蛋白质生物合成课件

第十六章第十六章 蛋白质生物合成蛋白质生物合成 l蛋白质是基因表达的最终产物。生物的蛋白质是基因表达的最终产物。生物的一切性状直接通过蛋白质的结构和作用一切性状直接通过蛋白质的结构和作用来实现。来实现。l按照生物学中心法则，蛋白质的生物合按照生物学中心法则，蛋白质的生物合成过程叫做基因的翻译（成过程叫做基因的翻译（translation），），这是基因表达的最后一步。这是基因表达的最后一步。ReversetranscriptionReplication第一节第一节 遗传密码遗传密码1.遗传密码遗传密码 所谓遗传密码，通常是指核苷酸三联体所谓遗传密码，通常是指核苷酸三联体（triplet）决定氨基酸的对应关系。）决定氨基酸的对应关系。目前已发现的密码子有目前已发现的密码子有64个。个。在高等动物和植物基因组中，只有在高等动物和植物基因组中，只有1%左左右用于编码蛋白质氨基酸序列，更多部分是用右用于编码蛋白质氨基酸序列，更多部分是用于编码基因表达的调控信息。于编码基因表达的调控信息。l2.2.三联体（三联体（triplets）密码）密码 遗传密码的基本特性：遗传密码的基本特性：（1）密码的基本单位：）密码的基本单位：核酸分子中按核酸分子中按5 3方向编码、连续不重方向编码、连续不重叠的三联体密码子。叠的三联体密码子。AUG为起始密码子（兼编为起始密码子（兼编码甲硫氨酸），码甲硫氨酸），UAA、UAG和和UGA为终止密为终止密码子。其余码子。其余61个密码子编码个密码子编码20种氨基酸。种氨基酸。（2）密码的简并性（）密码的简并性（degeneracy）：）：同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象称为密码子的称为密码子的简并性简并性。对应于同一种氨基酸的不同密码子称为对应于同一种氨基酸的不同密码子称为同同义密码子义密码子。（3）密码的变偶性：）密码的变偶性：三联体密码子的第三位碱基专一性较小，三联体密码子的第三位碱基专一性较小，即即tRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNA密码子配对时，密码子配对时，密码子第一、第二位碱基配对是严格的，第三密码子第一、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定的变动，这一现象称为密码位碱基可以有一定的变动，这一现象称为密码的的变偶性变偶性。由于变偶性的存在，细胞内只需要由于变偶性的存在，细胞内只需要32种种tRNA，就能识别，就能识别61个编码氨基酸的密码子。个编码氨基酸的密码子。（4）密码的通用性。密码的通用性。各种低等和高等生物，包括病毒、细菌及各种低等和高等生物，包括病毒、细菌及真核生物，基本上共用一套遗传密码。真核生物，基本上共用一套遗传密码。（5）密码的防错系统：）密码的防错系统：密码子中碱基顺序与其相应氨基酸的物理化学性密码子中碱基顺序与其相应氨基酸的物理化学性质之间存在巧妙的关系，氨基酸的极性通常由第二质之间存在巧妙的关系，氨基酸的极性通常由第二位碱基决定，简并性由第三位碱基决定，例如：位碱基决定，简并性由第三位碱基决定，例如：中间碱基是中间碱基是U，编码的氨基酸是非极性、疏水的和支链的，编码的氨基酸是非极性、疏水的和支链的，一般在球蛋白的内部；一般在球蛋白的内部；中间碱基是中间碱基是C，编码的氨基酸是非极性的或具有不带电荷，编码的氨基酸是非极性的或具有不带电荷的极性侧链；的极性侧链；中间碱基是中间碱基是A或或G，相应氨基酸常在球蛋白外周，具有亲水，相应氨基酸常在球蛋白外周，具有亲水性；性；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，第三位可以是任意碱基，其相应氨基酸具有可解离的亲水性可以是任意碱基，其相应氨基酸具有可解离的亲水性侧链并具有碱性；侧链并具有碱性；带有酸性亲水侧链的氨基酸其密码子前两位为带有酸性亲水侧链的氨基酸其密码子前两位为AG，第三位为任意碱基。第三位为任意碱基。这种分布使得密码子中一个碱基被置换，其结果这种分布使得密码子中一个碱基被置换，其结果或是仍然编码相同的氨基酸，或是以物理化学性质最或是仍然编码相同的氨基酸，或是以物理化学性质最接近的氨基酸取代，从而使基因突变可能造成的危害接近的氨基酸取代，从而使基因突变可能造成的危害降至最低程度。所以，密码的编排具有防错功能，是降至最低程度。所以，密码的编排具有防错功能，是在进化过程中获得的最佳选择。在进化过程中获得的最佳选择。l3.3.阅读框（阅读框（reading frames）与开放阅读框）与开放阅读框（open reading frames,ORFs）l 在一个蛋白质的氨基酸序列的三联体密码在一个蛋白质的氨基酸序列的三联体密码子线性序列中，从子线性序列中，从mRNA的的5方向开始向方向开始向3方方向阅读，每一个三联体核苷酸就是一个氨基酸向阅读，每一个三联体核苷酸就是一个氨基酸的密码子，也等于是一个阅读单位。的密码子，也等于是一个阅读单位。从这个序从这个序列的第一个密码子开始到最后一个密码子结束列的第一个密码子开始到最后一个密码子结束就是一个阅读框（就是一个阅读框（reading frame）。）。l 开放阅读框开放阅读框是指是指DNA序列中的蛋白质编码序列中的蛋白质编码区，一个开放阅读框是从出现一个起始密码子区，一个开放阅读框是从出现一个起始密码子（和（和mRNA对应）开始到出现终止密码子结束对应）开始到出现终止密码子结束的的DNA序列长度。序列长度。l4、单顺反子与多顺反子、单顺反子与多顺反子 单顺反子见于真核生物，一段单顺反子见于真核生物，一段DNA序列经转录和剪接后，成熟的序列经转录和剪接后，成熟的mRNA只只编码一条多肽链。编码一条多肽链。多顺反子见于原核生物，指一个多顺反子见于原核生物，指一个mRNA分子编码多个多肽链，但这些多分子编码多个多肽链，但这些多肽链对应的肽链对应的DNA序列则位于同一个转录序列则位于同一个转录单位中，受同一个启动子和终止子的调单位中，受同一个启动子和终止子的调控。控。(a)原核生物原核生物mRNA为多顺反子为多顺反子(b)真核生物真核生物mRNA为单顺反子为单顺反子第二节蛋白质的生物合成第二节蛋白质的生物合成l蛋白质合成的场所是蛋白质合成的场所是核糖体核糖体，所以核糖体也被，所以核糖体也被称为蛋白质合成的工厂。称为蛋白质合成的工厂。lmRNA含有遗传密码的信息，是蛋白质合成的含有遗传密码的信息，是蛋白质合成的模板。读码的方向是从模板。读码的方向是从mRNA的的5到到3，合成，合成出来的多肽是从氨基端到羧基端。出来的多肽是从氨基端到羧基端。l蛋白质合成的原料是蛋白质合成的原料是氨基酸氨基酸，反应所需能量由，反应所需能量由ATP和和GTP提供。提供。l通常，一个通常，一个mRNA分子上，可结合有多个不同分子上，可结合有多个不同时间开始翻译的核糖体，这样的结构称为时间开始翻译的核糖体，这样的结构称为多聚多聚核糖体核糖体。l一、原核生物蛋白质的生物合成一、原核生物蛋白质的生物合成l 1.1.氨酰氨酰-tRNA的合成的合成 所有蛋白质的翻译开始于甲硫氨酸的参与，负所有蛋白质的翻译开始于甲硫氨酸的参与，负责转运这个起始甲硫氨酸的责转运这个起始甲硫氨酸的tRNA为为tRNAiMet，它，它也对选择在也对选择在mRNA上什么位置开始翻译起重要作用。上什么位置开始翻译起重要作用。细胞中有另外一种携带甲硫氨酸掺入到蛋白质细胞中有另外一种携带甲硫氨酸掺入到蛋白质内部的内部的tRNA写作写作tRNAMet。只有一种甲硫氨酰。只有一种甲硫氨酰-tRNA合成酶参与这两种甲硫氨酰合成酶参与这两种甲硫氨酰tRNA的合成。对的合成。对这两者的识别主要依赖于参与蛋白质合成的起始和这两者的识别主要依赖于参与蛋白质合成的起始和延伸因子，前者识别延伸因子，前者识别tRNAiMet，后者识别，后者识别tRNAMet。原核细胞中有一种特异的甲酰化酶，能够使原核细胞中有一种特异的甲酰化酶，能够使tRNAiMet中的氨基发生甲酰化，形成中的氨基发生甲酰化，形成tRNAi fMet，从而不再参与肽链的延伸过程。这种酶在进化过程从而不再参与肽链的延伸过程。这种酶在进化过程中逐渐消失，真核细胞中不存在。中逐渐消失，真核细胞中不存在。l2.2.蛋白质合成的起始（蛋白质合成的起始（initation）核糖体上蛋白质的合成可分为起始、延长核糖体上蛋白质的合成可分为起始、延长及终止三个阶段。及终止三个阶段。在起始阶段，主要进行三个步骤：在起始阶段，主要进行三个步骤：（1）核糖体小亚基结合起始）核糖体小亚基结合起始tRNA；（2）在）在mRNA上必需找到合适的起始密码上必需找到合适的起始密码子；子；（3）大亚基必须与已经形成复合物的小亚）大亚基必须与已经形成复合物的小亚基、起始基、起始tRNA和和mRNA结合。结合。一些被称为一些被称为起始因子起始因子（initiation factor,IF）的非核糖体蛋白质参与了上述）的非核糖体蛋白质参与了上述3个过程。个过程。(1)先形成先形成30S起始复合物起始复合物 在起始因子作用下，甲酰蛋氨酰起始在起始因子作用下，甲酰蛋氨酰起始tRNA与与mRNA分子中的分子中的AUG相结合，即密码相结合，即密码子与反密码子配对，同时子与反密码子配对，同时IF3从三元复合物中从三元复合物中脱落，形成脱落，形成30S前起始复合物，即前起始复合物，即IF1-IF2-30S亚基亚基-mRNA-fMet-tRNAfMet 复合物，此步需复合物，此步需要要GTP和和Mg2+参与。参与。完整的完整的30S起始复合物包括起始复合物包括30S核糖体亚基，核糖体亚基，一分子一分子mRNA，fMet-tRNAifMet，GTP和三种和三种起始因子。起始因子。（2）70S起始复合物的形成起始复合物的形成 50S亚基与上述的亚基与上述的30S前起始复合物结合，前起始复合物结合，同时同时IF1和和IF2脱落，形成脱落，形成70S起始复合物，即起始复合物，即30S亚基亚基-mRNA-50S亚基亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物。此时复合物。此时fMet-tRNAfmet占据着占据着50S亚基的肽酰位。而亚基的肽酰位。而A位则空着有待于对应位则空着有待于对应mRNA中第二个密码的相应氨基酰中第二个密码的相应氨基酰tRNA进入，进入，从而进入延长阶段。从而进入延长阶段。l3.3.肽链的延伸肽链的延伸(elongation)(1)延长开始延长开始 是由第二个氨基酸进入是由第二个氨基酸进入A位点的第二个密码子开位点的第二个密码子开始的，第二个氨基酸的选择是由始的，第二个氨基酸的选择是由mRNA中的第二中的第二个密码子决定，这样的结合需要延长因子个密码子决定，这样的结合需要延长因子EF-Tu和和GTP。(2)第一个肽键的形成第一个肽键的形成 大大亚亚基基的的组组分分肽肽基基转转移移酶酶催催化化P位位tRNA上上的的fMet转转移移到到A位位点点，而而且且和和tRNA上上相相连连的的第第二二个个氨氨基基酸酸形形成成二二肽肽。此此时时与与tRNA相相连连的的二二肽肽结结合合在在A位位点，点，P位点位点停留着的是空载的停留着的是空载的tRNA。（3）移位（）移位（translocation）当当核糖体向向前前移移动动一一个个密密码码子子长长度度时时，P位位上上空空载载的的tRNA从从核核糖糖体体上上脱脱离离，原原在在A位位上上的的tRNA二二肽肽移移向向P位位点点，空空出出的的A位位点点准准备备接接受受新新的的氨氨酰酰-tRNA，移位需要，移位需要EF-G和和GTP。l4.4.链合成的终止（链合成的终止（termination）l l 无无论论原原核核生生物物还还是是真真核核生生物物都都有有三三种种终终止止密密码码子子UAG，UAA和和UGA。没没有有一一个个tRNA能能够够与与终终止止密密码码子子作作用用，而而是是靠靠特特殊殊的的蛋蛋白白质质因因子子促促成成终终止止作作用用。这这类蛋白质因子叫做类蛋白质因子叫做释放因子释放因子。l 原原核核生生物物有有三三种种释释放放因因子子：RF1，RF2和和RF3。RF1识识别别UAA和和UAG，RF2识识别别UAA和和UGA。RF3不不识别终止密码子，但能刺激另外两个因子的活性。识别终止密码子，但能刺激另外两个因子的活性。l 真真核核生生物物中中只只有有一一种种释释放放因因子子eRF，它它可可以以识识别别三种终止密码子。三种终止密码子。l 不不管管原原核核生生物物还还是是真真核核生生物物，释释放放因因子子都都作作用用于于A位位点点，使使转转肽肽酶酶活活性性变变为为水水解解酶酶活活性性，将将肽肽链链从从结结合合在在核核糖糖体体上上的的tRNA的的CCA末末端端上上水水解解下下来来，然然后后mRNA 与与核核糖糖体体在在核核糖糖体体释释放放因因子子（ribosome releasing factor,RRF）的的参参与与下分离，最后一个下分离，最后一个tRNA脱落。脱落。l 核核糖糖体体在在IF-3作作用用下下，解解离离出出大大、小小亚亚基基。解解离离后后的的大大小小亚亚基基又又重重新新参参加加新新的的肽肽链链的的合合成成，循循环环往往复复，所所以以多多肽肽链链在在核核糖糖体体上上的的合合成成过过程程又又称称核糖体循环核糖体循环（ribosome cycle）。）。开始翻译开始翻译延长延长结束结束蛋白质的合成过程蛋白质的合成过程l二、真核生物蛋白质的生物合成二、真核生物蛋白质的生物合成l1.1.真真核核生生物物与与原原核核生生物物蛋蛋白白质质合合成成的的共共同点同点l真真核核、原原核核生生物物蛋蛋白白质质生生物物合合成成的的步步骤骤相相同同，同同样样可可以以划划分分为为活活化化、起起始始、延延长长和和终终止止几几个个阶阶段段。需需要要的的底底物物也也是是2020种种标标准准氨氨基基酸酸，同同样样需需要要核核糖糖体体、mRNAmRNA、tRNAtRNA和和ATPATP及及GTPGTP，蛋蛋白白质质合合成成的的方方向向也也是从是从N N端到端到C C端。端。l2.2.真核生物与原核生物蛋白质合成的不同点真核生物与原核生物蛋白质合成的不同点l（1）核糖体的差异）核糖体的差异l真真核核生生物物整整个个核核糖糖体体大大小小为为有有80S，由由40S和和60S两个亚基组成。两个亚基组成。l（2）起始阶段的差异）起始阶段的差异l第第一一，真真核核生生物物起起始始于于蛋蛋氨氨酸酸而而非非N-甲甲酰酰蛋蛋氨氨酸酸，但但起起始始tRNA不不同同于于在在肽肽链链内内部部添添加加蛋蛋氨氨酸酸的的tRNA。这这一一tRNA通通常常表表示示为为tRNAiMet。两两者者的的识识别别是是由由起起始始和和延延伸伸因因子子进行区分的。进行区分的。l第第二二，多多数数真真核核生生物物mRNA的的5末末端端有有一一个个帽帽子子,它它指指导导起起始始因因子子结结合合和和寻寻找找起起始始密密码码。而而原原核核生生物物起起始始密密码码子子的的识识别别主主要要依依靠靠AUG序序列列上上游游10个个碱碱基基左左右右位位置置的的SD序序列列（富富含含嘌嘌呤呤碱碱基基，能能与与细细菌菌16SrRNA3端端的的7个个嘧嘧啶啶碱碱基基进进行行互互补补识识别，以帮助从起始别，以帮助从起始AUG开始翻译）。开始翻译）。l第第三三，翻翻译译起起始始阶阶段段的的调调控控复复杂杂。需需要要更更多多的的蛋蛋白白质质因因子子（eIFeIF）参参与与，目目前前至至少已发现少已发现9 9种。种。l（3）mRNA的差异的差异l多多数数原原核核生生物物的的mRNA是是多多顺顺反反子子，含含有有多多个个基基因因或或顺顺反反子子的的信信息息。每每一一个个基基因有自己的起始密码和核糖体结合位。因有自己的起始密码和核糖体结合位。l真真核核生生物物在在转转录录时时以以单单顺顺反反子子为为主主，很很少出现多顺反子。少出现多顺反子。l三、蛋白质合成后的分泌与加工三、蛋白质合成后的分泌与加工l不不论论是是原原核核还还是是真真核核生生物物，在在细细胞胞浆浆内内合合成成的的蛋蛋白白质质需需定定位位于于细细胞胞特特定定的的区区域域，以行使各自的生物功能。以行使各自的生物功能。l蛋蛋白白质质在在翻翻译译后后的的修修饰饰和和加加工工过过程程，使使得蛋白质的组成和结构多样化、复杂化。得蛋白质的组成和结构多样化、复杂化。l（一）信号肽（一）信号肽l每每一一个个需需要要运运输输的的多多肽肽都都含含有有一一段段氨氨基基酸酸序序列列，称称为为信信号号肽肽序序列列（signal/leader sequence）,引引导导多多肽肽至至不不同同的的转转运运系系统统。其其长长度度从从10-40个个氨氨基基酸酸残残基基不不等等，不不同同的的分分泌泌蛋蛋白白的的信信号号肽肽的的氨氨基基酸酸序序列列不不同，通常位于多肽链的同，通常位于多肽链的N端。端。l真真核核细细胞胞中中，当当一一种种多多肽肽链链的的N端端刚刚开开始始合合成成不不久久，这这种种多多肽肽合合成成后后的的去去向向就就已已被决定。被决定。l一一部部分分核核糖糖体体以以游游离离状状态态停停留留在在胞胞浆浆中中，合成合成线粒体和叶绿体膜的蛋白质线粒体和叶绿体膜的蛋白质。l另另一一部部分分核核糖糖体体，受受新新合合成成的的多多肽肽的的N端端信信号号肽肽所所控控制制，进进入入内内质质网网，使使其其变变成成局局部部有有凸凸起起的的粗粗面面内内质质网网。与与内内质质网网相相结结合合的的核核糖糖体体可可合合成成三三类类主主要要的的蛋蛋白白质质：溶溶酶酶体体蛋蛋白白、分分泌泌到到胞胞外外的的蛋蛋白白（分分泌泌蛋白）和构成质膜骨架的蛋白蛋白）和构成质膜骨架的蛋白。l（二）蛋白质在内质网上的修饰加工（二）蛋白质在内质网上的修饰加工l多多肽肽在在内内质质网网的的修修饰饰作作用用主主要要包包括括：N端端信信号号肽肽的的切切除除，二二硫硫键键的的形形成成，使使线线性性多多肽肽呈现一定的空间结构，糖基化作用。呈现一定的空间结构，糖基化作用。l通通过过短短时时间间内内在在粗粗面面内内质质网网的的加加工工后后，分分泌泌蛋蛋白白形形成成被被膜膜包包裹裹的的小小泡泡，转转运运至至高高尔尔基体，然后再转运至细胞表面或溶酶体中。基体，然后再转运至细胞表面或溶酶体中。l糖糖基基化化作作用用使使多多肽肽链链转转变变成成糖糖蛋蛋白白（glycoproteins）。糖糖蛋蛋白白上上发发现现的的寡寡聚聚糖糖多多是是五五聚聚糖糖，由由3 3分分子子甘甘露露糖糖和和2 2分分子子N-乙酰葡萄糖胺组成。乙酰葡萄糖胺组成。l糖糖链链和和多多肽肽链链相相连连的的方方式式有有两两种种：O-寡寡聚聚糖糖（和和丝丝氨氨酸酸或或苏苏氨氨酸酸的的OH侧侧链链相相连连）和和N-寡寡聚聚糖糖（和和天天冬冬酰酰氨氨的的NH2侧侧链链相相连）连）p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日