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1、是生物功能的载体是生物功能的载体 是生物功能的执行者是生物功能的执行者protein第十三章：蛋白质的生物合成第十三章：蛋白质的生物合成 1 遗传密码遗传密码 2 核糖体核糖体 3 转移转移RNA的功能的功能 4 蛋白质生物合成的分子机制蛋白质生物合成的分子机制 5 真核生物与原核生物真核生物与原核生物 蛋白质合成的差异蛋白质合成的差异 概述概述第十三章：蛋白质的生物合成第十三章：蛋白质的生物合成 概概 述述 mRNAPr就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译翻译(translation)。 碱基序列碱基序列氨基酸序列氨基酸序列蛋白质合成的方
2、向为蛋白质合成的方向为NC端。端。参与蛋白质生物合成的物质参与蛋白质生物合成的物质原料原料原料原料- - - -氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸mRNA-mRNA-mRNA-mRNA-模板模板模板模板tRNA-tRNA-tRNA-tRNA-运输氨基酸工具运输氨基酸工具运输氨基酸工具运输氨基酸工具合成场所合成场所合成场所合成场所- - - -核糖体核糖体核糖体核糖体酶及多种蛋白质因子酶及多种蛋白质因子酶及多种蛋白质因子酶及多种蛋白质因子ATPATPATPATP、GTPGTPGTPGTP 合成过程复杂合成过程复杂 参与成分多参与成分多一一、遗传信息的传递遗传信息的传递二、遗传密码二、遗传密码三、三、遗传密
3、码的特点遗传密码的特点1 遗传密码遗传密码(genetic code)一、遗传信息的传递一、遗传信息的传递DNAmRNA蛋白质数据记录数据记录图纸图纸楼房楼房你们看，你们看，你们看，你们看，我才有实用功能！我才有实用功能！我才有实用功能！我才有实用功能！ mRNA中的相邻的三个核苷酸组成的三联体代中的相邻的三个核苷酸组成的三联体代氨基酸就氨基酸就像电报中的阿拉伯字母代表文字一样像电报中的阿拉伯字母代表文字一样像电报中的阿拉伯字母代表文字一样像电报中的阿拉伯字母代表文字一样， 所以称三联体为所以称三联体为遗传密码遗传密码。 三联体密码子是三联体密码子是mRNA上三个连续的核苷酸上三个连续的核苷酸
4、二、遗传密码二、遗传密码遗传密码的破译遗传密码的破译：前后差不多经历了近7年的时间（1961年-1966年），Ochoa、Khorana 和Nirenberg是最主要的功臣。 遗传密码字典遗传密码字典起始、终止？起始、终止？ 遗传密码字典遗传密码字典 1.1.无标点符号，且相邻密码子互不重叠。2.简并性：简并性：指一种氨基酸对应着两个或更多个密码子。（有61个为20种标准氨基酸编码）。在64组密码子中，有61个为氨基酸密码子。但是标准氨基酸有20种）。 AUG是起始密码；UAG、UAA、UGA是终止密码子，它们不代表任何氨基酸。三、遗传密码的特点三、遗传密码的特点氨基酸密码子的兼并性氨基酸密码
5、子的兼并性氨基酸氨基酸密码子数密码子数AlaArgAsnAspCysGlnGluGlyHisIle4622222423氨基酸氨基酸密码子数密码子数LeuLysMetPheProSerThrTrpTyrVal6212464124降低突变率降低突变率 3.变偶性（摇摆性）变偶性（摇摆性）tRNA反密码子与密码子配对第一位、二位碱基反密码子与密码子配对第一位、二位碱基严格，严格，第三位碱基可变的第三位碱基可变的现象现象变偶性变偶性。 同义密码子：同义密码子：对应于同一种氨基酸的不同密码子。对应于同一种氨基酸的不同密码子。大多数同义密码子大多数同义密码子差别在第三位差别在第三位核苷酸。核苷酸。密码子可
6、用密码子可用XY UC 或或 XYAG 表示。即第三个核苷酸表示。即第三个核苷酸的专一性较差。的专一性较差。 密码的变偶性（摆动性）密码的变偶性（摆动性）次黄嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤 I反义密码子与密码子之间的碱基配对反义密码子与密码子之间的碱基配对 反义密码子第一位碱基反义密码子第一位碱基 密码子第三位碱基密码子第三位碱基 A U C G G U或或C U A或或G I U、C或或A 通用性：通用性：原核和真核生物共使用同一套遗传密码。原核和真核生物共使用同一套遗传密码。原核和真核生物共使用同一套遗传密码。原核和真核生物共使用同一套遗传密码。 这也是转基因的基础。 但自80年代研究发现
7、人、牛和酵母线粒体内人、牛和酵母线粒体内: UGA由终止密码由终止密码色氨酸色氨酸 AUA由异亮氨酸由异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸 CUA由亮由亮苏氨酸苏氨酸特例特例特例特例: : : :4.密码的通用性和变异性密码的通用性和变异性 密码的防错系统密码的防错系统 密码表是一个故障密码表是一个故障-安全系统：安全系统： 密码的编排具有防错功能，密码子中碱基顺序与其相密码的编排具有防错功能，密码子中碱基顺序与其相应的氨基酸物理化学性质有着巧妙关系。密码子中第应的氨基酸物理化学性质有着巧妙关系。密码子中第二位碱基决定其氨基酸极性。二位碱基决定其氨基酸极性。中间碱基是中间碱基是U,编码的氨基酸是非极性、疏
8、水的和支链编码的氨基酸是非极性、疏水的和支链的，常在球蛋白的内部。的，常在球蛋白的内部。中间碱基是中间碱基是C,编码的氨基酸是非极性或不带电荷的极编码的氨基酸是非极性或不带电荷的极性侧链。性侧链。中间碱基是中间碱基是A或或G，相应氨基酸具有亲水性，在球蛋，相应氨基酸具有亲水性，在球蛋白的外周。白的外周。第一位碱基是第一位碱基是A或或C,第二位碱基是第二位碱基是A或或G,第三位碱基第三位碱基可以是任意的，相应氨基酸具有亲水侧链并有碱性。可以是任意的，相应氨基酸具有亲水侧链并有碱性。前两位是前两位是AG,第三位碱基是任意的，相应氨基酸为酸第三位碱基是任意的，相应氨基酸为酸性氨基酸。性氨基酸。 2
9、核糖体核糖体(ribosome)（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（三）核糖体的功能（三）核糖体的功能核糖体是蛋白质合成的部位核糖体是蛋白质合成的部位 早在早在1950年放射性同位素标记的氨基酸注射年放射性同位素标记的氨基酸注射到大白鼠体内等到大白鼠体内等一系列实验结果清楚地指出一系列实验结果清楚地指出 核糖体是细胞内蛋白质合成的部位核糖体是细胞内蛋白质合成的部位核糖体的组成和结构核糖体的功能核糖体的功能蛋白质合成的工厂蛋白质合成的工厂催化蛋白质合成催化蛋白质合成 Paul Zamecnik 核糖体是蛋白质生物合成的场所
10、核糖体是蛋白质生物合成的场所核糖体核糖体核糖体核糖体结合位点结合位点结合位点结合位点行使翻译功能行使翻译功能行使翻译功能行使翻译功能 的核糖体的核糖体的核糖体的核糖体核糖核蛋白体核糖核蛋白体概述多多聚聚核核糖糖体体3 转移转移RNA的功能的功能 2. tRNA是遗传信息的转换器是遗传信息的转换器 3. tRNA靠靠两个活性部位两个活性部位实现翻译实现翻译 1. tRNA是氨基酸的运载工具是氨基酸的运载工具tRNA是真正的翻译者是真正的翻译者 tRNA通过两个活性部位转运氨基酸通过两个活性部位转运氨基酸 Mahlon Hoagland发现了发现了tRNAtRNA转运活化的氨基酸至转运活化的氨基酸
11、至mRNA模板上模板上mRNA和tRNA结合模式图4 蛋白质生物合成的分子机制蛋白质生物合成的分子机制（一）氨基酸的激活（一）氨基酸的激活（二）在核糖体上合成多肽（二）在核糖体上合成多肽（三）肽链合成后的（三）肽链合成后的“加工处理加工处理”（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4 蛋白质生物合成的分子机制蛋白质生物合成的分子机制 （一）氨基酸的激活（一）氨基酸的激活氨基酸的活化氨基酸的活化 包括：肽链合成的包括：肽链合成的起始、延长、终止和释放起始、延长、终止和释放等等(大肠杆菌大肠杆菌)。1.肽链合成的起始肽链合成的起始起始复合体的
12、形成起始复合体的形成 需要需要30S核糖体亚基、核糖体亚基、 50S亚基、亚基、 mRNA、 甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA、起始因子、起始因子IF1 IF2 IF3、 GTP 的参与。的参与。 （二）在核糖体上合成多肽链（二）在核糖体上合成多肽链 参与大肠杆菌的起始因子有三个：参与大肠杆菌的起始因子有三个： IF-1IF-1和和IF-2:IF-2:促进促进tRNAtRNAfMetfMet,mRNA,30S,mRNA,30S小亚基结合。小亚基结合。 IF-3: IF-3:使已完成合成的核糖体大小亚基解聚。使已完成合成的核糖体大小亚基解聚。 真核生物的起始因子更多，至少有九个：真核生物的起始因子更多
13、，至少有九个： eIF-1,eIF-2,. eIF-1,eIF-2,.（起始复合体的形成）（起始复合体的形成） 1. .肽链合成的起始肽链合成的起始30S亚基亚基 mRNA IF3- IF1复合物复合物30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物复合物70S起始复合物起始复合物codoncodonanticodonanticodonA A位位位位P P位位位位 mRNA +30S亚基亚基-IF3A A A A位位位位IF-35 5 3 3 IF2GTPP P P P位位位位IF3 IF2 IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S50S亚基亚基IF2+ I
14、F1+GDP+PiIF-1IF170S起始起始复合物复合物肽链合成的肽链合成的起始起始万事俱备万事俱备只待延长！只待延长！肽键的形成，增加氨基酸肽键的形成，增加氨基酸在延长因子在延长因子EFTu和和EFTs和和GTP的作用下：的作用下：（1）进位（）进位（Entry）（2）转肽）转肽(transpeptidation) （脱落）（脱落）（3）移位（）移位（translocation）循环一次，延长一个氨基酸。循环一次，延长一个氨基酸。*2.肽链的延长肽链的延长在氨基酸的掺入过程中有在氨基酸的掺入过程中有3个重复的延伸反应：个重复的延伸反应： 当起始复合物形成以后，肽链的合成即进入延伸当起始复合
15、物形成以后，肽链的合成即进入延伸阶段，延伸阶段所发生的主要事件是阶段，延伸阶段所发生的主要事件是进位、转肽进位、转肽和移位和移位且不断的循环。且不断的循环。过程：过程：（1 1）进位）进位 一个新的氨酰一个新的氨酰-tRNA-tRNA 进入进入A A位位参与：参与：延长因子延长因子Tu、TsGTP进位进位（2 2 2 2） 转肽转肽转肽转肽(transpeptidation)(transpeptidation)转肽酶转肽酶催化催化P P位上的位上的位上的位上的fMet(fMet(肽酰基肽酰基肽酰基肽酰基) )转入转入转入转入A A位，形成位，形成位，形成位，形成肽键肽键肽键肽键。 脱落：空载的
16、脱落：空载的脱落：空载的脱落：空载的tRNA随之随之随之随之脱落脱落脱落脱落，离开，离开，离开，离开核糖体。核糖体。核糖体。核糖体。 怎样成键？怎样成键？转肽（3 3）移位）移位）移位）移位核糖体沿核糖体沿mRNA 链链 5 3 方向移动一方向移动一个密码子距离，个密码子距离，移位1 12 21 12 22 23 32 23 3进位进位进位进位肽键形成肽键形成肽键形成肽键形成移位移位移位移位进位进位进位进位(TuTs)(TuTs)GTPGTPGTPGTPN-N-端端端端2 23 35 5 3 3 C-C-端端端端肽键形成肽键形成肽键形成肽键形成1 15 5 3 3 （EF-GEF-G） 肽链的
17、延长肽链的延长当当A位进入终止密码位进入终止密码（UAA,UGA,UAG）时，即宣告翻译终止。时，即宣告翻译终止。原核生物中有三种原核生物中有三种释放因子释放因子(release factors RF); 在在RF-3的辅助下，释放因子的辅助下，释放因子RF-1（识别（识别UAA或或UAG密码子）密码子）或或RF-2（识别（识别UGA密码子）与核糖体结合，密码子）与核糖体结合， 这种识别过程需要GTP并改变了核糖体的构象，肽酰转移酶的功能发生瞬时变化，转变成酯酶功能，将连接肽链与P位点tRNA的肽酰酯键水解开，肽链从核糖体上释放，mRNA与tRNA解离，核糖体大小亚基解体。离开了离开了mRNA
18、的核糖体的核糖体又可重新参与参与新的翻译。又可重新参与参与新的翻译。各种成分各种成分 分道扬镳分道扬镳3.终止与释放终止与释放3.终止与释放终止与释放 3、肽链合成的终止和释放、肽链合成的终止和释放多聚核糖体：多聚核糖体：1.去去头头：脱脱甲甲酰酰基基酶酶催催化化水水解解除除去去N端端的的甲甲酰酰基基(细细菌菌) 再再切切去去一一个个或或多多个个N端端氨氨基基酸酸。(在在真真核核生生物物中中，N端端的的甲甲硫硫氨氨酸酸常常常常在在肽肽链链的的其其他他部部分分还还未未完完全全合合成成时时就已经水解下来就已经水解下来)。2.合合成成信信号号肽肽：某某些些蛋蛋白白质质在在氨氨基基末末端端额额外外生生
19、成成15-30个个氨氨基基酸酸组组成成的的信信号号序序列列(信信号号肽肽)，用用以以引引导导蛋蛋白白质质的定部位。最后由特异的肽酶切除。的定部位。最后由特异的肽酶切除。3.氨氨基基酸酸羟羟基基的的磷磷酸酸化化：某某些些蛋蛋白白质质氨氨酸酸残残基基中中的的羟基羟基羟基羟基可通过酶促磷酸化（酶被活化等）。可通过酶促磷酸化（酶被活化等）。 (三三)肽链合成后的肽链合成后的“加工处理加工处理”4. 4.胱氨酸的生成胱氨酸的生成胱氨酸的生成胱氨酸的生成: :两个半胱氨酸通过二硫键形成。两个半胱氨酸通过二硫键形成。5. 5.某些氨基酸的侧链的专一性的改变。某些氨基酸的侧链的专一性的改变。某些氨基酸的侧链的
20、专一性的改变。某些氨基酸的侧链的专一性的改变。6. 6.去掉部分肽段：去掉部分肽段：去掉部分肽段：去掉部分肽段：专一性的蛋白酶水解专一性的蛋白酶水解7. 7.多肽链之间以及多肽链与辅助成分之间的缔合：多肽链之间以及多肽链与辅助成分之间的缔合：多肽链之间以及多肽链与辅助成分之间的缔合：多肽链之间以及多肽链与辅助成分之间的缔合：结合蛋结合蛋结合蛋结合蛋白质白质白质白质由多个肽链与其他辅助成分由多个肽链与其他辅助成分(如脂类、核酸、血红素如脂类、核酸、血红素等等)结合形成有活性的蛋白质。结合形成有活性的蛋白质。8.8.新生多肽链折叠成有活性的构象：新生多肽链折叠成有活性的构象：新生多肽链折叠成有活性
21、的构象：新生多肽链折叠成有活性的构象：生物体内蛋白质多肽生物体内蛋白质多肽链的准确折叠和组装过程需要辅助蛋白质参与。链的准确折叠和组装过程需要辅助蛋白质参与。 指与指与新生多肽链或部分折叠的蛋白质结合，参与其新生多肽链或部分折叠的蛋白质结合，参与其 准确折叠和组装的准确折叠和组装的辅助蛋白质，也称辅助蛋白质，也称监护蛋白监护蛋白。功能：功能：（1）诱发多肽链折叠成正确构象，）诱发多肽链折叠成正确构象，（2）加速折叠或组装成天然构象的进程。）加速折叠或组装成天然构象的进程。（3）无序列偏爱性。）无序列偏爱性。ATP供能，供能，分子伴侣一旦与新生多肽结合，就可以通过设置的障分子伴侣一旦与新生多肽结
22、合，就可以通过设置的障碍碍来来阻阻止止错错误误的的装装配配或或通通过过降降低低正正确确装装配配所所需需的的活活化化能能，以促进多肽链的折叠。以促进多肽链的折叠。 分子伴侣分子伴侣每形成一个肽键至少需要每形成一个肽键至少需要4个高能键：个高能键：1. 每一分子氨酰每一分子氨酰-tRNA的形成需要两个高能磷酸基团。的形成需要两个高能磷酸基团。2. 在延长过程中有一分子在延长过程中有一分子GTP水解成水解成GDP。3.在移位过程中又有一分子在移位过程中又有一分子GTP水解，水解，4. 5. 蛋白质合成反应实际上是不可逆的。大量的能量消蛋白质合成反应实际上是不可逆的。大量的能量消用于保证用于保证mRN
23、A的遗传信息翻译成蛋白质的氨酸序列的遗传信息翻译成蛋白质的氨酸序列的准确性的准确性。 （四）（四） 蛋白质合成所需的能量蛋白质合成所需的能量人体大多活性肽由非活性前体经加工而来。人体大多活性肽由非活性前体经加工而来。加工内容：加工内容：加工内容：加工内容：链的裂解、酰化、乙酰化、糖基化和硫酯链的裂解、酰化、乙酰化、糖基化和硫酯化等。化等。活性肽生物合成途径的两个特征：活性肽生物合成途径的两个特征：活性肽生物合成途径的两个特征：活性肽生物合成途径的两个特征： (1)(1)由由起起始始位位的的甲甲硫硫氨氨酸酸残残基基领领先先合合成成至至2020肽肽左左右右的的信信号号肽肽片片段段。信信号号肽肽最最
24、后后被被内内质质网网腔腔膜膜上上的的信信号号肽肽酶酶除除去去。信信号号肽肽酶酶裂裂解解位位点点往往往往是是信信号号肽肽的的羧羧基基端端残残基基与与丙丙氨酸或甘氨酸或丝氨酸形成的肽键；氨酸或甘氨酸或丝氨酸形成的肽键； （五）活性肽合成的特征（五）活性肽合成的特征 (2)形形成成的的激激素素原原前前体体转转移移到到高高尔尔基基体体复复合合体体区区域域进进行行选选择择性性酶酶促促加加工工。酶酶切切位位点点往往往往为为配配对对的的碱碱性性氨氨基基酸酸残残基基的的序序列列，尤尤其其以以Lys-Arg为为主主，尚有尚有ArgLys，LysLys，Arg-Arg。 （五）活性肽合成的特征（五）活性肽合成的特
25、征 5 真核生物与原核生物蛋白质真核生物与原核生物蛋白质 合成的差异合成的差异 机制基本相似，参与的因子更多，更复杂。机制基本相似，参与的因子更多，更复杂。 1.真核起始：真核起始： 甲硫甲硫氨酰氨酰tRNA，eIF-2和和GTP先形成起始先形成起始 复合物。复合物。 2.延伸与终止：延伸与终止： 真核蛋白质合成延伸及终止过程与原核类似，相真核蛋白质合成延伸及终止过程与原核类似，相应的因子见表。应的因子见表。因子因子真核生物真核生物原核生物原核生物 功能功能延伸因子延伸因子EF-1 EF-1 EF-TuEF-Tu，EF-EF-TsTs协助氨基酰协助氨基酰tRNAtRNA进入进入A A位，并与位，并与GTPGTP结合结合延伸因子延伸因子EF-2EF-2EF-GEF-G转位酶，使转位酶，使mRNAmRNA前移，前移，原原A A位变为位变为P P位，空载位，空载tRNAtRNA释放释放终止因子终止因子eRFeRFRF-1,RF-RF-1,RF-2,RF-32,RF-3肽链合成终止肽链合成终止
