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1、生物化学生物化学CAICAI课件课件A A第第11 11章章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成作者 高新旺 祁新芝河南省周口卫校目录目录参与蛋白质生物合成的物质参与蛋白质生物合成的物质蛋白蛋白质生物合成生物合成过程程重点内容：三种重点内容：三种RNARNA在蛋白质生物合成在蛋白质生物合成中的作用、核蛋白体循环中的作用、核蛋白体循环学学习目的目的复复习题学习目的1.简述三种RNA在蛋白质生物合成中的作用。2.写出蛋白质合成的步骤和核蛋白体循环的阶段。3.图示基因支配子调理。学时分配：2学时第一第一节参与蛋白参与蛋白质生物合成的物生物合成的物质参与蛋白参与蛋白质生物合成的物生物合成的物质有：有：m
2、RNA：作：作为蛋白蛋白质生物合成的模板，决生物合成的模板，决议多多肽链中氨基酸的中氨基酸的陈列列顺序；序；tRNA：搬运氨基酸的工具；：搬运氨基酸的工具；rRNA：与蛋白：与蛋白质结合合为核蛋白体，是蛋白核蛋白体，是蛋白质生物合成的生物合成的场所；所；酶及其他蛋白及其他蛋白质因子；因子；供能物供能物质及无机离子。及无机离子。一、一、mRNA作为指点蛋白质生物合成的模板作为指点蛋白质生物合成的模板mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码，共有密码，共有64种不同的密码。其中种不同的密码。
3、其中AUG编码甲编码甲硫氨酸，又可作为蛋白质合成的起始信号，称硫氨酸，又可作为蛋白质合成的起始信号，称为起始密码。而为起始密码。而UAA、UAG、UGA不编码任何不编码任何氨基酸，只作为肽链合成的终止信号，称为终氨基酸，只作为肽链合成的终止信号，称为终止密码见下页密码表止密码见下页密码表。遗传密码表遗传密码表UCAG缬缬GUU缬缬GUC缬缬GUA缬缬GUG丙丙GCU丙丙GCC丙丙GCA丙丙GCG天冬氨天冬氨GAU天冬氨天冬氨GAC谷谷GAA谷谷GAG第一核苷酸第一核苷酸5第二核苷酸第二核苷酸第三核苷酸第三核苷酸3UCAGUCAG苯丙苯丙UUU苯丙苯丙UUC亮亮UUA亮亮UUG亮亮CUU亮亮CU
4、C亮亮CUA亮亮CUG异亮异亮AUU异亮异亮AUC异亮异亮AUA甲硫甲硫AUG丝丝UCU丝丝UCC丝丝UCA丝丝UCG脯脯CCU脯脯CCC脯脯CCA脯脯CCG苏苏ACU苏苏ACC苏苏ACA苏苏ACG酪酪UAU酪酪UA终止终止UAA终止终止UAG组组CAU组组CAC谷氨谷氨CAA谷氨谷氨CAG天冬天冬AAU天冬天冬AAC赖赖AAA赖赖AAG半胱半胱UGU半胱半胱UGC终止终止UGA色色UGG精精CGU精精CGC精精CGA精精CGG丝丝AGU丝丝AGC精精AGA精精AGGUCAGUCAGUCAG甘甘GGU甘甘GGC甘甘GGA甘甘GGG二、二、tRNA在氨基酸在氨基酸tRNA合成合成酶催化下，特定催
5、化下，特定的的tRNA可与相可与相应的的氨基酸氨基酸结合，生成氨合，生成氨基基酰tRNA，从而携，从而携带氨基酸参与蛋白氨基酸参与蛋白质的生物合成。的生物合成。tRNA的反密的反密码可以可以识别mRNA上相上相应的密的密码见下下页图。反密反密码对密密码的的识别，通常也是根，通常也是根据碱基互据碱基互补原那么，即原那么，即A对U，G对C。可以可以识别mRNA中中5端起端起动密密码AUG的的tRNA是一种特殊的是一种特殊的tRNA，称，称为起起动tRNA。在原核生物中，起。在原核生物中，起动tRNA是一种携是一种携带甲甲酰蛋氨酸的蛋氨酸的tRNA；而在真；而在真核生物中，起核生物中，起动tRNA是
6、一种携是一种携带蛋氨酸蛋氨酸的的tRNA。在原核生物和真核生物中，均在原核生物和真核生物中，均存在另一种携存在另一种携带蛋氨酸的蛋氨酸的tRNA，识别非非起起动部位的蛋氨酸密部位的蛋氨酸密码，AUG。以下图：密码子与反密码子的碱基配对ACAUAC蛋535反密码蛋氨酰tRNAmRNAAUGGUU三、rRNA和核蛋白体真核生物中的核蛋白体大小为真核生物中的核蛋白体大小为80S，分为，分为40S小亚基和小亚基和60S大亚基。小亚基由大亚基。小亚基由18SrRNA和和30多种蛋白质构成，大亚基那么由多种蛋白质构成，大亚基那么由5SrRNA、28SrRNA和和50多种蛋白质构成如以下图。多种蛋白质构成如
7、以下图。大亚基小亚基上图：核蛋白体表示图给位给位 受位受位核蛋白体的大、小亚基具有不同的功能：核蛋白体的大、小亚基具有不同的功能：1小小亚基：可与基：可与mRNA、GTP和起和起动tRNA结合。合。2大大亚基：基：具有两个具有两个tRNA结合点。合点。A位位受位，受位，可与新可与新进入的氨基入的氨基酰tRNA结合；合；P位位给位，可与位，可与延伸中的延伸中的肽酰基基tRNA结合。合。具有具有转肽酶活性：将活性：将给位上的位上的肽酰基基转移移给受位上受位上的氨基的氨基酰tRNA，构成，构成肽键。具有具有GTP酶活性，水解活性，水解GTP，获得能量。得能量。具有起具有起动因子、延伸因子及因子、延伸
8、因子及释放因子的放因子的结合部位。合部位。在蛋白在蛋白质生物合成生物合成过程中，程中，经常由假常由假设干核蛋白体干核蛋白体结合在同一合在同一mRNA分子上，同分子上，同时进展翻展翻译，每两个相，每两个相邻核核蛋白体之蛋白体之间存在一定的存在一定的间隔，构成念珠状构造，称隔，构成念珠状构造，称为多多核蛋白体循核蛋白体循环见下下页图。3mRNA5以下图：多核蛋白体循环给位给位 受位受位四、起动因子四、起动因子IF这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。在真核生物中存在子。在真核生物中存在9种起动因子种起动因子eIF。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动其作用主要
9、是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板及模板mRNA结合。结合。 五、延伸因子五、延伸因子EF 真核生物中存在真核生物中存在2种种EF1，EF2。其作。其作用主要促使氨基酰用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。可促进移位过程。 七、氨基酰七、氨基酰tRNA合成酶合成酶该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰及氨基酰tRNA的合成有关。每种氨基酰的合成有关。每种氨基酰tRNA合合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具具有高度特异性，这是保证有高度特异性，这是保证tR
10、NA可以携带正确的氨可以携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。基酸对号入座的必要条件。 六、释放因子六、释放因子RF 其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。释放。八、供能物质和无机离子八、供能物质和无机离子多多肽链合成合成时，需，需ATP、GTP作作为供能物供能物质，并需，并需Mg2+、K+参与。参与。氨基酸活化氨基酸活化时需消需消耗耗2分子高能磷酸分子高能磷酸键，肽键构成构成时又耗又耗费2分子分子高能磷酸高能磷酸键，故，故缩合一分子氨基酸残基需耗合一分子氨基酸残基需耗费4分子高能磷酸分子高能磷酸键。第二节第二节蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 蛋
11、白蛋白质生物合成生物合成过程包括三大步程包括三大步骤：氨基酸的活化与搬运；氨基酸的活化与搬运；活化氨基酸在核蛋白体上的活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；合；多多肽链合成后的加工修合成后的加工修饰。 一、氨基酸的活化与搬运一、氨基酸的活化与搬运氨基酸与氨基酸与tRNA结合为氨基酰结合为氨基酰tRNA的过的过程称为氨基酸的活化，由氨基酰程称为氨基酸的活化，由氨基酰-tRNA合成酶合成酶催化完成。其反响过程为：催化完成。其反响过程为：氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATPAMP + PPi在此反响中，特异的在此反响中，特异的tRNA3端端CCA上的上的2或或
12、3位自在位自在羟基与相基与相应的活化氨基酸以的活化氨基酸以酯键相相衔接，构成氨基接，构成氨基酰tRNA，从而使活化，从而使活化氨基酸可以被搬运至核蛋白体上参与多氨基酸可以被搬运至核蛋白体上参与多肽链的的合成。合成。二、核蛋白体循环二、核蛋白体循环活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进展。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻白体上进展。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的反响过上的密码并缩合生成多肽链的反响过程，称为核蛋白体循环。程，称为核蛋白体循环。核蛋白体循环过程可核蛋白体循环过程可分为起动、延伸和终止三个阶段，这三个阶段分为起
13、动、延伸和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以引见。的过程加以引见。一起动阶段一起动阶段在起动因子和在起动因子和GTP的参与下，小亚基先与的参与下，小亚基先与mRNA的起动部位结合，然后蛋氨酰的起动部位结合，然后蛋氨酰-tRNA经过经过其反密码与其反密码与mRNA上起始密码互补识别而结合，上起始密码互补识别而结合，最后大亚基与小亚基结合构成蛋白质生物合成的最后大亚基与小亚基结合构成蛋白质生物合成的起始复合体见下页图起始复合体见下页图。以下图：蛋白质生物合成的起始阶段以下图：蛋白质生物合成的起始阶段mRNA A U G
14、 蛋白质生物合成的起始复合物小亚基起3、13A C AmRNA53小亚基蛋氨酰-tRNAGTP起25大亚基GDP + Pi给位 A U G A C A小亚基蛋U A C蛋 A U G A C A53小亚基受位蛋U A C二肽链延伸阶段二肽链延伸阶段1进位位与与mRNA下一个密下一个密码相相对应的氨基的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位。此步入核蛋白体的受位。此步骤需需GTP，Mg2+，和和EF参与。参与。2转肽在在转肽酶的催化下，将的催化下，将给位上的位上的tRNA所携所携带的甲的甲酰蛋氨蛋氨酰基或基或肽酰基基转移到受位上的氨基移到受位上的氨基酰tRNA上，与其上，与其-氨基氨基缩合构成合构成肽
15、键。此步。此步骤需需Mg2+，K+。给位上已失去蛋氨位上已失去蛋氨酰基或基或肽酰基的基的tRNA从核蛋白上零落。从核蛋白上零落。3移位移位核蛋白体向核蛋白体向mRNA的的3-端滑端滑动相当于相当于一个密一个密码的的间隔，同隔，同时使使肽酰基基tRNA从受体移到从受体移到给位。此步位。此步骤需需EF延伸因子、延伸因子、GTP和和Mg2+参与。参与。此此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相相对应的的氨基氨基酰tRNA即可再即可再进入，反复以上循入，反复以上循环过程，使多程，使多肽链不断延伸不断延伸见下下5页图。以下图：肽链合成的延伸阶段 1蛋白质生物合成的起始复合
16、物给位 A U G A C A5小亚基受位蛋U A C3苏U G UGTPGDP+Pi延1进位以下图：肽链合成的延伸阶段 2给位蛋 A U G A C AG U UU A C5mRNA苏U G UU G U受位3Mg2+ K+转肽以下图：肽链合成的延伸阶段 3 GDP+PimRNA蛋 A U G A C AG U U给位U A C5苏U G U受位3U A CGTP延2移位 A U G A C AG U UU G UU G U以下图：肽链合成的延伸阶段 4给位 A U G A C AG U U5mRNA蛋苏U G UU G U受位3多次反复上述三个步骤缬缬C A AC A A以下图：肽链合成的
17、延伸阶段 5以下图：肽链合成的延伸阶段 5mRNAU A A53U A CA U G终止密码mRNAU A A53A U GA U G终止密码 三肽链合成的终止阶段 核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延伸，直到终止信号进入受位。 1识别 RF终止因子识别终止密码，进入核蛋白体的受位。 2水解 RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。 3解离 经过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分别，tRNA、RF零落，核蛋白体解离为大、小亚基见下3页图。以下图：肽链合成的终止阶段 1mRNAU A A53U A CA U GA U G终识别以下图：肽链合成的终止阶段 2以下图
18、：肽链合成的终止阶段 2以下图：肽链合成的终止阶段 2以下图：肽链合成的终止阶段 2mRNAU A A53A U G终多肽链水解mRNAU A A53U A CA U G终多肽链水解mRNAU A A53A U G终多肽链水解mRNAU A A53A U GA U G终多肽链水解mRNA3U A AU A CA U GA U G终A U G终U A AU A CmRNA小亚基大亚基肽链合成的终止阶段 3解离三、多肽链合成后的加工修饰三、多肽链合成后的加工修饰 一一级构造的加工修饰： 1N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除 N端甲酰蛋氨酸，必需在多肽链折迭成一定的空间构造之前被切除。 2氨基酸的修饰 由
19、专注性的酶催化进展修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。 3二硫键的构成 由专注性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。 4肽段的切除 由专注性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。 甲酰蛋氨酸-肽 甲酸+蛋氨酸-肽甲酰化酶蛋氨酰-肽 蛋氨酸+肽蛋氨酸氨基肽酶二高级构造的构成二高级构造的构成1构象的构成：多肽链合成构象的构成：多肽链合成后，经过卷曲、折叠后，经过卷曲、折叠构成特定的构成特定的空空间构象。间构象。2亚基的聚合亚基的聚合3辅基的衔接辅基的衔接四、蛋白质生物合成的调理四、蛋白质生物合成的调理 人体的各种细胞都是从一个受精卵发育分化而来的 ，其遗传信息都来自受精卵固有的DNA。为什么发
20、育过程分化成不同的组织细胞呢？这是由于发育过程中DNA有不同的表达、合成不同的蛋白质、从而构成不同的组织细胞。而且有些蛋白质是构造蛋白质，另一些是有生物活性的功能蛋白质。即使同一组织内在不同发育阶段也会有不同的功能蛋白质。例如，成人血红蛋白由两条-链和两条-链组成。自然，不同细胞合成的不同蛋白质，例如胰岛-细胞合成胰岛素而-细胞合成胰高血糖素。这阐明在遗传信息指点下的蛋白质生物合成是受精卵调理和控制的。即使曾经合成的新生蛋白质，也要运送到特定的细胞部位而这种运送也是受控制的。 蛋白质合成依赖于正确的遗传信息的转录，遗传信息的翻译和营养物质的合理供应。现将转录程度和翻译程度的蛋白质合成的调理分别
21、简述如下： 一转录程度的调理 细胞内基因不是同时全处于活动形状，只是那些解除了组蛋白对DNA某个片断的封锁的部位才干表达，即进展复制和转录。转录过程是受支配子控制的。支配子指DNA分子中的一个片段，是转录单位。它含有起动基因、支配基因和构造基因，可作为转录的模版，指点mRNA的合成。起动基因是RNA聚合酶与DNA结合并转录的部位。支配基由于控制RNA聚合酶向构造基因挪动的部位。当阻遏蛋白结合到支配基因上时，RNA聚合酶的挪动即被阻断，从而阻止转录的进展，间接影响蛋白质的合成。 在支配子前端有调理基因。它含有合成阻遏蛋白的遗传信息，可作为模版转录出mRNA并指点阻遏蛋白的合成。诱导物某些代谢物或
22、外源性化学物质能特异地与阻遏蛋白结合，引导阻遏蛋白的变构，使之不能在与支配基因结合，于是在起动基因上的RNA聚合酶即可挪动到构造基因上，开场转录并合成mRNA,从而促进蛋白质合成见下两页图。基因支配子调理表示图1调理基因启动基因支配基因构造基因转录翻译阻遏蛋白支配子RNA聚合酶阻遏蛋白阻挠支配基因，构造基因不起作用mRNA基因支配子调理表示图2mRNA调理基因启动基因支配基因构造基因诱导物-阻遏蛋白结合物支配子RNA聚合酶诱导物 诱导物与阻遏蛋白结合，阻遏蛋白不起阻挠作用，构造基因发生作用调理基因启动基因支配基因构造基因支配子阻遏蛋白转录二翻译程度的调理 翻译程度的调理较为复杂，对其普遍规律也
23、了解不多。已发现兔网织红细胞在合成珠蛋白的过程中含有调理蛋白质合成的级联络统。此系统可控制起始因子的活性。细胞中有依赖cAMP的蛋白质激酶，它由两个调理亚基R和两个催化亚基C组成R2C2。R2C2无活性，在cAMP的促进下， R2C2 转变为2R-cAMP和有活性的C2。 C2使无活性的起始因子激酶磷酸化转变为活性的起始因之激酶，后者使起始因之磷酸化失活，从而抑制蛋白质的生物合成。血红素能抑制这种依赖cAMP的蛋白激酶的活化，所以它可调理珠蛋白的合成见下页图。以下图：血红素对起动因子以下图：血红素对起动因子-2的调理作的调理作用用 cAMP + R2C2 C2 + 2R-cAMP起动因子-2激
24、酶 无活性起动因子-2激酶 有活性PATPADP起动因子-2起动因子-2P(有活性无活性ATPADP无活性蛋白激酶活性蛋白激酶血红素+五、蛋白质生物合成与医药学的关系五、蛋白质生物合成与医药学的关系不论是由于基因表达上的误差，还是某不论是由于基因表达上的误差，还是某些物质对基因表达的干扰影响转录，以些物质对基因表达的干扰影响转录，以及对翻译过程的干扰或是营养素的缺乏，都及对翻译过程的干扰或是营养素的缺乏，都可导致蛋白质生物合成妨碍，以致影响生命可导致蛋白质生物合成妨碍，以致影响生命活动。例如分子病、酶缺陷疾病、营养缺乏活动。例如分子病、酶缺陷疾病、营养缺乏病等。蛋白质生物合成的原理被广泛用于研
25、病等。蛋白质生物合成的原理被广泛用于研讨抗生素、抗肿瘤药物以及很多艰苦的医学讨抗生素、抗肿瘤药物以及很多艰苦的医学课题上。课题上。一分子病一分子病分子病是指蛋白分子病是指蛋白质分子一分子一级构造的氨基酸构造的氨基酸组成、序列与正常有所不同的成、序列与正常有所不同的遗传性疾病。是由于性疾病。是由于DNA分子上某一构造基因核苷酸序列的异常，最分子上某一构造基因核苷酸序列的异常，最终呵斥蛋白呵斥蛋白质的异常的异常。例如。例如镰刀形刀形红细胞性胞性贫血，血，患者，患者红细胞内的血胞内的血红蛋白分子蛋白分子-有异常改有异常改动。正常人血正常人血红蛋白蛋白-链的第的第6位是谷氨酸残基位是谷氨酸残基，但，但
26、镰刀形刀形红细胞性胞性贫血患者血血患者血红蛋白蛋白-的第的第6位却是位却是缬氨酸残基。引起氨酸残基。引起-链异常的异常的缘由是由于在由是由于在DNA分子控制分子控制-链合成的基因上，正常人合成的基因上，正常人应有胸腺有胸腺嘧啶脱氧核苷酸占有的序列位置却被腺脱氧核苷酸占有的序列位置却被腺嘌呤脱氧核呤脱氧核苷酸所占据苷酸所占据见下下页图。血血红蛋白的蛋白的这一一变异，异，导致其功能致其功能发生明生明显改改动。HbS在氧分在氧分压低的情况下容易在低的情况下容易在红细胞中析胞中析出，使出，使红细胞胞变形并易于破裂形并易于破裂见541页图。以下图：镰刀形红细胞性贫血病血红蛋白以下图：镰刀形红细胞性贫血病
27、血红蛋白H b -sH b -s中遗传信息的异常中遗传信息的异常 DNA TGT GGG CTT CTT TTT mRNA ACA CCC GAA GAA AAA HbA 氨基端 苏 脯 谷 谷 赖正常异常DNA TGT GGG CAT CTT TTT mRNA ACA CCC GUA GAA AAA HbS 氨基端苏 脯 缬 谷 赖HbA:正常成人血红蛋白；HbS:镰刀形红细胞性贫血病人的血红蛋白以下图:镰刀形红细胞性贫血病二抗生素对蛋白质合成的影响二抗生素对蛋白质合成的影响多种抗生素作用于合成过程中的复制、转多种抗生素作用于合成过程中的复制、转录、翻译各个环节。经过阻断致病微生物的蛋录、翻
28、译各个环节。经过阻断致病微生物的蛋白质合成而发扬作用。如氯霉素和链霉素能与白质合成而发扬作用。如氯霉素和链霉素能与细菌的核蛋白体结合，四环素族抗生素能与核细菌的核蛋白体结合，四环素族抗生素能与核蛋白小亚基结合，抑制氨基酰蛋白小亚基结合，抑制氨基酰-tRNA进位。以进位。以上三种抗生素都有干扰蛋白质合成的作用，但上三种抗生素都有干扰蛋白质合成的作用，但氯霉素和链霉素不易与哺乳类动物细胞的核蛋氯霉素和链霉素不易与哺乳类动物细胞的核蛋白体结合，所以普通剂量不影响人体蛋白质的白体结合，所以普通剂量不影响人体蛋白质的合成。用于抗肿瘤治疗的争光霉素、丝裂霉素、合成。用于抗肿瘤治疗的争光霉素、丝裂霉素、放射菌素等有抑制放射菌素等有抑制DNA模板从而影响转录的作模板从而影响转录的作用。用。复习题复习题 1.简述三种RNA在蛋白质生物合成中的作用。 2.试述蛋白质生物合成过程。 3.图示并阐明基因支配子调理作用。 4.何谓分子病？举例阐明。 本章完 2019年3月12日初稿 2019年4月21日整理 2019年5月13日定稿
