蛋白质生物合成【生物化学课件】

1、蛋白质的生物合成,生物化学与分子生物学教研室 刘 先 俊,背景环境分析,一、概 述 以RNA中的mRNA为模板，将mRNA的碱基所组成的遗传密码转变为蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，称为蛋白质的生物合成，也称为翻译（translation）。简言之，就是生物体以mRNA为模板合成蛋白质的过程。 翻译过程中核酸的作用:,背景环境分析,背景环境分析,二、蛋白质生物合成体系 基本原料：20种编码氨基酸 模板：mRNA 适配器：tRNA 装配机：核蛋白体 主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等 能源物质：ATP、GTP 无机离子：Mg2+、 K+,背景环境分析,（一）mRNA是遗传信息的携带者 mRNA来源、生物遗传信息储存于DNA mRNA分子中的碱基排列序列决定了蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。 mRNA中相邻的3个碱基代表一个氨基酸，三个相邻的碱基称为一组密码（coden），或称三联体密码。 64组密码组成遗传密码表： 起始密码：1组（AUG），兼作Met的密码 终止密码：3组（UAA、UGA、UAG） 61组密码编码20种-氨基酸,背景环境分析,

2、遗 传 密 码 表,背景环境分析,mRNA的基本结构,从mRNA 5-端起始密码子AUG到3-端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。,背景环境分析,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,背景环境分析,遗传密码的特点： 1连续性（commaless）,编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。,背景环境分析,基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。,背景环境分析,2. 方向性(sideness),翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。,背景环境分析,3简并性（degeneracy） 在遗传密码表中，共有64组密码（43）。其中，3组作为翻译的终止密码（UAA、UAG和UGA）；AUG兼作翻译的起始密码（AUG是蛋氨酸的密码），其余61组密码（包括AUG作为亮氨酸的密码）共同编码20种-氨基酸。因此，必然有一种氨基酸由多组密码编码的现象，称

3、为密码的简并性。实际上，除色氨酸与蛋氨酸（由一个密码编码）外，其余氨基酸均由两个或两个以上的密码编码（26个）。,背景环境分析,各种氨基酸的密码子数目,背景环境分析,4通用性（universal）: 无论原核生物如病毒、细菌等和真核生物包括人类都共用一套遗传密码即三联体密码。只是不同生物对密码子具有偏爱性。,背景环境分析,（二）tRNA是搬运氨基酸的工具1. tRNA的结构,背景环境分析,tRNA分子中与蛋白质合成有关的位点： 1）氨基酸结合位点； 2）氨酰-tRNA合成酶识别位点； 3）核糖体识别位点； 4）反密码位点： 反密码与密码结合时方向相反。即反密码的第1、2、3位碱基分别与密码的第3、2、1位碱基配对。,背景环境分析,反密码与密码配对时，反密码的第2、3位碱基分别与密码的第2、1位碱基配对时严格遵循碱基配对规则（即A与U、G与C配对），而反密码的第1位碱基与密码的第3位碱基配对时不严格遵循碱基配对规则，后者成为摆动配对或不稳定配对（wobble base pair）。,摆动配对情况 通过摆动配对，使得携带有同种氨基酸的不同tRNA分子可分别结合在几种同义密码上。如反密码为I

4、GC的丙氨酰-tRNA，可分别结合到同义密码GCU、GCC、GCA上（GCU、GCC、GCA均为编码丙氨酸的密码）。摆动配对的存在对于保持生物物种的稳定具有重要意义。,tRNA是氨基酸与遗传密码间的适配器,2.氨酰-tRNA 各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的氨基酰-tRNA表示为： 氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写 例如： 丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla 精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg 甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet 起始者甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAiMet 延长甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAeMet,在生物体内，一种tRNA只能与一种氨基酸结合（即一种tRNA只能搬运一种氨基酸），而一种氨基酸可与一种以上的tRNA分子结合，所以，tRNA的种类(80种以上）比氨基酸（20种）多。,(三)核糖体是蛋白质生物合成的场所 核糖体是肽链合成的“装配机”。 胞质中核糖体种类： 游离的核糖体-合成细胞固有蛋白 与粗面内质网结合的核糖体 -合成带有信号肽的分泌性蛋白质 核糖体由大、小亚基组成，其组成成份包括rRNA和蛋白质。

5、,不同细胞核蛋白体的组成,在核糖体上，与蛋白质生物合成有关的主要结构有： 1有容纳mRNA的部位； 2有结合氨酰-tRNA的部位，称为氨酰基部位，简称A位;有结合肽酰-tRNA的部位，称为肽酰基部位，简称P位； 3.有结合蛋白质因子的部位； 4有转肽基酶（transpeptidase）存在，可催化肽键的形成； 5.具有延长因子依赖的GTP酶活性。 A位和P位呈紧密相邻，每个部位的宽度正好相当于mRNA上一个遗传密码的宽度。,mRNA与核糖体的结合 原核生物核糖体的小亚基的rRNA（16S）的3末端有一富含嘧啶的区段，可与mRNA分子的起始部位的一段富含嘌呤的区段互补结合，使mRNA结合至核糖体上。mRNA分子中的这段富含嘌呤的区段称为S-D序列（Shine-Dalgarno sequence）(通常为GGAGGU)。S-D序列位于mRNA的5端紧接起始信号的上游。,原核生物mRNA的S-D序列及其与16SrRNA的结合,三、蛋白质生物合成过程 蛋白质的生物合成过程包括： 氨基酸的活化与转运 活化氨基酸在核糖体上形成多肽链。后者是蛋白质生物合成的中心环节，又称核糖体循环。 翻译后加工,氨

6、基酸与tRNA的结合需要氨酰tRNA合成酶催化，并需要消耗ATP。,（一）氨基酸的活化与转运,第一步反应,第二步反应,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 绝对专一性： 1个A.A对应1个氨基酰tRNA合成酶 催化反应： 活化A.A-活化“-COOH”，消耗2个ATP，产 物氨酰tRNA 酶的两个位点： 结合位点-结合正确的A.A，活化 水解位点-保证A.A序列的正确性(校正活性),氨基酰-tRNA合成酶,（二）原核生物核糖体循环 翻译时，从mRNA的起始密码子AUG开始，按53方向逐一读码，直至终止密码子。于是，合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始，从N-端C-端延长，直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸。,（一）起始 是指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。 基本过程： 1. 核蛋白体大小亚基分离； 2. mRNA在小亚基定位结合； 3. 起始氨基酰-tRNA的结合； 4. 核蛋白体大亚基结合。,指在mRNA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。,1. 进位(positioning)/注册(regis

7、tration) 2. 成肽(peptide bond formation) 3. 转位(translocation),（二）延长,肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，包括以下三步：,每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。,1. 进位,又称注册(registration)， 是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核蛋白体A位的过程。,进位需要延长因子EF-Tu与EF-Ts参与。,2.成肽,成肽是在转肽酶(peptidase)的催化下，核蛋白体P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA的-氨基结合形成肽键的过程。,3. 移位,转位是在转位酶（延长因子EF-G）的催化下，核蛋白体向mRNA的3-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程。,移位需要延长因子EF-G参与。,肽链合成延长(核蛋白体循环)过程,（三）终止,指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过

8、程。,终止阶段需要释放因子RF-1、 RF-2和 RF-3参与。,RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性，能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。,释放因子的功能：,识别终止密码子,RF-1特异识别UAA、UAG； RF-2特异识别UAA、UGA。,诱导转肽酶转变为酯酶活性,催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。,原核肽链合成终止过程,合成含10个氨基酸的肽链，消耗多少ATP？ aa.活化210 = 20 ATP(消耗2个高能磷酸键，计2 ATP) 1st aa.1 GTP(直接进入P位) 其余9 aa. 2 9 = 18 GTP(重复进位、转肽、移位的过程) 终止 1 GTP 20+1+18+1 = 40 ATP (活化以后直接消耗的是GTP),四、原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别,五、翻译后的加工 新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰(posttranslational modification)。 翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使

9、蛋白质结构上呈现更大的复杂性。,（一）多肽链折叠为天然构象的蛋白质 新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。,细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。几种有促进蛋白质折叠功能的大分子: 分子伴侣 (molecular chaperon) 蛋白质二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI),（二）一级结构修饰 1.N-端、C-端的切除或修饰 2.共价修饰： 如羟基化、糖基化、磷酸化、乙酰化、羧基化、甲基化等。,（三）空间结构的修饰 1.亚基聚合 2.辅基连接,（四）蛋白质的靶向输送 蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。 所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要是N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这类序列称为信号序列(signal sequence)。,信号序列的结构特点： 1）由15-30个氨基酸残基构成； 2）N端为1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸； 3）中间为疏水中心，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等； 4）C端由极性相对较大、侧链较短的氨基酸组成如甘氨酸、丙氨酸等，随后是信号肽酶的裂解位点。,六、蛋白质生物合成的干扰与抑制,蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。抗生素等就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能、干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。 可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。,（一）抗生素,抗生素(antibiotics)是一类由某些真菌、细菌等微生物产生

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