码子，作为肽链合成的起始信号，这时与之为起始密码子，作为肽链合成的起始信号，这时与之对应的氨基酸是甲酰对应的氨基酸是甲酰Met。另外也可作肽链内部相应另外也可作肽链内部相应aa的密码，这时的密码，这时AUG编码编码Met,GUG编码编码val。MetATP/ Mg 2+ +tRNAm MettRNAf MetMet-tRNAmMetMet-tRNAfMetfMet-tRNAfMetN10-Formylte

8、trahydrofolateTransformylaseAMP/Mg2+ PPiThe same aaRSAMP/Mg2+PPi 肽链合成的起始除了需要起始密码、肽链合成的起始除了需要起始密码、SD序序列、起始列、起始tRNA外还要三种起始因子（外还要三种起始因子（initiation factor），），即即IF-1， IF-2 和和IF-3，还要消耗还要消耗GTP，还需核糖体大小亚基参与，形成一个还需核糖体大小亚基参与，形成一个70S的真正起始复合物。的真正起始复合物。 inactive 70S ribosomeSD sequence30S initiation complex70S in

9、itiation complexGDP + Pi肽链的延长需要一些延长因子或称延伸因子肽链的延长需要一些延长因子或称延伸因子（elongation factor,EF） 原核生物的原核生物的EF有有EF-T和和EF-G两类两类: EF-T：延伸因子延伸因子“T”，开始误认为这类延开始误认为这类延伸因子有肽基转伸因子有肽基转 移酶的活性移酶的活性peptidyl transferase，所以取转所以取转移酶的第一个字移酶的第一个字 母母“T” 。3. 肽链的延长：肽链的延长： EF-T:是由是由Tu和和Ts两个亚基组成的二聚体，两个亚基组成的二聚体， EF-Ts：s是是stable的意思，是稳定

10、蛋白质，的意思，是稳定蛋白质， EF-Tu: u是是unstable，不稳定蛋白质。不稳定蛋白质。 EF-Tu直接参加了氨酰直接参加了氨酰-tRNA与核糖体的结与核糖体的结合。合。 EF-G：这类延伸因子与核糖体结合时需要这类延伸因子与核糖体结合时需要GTP，当当GTP水解时，这类延伸因子就从核水解时，这类延伸因子就从核糖体上解离下来，总之涉及糖体上解离下来，总之涉及 GTP，所以用所以用GTP的第一个字母的第一个字母“G”，EF-G。v 氨酰氨酰-tRNA进入核糖体的进入核糖体的A位位 v 肽键的形成肽键的形成 v 移位移位 肽链的延长包括肽链的延长包括3步步: 这是个比较复杂的过程，需这是

11、个比较复杂的过程，需Ts、Tu，还要还要 消消 耗耗GTP。EF-Tu与与GTP和氨酰和氨酰-tNRA首先形成三元首先形成三元 复合物，才能进入复合物，才能进入A位。位。 （1）氨酰）氨酰-tRNA进入核糖体的进入核糖体的A位位（2）肽键的形成）肽键的形成 通过一个转肽作用通过一个转肽作用（transpeptidation），），由肽酰转移酶由肽酰转移酶（peptidyl transferase）催化，使一个催化，使一个酯键变成了肽键，肽基转移酶的活性由酯键变成了肽键，肽基转移酶的活性由核糖体大亚基的核糖体大亚基的23s rRNA承担（肽基承担（肽基转移酶是一种转移酶是一种ribozyme）。

12、）。嘌呤霉素对嘌呤霉素对蛋白质的抑制作用就发生在肽键形成这蛋白质的抑制作用就发生在肽键形成这一步。一步。 （3）移位（）移位（translocation） 移位包括三种运动移位包括三种运动: 空载的空载的tRNA离开离开P位。位。 二肽基二肽基tRNA由由A位移到位移到P位位核糖体沿核糖体沿mRNA的的53方向方向 移动一个密码子的距离。移动一个密码子的距离。 移位需要移位需要EF-G和和GTP。4肽链的终止与释放：肽链的终止与释放： 释放因子（释放因子（release factor RF）能识别终止密码子与终止密码子结合。能识别终止密码子与终止密码子结合。UAARF1 or RF2终止密码子

13、终止密码子 RF-1：识别识别UAA和和UAG RF-2：识别识别UAA和和UGA RF-3：RF-3和和GTP形成复形成复 合物，是一种合物，是一种GTP结合蛋结合蛋 白，可促进核糖体与白，可促进核糖体与RF-1 和和RF-2的结合。的结合。 5多聚核糖体（多聚核糖体（polyribosome, or polysome） 五五 真核生物与原核生物蛋白质合成的差异真核生物与原核生物蛋白质合成的差异真核细胞蛋白质的生物合成与原核细胞相似，真核细胞蛋白质的生物合成与原核细胞相似，但过程更复杂，参加的因子更多。但过程更复杂，参加的因子更多。 1核糖体：核糖体： 真核细胞核糖体更大，为真核细胞核糖体更

14、大，为80S，可解离成可解离成60S和和40S两个亚基。两个亚基。 2起始起始tRNA： 真核生物也有二种携带真核生物也有二种携带Met的的tRNA，一种携带一种携带Met的的tRNA为起为起始始tRNA ，即即tRNAiMet，起始起始tRNA携带携带 Met后，并不甲酰化；另一后，并不甲酰化；另一种用于肽链内部的种用于肽链内部的tRNAMet。 3.起始密码子：起始密码子： 真核起始密码子总是真核起始密码子总是AUG，它的上游无它的上游无SD序列，通常把序列，通常把mRNA 上最靠近上最靠近5端的端的AUG定为起始部位定为起始部位, 40S核糖体与核糖体与 mRNA 5一一端的帽子相结合，

15、向端的帽子相结合，向3一方向移动，以便寻找一方向移动，以便寻找 AUG密码子，这密码子，这过程要消耗过程要消耗ATP。 真核细胞的起始因子很多，到目前为止发现真核细胞的起始因子很多，到目前为止发现的至少有的至少有10种，命名为种，命名为eIF-n，“e”代表真核，代表真核，有有eIF-1，eIF-2，eIF-2A，eIF-3，eIF4A、4B、4C、4D，eIF-5，eIF-6，其中其中eIF-2是最重要的是最重要的一种，它是一种帽结合蛋白质（一种，它是一种帽结合蛋白质（cap-binding protein）它与它与GTP与起始与起始tRNA结合形成三元结合形成三元复合物，起始翻译。复合物，

16、起始翻译。 4. 起始因子：起始因子： 真核细胞的延伸因子为真核细胞的延伸因子为EF-1和和EF-1r，相当于原核细胞中的相当于原核细胞中的EF-Tu和和EF-Ts。真核生真核生物的物的EF-2相当于原核生物的相当于原核生物的EF-G（EF-2能催能催化化GTP水解，供能，推动位移）。水解，供能，推动位移）。 真核细胞多肽合成的终止只有一种释放真核细胞多肽合成的终止只有一种释放因子因子eRF，可识别可识别3种终止密码子。种终止密码子。 5延伸因子和终止因子：延伸因子和终止因子：蛋白质合成总结蛋白质合成总结 需很多酶和辅助因子参需很多酶和辅助因子参需很多酶和辅助因子参需很多酶和辅助因子参加。加。

17、加。加。 需很多酶和辅助因子参需很多酶和辅助因子参需很多酶和辅助因子参需很多酶和辅助因子参加。加。加。加。 折叠和加工折叠和加工折叠和加工折叠和加工 终止密码终止密码终止密码终止密码 eRFeRF GTPGTP 终止密码终止密码终止密码终止密码 RF-1, RF-2, RF-3 RF-1, RF-2, RF-3 GTPGTP 肽链的终止和释放肽链的终止和释放肽链的终止和释放肽链的终止和释放 EF-1EF-1，EF-1rEF-1r，GTP GTP 肽酰转移酶肽酰转移酶肽酰转移酶肽酰转移酶 EF-2EF-2，GTPGTP EF-EF-TuTu，EF-Ts,GTPEF-Ts,GTP K K+, ,

18、肽酰转移酶肽酰转移酶肽酰转移酶肽酰转移酶 EF-GEF-G，GTPGTP 肽链的延长肽链的延长肽链的延长肽链的延长 （1 1）氨酰）氨酰）氨酰）氨酰tRNAtRNA的结的结的结的结合合合合 （2 2）肽键的形成）肽键的形成）肽键的形成）肽键的形成 （3 3）位移）位移）位移）位移 起始密码起始密码起始密码起始密码 Met-Met-tRNAtRNAi iMetMet eIF-1eIF-1eIF-6 eIF-6 GTP, ATPGTP, ATP 起始密码，起始密码，起始密码，起始密码，SDSD序列序列序列序列fMet-tRNAfMet-tRNA IF-1,IF-2,IF-3 IF-1,IF-2,I

19、F-3 GTPGTP 肽链起始肽链起始肽链起始肽链起始 氨酰氨酰氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶，合成酶，合成酶，合成酶，ATPATP，MgMg2+2+ 氨酰氨酰氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶，合成酶，合成酶，合成酶，ATPATP，MgMg2+2+ aaaa的活化的活化的活化的活化 真核生物所需因真核生物所需因真核生物所需因真核生物所需因子子子子 原核生物所需因原核生物所需因原核生物所需因原核生物所需因子子子子 过程过程过程过程（四）蛋白质生物合成所需的能量：（四）蛋白质生物合成所需的能量： 若要合成若要合成100个个aa组成的肽链要消耗多少能量？组成的肽链要消耗多少能量？ aa活化活化 1AT

20、P（2个个 键）键） 起始起始 1GTP（1个个 键）键） 延长延长 2GTP（2个个 键）键） 终止终止 1GTP（1个个 键）键）PPPP原核生物原核生物（五）肽链合成后的加工：（五）肽链合成后的加工： 1N端甲酰基或端甲酰基或N端端aa的除去：的除去： 原核生物原核生物 fMet - (aa) n Met(aa)n （aa）n or (aa)n-m 去甲酰基酶去甲酰基酶氨肽酶氨肽酶 多数情况下，在肽链合成中，即当肽链的多数情况下，在肽链合成中，即当肽链的N端游离出核端游离出核糖体后，立即进行去甲酰化。糖体后，立即进行去甲酰化。 真核生物真核生物N端端Met常常在肽链的其他部分还未完全合成

21、时常常在肽链的其他部分还未完全合成时, 就已经水解下来。就已经水解下来。2信号肽信号肽(signal peptide)的切除的切除 3. 二硫键的形成：二硫键的形成： 4. 氨基酸的修饰：氨基酸的修饰： 乙酰化、甲基化、磷酸化、羟基化、泛酸化、糖乙酰化、甲基化、磷酸化、羟基化、泛酸化、糖基化等基化等 5. 切去新生肽链中非功能所需的肽段：切去新生肽链中非功能所需的肽段： 如胰岛素原如胰岛素原胰岛素，胰蛋白酶原胰岛素，胰蛋白酶原胰蛋白酶，胰蛋白酶，胰凝乳胰凝乳 蛋白酶原蛋白酶原胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 6. 高级结构的形成：高级结构的形成： 蛋白质的一级结构决定高级结构，多肽链的折蛋白质的一级结

22、构决定高级结构，多肽链的折叠在肽链合成没有结束时就已经开始叠在肽链合成没有结束时就已经开始 （1）不需要分子伴侣（）不需要分子伴侣（molecular chaperone） （2）需要分子伴侣需要分子伴侣 （六）蛋白质的分拣（六）蛋白质的分拣（sorting）与定向输送与定向输送 多肽或蛋白质合成后要送往细胞的各个部分，以行使各自多肽或蛋白质合成后要送往细胞的各个部分，以行使各自的生物功能。的生物功能。 真核细胞质真核细胞质 核糖体合成的蛋白质核糖体合成的蛋白质 胞浆胞浆内质网内质网线粒体线粒体细胞核细胞核高尔基体高尔基体溶酶体溶酶体细胞膜细胞膜分泌到胞外分泌到胞外 原核生物如原核生物如E.C

23、oli合成的蛋白质合成的蛋白质 胞浆、质膜、外膜、胞浆、质膜、外膜、质膜与外膜之间的空隙。质膜与外膜之间的空隙。 为了能准确地运送蛋白质，在进化为了能准确地运送蛋白质，在进化过程中每种蛋白质形成了一种明确的过程中每种蛋白质形成了一种明确的地址标签（地址标签（address target），），细胞通细胞通过对蛋白质地址标签的识别进行运送，过对蛋白质地址标签的识别进行运送，这就是蛋白质的分拣或称分选这就是蛋白质的分拣或称分选（sorting）。）。 蛋白质的定向由蛋白质蛋白质的定向由蛋白质N端特殊的端特殊的aa序列序列信号肽信号肽决定的，决定的，1975年年Blobel和和Dobberstein

24、提出了信号肽学说提出了信号肽学说(signal peptide hypothesis)，由于由于Blobel在阐明蛋白在阐明蛋白质的分拣与定向中所作出的杰出贡献，因而质的分拣与定向中所作出的杰出贡献，因而获得了获得了1999年诺贝尔医学生理学奖。年诺贝尔医学生理学奖。 信号肽（信号肽（signal or leader sequence）：）：位于多肽链的位于多肽链的N端，长约端，长约1530个个 氨基酸序列，大部分为疏水性氨基酸，接近氨基酸序列，大部分为疏水性氨基酸，接近N端有几个正电荷的端有几个正电荷的Arg和和Lys。 信号肽识别颗粒（信号肽识别颗粒（signal recognition

25、particle, SRP） SRP是一个是一个RNA和蛋白质组成的复合物，由和蛋白质组成的复合物，由7SLRNA和和6种蛋白质组成。种蛋白质组成。 SRP受体（受体（SRP receptor）：）：是一个二聚体蛋白质，由是一个二聚体蛋白质，由亚基和亚基和-亚基亚基 组成。组成。 （七）蛋白质生物合成的抑制剂：（七）蛋白质生物合成的抑制剂： 许多抗菌素能抑制蛋白质的生物合成，如常用的许多抗菌素能抑制蛋白质的生物合成，如常用的氯霉素、链霉素、四环素等，它们能抑制原核细胞氯霉素、链霉素、四环素等，它们能抑制原核细胞如细菌的蛋白质的生物合成，可抑制细菌的生长，如细菌的蛋白质的生物合成，可抑制细菌的生长，但不抑制真核细胞蛋白质的生物合成，所以医学上但不抑制真核细胞蛋白质的生物合成，所以医学上可用作药物。可用作药物。 氯霉素（氯霉素（chlorampenicol） 链霉素（链霉素（streptomycin） 四环素（四环素（Tetracycline） 新霉素（新霉素（neomycin） 嘌呤霉素（嘌呤霉素（puromycin）