第七章蛋白质合成及代谢

第七章蛋白质合成及代谢m第一节第一节 遗传密码遗传密码m第二节第二节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成m第三节第三节 蛋白质合成后的折蛋白质合成后的折 叠与加工修饰叠与加工修饰m第四节第四节 蛋白质的代谢蛋白质的代谢 凡是有生命的物体无不含有蛋白质，蛋白质是生凡是有生命的物体无不含有蛋白质，蛋白质是生命的基础，是一切生命活动的执行者命的基础，是一切生命活动的执行者。组成蛋白质的基本单位组成蛋白质的基本单位氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸必需氨基酸必需氨基酸体内不能合成，必须通过食物提供。体内不能合成，必须通过食物提供。缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、苯丙氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸色氨酸、赖氨酸非必需氨基酸非必需氨基酸m核酸是生物遗传的物质基础，核酸与蛋白质的核酸是生物遗传的物质基础，核酸与蛋白质的生物合成有密切关系，细胞内遗传信息流动方生物合成有密切关系，细胞内遗传信息流动方向是从核酸到蛋白质。向是从核酸到蛋白质。m遗传信息是指遗传信息是指DNA中碱基序列，中碱基序列，DNA转炉所产转炉所产生的生的mRNA则是遗传信息的携带者，作为蛋白则是遗传信息的携带者，作为蛋白质生物合成的直接模板，而生命活动的最终表质生物合成的直接模板，而生命活动的最终表现者是蛋白质。现者是蛋白质。m遗传密码的翻译过程实际上就是由遗传密码的翻译过程实际上就是由tRNA携带者携带者氨基酸，逐一识别氨基酸，逐一识别mRNA上的密码子，并将氨上的密码子，并将氨基酸依密码子的排序互相连接的过程，因此我基酸依密码子的排序互相连接的过程，因此我们把们把tRNA称为氨基酸的称为氨基酸的“搬运工具搬运工具”。翻译的场。翻译的场所也就是使氨基酸互相缩合成肽链的所也就是使氨基酸互相缩合成肽链的“装配装配机机”核糖体。核糖体。蛋白质与遗传的关系蛋白质与遗传的关系第一节第一节 遗遗 传传 密密 码码一、遗传密码的破译一、遗传密码的破译mRNA带有由DNA转录来的遗传信息。这些遗传信息由mRNA分子中碱基排列顺序决定。mRNA能把遗传信息传递给蛋白质，也就是以mRNA为模板合成蛋白质。所以，翻译过程也就称为蛋白质生物合成的中心环节。遗传密码的破译遗传密码的破译遗传密码遗传密码这一名词在1944年薛丁谔的生命是什么？小册中就已提出，但在1953年沃森和克里克建立DNA双螺旋结构以前，其真实内涵乏人知晓。60年代遗传密码遗传密码的破译，使遗传物质核酸和决定细胞功能的蛋白质两种重要的生物化学物质之间架起了一座桥梁。这对于从分子水平了解遗传和细胞的生物化学有着重大的影响，它大大推进了生物科学的进展，成为奠定分子生物学的重要基石之一。第一个提出具体设想的是俄国出生的美国物理学家伽莫夫（，第一个提出具体设想的是俄国出生的美国物理学家伽莫夫（，19041968）。当他读到沃森和克里克在英国）。当他读到沃森和克里克在英国自然自然杂志上的文章之后，立杂志上的文章之后，立即提出一种设想，发表在即提出一种设想，发表在1954年年2月该杂志上。伽莫夫把双螺旋结构中月该杂志上。伽莫夫把双螺旋结构中由于氢键生成而形成的空穴用氨基酸填上，就像钥匙和锁一样。每一个由于氢键生成而形成的空穴用氨基酸填上，就像钥匙和锁一样。每一个空穴的四角是空穴的四角是4个碱基，也就是说四种碱基的排列组合形成了遗传密码。个碱基，也就是说四种碱基的排列组合形成了遗传密码。19551956年间，伽莫夫又发表文章，从排列组合计算，认为二个碱基年间，伽莫夫又发表文章，从排列组合计算，认为二个碱基组成的密码太少，只有组成的密码太少，只有4216种，四个碱基组成的密码又太多，有种，四个碱基组成的密码又太多，有44256种，而三联密码有种，而三联密码有43=64种，足够所有蛋白质合成之需。他还以令人种，足够所有蛋白质合成之需。他还以令人信服的证据证明这种密码并不重复。信服的证据证明这种密码并不重复。对对DNA的研究使伽莫夫的科学想象的激情得到满足。他建立了一个的研究使伽莫夫的科学想象的激情得到满足。他建立了一个RNA俱乐部，并将该俱乐部的成员数限定为俱乐部，并将该俱乐部的成员数限定为20，每一个成员代表一种氨基，每一个成员代表一种氨基酸酸伽莫夫是伽莫夫是“phe”（苯基丙氨酸的英语名称缩写）而克里克是（苯基丙氨酸的英语名称缩写）而克里克是“Tyr”（酪氨酸）。他们经常聚会，交流信息。这场讨论对揭开遗传之谜无疑（酪氨酸）。他们经常聚会，交流信息。这场讨论对揭开遗传之谜无疑产生了一定的影响。产生了一定的影响。第一个用实验给遗传密码遗传密码以确切解答的是德国出生的美国生物化学家尼伦贝格（，1927）。1961年他和另一位德国科学家马太（Heinrich Matthaei）在美国国家卫生研究院的实验室内发现了苯丙氨酸的密码是RNA上的尿嘧啶（UUU）。他们在用大肠杆菌的无细胞提取液研究蛋白质的生物合成问题时发现：当向这个提取液中加进核酸，则合成了蛋白质；当用由单一的尿嘧啶组成的核酸长链加进这个提取液中，则产生了由单一苯丙氨酸组成的多肽长链。这个结果立即震动了科学界。但是测定其他氨基酸的密码需要各种各样的碱基组合，而当时这种组合并不是很容易得到的，它需要一种多核苷酸磷酸化酶。美国另一位西班牙血统的生物化学家奥乔亚（Ochoa，Severo，1905）于1955年发现了多核苷酸磷酸化酶（PNP酶）帮助了尼伦贝格合成了同聚核苷酸多聚U（PolyU）（奥乔亚因发现此酶而获得1959年诺贝尔生理学或医学奖）。当他将多聚U作为模板加入到无细胞体系中时，那就是只有加有标记苯丙氨酸所产生的那一试管蛋白质沉淀具有放射性。而加其他标记氨基酸的各管则均无放射性进入沉淀。于是，第一个密码便被破译出来，即UUU是苯丙氨酸的密码子。用同样的方式以其他多聚核苷酸作为模板，又测出CCC是脯氨酸的密码子，AAA是赖氨酸的密码子。多聚G的氨基酸密码子当时用此法测定时遇到困难，未能测出。m在取得第一阶段突破性成果之后，尼伦贝格用混合的核苷酸制备人工合成的mRNA模板，分别测试其作用。m用2种或3种不同的核苷酸制备mRNA模板时，PNP酶合成的产物都是杂聚物，其中核苷酸的顺序是随机的，无法预测。但各种三联体出现的相对几率则是可以推算出来的。在测定了各种标记氨基酸参入蛋白质的量之后，将其相对参入量和三联体出现的几率加以比较，即可知道每种三联体相对应的是那一种氨基酸。m此法的应用有局限性，密码子中不同核苷酸的比例固然可以推测出来，但是它们的排序却不能确定；尽管如此编码的范围还是大大缩小了。后来又发现有些密码子具有重复性，即一种氨基酸可以有多种密码子，但是每一种密码子只编码一种氨基酸。完整的密码子表，到完整的密码子表，到19631963年由与尼伦贝格共获年由与尼伦贝格共获19681968年诺贝尔生理学或医学年诺贝尔生理学或医学奖的霍拉纳（奖的霍拉纳（KhoranaKhorana，Har GobindHar Gobind，19221922）利用其他技术加以确定的。）利用其他技术加以确定的。密码的第1位碱基(5端）密 码 的 第 二 位 碱 基 密码的第3位碱基(3端)UCAGUUUU苯丙氨酸 UUC苯丙氨酸 UUA亮氨酸UUG亮氨酸 UCU 丝氨酸 UCC 丝氨酸 UGA 丝氨酸 UCG 丝氨酸 UAU 酪氨酸 UAC 酪氨酸 UAA终止密码UAG终止密码 UGU半胱氨酸 UGC半胱氨酸UGA终止密码UGG 色氨酸 UCAG CCUU 亮氨酸CUC 亮氨酸CUA 亮氨酸 CUG 亮氨酸 CCU 脯氨酸CCC 脯氨酸CCA 脯氨酸CCG 脯氨酸 CAU 组氨酸CAC 组氨酸CAA谷胺酰胺CAG谷胺酰胺 CGU 精氨酸 CGC 精氨酸 CGA 精氨酸 CGG 精氨酸 UCA G A AUU异亮氨酸AUC异亮氨酸AUA异亮氨酸AUG甲硫氨酸 （兼起始密码）ACU 苏氨酸ACC 苏氨酸ACA 苏氨酸ACG 苏氨酸 AAU天冬酰胺 AAC天冬酰胺AAA赖氨酸AAG 赖氨酸 AGU 丝氨酸AGC 丝氨酸AGA 精氨酸AGG 精氨酸 UCAG G GUU 缬氨酸GUC 缬氨酸GUA 缬氨酸GUG 缬氨酸 GCU 丙氨酸GCC 丙氨酸GCA 丙氨酸GCG 丙氨酸 GAU天冬氨酸GAC天冬氨酸GAA谷氨酸 GAG 谷氨酸 GGU 甘氨酸GGC 甘氨酸GGA 甘氨酸GGG 甘氨酸 UCAG 遗传密码破译的意义：遗传密码的破译，加快了人们了解mRNA中的核苷酸序列翻译成多肽链中的氨基酸序列的进程。起始密码子：AUG终止密码子：UAA、UGA、UAG（无义密码子）1、密码无标点符号（连续性）、密码无标点符号（连续性）从起点开始接连不断直至终止密码，中间无任何核 苷酸隔开。二、遗传密码的性质二、遗传密码的性质1）简并性 61个密码子20种氨基酸 除色氨酸、蛋氨酸外，其他氨基酸都是一种氨基酸对 应多个密码子。简并性：碱基不同仍编码相同氨基酸。分为两类：第一位和第二位碱基的简并性 第三位碱基的简并性常见 编码相同氨基酸的密码子互称同义密码子编码相同氨基酸的密码子互称同义密码子 2、密码的简并性和摆动性、密码的简并性和摆动性各种氨基酸的密码子数目各种氨基酸的密码子数目背景环境分析2）摆动性 密码子中的第三个碱基总是处在一个不稳定的位置上，它与反密码子的第一个碱基配对结合的强度不如前两个碱基，这类配对被称为“摆动碱基配对”。造成造成tRNA可与一个以上的密码子碱基配对可与一个以上的密码子碱基配对 3、遗传密码的通用性 除个别细胞器的特殊密码子，遗传密码都是 相同的。4、遗传密码的偏爱性 大多数氨基酸有一个以上密码子，但这些密 码子的使用频率各不相同，有些密码子的使 用频率高，称之为遗传密码的偏爱性。阅读框架阅读框架是指mRNA上一段含有翻译密码的碱基序列。三、阅读框架三、阅读框架Start of genetic messageCapEndTail5-端非翻译区端非翻译区 5 3 3-端非翻译区端非翻译区 开放阅读框架开放阅读框架 从从mRNA 5-端起始密码子端起始密码子AUG到到3-端终止密端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。第二节第二节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成构成非常复杂，是由一组RNA互相协调配合、共同作用的结果。原核细胞与真核细胞蛋白质翻译机制基本相同，但原核生物无成形细胞核，故边转录边翻译。S-D序列序列(Shine-Dalgarno sequence)：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。5-UAAGGAGG-3 作用：是mRNA和核糖体识别结合的位点。能够与细菌核糖体小亚基16SrRNA的保守序列反向 互补，从而使核糖体借此判定mRNA的翻译起始位 点。一、生物合成模板一、生物合成模板mRNA 在细胞内，蛋白质的合成是在胞浆中的核糖体上进行的，核糖体像一台沿mRNA移动的高速编织机，快捷的合成肽链。核糖体是肽链合成的“装配机”。胞质中核糖体种类：核糖体二、蛋白质生物合成的场所二、蛋白质生物合成的场所核糖体核糖体大亚基（含有蛋白质和大亚基（含有蛋白质和rRNA）主要完成翻译过程中催化肽键形成 及转位。小亚基（含有蛋白质和小亚基（含有蛋白质和rRNA）主要与mRNA结合，识别翻译起始 位点。(三三)核糖体是蛋白质生物合成的场所核糖体是蛋白质生物合成的场所 核糖体是肽链合成的核糖体是肽链合成的“装配机装配机”。胞质中核糖体种类：胞质中核糖体种类：核糖体由大、小亚基组成，其组成成份核糖体由大、小亚基组成，其组成成份包括包括rRNArRNA和蛋白质。和蛋白质。分为四个阶段：分为四个阶段：1、氨基酸的活化与搬运准备阶段 2、肽链合成的起始 3、肽链的延长 4、肽链的终止 后后3步均在核糖体中循环进行步均在核糖体中循环进行称为核糖体循环称为核糖体循环三、蛋白质生物合成过程三、蛋白质生物合成过程背景环境分析tRNAtRNA是搬运氨基酸的工具是搬运氨基酸的工具 1.tRNA1.tRNA的结构的结构 背景环境分析（一）氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运tRNAtRNA分子中与蛋白质合成有关的位点：分子中与蛋白质合成有关的位点：1 1）氨基酸结合位点；）氨基酸结合位点；2 2）氨酰）氨酰-tRNA-tRNA合成酶识别位点；合成酶识别位点；3 3）核糖体识别位点；）核糖体识别位点；4 4）反密码位点：）反密码位点：反密码与密码结合时方向相反。即反密反密码与密码结合时方向相反。即反密码的第码的第1 1、2 2、3 3位碱基分别与密码的第位碱基分别与密码的第3 3、2 2、1 1位碱基配对。位碱基配对。背景环境分析2 2.氨酰氨酰-tRNA-tRNA 各种氨基酸和对应的各种氨基酸和对应的tRNAtRNA结合后形成结合后形成的氨基酰的氨基酰-tRNA-tRNA表示为：表示为：氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写-tRNA-tRNA氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写 例如：例如：m丙氨酰丙氨酰-tRNA-tRNA：Ala-tRNAAla-tRNAAlaAlam精氨酰精氨酰-tRNA-tRNA：Arg-tRNAArg-tRNAArgArgm甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA-tRNA：Met-tRNAMet-tRNAMetMetm起始者甲硫氨酰起始者甲硫氨酰-tRNA-tRNA：Met-tRNAiMet-tRNAiMetMetm延长甲硫氨酰延长甲硫氨酰-tRNA-tRNA：Met-tRNAeMet-tRNAeMetMet在蛋白质生物合成时，tRNA活化成携带有相应氨基酸的氨基酰-tRNA是翻译过程的启动先决条件，也可以看成是氨基酸的活化过程。氨基酸与氨基酸与tRNAtRNA的结合需要氨酰的结合需要氨酰tRNAtRNA合成酶催化，合成酶催化，并需要消耗并需要消耗ATPATP。氨基酸氨基酸 +tRNA+tRNA氨基酰氨基酰-tRNA-tRNAATPATP AMPAMPPPiPPi氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶氨基酸氨基酸 ATP-E ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E-AMP-E PPiPPi 第一步反应第一步反应 第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E-AMP-E tRNAtRNA氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA AMP AMP E E（二）肽链合成的起始（二）肽链合成的起始起始密码子起始密码子AUG与起始密码子配对的氨基酰与起始密码子配对的氨基酰-tRNA是甲硫氨酰是甲硫氨酰-tRNA。所以细胞中至少存在两种能携带甲所以细胞中至少存在两种能携带甲硫氨酸的硫氨酸的tRNAtRNA。一种识别起始密码。一种识别起始密码子；另一种参与甲硫氨酸在肽链上子；另一种参与甲硫氨酸在肽链上的延伸，不识别起始密码子。的延伸，不识别起始密码子。m指在指在mRNAmRNA模板的指导下，氨基酸依次进入核蛋白体模板的指导下，氨基酸依次进入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。并聚合成多肽链的过程。1.1.进位进位(positioning)/(positioning)/注册注册(registration)(registration)2.2.成肽成肽(peptide bond formation)(peptide bond formation)3.3.转位转位(translocation)(translocation)肽链延长在核蛋白体上连续循环式进肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，包括以下三步：行，包括以下三步：每轮循环使多肽链增加一个氨基酸。每轮循环使多肽链增加一个氨基酸。1.1.进位进位 又称注册又称注册(registration)(registration)，是指一个氨基酰是指一个氨基酰-tRNA-tRNA按照按照mRNAmRNA模板的指令进入并结合模板的指令进入并结合到核蛋白体到核蛋白体A A位的过程。位的过程。进位需要延长因子进位需要延长因子EF-TuEF-Tu与与EF-TsEF-Ts参与。参与。2.2.成肽成肽 成肽是在转肽酶成肽是在转肽酶(peptidase)(peptidase)的催化下，核的催化下，核蛋白体蛋白体P P位上起始氨基酰位上起始氨基酰-tRNA-tRNA的的N-N-甲酰甲硫氨甲酰甲硫氨酰基或肽酰酰基或肽酰-tRNA-tRNA的肽酰基转移到的肽酰基转移到A A位并与位并与A A位上位上氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的的-氨基结合形成肽键的过程。氨基结合形成肽键的过程。3.3.移位移位 转位是在转位酶（延长因子转位是在转位酶（延长因子EF-GEF-G）的催）的催化下，核蛋白体向化下，核蛋白体向mRNAmRNA的的3 3-端移动一个密端移动一个密码子的距离，使码子的距离，使mRNAmRNA序列上的下一个密码子序列上的下一个密码子进入核蛋白体的进入核蛋白体的A A位、而占据位、而占据A A位的肽酰位的肽酰-tRNAtRNA移入移入P P位的过程。位的过程。移位需要延长因子移位需要延长因子EF-GEF-G参与。参与。进进位位移移位位成肽成肽原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程