蛋白质的生物合成

第十五章蛋白质的生物合成ProteinBiosynthesis生物化学教研室刘群良基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到RNA，再由mRNA将这种遗传信息翻译为蛋白质中氨基酸的排列顺序。蛋白质的生物合成过程即为翻译(translation)。引入：本章节内容第一节参与蛋白质生物合成的主要物质第二节蛋白质生物合成过程第三节翻译后的加工与靶向输送第四节蛋白质生物合成的抑制剂第一节参与蛋白质生物合成的主要物质蛋白质合成体系：20种氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白体、酶和蛋白因子、无机离子、ATP、GTP等。一、mRNA：合成蛋白质的模板（一）mRNA是遗传信息的携带者遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)。（二）mRNA上存在遗传密码mRNA分子中的每3个相邻的碱基组成1个密码子，称为三联体。4种碱基一共可以组成64个密码子。AUG代表甲硫氨酸，在5’-端时代表启动信号，称为起始密码子。UAA、UAG和UGA：称为终止密码子。代表氨基酸的密码子只有61个。载脂蛋白B-100的一段mRNA的密码子序列（三）遗传密码的特点1.通用性(universal)：蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。2.方向性：5’－3’3.连续性(commaless)：密码间连续阅读，无间断。基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失（不是3的整倍数），可导致框移突变。4.简并性(degeneracy)遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2-6个密码。同一种氨基酸可以有多个密码子，或不同的密码子可以代表同一种氨基酸，称为遗传密码的简并性。简并性密码子的第一和第二位碱基大多相同，只是第三位碱基不同。因此，第三位碱基的改变并不影响氨基酸的翻译。二、tRNA:氨基酸的搬运工具（一）tRNA的特点结合氨基酸：tRNA的3‘-CCA端与AA结合而搬运，一种氨基酸有几种tRNA携带。反密码子：每种tRNA的反密码子，决定了所带氨基酸能准确的在mRNA上对号入座。密码子与反密码子“对号入座”密码子与反密码子的方向是相反5’-U-U-C-3’密码1233’-A-A-G-5’反密码321密码子与反密码子除通过碱基互补结合外，还具有摆动性，即密码子的第3位碱基与反密码子的第1位碱基配对不严格，称为摆动配对。密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG密码子的第3位碱基发生突变时，并不影响tRNA带入正确的氨基酸。同工tRNA：携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同工tRNA。（二）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶1.氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性：每种氨基酸都只有1种氨基酰-tRNA合成酶，生成特定的氨基酰-tRNA(aa-tRNA)2.氨基酰-tRNA的表示方法：Ser-tRNASerMet-tRNAMet真核生物起始因子辨认的Met-tRNAiMet延长因子辨认Met-tRNAeMet右上角字母可略三、核糖体：合成蛋白质的场所核糖体(ribosome)也叫核蛋白体。数种rRNA和数十种蛋白质（包括酶和各种蛋白因子）组成的复合体。核糖体分为2类：1、附着于粗面内质网，主要合成分泌性蛋白质，如清蛋白、胰岛素等。2、游离于胞浆，主要合成细胞固有蛋白质。核糖体由大、小两个亚基组成原核生物真核生物核蛋白体小亚基大亚基核蛋白体小亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质21种34种33种49种核蛋白体的组成核蛋白体的组成SD序列核糖体小亚基:有与SD序列结合的互补碱基大亚基:有转肽酶；P位（肽酰位)、A位（氨基酰位)。第二节蛋白质生物合成过程第一步：氨基酸必须在氨基酰-tRNA合成酶的作用下先活化成氨基酰-tRNA。氨基酸+tRNA+ATP氨基酰-tRNA+AMP+PPi第二步：肽链的合成过程，即mRNA的翻译过程。整个过程分为分为起始、延长和终止3个阶段。以原核生物为例说明翻译全过程一、起始阶段参入肽链起始阶段的物质：核糖体大、小亚基；mRNA；fMet-tRNA；起始因子(initiationfactor，IF)；GTP等。1.三元复合物的形成2.30S前起始复合物的形成3.70S起始复合物形成真核生物的起始阶段真核生物的起始阶段需要的起始因子更多，有eIF1(e表示真核细胞，eukaryote)、eIF2、eIF3、eIF4(A-E)、eIF5等，真核生物的mRNA有帽子结构和polyA尾，还需要帽子结合蛋白(capbindingprotein，CBP)参与,形成80S起始复合物。二、肽链延长阶段包括进位、成肽和转位3个步骤。肽链延长需要2种延长因子(elongationfactor，EF)参与。EF-GEFEF-TuEF-TEF-Ts进位：进位又称注册此步需GTP、EF-T及Mg2+的参与。EF-T构成EF-Tu·EF-Ts循环，使aa-tRNA进入A位。三、终止阶段肽链合成终止的相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor，RF)。RF有3种：RF-1、RF-2和RF-3。RF-1和RF-2能辨认终止密码子:RF-1可识别UAA和UAGRF-2可识别UAA和UGARF-3能激活核糖体上的转肽酶，表现出酯酶活性，将蛋白质多肽链水解下来。多核糖体循环蛋白质的生物合成耗能AA活化消耗2ATP，肽链延长进位和转位各消耗1GTP，所以，蛋白质的生物合成启动以后，每形成1个肽键，需要消耗4ATP。合成一条n个肽键组成的多肽链所需能量为4×n＋1ATP蛋白质合成过程小结以mRNA的5’3’方向阅读遗传密码肽链合成方向NC（同位素证明）该合成过程是一个耗能过程第三节翻译后的加工核糖体循环合成的多肽链还不具备生物活性，它需要在细胞内经过加工修饰以后，才能成为有活性的蛋白质。一、一级结构的修饰（一）N-末端的修饰去掉N-甲酰基或甲硫氨酸（二）个别氨基酸的修饰脯氨酸和赖氨酸的羟化丝、苏氨酸等的磷酸化2个半胱氨酸形成二硫键（三）水解剪裁修饰胰岛素原去C肽，形成A、B2条链二、高级结构的修饰(一)辅基的连接结合蛋白质需要与辅基结合，才能发挥生物活性。(二)亚基的聚合具有四级结构的蛋白质分子的聚合，如血红蛋白是一个四聚体(α2β2)，RNA聚合酶是一个五聚体(α2ββ'σ)。三、靶向输送蛋白质在胞浆的核糖体上合成以后的去向：①仍然保留在胞浆；②进入其他的亚细胞结构中，如细胞核、线粒体、细胞膜、溶酶体等；③分泌到细胞外，然后运输到该蛋白质发挥作用的靶器官或靶细胞。靶向输送：即是指蛋白质在合成以后，定向地到达其功能部位的过程。信号肽分泌性蛋白质mRNA的5‘-端常常编码一段富含疏水氨基酸的短肽（长约15～40个氨基酸残基），这一短肽称为信号肽(signalpeptide)。信号肽的作用是引导合成的蛋白质到达功能部位。第四节蛋白质生物合成的抑制剂1、嘌呤霉素(puromycin)嘌呤霉素的结构很类似aa-tRNA，故能取代aa-tRNA进入核糖体的A位，在转肽时容易脱落，从而抑制蛋白质的生物合成。2、四环素(tetracyclin)能与原核生物的30S小亚基结合，阻断aa-tRNA进入A位，抑制肽链延长。3、氯霉素(chloromycetin)能与50S大亚基结合，阻断转肽酶的活性，从而抑制肽链延长。