015第十五章蛋白质的生物合成

第十四章第十四章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成中心法则中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信上所携带的遗传信息息,到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模为模板的蛋白质合成过程为板的蛋白质合成过程为翻译翻译(translation)。翻译过程十分复杂，需要翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多和多种蛋白因子参与。在此过程中种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合成的模板，为合成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白质构成核糖体，是合成蛋和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为白质的场所，蛋白质合成的方向为NC端。端。遗传信息传递的遗传信息传递的 中心法则中心法则蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储生物的遗传信息以密码的形式储存在存在DNA分子上，表现为特定的核苷分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过通过DNA复制复制把亲代细胞所含的遗传把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过传信息通过转录转录传递给传递给RNA，再由，再由RNA通过通过翻译翻译转变成相应的蛋白质多转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的病毒能以自己的RNA为模板为模板复制复制出新出新的病毒的病毒RNA，还有一些，还有一些RNA病毒能以病毒能以其其RNA为模板合成为模板合成DNA，称为，称为逆转录逆转录这是中心法则的补充。这是中心法则的补充。中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。遗遗传传信信息息流流动动示示意意图图核糖体核糖体DNAmRNAtRNA第一节 蛋白质合成体系蛋白质合成体系蛋白质合成体系第二节 蛋白质合成的机理蛋白质合成的机理蛋白质合成的机理第三节 肽链合成后的折叠肽链合成后的折叠肽链合成后的折叠与与与加工加工加工第四节 蛋白质定位蛋白质定位蛋白质定位二、t RNA三、核糖体核糖体一、一、mRNA和和遗传密码遗传密码四、四、辅助因子辅助因子mRNA (messenger RNA)是蛋白质生物合成过程是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。原核生物原核生物和和真核生物真核生物mRNA的比较的比较三联体密码的破译三联体密码的破译三联体密码的破译遗传密码的性质遗传密码的性质遗传密码的性质 遗传密码遗传密码:DNA（或（或mRNA）中的核苷酸序）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。遗传密码。密码子密码子(codon)：mRNA上每上每3个相邻的核个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。遗传密码字典遗传密码字典遗传密码字典1954年年Gamov确认核酸分子中三个碱基决定一确认核酸分子中三个碱基决定一个氨基酸个氨基酸 1961年年Crick 等用遗传学方法也证实三联体密码等用遗传学方法也证实三联体密码子学说是正确的子学说是正确的 Nirenberg以均聚物以均聚物共聚物为模板指导多肽的合共聚物为模板指导多肽的合成成,寻找到了破译遗传密码的途径寻找到了破译遗传密码的途径 Khorana以以共聚物共聚物指导多肽的合成，加快了破译指导多肽的合成，加快了破译遗传密码的步伐遗传密码的步伐缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变CAT CAT CAT CAT CAT CATCAT CAC ATC ATC ATC ATCCAT CAC AXT CAT CAT CAT CAX TXC ATX CAT CAT CAT-1-1,+1+3以均聚物为模板指导多肽的合成Poly U 为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为Poly PhePoly A 为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为Poly LysPoly C 为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为Poly Pro （1）以多聚二核苷酸作模板可合成由以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基个氨基酸组成的多肽酸组成的多肽,如以如以Poly UG 为模板，合成产物为模板，合成产物为为Poly Lys-Val。（2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨 基酸组成的多肽。基酸组成的多肽。技术要点：保温 分析留在滤膜上的-AAtRNA 确定与核糖体结合的AA以人工合成的以人工合成的+AA-tRNA遗传密码字典遗传密码字典UACGUCAGUCAG第二位第二位 第一位第一位（5）第三位第三位（3）UCAGUCAGUCAG 1、密码是、密码是无标点符号无标点符号的且相邻密码子的且相邻密码子互不重叠互不重叠。2、密码的、密码的简并性简并性：由一种以上密码子编码同一个：由一种以上密码子编码同一个 氨基酸的氨基酸的现象称为简并性（现象称为简并性（dogeneracy），对应于同一氨基酸的密码子），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子称为同义密码子(Synonymous codon)。密码的简并性可以减少。密码的简并性可以减少有害突变有害突变。3、密码的、密码的摆动性（变偶性）：摆动性（变偶性）：密码的专一性主要是由第一密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定，第二个碱基所决定，tRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNA密码子配对密码子配对时，密码子的第一、二位碱基是严格的，第三位碱基可以有一时，密码子的第一、二位碱基是严格的，第三位碱基可以有一定的变动。定的变动。Crick称这一为称这一为变偶性变偶性（wobble）.4、密码的通用性和、密码的通用性和变异性变异性 5、64组密码子中，组密码子中，AUG既是甲硫氨酸的密码，又是起始密既是甲硫氨酸的密码，又是起始密 码；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子：码子：UAG、UAA、UGA。反密码子与密码子之间的碱基配对反密码子与密码子之间的碱基配对A UC G反密码子第一位碱基反密码子第一位碱基 密码子第三位碱基密码子第三位碱基GUCUAGIUCA1966年年Crick根据立体化学原理提出：根据立体化学原理提出：（2）有些反密码子的第一个碱基（按）有些反密码子的第一个碱基（按5-3 ）决定）决定了该了该tRNA识别密码子的数目。识别密码子的数目。（3）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他们的第一）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他们的第一 和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的tRNA 来识别。来识别。（1）mRNA上的密码子的第一、第二个碱基上的密码子的第一、第二个碱基 与与tRNA上上 的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一 性主要是由这两个碱基对的性主要是由这两个碱基对的 作用。作用。人线粒体中变异的密码子人线粒体中变异的密码子UGA 终止信号终止信号 TrpAUA Ile Met AGA Arg 终止信号终止信号AGG Arg 终止信号终止信号密码子密码子 正常情况下编码正常情况下编码 线粒体线粒体DNA编码编码原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点5 3 顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序AGGAGGUSD区区特点特点 半衰期短半衰期短 许多原核生物许多原核生物mRNAmRNA以多顺反子形式存在以多顺反子形式存在 AUGAUG作为起始密码；作为起始密码；AUGAUG上游上游7 71212个核苷酸处有一被称为个核苷酸处有一被称为SDSD序列的序列的保守区，保守区，16S rRNA3-16S rRNA3-端反向互补而使端反向互补而使mRNAmRNA与核糖体结合。与核糖体结合。真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5 ppp-N-3 p帽子结构功能帽子结构功能 使使mRNAmRNA免遭核酸酶的破坏免遭核酸酶的破坏 使使mRNAmRNA能与核糖体小亚基结合并开始能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因子所识别，从被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。而促进蛋白质的合成。是是mRNAmRNA由细胞核进入细胞质由细胞核进入细胞质所必需的形式所必需的形式 它大大提高了它大大提高了mRNAmRNA在细胞质在细胞质中的稳定性中的稳定性AAAAAAA-OHtRNA （transfer ribonucleic asid）在蛋白质合成中处于关键地位，它）在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将活化不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将活化的氨基酸运送到核糖体中的氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。模板上。1、tRNA的结构特征的结构特征2、tRNA的功能的功能 （1）tRNA的接头的接头(adaptor)作用作用 3-端上的氨基酸接受位点端上的氨基酸接受位点 识别氨酰识别氨酰-tRNA合成酶的位点合成酶的位点 核糖体识别位点核糖体识别位点 反密码子位点反密码子位点 （2）tRNA的的突变与校正基因突变与校正基因 (回复突变，回复突变，reverse mutation)密密码码子子与与反反密密码码子子的的配配对对关关系系反密码子反密码子tRNA5 3 A U C5 mRNA3 密码子密码子1 2 3基基因因间间的的校校正正突突变变GluH2NCOOH 第一个突变：由于第一个突变：由于DNA突变使突变使mRNA分分子中子中GAG变为变为UAGGAG(Glu)UAG（终止密码）（终止密码）H2NCOOHTyrH2NCOOH 第二个突变：第二个突变：tRNA Tyr的反密码子的反密码子GUA突变成突变成CUA突变突变tRNATyr可以将终止密可以将终止密码码 UAG读作读作Tyr3-A-U-C-5 5-U-A-G-3 突变突变tRNA Tyr 的反密码子（正常时应为的反密码子（正常时应为3-A-U-G-5）此终止密码被读作此终止密码被读作Tyr核糖体核糖体核核 糖糖 体体 是由是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。体上进行的。2、核糖体的功能核糖体的功能1、核糖体的结构和组成核糖体的结构和组成核核糖糖体体的的组组成成原核生物核原核生物核糖体的组成糖体的组成34 protein21 protein23S RNA 5S RNA16S RNA50S subunit70S ribosome30S subunit原核生物核糖体结构示意图原核生物核糖体结构示意图30S subunit50S subunit原核细胞原核细胞70S核糖体的核糖体的A位、位、P位及位及mRNA结合部位示意图结合部位示意图30S与与mRNA结合部位结合部位结合结合或接受肽基或接受肽基的部位）的部位）结合或接结合或接受受AA-tRNA的的部位）部位）50SmRNA真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子阶段阶段原核原核 真核真核 功功 能能IF1IF2 eIF2 参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成IF3 eIF3、eIF4C起始起始CBP I 与与mRNA帽子结合帽子结合 eIF4A B F 参与寻找第一个参与寻找第一个AUGeIF5 协助协助eIF2、eIF3、eIF4C的释放的释放eIF6 协助协助60S亚基从无活性的核糖体上解离亚基从无活性的核糖体上解离EF-Tu eEF1 协助氨酰协助氨酰-tRNA进入核糖体进入核糖体延长延长EF-Ts eEF1 帮助帮助EF-Tu、eEF1 周转周转 EF-G eEF2 移位因子移位因子RF-1终止终止 eRF 释放完整的肽链释放完整的肽链RF-2氨基酸的活化氨基酸的活化氨基酸的活化原核生物多肽链的合成过程原核生物多肽链的合成过程原核生物多肽链的合成过程真核生物多肽链的合成真核生物多肽链的合成真核生物多肽链的合成多核糖体与核糖体循环多核糖体与核糖体循环多核糖体与核糖体循环氨氨基基酸酸的的活活化化EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸氨基酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸第一步第一步第二步第二步氨氨基基酸酸的的活活化化3-氨酰氨酰-tRNAN-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNAiMet的形成的形成CHOCHO-HN-CH-COO-tRNA-HN-CH-COO-tRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S COO-COO-+H H2 2N-CH-COO-tRNAN-CH-COO-tRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S COO-COO-Met-tRNAiMetfMet-tRNAtMet转甲酰酶转甲酰酶 ：对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。对tRNA 具有极高专一性。：氨酰-tRNA合成酶的水解 部位可以水解错误活化的氨基酸。原核生物多肽链的合成分为三个阶段：肽链合成的起始、肽链的延伸、肽链合成的终止和释放。1、肽链合成的起始2、肽链的延长3、肽链合成的终止及释放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 mRNA+30S亚基亚基-IF3IF-3IF2GTPIF3 IF2 IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S50S亚基亚基IF2+IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始起始复合物复合物肽链的延长（1 1）释放因子）释放因子RFRF1 1或或RFRF2 2进入核糖体进入核糖体A A位。位。（2 2）多肽链的释放）多肽链的释放（3 3）70S70S核糖体解离核糖体解离tRNARFRF肽肽键的形成键的形成TuTs循环循环TsTs-GDP多多多核糖体与核糖体循环多核糖体与核糖体循环合成完毕合成完毕的肽链的肽链多核糖体多核糖体3mRNA延伸中的肽链延伸中的肽链5核糖体循环核糖体循环1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2、起始氨基酸为Met，不是fMet；3、肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首先识别mRNA的5端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG；4、起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子；5、真核细胞中线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具有正确三维空间结构的蛋白质的过程。有正确三维空间结构的蛋白质的过程。体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白质参与，称为助折叠蛋白质参与，称为助折叠蛋白:（1）酶：蛋白质二硫酶：蛋白质二硫键异构酶键异构酶（PDI）；（2）分子伴侣分子伴侣 Lasky于于1978年首先提出分子伴侣（年首先提出分子伴侣（mulecular chaperone）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在。原核生物和真核生物中广泛存在。1、肽链末端的修饰：、肽链末端的修饰：N-端端fMet或或Met的切除的切除2、信号序列的切除、信号序列的切除3、二硫键的形成、二硫键的形成4、部分肽段的切除、部分肽段的切除5、个别氨基酸的修饰、个别氨基酸的修饰6、糖基侧链的添加、糖基侧链的添加7、辅基的加入、辅基的加入实例：实例：胰岛素原的加工胰岛素原的加工胰岛素原的加工胰岛素原的加工A链区链区B链区链区间插序列（间插序列（C肽区）肽区）HSSHSHSHHSHS信号肽信号肽NC核糖体上合成出无规核糖体上合成出无规则卷曲的则卷曲的前胰岛素原前胰岛素原切除切除C肽后，形成肽后，形成成熟的胰岛素分子成熟的胰岛素分子切除信号肽后切除信号肽后折叠成稳定构折叠成稳定构象的胰岛素原象的胰岛素原SSSSNNCCA链链B链链胰岛素胰岛素CNSSSS胰岛素原胰岛素原SS第四节第四节 蛋白质定位蛋白质定位1 1、分泌蛋白、分泌蛋白 信号肽假说简图信号肽假说简图 分泌蛋白质的合成和胞吐作用分泌蛋白质的合成和胞吐作用2 2、线粒体与叶绿体蛋白、线粒体与叶绿体蛋白 蛋白质向线粒体的定位机制蛋白质向线粒体的定位机制信号肽假说简图信号肽假说简图35SRP循环循环mRNA内质网膜内质网膜内质网腔内质网腔信号肽酶信号肽酶信号肽信号肽 一些真核细胞多肽链上一些真核细胞多肽链上N-端的信号肽的结构端的信号肽的结构分泌蛋白质的合成和胞吐作用分泌蛋白质的合成和胞吐作用内质网内质网高尔基体高尔基体泡泡泡泡泡融入泡融入质膜质膜核糖体核糖体芽泡芽泡带有导肽的线粒体蛋白质带有导肽的线粒体蛋白质前体跨膜运送过程示意图前体跨膜运送过程示意图