第11章蛋白质的生物合成.ppt

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1、生物化学CAI课件A,第11章 蛋白质的生物合成,作者 高新旺 祁新芝,河南省周口卫校,目录,参与蛋白质生物合成的物质,蛋白质生物合成过程,重点内容：三种RNA在蛋白质生物合成中的作用、核蛋白体循环,学习目标,复习题,学习目标,1.简述三种RNA在蛋白质生物合成中的作用。 2.写出蛋白质合成的步骤和核蛋白体循环的阶段。 3.图示基因操纵子调节。,学时分配：2学时,第一节 参与蛋白质生物合成的物质,参与蛋白质生物合成的物质有： mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序； tRNA：搬运氨基酸的工具； rRNA：与蛋白质结合为核蛋白体，是蛋白质生物合成的场所； 酶及其他蛋白

2、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，共有64种不同的密码。其中AUG编码甲 硫氨酸，又可作为蛋白质合成的起始信号，称 为起始密码。而UAA、UAG、UGA不编码任何 氨基酸，只作为肽链合成的终止信号，称为终 止密码（见下页密码表） 。,遗传密码表,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，生成氨基酰tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。 tRNA的反密码可以识别mRNA上相应的密码（见下页图） 。 反密码对密码的识别，通常

3、也是根据碱基互补原则，即A对U，G对C。 能够识别mRNA中5端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起 动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA；而在真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA。 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码，AUG。,下图：密码子与反密码子的碱基配对,三、rRNA和核蛋白体,真核生物中的核蛋白体大小为80S，分为 40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18S rRNA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（如下图）。,大亚基,

4、小亚基,上图：核蛋白体示意图,给位,受位,核蛋白体的大、小亚基具有不同的功能：,1小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2大亚基：具有两个tRNA结合点。A位（ 受位）， 可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（给位），可与 延伸中的肽酰基tRNA结合。 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。 具有GTP酶活性，水解GTP，获得能量。 具有起动因子、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，常常由若干核蛋白体结 合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，每两个相邻核 蛋白体之间存在一定的间隔，形成念珠状结构，称为多 核蛋白体循环（见下页图

5、）。,3,mRNA,5,下图：多核蛋白体循环,给位,受位,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。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。,五、延长因子（EF） 真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。,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。,六、释放因

6、子（RF） 其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。,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,氨基酸与tRNA结合为氨基酰tRNA的过 程称为氨基酸的活化，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

7、2 或3 位自由羟基与相应的活化氨基酸以 酯键相连接，形成氨基酰tRNA，从而使活化 氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的 合成。,二、核蛋白体循环,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反应过 程，称为核蛋白体循环。 核蛋白体循环过程可 分为起动、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）起动阶段,在起动因子和GTP的参与下，小亚基先与 mRNA的起动部位结合，然后蛋氨酰-tRNA通过 其反密码与mRNA上起始密码互补辨认而结合， 最后大亚基与小亚基结合形

8、成蛋白质生物合成的 起始复合体（见下页图） 。,下图：蛋白质生物合成的起始阶段,（二）肽链延长阶段,1进位 与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。 2转肽 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从核蛋白上脱落。 3移位 核蛋白体向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（延长因子）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密

9、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（见下5页图）。,下图：肽链合成的延伸阶段 1,下图：肽链合成的延伸阶段 2,下图：肽链合成的延伸阶段 3,下图：肽链合成的延伸阶段 4,下图：肽链合成的延伸阶段 5,下图：肽链合成的延伸阶段 5,（三）肽链合成的终止阶段 核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。 1识别 RF（终止因子）识别终止密码，进入核蛋白体的受位。 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，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基（见

10、下3页图）。,下图：肽链合成的终止阶段 1,下图：肽链合成的终止阶段 2,下图：肽链合成的终止阶段 2,下图：肽链合成的终止阶段 2,下图：肽链合成的终止阶段 2,三、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。,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。,（二）高级结构的形成 1构象的形成：多肽链合成后，通过卷曲、折叠 形成特定的空 间

11、构象。 2亚基的聚合 3辅基的连接,四、蛋白质生物合成的调节,人体的各种细胞都是从一个受精卵发育分化而来的 ，其遗传信息都来自受精卵固有的DNA。为什么发育过程分化成不同的组织细胞呢？这是由于发育过程中DNA有不同的表达、合成不同的蛋白质、从而形成不同的组织细胞。而且有些蛋白质是结构蛋白质，另一些是有生物活性的功能蛋白质。即使同一组织内在不同发育阶段也会有不同的功能蛋白质。例如，成人血红蛋白由两条-链和两条-链组成。自然，不同细胞合成的不同蛋白质，例如胰岛-细胞合成胰岛素而-细胞合成胰高血糖素。这说明在遗传信息指导下的蛋白质生物合成是受精卵调节和控制的。即使已经合成的新生蛋白质，也要运送到特定

12、的细胞部位而这种运送也是受控制的。 蛋白质合成依赖于正确的遗传信息的转录，遗传信息的翻译和营养物质的合理供应。现将转录水平和翻译水平的蛋白质合成的调节分别简述如下：,（一）转录水平的调节,细胞内基因不是同时全处于活动状态，只是那些解除了组蛋白对 DNA某个片断的封闭的部位才能表达，即进行复制和转录。转录过程是 受操纵子控制的。操纵子指DNA分子中的一个片段，是转录单位。它含 有起动基因、操纵基因和结构基因，可作为转录的模版，指导mRNA的合 成。起动基因是RNA聚合酶与DNA结合并转录的部位。操纵基因为控制 RNA聚合酶向结构基因移动的部位。当阻遏蛋白结合到操纵基因上时， RNA聚合酶的移动即

13、被阻断，从而阻止转录的进行，间接影响蛋白质的 合成。 在操纵子前端有调节基因。它含有合成阻遏蛋白的遗传信息，可作 为模版转录出mRNA并指导阻遏蛋白的合成。诱导物（某些代谢物或外 源性化学物质）能特异地与阻遏蛋白结合，引导阻遏蛋白的变构，使之 不能在与操纵基因结合，于是在起动基因上的RNA聚合酶即可移动到 结构基因上，开始转录并合成mRNA,从而促进蛋白质合成（见下两页 图）。,基因操纵子调节示意图1,基因操纵子调节示意图2,（二）翻译水平的调节,翻译水平的调节较为复杂，对其普遍规律也了解 不多。已发现兔网织红细胞在合成珠蛋白的过程中含 有调节蛋白质合成的级联系统。此系统可控制起始因 子的活性

14、。细胞中有依赖cAMP的蛋白质激酶，它由 两个调节亚基R和两个催化亚基C组成（R2C2）。 R2C2无活性，在cAMP的促进下， R2C2 转变为 2R-cAMP和有活性的C2。 C2使无活性的起始因子激 酶磷酸化转变为活性的起始因之激酶，后者使起始因 之磷酸化失活，从而抑制蛋白质的生物合成。血红素 能抑制这种依赖cAMP的蛋白激酶的活化，所以它可 调节珠蛋白的合成（见下页图）。,下图：血红素对起动因子-2的调节作用,五、蛋白质生物合成与医药学的关系,不论是由于基因表达上的误差，还是某些物质对基因表达的干扰（影响转录），以及对翻译过程的干扰或是营养素的缺乏，都可导致蛋白质生物合成障碍，以致影响

15、生命活动。例如分子病、酶缺陷疾病、营养缺乏病等。蛋白质生物合成的原理被广泛用于研究抗生素、抗肿瘤药物以及很多重大的医学课题上。,（一）分子病,分子病是指蛋白质分子一级结构的氨基酸组成、序列与正常有所不同的遗传性疾病。是由于DNA分子上某一结构基因核苷酸序列的异常，最终造成蛋白质的异常 。例如镰刀形红细胞性贫血，患者红细胞内的血红蛋白分子-有异常改变。正常人血红蛋白-链的第6位是谷氨酸残基 ，但镰刀形红细胞性贫血患者血红蛋白-的第6位却是缬氨酸残基。引起-链异常的原因是由于在DNA分子控制-链合成的基因上，正常人应有胸腺嘧啶脱氧核苷酸占有的序列位置却被腺嘌呤脱氧核苷酸所占据（见下页图） 。 血红

16、蛋白的这一变异，导致其功能发生明显改变。HbS在氧分压低的情况下容易在红细胞中析出，使红细胞变形并易于破裂（见541页图）。,下图：镰刀形红细胞性贫血病血红蛋白（H b -s）中遗传信息的异常,下图:镰刀形红细胞性贫血病,（二）抗生素对蛋白质合成的影响,多种抗生素作用于合成过程中的复制、转录、翻译各个环节。通过阻断致病微生物的蛋白质合成而发挥作用。如氯霉素和链霉素能与细菌的核蛋白体结合，四环素族抗生素能与核蛋白小亚基结合，抑制氨基酰-tRNA进位。以上三种抗生素都有干扰蛋白质合成的作用，但氯霉素和链霉素不易与哺乳类动物细胞的核蛋白体结合，所以一般剂量不影响人体蛋白质的合成。用于抗肿瘤治疗的争光霉素、丝裂霉素、放射菌素等有抑制DNA模板从而影响转录的作用。,复习题,1.简述三种RNA在蛋白质生物合成中的作用。 2.试述蛋白质生物合成过程。 3.图示并说明基因操纵子调节作用。 4.何谓分子病？举例说明。 本章完 2005年3月12日初稿 2005年4月21日整理 2005年5月13日定稿,