蛋白质的生物合成过程课件

第第3333章章 蛋白蛋白质的生物合成的生物合成 Chapter 13 Biosynthesis of Protein蛋蛋白白质的的生生物物合合成成过程程，就就是是将将DNA传递给mRNA的的遗传信信息息，再再具具体体的的解解译为蛋蛋白白质中中氨氨基基酸酸排排列列顺序序的的过程程，这一一过程程被称被称为翻翻译(translation)。第33章 蛋白质的生物合成 Chapter 13 1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 生物体内的各种蛋白生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用都是生物体内利用约20种氨种氨基酸基酸为原料自行合成的。参与蛋白原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各生物合成的各种因素构成了蛋白种因素构成了蛋白质合成体系，合成体系，该体系包括：体系包括：mRNA：作：作为蛋白蛋白质生物合成的模板，决定多生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列中氨基酸的排列顺序；序；tRNA：搬运氨基酸的工具；：搬运氨基酸的工具；核核糖糖体：蛋白体生物合成的体：蛋白体生物合成的场所；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。第一节 参与蛋白质生物合成的物质 生物体内的各种蛋白2一、一、mRNA作作为指指导蛋蛋白白质生生物物合合成成的的模模板板。mRNA中中每每三三个个相相邻的的核核苷苷酸酸组成成三三联体体，代代表表一一个个氨氨基基酸酸的的信信息息，此此三三联体体就就称称为密密码(coden)。共共有有64种不同的密种不同的密码。原核生物的转录与翻译同步进行原核生物的转录与翻译同步进行无义突变无义突变蛋白质的合成是蛋白质的合成是N端端C端端一、mRNA 作为指导蛋白质生物合成的模板。mRNA中每三个3遗传密密码的的连续性性遗传密码的连续性4二、二、tRNA在氨基酸在氨基酸tRNA合成合成酶催化下，特定的催化下，特定的tRNA可与相可与相应的的氨基酸氨基酸结合，生成氨基酸合，生成氨基酸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反密反密码环中部的三个核苷酸构成三中部的三个核苷酸构成三联体，可以体，可以识别mRNA上相上相应的密的密码，此三，此三联体就称体就称为反密反密码(anticoden)(anticoden)。反向互补反向互补二、tRNA 在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可5转运转运RNARNA（tRNAtRNA）转运RNA（tRNA）6tRNA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、第二套密码系统第二套密码系统校正校正tRNA：mRNA发生突变后，发生突变后，tRNA的反密码子也突变搬的反密码子也突变搬来相近的氨基酸来相近的氨基酸tRNA的功能tRNA分子上与蛋白质合成有关的位点：1.7l反密反密码对密密码的的识别，通常也是根据碱基互，通常也是根据碱基互补原原则，即，即AU，GC配配对。但反密。但反密码的第一个核苷的第一个核苷酸与第三核苷酸之酸与第三核苷酸之间的配的配对，并不，并不严格遵循碱基互格遵循碱基互补原原则。如反密。如反密码第一个核苷酸第一个核苷酸为，则可与可与A、U或或C配配对，如，如为U，则可与可与A或或G配配对，这种配种配对称称为不不稳定配定配对。反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即AU，G8l能能够识别mRNA中中5端端起起动密密码AUG的的tRNA是是一一种种特特殊殊的的tRNA，称称为起起动tRNA。在在原原核核生生物物中中，起起动tRNA是是一一种种携携带甲甲酰蛋蛋氨氨酸酸的的tRNA，即即tRNAifmet；而而在在真真核核生生物物中中，起起动tRNA是是一一种种携携带蛋蛋氨氨酸酸的的tRNA，即，即tRNAimet。l在在原原核核生生物物和和真真核核生生物物中中，均均存存在在另另一一种种携携带蛋蛋氨氨酸酸的的tRNA，识别非非起起动部部位位的蛋氨酸密的蛋氨酸密码，AUG。l均被同一种甲硫氨酰均被同一种甲硫氨酰tRNA合成酶合成合成酶合成能够识别mRNA中5端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的9三、三、rRNA和核蛋白体和核蛋白体原原核核生生物物中中的的核核蛋蛋白白体体大大小小为70S，可可分分为30S小小亚基基和和50S大大亚基基。小小亚基基由由16SrRNA和和21种种蛋蛋白白质构构成成，大大亚基基由由5SrRNA，23SRNA和和35种蛋白种蛋白质构成。构成。真核生物中的核蛋白体大小真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分，也分为40S小小亚基和基和60S大大亚基。小基。小亚基由基由18SrRNA和和30多种多种蛋白蛋白质构成，大构成，大亚基基则由由5SrRNA，28SrRNA和和50多种蛋白多种蛋白质构成，在哺乳构成，在哺乳动物中物中还含有含有5.8SrRNA。三、rRNA和核蛋白体 原核生物中的核蛋白体大小为70S，可10核蛋白体的核蛋白体的组装装核蛋白体的组装11大大肠杆菌核蛋白体的杆菌核蛋白体的空空间结构构为一一椭圆球球体，其体，其30S亚基呈基呈哑铃状，状，50S亚基基带有有三角，中三角，中间凹陷形成凹陷形成空穴，将空穴，将30S小小亚基基抱住，两抱住，两亚基的基的结合合面面为蛋白蛋白质生物合成生物合成的的场所。所。大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状12l核蛋白体的大、小核蛋白体的大、小亚基分基分别有不同的功能：有不同的功能：1小小亚基基：可可与与mRNA、GTP和和起起动tRNA结合。合。2大大亚基：基：（1）具具有有两两个个不不同同的的tRNA结合合点点。A位位（右右）受受位位或或氨氨酰基基位位，可可与与新新进入入的的氨氨基基酰tRNA结合合；P位位（左左）给位位或或肽酰基基位位，可与延伸中的可与延伸中的肽酰基基tRNA结合。合。（2）具具有有转肽酶活活性性：将将P位位上上的的肽酰基基转移移给A位上的氨基位上的氨基酰tRNA，形成，形成肽键。（3）具有）具有GTPase活性，水解活性，水解GTP，获得能量。得能量。（4）具有起）具有起动因子、延因子、延长因子及因子及释放因子的放因子的结合部位。合部位。核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：1小亚基：可13在蛋白在蛋白质生物合成生物合成过程中，常常由若干核蛋白体程中，常常由若干核蛋白体结合合在同一在同一mRNA分子上，同分子上，同时进行翻行翻译，但每两个相，但每两个相邻核蛋白之核蛋白之间存在一定的存在一定的间隔，形成念球状隔，形成念球状结构。构。由若干核蛋白体由若干核蛋白体结合在一条合在一条mRNA上同上同时进行多行多肽链的翻的翻译所形成的念球状所形成的念球状结构称构称为多核蛋白体多核蛋白体。在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA14四、起四、起动因子（因子（IF）这是是一一些些与与多多肽链合合成成起起动有有关关的的蛋蛋白白因因子子。原原核核生生物物中中存存在在3种种起起动因因子子，分分别称称为IF1-3。在在真真核核生生物物中中存存在在9种种起起动因因子子（eIF）。其其作作用用主主要要是是促促进核核蛋蛋白白体体小小亚基与起基与起动tRNA及模板及模板mRNA结合。合。四、起动因子（IF）这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子15五、延五、延长因子（因子（EF）原核生物中存在原核生物中存在3种延种延长因子（因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在），真核生物中存在2种（种（EF1，EF2）。其）。其作用主要促使氨基作用主要促使氨基酰tRNA进入核入核 蛋白的受体，蛋白的受体，并可促并可促进移位移位过程。程。五、延长因子（EF）原核生物中存在3种延长因子（EFTU，16六、六、释放因子（放因子（RF）原核生物中有原核生物中有4种，在真核生物中只有种，在真核生物中只有1种。种。其主要作用是其主要作用是识别终止密止密码，协助多助多肽链的的释放。放。六、释放因子（RF）原核生物中有4种，在真核生物中只有1种17七、氨基七、氨基酰tRNA合成合成酶该酶存存在在于于胞胞液液中中，与与特特异异氨氨基基酸酸的的活活化化以以及及氨基氨基酰tRNA的合成有关。的合成有关。每种氨基每种氨基酰tRNA合成合成酶对相相应氨基酸以及携氨基酸以及携带氨基氨基酸的数种酸的数种tRNA具有高度特异性，具有高度特异性，这是保是保证tRNA能能够携携带正确的氨基酸正确的氨基酸对号入座的必要条件。号入座的必要条件。目前目前认为，该酶对tRNA的的识别，是因，是因为在在tRNA的的氨基酸臂上存在特定的氨基酸臂上存在特定的识别密密码，即第二套，即第二套遗传密密码。七、氨基酰tRNA合成酶 该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活18八、供能物八、供能物质和无机离子和无机离子多多肽链合合成成时，需需ATP、GTP作作为供供能能物物质，并需，并需Mg2+、K+参与。参与。氨氨基基酸酸活活化化时需需消消耗耗2分分子子高高能能磷磷酸酸键，肽键形形成成时又又消消耗耗2分分子子高高能能磷磷酸酸键，故故缩合合一一分分子子氨氨基基酸酸残残基基需需消消耗耗4分分子子高高能能磷酸磷酸键。八、供能物质和无机离子多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能19第二第二节 蛋白蛋白质生物合成生物合成过程程 蛋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。第二节 蛋白质生物合成过程 蛋白质生物合成过程包括三大步20一、氨基酸的活化与搬运一、氨基酸的活化与搬运 氨基酸的活化以及活化氨基酸与氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的的结合，合，均由氨基均由氨基酰tRNA合成合成酶催化完成。其反催化完成。其反应过程程为：可纠正可纠正错误的错误的酰化酰化一、氨基酸的活化与搬运 氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA21氨基酸的活化氨基酸的活化氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶氨基酸氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰氨基酰-tRNA+AMP+PPi氨基酸的活化 22l在在此此反反应中中，特特异异的的tRNA3端端CCA上上的的2或或3位位自自由由羟基基与与相相应的的活活化化氨氨基基酸酸以以酯键相相连接接，形形成成氨氨基基酸酸tRNA，从从而而使使活活化化氨氨基基酸酸能能够被被搬搬运运至至核核蛋蛋白白体体上上参参与与多多肽链的合成。的合成。l氨基酸氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸的合成，可使氨基酸活活化；化；搬运；搬运；定位。定位。ATP+HOOCCH(NH2)R APOCCH(NH2)R+PPiPAPOCCH(NH2)R+tRNA RCH(NH2)CO-tRNA +AMPP在此反应中，特异的tRNA3端CCA上的2或3位自由羟23氨基酸活化的总反应式是：氨基酸活化的总反应式是：氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶氨基酸氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰氨基酰-tRNA+AMP+PPi每每一一种种氨氨基基酸酸至至少少有有一一种种对对应应的的氨氨基基酰酰-tRNA合合成成酶酶。它它既既催催化化氨氨基基酸酸与与ATP的的作作用用,也也催催化化氨氨基基酰酰基基转转移移到到tRNA。氨氨基基酰酰-tRNA合合成成酶酶具具有有高高度度的的专专一一性性。每每一一种种氨氨基基酰酰-tRNA合成酶只能识别一种相应的合成酶只能识别一种相应的tRNA。tRNA分分子子能能接接受受相相应应的的氨氨基基酸酸,决决定定于于它它特特有有的的碱碱基基顺顺序序,而而这这种种碱碱基基顺顺序序能能够够被被氨氨基基酰酰-tRNA合合成成酶酶所所识别。识别。氨基酸活化的总反应式是：24二、活化氨基酸的二、活化氨基酸的缩合合核蛋白体循核蛋白体循环 l活化氨基酸活化氨基酸缩合生成多合生成多肽链的的过程在核蛋白体上程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上上的密的密码并并缩合生成多合生成多肽链的循的循环反反应过程，称程，称为核核蛋白体循蛋白体循环。l核蛋白体循核蛋白体循环过程可分程可分为起起动、延、延长和和终止止三个三个阶段，段，这三个三个阶段在原核生物和真核生物段在原核生物和真核生物类似，似，现以原核生物中的以原核生物中的过程加以介程加以介绍。二、活化氨基酸的缩合核蛋白体循环 活化氨基酸缩合生成多肽25现现在在已已经经知知道道作作为为多多肽肽合合成成起起始始信信号号的的密密码码子子有有两两个个，即即甲甲硫硫氨氨酸酸的的密密码码子子(AUG)(AUG)和和缬缬氨氨酸酸的的密密码码子子(GUG)(GUG)(极极少少出出现现)。在在大大肠肠杆杆菌菌中中,起起始始密密码码子子AUG AUG 所所编编码码的的氨氨基基酸酸并并不不是是甲甲硫硫氨氨酸本身酸本身,而是甲酰甲硫氨酸。而是甲酰甲硫氨酸。现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子有两个，即甲硫氨酸的26（一）起（一）起动阶段：段：130S起起动复合物的形成：在起复合物的形成：在起动因子的促因子的促进下，下，30S小小亚基与基与mRNA的起的起动部位，起部位，起动tRNA（fmet-fmet-tRNAfmet），和），和GTP结合，形成合，形成复合体。复合体。（一）起动阶段：27蛋白质合成起始复合物的形成蛋白质合成起始复合物的形成核糖体大小亚基，起始核糖体大小亚基，起始tRNA，蛋白合成因子，蛋白合成因子原核生物中的起始原核生物中的起始tRNA是是fMet-tRNAfMet真核生物中的起始真核生物中的起始tRNA是是Met-tRNAMet形成过程：形成过程：mRNA先与核糖体的小亚基结合，先与核糖体的小亚基结合，起始起始tRNA再结合上来，再与核糖体的大亚基再结合上来，再与核糖体的大亚基结合结合最后形成最后形成80SrRNA-mRNA-Met-tRNAMet蛋白质合成起始复合物的形成核糖体大小亚基，起始tRNA，蛋白28l原核原核mRNA的起的起动部位由一段富含部位由一段富含嘌呤的特呤的特殊核苷酸殊核苷酸顺序序组成，称成，称为SD序列序列（核蛋白体（核蛋白体结合位点，合位点，RBS），可被核蛋白体小），可被核蛋白体小亚基基16S16S的的3 3，端端辨辨认结合。合。l真核生物中的真核生物中的mRNA具有帽子具有帽子结构，已知需构，已知需一种特殊的一种特殊的帽子帽子结合蛋白（合蛋白（CBP）以以识别此此结构。构。原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称29270S起起动前复合体的形成：前复合体的形成：IF3从从30S起起动复复合体上脱落，合体上脱落，50S大大亚基与复合体基与复合体结合，形成合，形成70S起起动前复合体。前复合体。370S起起动复合体的形成：复合体的形成：GTP被水解，被水解，IF1和和IF2从复合物上脱落。此从复合物上脱落。此时，tRNAtRNAfmetfmet的反密的反密码UACUAC与与mRNAmRNA上的起上的起动密密码AUGAUG互互补结合，合，tRNAtRNAfmetfmet结合在核蛋白的合在核蛋白的给位（位（P P位）。位）。270S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体30延伸：大亚基上的延伸：大亚基上的A位与位与P位，位，A位对应密码子位对应密码子第一个氨基酸结合到第一个氨基酸结合到P位，第二个位，第二个A位位氨基酸之间形成肽键，肽转移酶氨基酸之间形成肽键，肽转移酶A位空缺位空缺第三个氨基酸再结合到第三个氨基酸再结合到A位，循环延伸位，循环延伸终止：终止：终止密码子出现在终止密码子出现在A位时位时,无配对的无配对的AA-tRNA，P位的位的AA与与tRNA的连接水解，的连接水解，tRNA与完与完整的多肽链释放整的多肽链释放肽键的形成不需要任何蛋白因子，是肽键的形成不需要任何蛋白因子，是核糖体自身催化完成的核糖体自身催化完成的延伸：大亚基上的A位与P位，A位对应密码子终止：终止密码子出31（二）（二）肽链延延长阶段：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进入核蛋入核蛋白体的白体的A A位。此步位。此步骤需需GTP，Mg2+，和，和EF参与。参与。（二）肽链延长阶段：1进位：与mRNA下一个密码相32蛋白质的生物合成过程课件33蛋白质的生物合成过程课件34蛋白质的生物合成过程课件352成成肽：在：在转肽酶的催化下，将的催化下，将P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，上，与其与其-氨基氨基缩合形成合形成肽键。此步。此步骤需需Mg2+，K+。P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从核蛋白上脱落。从核蛋白上脱落。3移移位位：核核蛋蛋白白体体向向mRNA的的3-端端滑滑动相相当当于于一一个个密密码的的距距离离，同同时使使肽酰基基tRNA从从受受体体移移到到给位位。此此步步骤需需EF（EFG）、GTP和和Mg2+参参与与。此此时，核核蛋蛋白白体体的的A A位位留留空空，与与下下一一个个密密码相相对应的的氨氨基基酰tRNA即即可可再再进入入，重重复复以以上上循循环过程程，使使多多肽链不不断断延延长。2成肽：在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带36（三）（三）肽链终止止阶段：段：核蛋白体沿核蛋白体沿mRNA链滑滑动，不断，不断使多使多肽链延延长，直到，直到终止信号止信号进入受位。入受位。1识别：RF识别终止密止密码，进入核蛋白体的受位。入核蛋白体的受位。2水解：水解：RF使使转肽酶变为水水解解酶，多，多肽链与与tRNA之之间的的酯键被水解，多被水解，多肽链释放。放。3解离：通解离：通过水解水解GTP，使，使核蛋白体与核蛋白体与mRNA分离，分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离脱落，核蛋白体解离为大、大、小小亚基。基。（三）肽链终止阶段：37第一个 tRNA 把一个氨基酸放在肽链起始位置上；另一个 tRNA带来第二个氨基酸。第一个 tRNA 把一个氨基酸放在肽链起始位置上；38 第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上，形成肽键。核糖体向右移三个核苷酸位置，第一个 tRNA脱落,准 备好位置迎接第三个 tRNA及其所带的氨基酸。第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上，形成肽键。核39合成过程连续进行合成过程连续进行40 直到在 mRNA上出现休止符号的密码子。于是，不再有新的 tRNA上来，肽链合成结束。核糖体与 mRNA脱开。直到在 mRNA上出现休止符号的密码子。于是，41蛋白质的生物合成过程课件42蛋白质的生物合成过程课件43蛋白质的生物合成过程课件44三、多三、多肽链合成后的加工修合成后的加工修饰（一）一一）一级结构的加工修构的加工修饰：1N端甲端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲端甲酰蛋氨酸，必蛋氨酸，必须在多在多肽链折迭成一定的空折迭成一定的空间结构之前被切除。构之前被切除。去甲去甲酰化：化：甲甲酰化化酶甲甲酰蛋氨酸蛋氨酸-肽甲酸甲酸+蛋氨酸蛋氨酸-肽去蛋氨去蛋氨酰基：基：蛋氨酸氨基蛋氨酸氨基肽酶蛋氨蛋氨酰-肽蛋氨酸蛋氨酸+肽三、多肽链合成后的加工修饰（一）一级结构的加工修饰：452氨基酸的修氨基酸的修饰：由由专一一性性的的酶催催化化进行行修修饰，包包括括糖糖基基化化、羟基化、磷酸化、甲基化、磷酸化、甲酰化等。化等。3二硫二硫键的形成：的形成：由由专一性的氧化一性的氧化酶催化，将催化，将-SH氧化氧化为-S-S-。4肽段的切除：段的切除：由由专一性的蛋白一性的蛋白酶催化，将部分催化，将部分肽段切除。段切除。2氨基酸的修饰：由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟46 切去切去N端的端的Met或或fMetS-S的形成的形成蛋白质大分子蛋白质大分子折叠；折叠；糖基和其他基团的糖基和其他基团的修饰修饰；向细胞各部位的向细胞各部位的运送运送等等等等蛋白质合成中还有其他加工步骤 切去N端的Met或fMet 蛋白质合成中还有其他加47蛋白质分子折叠蛋白质分子折叠蛋白质分子折叠48（二）高（二）高级结构的形成：构的形成：1构象的形成：构象的形成：在在分分子子内内伴伴侣、辅助助酶及及分分子子伴伴侣的的协助助下，形成特定的空下，形成特定的空间构象。构象。2亚基的聚合。基的聚合。3辅基的基的连接。接。（二）高级结构的形成：1构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及49（三）靶向三）靶向输送：送：l蛋白蛋白质合成后，定向地被合成后，定向地被输送到其送到其执行行功能的功能的场所称所称为靶向靶向输送。大多数情况下，送。大多数情况下，被被输送的蛋白送的蛋白质分子需穿分子需穿过膜性膜性结构，才构，才能到达特定的地点。因此，在能到达特定的地点。因此，在这些蛋白些蛋白质分子的氨基端，一般都分子的氨基端，一般都带有一段疏水的有一段疏水的肽段，称段，称为信号信号肽。（三）靶向输送：蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所50l常常见的的信信号号肽由由1040个个氨氨基基酸酸残残基基组成成，N端端为带正正电荷荷的的氨氨基基酸酸残残基基，中中间为疏疏水水的的核核心心区区，而而C端端由由小小分分子子氨氨基基酸酸残残基基组成成，可被信号可被信号肽酶识别并裂解。并裂解。l分分泌泌型型蛋蛋白白质的的定定向向输送送，就就是是靠靠信信号号肽与与胞胞浆中中的的信信号号肽识别粒粒子子（SRP）识别并并特特异异结合合，然然后后再再通通过SRP与与膜膜上上的的对接接蛋蛋白白（DP）识别并并结合合后后，将将所所携携带的蛋白的蛋白质送出送出细胞。胞。常见的信号肽由1040个氨基酸残基组成，N端为带正电荷的氨51分泌型蛋白分泌型蛋白质的靶向的靶向输送送分泌型蛋白质的靶向输送52