【教学课件】第十四章蛋白质的生物合成.ppt

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1、第十四章 蛋白质的生物合成,第一节 遗传密码蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再转变成蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译(translation)。,一、遗传密码：,1.遗传密码：DNA 或 mRNA中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列的对应关系。2.密码子：由三个相邻的碱基编码一种氨基酸的核苷酸三联体。3.遗传密码的特点：（1）通用性：动植物微生物都可使用,遗传密码的简并性和通用性,（2）简并性：一种氨基酸可有多种密码子编码的现象。只有Met 和 Trp 没有。同义密码：编码同一种氨基酸的密码子。（3）读码的连续性：不重叠无间隔。（4）有起始密码 AUG

2、 和终止密码 UAA、UAG、UGA。（5）方向性：密码子的阅读方向为5-3。（6）变偶性（摆动性）：密码子的前两个碱基相同，决定了其专一性，而第三个碱基可以发生变化。,意义：,1 若突变发生在第三个碱基上翻译仍可进行。2 利于mRNA上的密码子与 tRNA 上反密码子配对时，使 tRNA上稀有碱基可与反密码子配对。IMP可与AMP、UMP、CMP配对。,遗传密码的连续性,遗传密码的摆动配对,二、参与蛋白质生物合成的物质,生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约20种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽

3、链中氨基酸的排列顺序；tRNA：搬运氨基酸的工具；核糖体（又名核蛋白体）：蛋白体生物合成的场所；酶及其他蛋白质因子；供能物质及无机离子。,（一）、mRNA作为指导蛋白质生物合成的模板。mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码子(coden)。共有64种不同的密码。,（二）tRNA：在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的 氨基酸结合，生成氨基酸tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码子(anticoden)。,反密码对密码的识别，通常也是根据

4、碱基互补原则，即AU，GC配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为（次黄嘌呤），则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。,能够识别mRNA中5端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起始部位的蛋氨酸密码，AUG。,（三）rRNA和核蛋白体原核生物中的核糖体大小为

5、70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质构成。真核生物中的核糖体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8 S rRNA。,核糖体的组装,大肠杆菌核糖体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。,核糖体的大、小亚基分别有不同的功能：1小亚基：可与mRNA、GTP和起始t

6、RNA结合。2大亚基：（1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右）氨酰基基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）肽酰基部位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。（2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。（3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。（4）具有起始因子、延长因子及释放因子的结合部位。,在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核糖体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核糖体。,（四）起始因子（IF）：这是一些与

7、多肽链合成起始有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起始因子（eIF）。其作用主要是促进核糖体小亚基与起始tRNA及模板mRNA结合。,（五）延长因子（EF）原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核糖体的受体，并可促进移位。,（六）释放因子（RF）：原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。,（七）氨基酰tRNA合成酶：该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基

8、酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。,（八）供能物质和无机离子：多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。,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骤：氨基酸的活化与搬运；活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；多肽链合成后的加工修饰。,一、氨基酸的活化与搬运,氨基酸的活化以及活化氨基酸

9、与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。其反应过程为：,在此反应中，特异的tRNA3端CCA上的2或3位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酸tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核糖体上参与多肽链的合成。氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸 活化；搬运；定位。,二、活化氨基酸的缩合核糖体循环,活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核糖体循环。核蛋糖体循环过程可分为起始、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。,（一）起始阶段：130S起

10、始复合物的形成：在起始因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起始部位，起始tRNA（fmet-tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。,原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核糖体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合270S起始前复合体的形成：IF3从30S起始复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起始前复合体。,370S起始复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时，tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起始密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的给位（P位）。,（二）肽链延长阶段：1进位：与m

11、RNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的受位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。,2成肽：在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核糖体上脱落。3移位：核糖体向mRNA的3-端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核糖体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。,（三）肽链终止阶段：核糖体沿mRNA链滑动，不断使

12、多肽链延长，直到终止信号进入受位。1识别：RF识别终止密码，进入核糖体的受位。2水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。3解离：通过水解GTP，使核糖体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核糖体解离为大、小亚基。,多肽链合成的能量消耗,多肽链的合成是一个消耗能量的过程，其能量主要由ATP和GTP提供。若n个氨基酸合成一条多肽链：n个氨基酸分子的活化 2n个（ATPAMP+2ADP）70s起始复合物的形成：1个（GTP GDP+Pi)(n1)个氨酰tRNA进入核糖体A位点：n1个（GTP GDP+Pi)(n1)次核糖体移位：(n1)个(GTP GDP+Pi)共

13、（4n1）个,三、多肽链合成后的加工修饰,（一）一级结构的加工修饰：1N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。去甲酰化：甲酰化酶 甲酰蛋氨酸-肽 甲酸+蛋氨酸-肽 去蛋氨酰基：蛋氨酸氨基肽酶 蛋氨酰-肽 蛋氨酸+肽,2氨基酸的修饰：由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。3二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。4肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。如：前胰岛素原（切信号肽）胰岛素原（切间插序列）胰岛素,（二）高级结构的形成：1构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。2亚基的聚合。3辅基的连接。,（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称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。,常见的信号肽由1040个氨基酸残基组成，N端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水的核心区，而C端由小分子氨基酸残基组成，可被信号肽酶识别并裂解。分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别蛋白（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的停泊蛋白识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。,分泌型蛋白质的靶向输送,