蛋白质的生物合成.doc

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1、第六章 蛋白质的生物合成 蛋白质生物合成（protein biosynthesis）又称翻译（translation），是指以新生的mRNA为模板，把核酸的碱基序列转变为蛋白质中的氨基酸序列。第一节 遗传密码一、遗传密码的破译n 遗传密码（genetic code）又称密码子、遗传密码子、三联体密码，指信使RNA(mRNA)分子上从5端到3端方向，由起始密码子AUG开始，每三个核苷酸组成的三联体。它决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号。 二、遗传密码的基本特性1、方向性 阅读方向和编码方向都是从5 32、连续性 在mRNA链上，从起始信号到终止信号，密码子的排列是连续的、不重叠的

2、。3、有起始密码子和终止密码子起始密码子：AUG(多数)、GUG(极少数)终止密码子：UAA叫赭石密码子(ochre codon)UAG叫琥珀密码子(amber codon)UGA叫蛋白石密码子(opal codon)4、简并性同一种氨基酸具有两个或更多密码子的现象称为密码子的简并性(degeneracy)编码同一种氨基酸的密码子称为同义密码子(synonymous coden)5、变偶性1966年，Crick提出的变偶假说（wobble hypothesis）认为，遗传密码的专一性主要取决于前两位碱基，第三位碱基有一定的自由度，可以有一定程度的摆动。根据变偶假说，一个tRNA究竟能识别多少个

3、密码子，是由反密码子的第一位碱基的性质决定，如U可以和A或G配对，G可以和U或C配对，I可以和U、A、C配对，而A和C只能与U和G配对，这种现象称为变偶性（wobble）。6、通用性和变异性通用性是指无论是病毒、原核生物还是真核生物，基本上共用同一套遗传密码。但1980年以来，逐渐在动物和酵母的线粒体及草履虫、腺病毒等生物中发现遗传密码的变异性。三、可读框与重叠基因1、可读框（open reading frame，ORF）可读框是指DNA序列中，从起始密码子到终止密码子的一段连续的密码子区域。当没有已知的蛋白产物时，该区域被称为可读框；而当确知该可读框编码某一确定蛋白质时，它就被称为编码区。一

4、个可读框是潜在的编码区。2、重叠基因（overlapping gene）重叠基因是指一段DNA序列可以编码一条以上的多肽链。重叠基因通常是在基因组较小而需要贮存更多信息的情况下产生。如噬菌体X174的基因组第二节 蛋白质生物合成的分子基础一、mRNA是蛋白质生物合成的模板 四个特点成熟的mRNA存在于细胞质中，占总RNA的5%，种类多，寿命短，更新快。 原核细胞mRNA是多顺反子（polycistron）。 真核细胞mRNA是单顺反子（nonocistron）。原核细胞mRNA起始密码子的上游含有一段富有嘌呤碱基的序列，称作SD序列（Shine-Dalgarno sequence），它可与16

5、srRNA3端富嘧啶区序列互补。 SD序列是核糖体的结合位点（ribosome-binding site，RBS），是原核细胞起始所必需。 真核细胞mRNA5端的帽子结构对核糖体进入部位（ribosome entry site）的识别起着一定作用。 真核细胞mRNA中的起始密码是最靠近5端的AUG序列。二、tRNA转运活化的氨基酸tRNA的含量相对较多，占RNA的15%。tRNA的二级结构呈三叶草型，三级结构呈倒L型。1、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 氨基酸的羧基与 tRNA的CCA末端腺苷的3（或2）羟基相结合的

6、酯键。 （3）核糖体识别位点（4）反密码子位点受体臂或称氨基酸臂 核糖体上的rRNA 识别负责和氨基酰tRNA聚合酶结合负责连接两个区域对密码子的识别与配对。双氢尿嘧啶环2、tRNA的主要功能n tRNA在蛋白质的合成中特异性地转运氨基酸。n 通常将tRNA所转运的氨基酸标在右上角 如， tRNAPhen 大多数氨基酸都有几种tRNA用于转运n 运输同一种氨基酸的不同tRNA称为同工tRNA3、氨基酸的活化氨基酸的活化形式是氨酰-tRNA。三、核糖体是蛋白质生物合成的部位 核糖体（ribosome） 又称核糖核蛋白颗粒（ribonucleoprotein particle），是细胞内进行蛋白质

7、合成的场所，在蛋白质合成中起着中心作用。1、核糖体的组成和结构n 不论何种来源的核糖体，均由rRNA和一定数量的蛋白质组成，其共同特征是rRNA的含量比蛋白质高。n rRNA是所有RNA中含量最多的一类，占总RNA的80%以上。它对核糖体结构的形成和承担功能都起着重要作用。n 所有生物的核糖体都由大小两个亚基构成。n 当Mg2+浓度为10mmolL时，亚基聚合； Mg2+浓度下降为0.1mmolL时，有解聚。2、原核生物的核糖体 大肠杆菌的核糖体沉降系数为70S，分子质量为2750KDa。（1）组成 由30S小亚基和50S大亚基两部分组成。 30S小亚基含有一个16S rRNA和21种蛋白质组

8、成， 50S大亚基则含有两个rRNA（5S和23S）和31种蛋白质。（2）结构 70S核糖体是一个椭圆球体。 30 S小亚基形似动物胚胎，由头部（head）、基部（base）和平台（platform）组成，平台与头部之间有一缝隙（cleft）； 50 S 大亚基很像一个沙发，有一个柄（stalk）、一个中央突（central protuberance）、嵴（ridge）和谷（valley）组成，中间凹下去的部位有一个很大的空穴。 当30S亚基与50S亚基结合成70S核糖体时，30S小亚基的平台伸入到50S大亚基的谷中而嵌和在一起。游离状态和蛋白质合成过程中的核糖体结构有区别，说明核糖体的结构在

9、蛋白质合成过程中有一定的灵活性。（3）活性位点A位（aminoacyl site）：是接受氨酰-tRNA位点。P位（peptidyl site）：是接受肽酰-tRNA位点E位（exit site）：空载tRNA离去的位点形成肽键的部位：肽酰基转移酶中心mRNA结合部位：16SrRNA3端富含嘧啶序列此外，还有与起始因子、延伸因子、释放因子及与各种酶相结合的位点。3、真核生物的核糖体n 真核生物核糖体，沉降系数为80S，分子质量为4500KDa。n 它是由40S小亚基和60S大亚基组成。 40S小亚基由18S rRNA和大约30种蛋白质组成；而60S大亚基则含有三个rRNA分子（5S，5.8S和

10、28S）和大约45种蛋白质。n 真核生物的核糖体更复杂，结构不太清楚4、多聚核糖体 多聚核糖体（polyribosome）是由一个mRNA分子与一定数目的处于不同翻译阶段的多个核糖体结合而成，形成念珠状。第三节 蛋白质生物合成的过程一、原核生物的蛋白质合成（一）翻译的起始1、mRNA分子与核糖体的识别与结合 在起始密码子上游有一段富含嘌呤的序列-SD序列，与核糖体小亚基中的3端富含嘧啶的序列互补识别，以帮助从起始AUG处开始翻译。2、N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet的形成 在细菌中，翻译开始的第一个氨基酸是甲酰甲硫氨酸。Met+tRNAfMet+ATPMet-tRNAfMet+AMP+PPi

11、甲酰基转移酶3、起始因子（initiation factor，IF）n 是一类非核糖体蛋白质，参与原核蛋白质合成的起始。IF1：增加IF2和IF3活性IF2：使fMet-tRNAfMet选择性地与30S亚基结合，需GTPIF3：促使30S亚基与mRNA起始部位连接，阻止30S亚基与50S亚基的结合4、起始步骤（1）形成mRNA-30S复合物 首先，IF3与游离的30S亚基结合 其次，IF3-30S与mRNA结合成IF3-30S-mRNA复合物。（2）形成30S起始复合物 在IF2和GTP的帮助下，fMet-tRNAfMet结合到mRNA-30S复合物中，释放IF3，形成30S起始复合物。（3）

12、形成70S起始复合物 30S起始复合物与50S亚基结合，释放IF2，并把GTP水解成GDP和Pi，组装成70S起始复合物。（二）翻译的延伸n 延伸循环包括三步反应，每步都是在相应的延伸因子（elongation factor，EF）的参与下完成。1、进位（1）三元复合物生成 （2）三元复合物进入A位,GTP水解成GDP和Pi（3）EF-TuEF-Ts 循环2、转肽（transpeptidation）（1）肽酰基转移酶 （peptidyl transferase） 位于核糖体50S大亚基上，催化肽键生成 23SrRNA是肽酰基转移酶的活性部位。 （2）肽键的形成 A位上的氨酰-tRNA的氨基，对

13、P位上的甲酰甲硫氨酰基（或后来的肽酰基）的羰基进行亲核攻击，使其活化，转移到A位的氨酰-tRNA的氨基上形成肽键。 3、移位（translocation） （1）需要GTP 和 延伸因子 EFG（移位酶） EF-G对GTP有很强的亲和力，它催化的移位过程需要GTP水解提供能量。 （2）移位过程 在EF-G的作用下，核糖体沿mRNA5 3方向移动，每次移动一个密码子，结果使肽酰-tRNA从A位移到P位。（三）翻译的终止1、终止信号：终止密码子 UAA、UAG、UGA2、释放因子（release factor,RF） RF1 - 识别 UAA 和 UAG RF2 - 识别 UAA 和 UGA RF

14、3 - 负责激活RF1和 RF2 3、多肽链合成终止 当终止密码子进入核糖体的A位点时，RF 识别终止密码子并与之结合。 RF 的某种作用改变肽酰基转移酶的肽基转移特性，同时催化P位点上的tRNA与肽链之间的酯键水解，使肽基与水分子结合。 RF3是一种依赖于核糖体的GTPase, 结合GTP，帮助其他两种RF结合于核糖体上。 二、真核生物的蛋白质合成（一）真核蛋白质合成的起始1、起始于甲硫氨酸2、起始密码子的识别扫描模型（scanning model）n 合适的AUG需要有正确的上下游序列： 5 C C A C C AUG G 3+1-3 +43、真核起始因子（eukaryotic initi

15、ation factor，eIF ）（1）与核糖体亚基结合的因子：eIF3、eIF4C等（2）与mRNA结合以识别5帽子结构并解开二级结构的因子：eIF4B、eIF4F（eIF4E、eIF4A ）（3）与起始tRNA运输相关的因子：eIF2、eIF2B等（4）其他的可替换因子：eIF5能替换eIF2和eIF3，促使60S亚基结合。4、真核起始步骤（一）40S起始复合物的合成：1）mRNA5端先与eIF4A和eIF4B结合，去除二级结构；2）eIF3结合到40S亚基上，促使40S起始复合物与mRNA结合，并在mRNA上移动寻找AUG起始密码子；3）eIF5替换eIF2和eIF3后，60S亚基与4

16、0S亚基结合，并水解GTP。4）释放eIF2GDP复合物和eIF3。（二）真核蛋白质合成的延伸（与原核相似） eEF1 取代 EFTu 和 EFTs eEF2 取代 EFG （三）真核蛋白质合成的终止 只有一种释放因子eRF,可以识别三类终止密码子 原核与真核mRNA翻译过程比较细菌真核地点转录和翻译同一地点转录在细胞核翻译在细胞质核糖体30S、50S40S、60SmRNA多顺反子，无帽无尾单顺反子，5帽子、3polyA起始密码AUG，GUG（极少）AUG起始tRNA载体fMetMet起始密码子识别SD序列扫描起始因子IF-1，2，310多个eIF延伸因子EF-Tu，Ts， GEF-1,EF-

17、2释放因子RF-1，2，31种eRF三、蛋白质合成的抑制剂 原核生物蛋白质合成抑制剂主要是一些抗生素如：嘌呤霉素、氯霉素、四环素、链霉素、新霉素、卡那霉素等； 真核生物蛋白质合成抑制剂主要亚胺环己酮，另外白喉毒素（diphtheria toxin）也是一种毒性很强的蛋白质合成抑制剂。第四章 蛋白质合成后的加工和运输 一、蛋白质合成后的加工（一）蛋白质前体的共价修饰1、N端fMet或Met的切除 原核细胞的蛋白质约有一半都不保留fMet中的甲酰基。原核细胞的大多数蛋白质中的Met也被切除真核细胞蛋白质中的Met则全部被切除2、二硫键的形成由两个半胱氨酸残基的侧链脱氢氧化形成3、特定氨基酸侧链的修

18、饰（1）磷酸化（2）甲基化（3）乙酰化（4）腺苷酸化（5）糖基化（glycosylation）4、新生肽链中非功能片段的切除（二）蛋白质的折叠n 有些蛋白质只有在一种或几种特定的三维空间结构时，才具有生物学活性或功能。1、酶（enzyme）2、分子伴侣（molecular chaperone） 分子伴侣是指细胞内一类能帮助新生肽链折叠、装配或转运，但本身并不参与最终产物形成的蛋白质分子。二、蛋白质合成后的运输（一）蛋白质定位 不论是原核生物还是真核生物，新合成的蛋白质只有被运送到各自特定的亚细胞部位或分泌到胞外才具有功能活性，这个过程就称为蛋白质定位。（二）真核细胞的结构蛋白和分泌蛋白1、存在

19、于胞质溶胶中的游离核糖体 在其上合成的蛋白质都是细胞的结构蛋白（structural protein），它们是细胞骨架和代谢所需的酶以及构成亚细胞结构的组分。2、在细胞质内与内质网结合的核糖体 在其上合成三类主要的蛋白质，分泌蛋白（secreted protein）、溶酶体蛋白和构建膜骨架的蛋白质。（三）蛋白质的转运机制1、翻译转运同步机制（共翻译转运机制）（cotranslational transport） 分泌蛋白、溶酶体蛋白和某些膜蛋白按照这种机制转运。n 边翻译边跨膜转运 核糖体产生带有信号序列的蛋白质后，信号序列即引导核糖体与内质网（endoplasmic reticulum,ER

20、）膜上特定受体相互作用，产生通道，使核糖体结合于内质网上（形成粗糙内质网），并使正在延伸的肽链转运至内质网内。n 信号序列即信号肽（ Signal peptide ）是进入内质网的蛋白质N端的一段额外肽段。它的功能是引导多肽链穿过内质网膜进入腔内。n 跨膜机制 在蛋白质合成开始即N端的新生肽链刚生成时，信号肽就与信号肽识别颗粒（signal recognition particle，SRP ）相结合，SRP-核糖体就移动到内质网上，并与内质网上的SRP受体蛋白相结合，将正在合成的含有信号肽的蛋白质连接到内质网膜的转运通道内。n 信号肽酶位于内质网膜上，在信号肽进入内质网，肽链合成完成之前，信号

21、肽酶切除信号肽。2、翻译后转运机制（post-translation transport）n 在细胞质内游离核糖体上合成的蛋白质，大部分被运送到细胞核、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体等。n 在结构上，这些蛋白质的N端都有一段特殊的信号序列，称为导肽（leader peptide），与蛋白质在细胞器内的定位有关。（1）线粒体蛋白质跨膜转运n 蛋白质穿过线粒体膜的转运特点：1）通过线粒体膜的蛋白质是在合成以后再转运的；2）通过线粒体膜的蛋白质在运输前大多以前体形式存在，它由成熟蛋白质和导肽共同组成；3）蛋白质通过线粒体内膜是一个需能过程；4）导肽中含有不同跨膜信息。n 线粒体导肽具有如下结构特点：1

22、）随机分部带有正电荷的碱性氨基酸，如Arg含量较丰富；2）缺少带负电荷的酸性氨基酸；3）羟基氨基酸如Ser含量较高；4）有形成两亲-螺旋结构的能力。（2）叶绿体蛋白质跨膜转运n 类似于线粒体。n 叶绿体导肽一般有两个部分：一部分决定该蛋白质能否进入叶绿体基质，另一部分决定该蛋白质能否进入类囊体（3）核定位蛋白的转运 在细胞质中合成的蛋白质一般通过核孔进入细胞核。这些蛋白质不能自由通过核孔，必须要由信号肽序列协助通过。这些蛋白质中的信号序列被称为核定位序列（nuclear localization sequence，NLS） 蛋白质的核定位是通过多个核运转因子（importin）共同作用来实现的。NLS蛋白-Importin复合物停留在核孔上，并在水解GTP获得能量的情况下通过核孔，进入细胞核。19