第十一章 蛋白质的生物合成

蛋白质的生物合成ProteinBiosynthesis第十一章本章内容第一节蛋白质生物合成体系第二节蛋白质生物合成过程第三节蛋白质合成后加工和输送第四节蛋白质生物合成的干扰和抑制（主要自学）本章重点与难点重点：了解密码子的概念与特点；RNA在蛋白质生物合成中的作用；蛋白质合成过程及合成后加工与运输。难点：核糖体的结构；蛋白质合成过程；肽链合成后的加工与定向运输；蛋白质生物合成的干扰和抑制。蛋白质的生物合成，即翻译，以mRNA为模板形成蛋白质的过程，就是将核酸中由4种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序。20世纪生物化学史上的三大进步Zamecnik证明了蛋白质合成的场所是核糖体发现氨基酸被激活后,与tRNA结合Crick推测tRNA的功能是适配器,导致遗传密码的阐明蛋白质合成体系第一节20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括三种RNA–mRNA（messengerRNA,信使RNA）–rRNA（ribosomalRNA,核糖体RNA）–tRNA（transferRNA,转移RNA）蛋白质合成的场所（工厂）是核糖体；运输氨基酸到模板上的是tＲＮＡ—适配器；模板是mＲＮＡ；氨基酸变为活化态与tＲＮＡ共价结合形成氨酰tＲＮＡ，催化这个过程的酶叫氨酰tＲＮＡ合成酶。一、mRNA---模板mRNA是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。原核生物和真核生物mRNA的比较原核细胞mRNA的结构特点5´3´顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序AGGAGGUSD区①半衰期短②许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在③AUG作为起始密码；AUG上游7～12个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区，16SrRNA3’-端反向互补而使mRNA与核糖体结合。真核细胞mRNA的结构特点5´“帽子”PolyA3´顺反子m7G-5´ppp-N-3´p帽子结构功能①使mRNA免遭核酸酶的破坏②使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质③被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。Poly(A)尾巴的功能①是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式②它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性AAAAAAA-OH二、氨基酸转运工具－－tRNA反密码子环氨基酸臂*tRNA的一级结构特点含10~20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G具有TC•tRNA的二级结——三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环氨基酸臂额外环*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。密码子与反密码子的配对关系反密码子tRNA53AUC5mRNA3密码子1231、tRNA的结构特征——三叶草型二级结构2、tRNA的功能（1）被特定的氨酰-tRNA合成酶识别，使tRNA接受正确的活化氨基酸。（2）识别mRNA链上的密码子。（3）在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生长的多肽链与核糖体的作用。tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。三、蛋白质合成的工厂---核糖体核糖体是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。2、核糖体的功能1、核糖体的结构和组成核糖体的组成原核生物核糖体的组成原核生物核糖体结构示意图占RNA总量的80％原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s50s18s5s、5.8s、28s功能:参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。特征：单链，螺旋化程度较tRNA低与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨酰基位(aminoacylsite)P位：肽酰基位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)四、氨酰-tRNA合成酶氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨酰-tRNA合成酶的特点a、专一性：对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。对tRNA具有极高专一性。（第二遗传密码系统）b、校对作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。氨基酸的活化EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸ATP+氨酰腺苷酸E-AMPPPi第一步AMP第二步E氨基酸的活化3-氨酰-tRNA1.氨酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。2.氨酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。3.氨酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAlaSer-tRNASerMet-tRNAMet生物体内有两种tRNA用于运转蛋氨酸：起始密码子——AUG；用于中间参入的密码子AUG分别标记为：Met-tRNAMet和fMet-tRNAfMet只有一种蛋氨酸的氨酰tRNA合成酶起始肽链合成的氨酰-tRNA真核生物：Met-tRNAMet----蛋氨酰tRNA原核生物：fMet-tRNAfMet----N-甲酰蛋氨酰tRNA五、什么是遗传密码和密码子？遗传密码:DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。EstablishedthechemicalstructureoftRNAEstablishedtheinvitrosystemforrevealingthegeneticcodesDevisedmethodstosynthesizeRNAswithdefinedsequences（1）、三联体密码的破译2、以随机共聚合指导多肽的合成例：以随机共聚物A、C为模板，任意排列可出现8种三体，获得六种氨基酸组成的多肽。1、以均聚物为模板指导多肽的合成3、以特定的共聚物为模板指导多肽的合成4、核糖体结合技术以均聚物为模板指导多肽的合成PolyU为模板，产生的多肽链为PolyphePolyA为模板，产生的多肽链为PolylysPolyC为模板，产生的多肽链为Polypro以特定的共聚物为模板指导多肽的合成（1）以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽、PolyUG的模板，合成产物为Lys和Val。（2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨基酸组成的多肽。All64geneticcodes（2）几个基本概念错义蛋白:在阅读一个mRNA分子，开始时阅读框就必须正确无误，如果在阅读框开始时错过一个或两个碱基，或在mRNA上的核糖体偶然跳过了一个核苷酸,随后的所有密码子将会与原来不同，从而导致错义蛋白。起始密码子（initiationcodon)：AUG，多肽链开始的信号。终止密码子（terminationcodon)：也称无意义密码子，多肽链终止的信号，UAA、UAG、UGA。Trp和Met是唯一密码子编码的。1.连续性（3）、遗传密码的特点编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。2.简并性(degeneracy)遗传密码共有64个，其中61个密码子对应20种氨基酸，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。3.通用性•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。•密码子的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。4.摆动性转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。5、方向性即解读方向为5′→3′U摆动配对密码子、反密码子配对的摆动现象Crick提出的摆动学说tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG从mRNA5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，连续50个以上密码子排列编码，无终止密码子，这段顺序称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。（4）什么是开放阅读框？蛋白质的生物合成过程第二节翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination)整个翻译过程可分为：翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。一、原核生物的翻译过程（一）起始阶段1.核蛋白体大小亚基分离----IF3；2.mRNA与小亚基结合；3.起始氨基酰-tRNA与小亚基结合；4.核蛋白体大亚基结合；S-D序列---富含嘌呤引导mRNA的起始密码子到30S小亚基的正确位置蛋白质合成起始需要的因子30S小亚基mRNA起始fMet-tRNAfMet起始因子---IF1、IF2、IF3GTP50S大亚基肽链合成的起始30S亚基•mRNAIF3-IF1复合物30S•mRNA•GTP-fMet–tRNA-IF2-IF1复合物70S起始复合物codonanticodonP位A位mRNA+30S亚基-IF3A位IF-353IF2GTPP位IF3IF2IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S亚基IF2+IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始复合物70S起始复合物的组分•甲酰甲硫氨酰tＲＮＡ•ＡＵＧ（mRNA)•30Ｓ•50Ｓ•起始因子ＩＦ１、ＩＦ２、ＩＦ３•ＧＴＰ•Ｍg２＋起始因子的功能IF1----占据A位，防止结合其他的氨酰tRNA;IF2----促进起始氨酰tRNA与小亚基的结合；IF3----促进大小亚基的结合，提高P位的敏感性。（二）延长阶段肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：1.进位(entrance)2.成肽(peptidebondformation)3.转位(translocation)延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2肽链的延长12122323进位肽键形成移位进位(Tu\Ts)GTPGTPN-端235´3´C-端肽键形成15´3´（EF-G）Tu/Ts的作用机理（三）终止阶段与终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3，RR•识别终止密码自，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。•诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。•R3：影响释放速度。释放因子的功能肽链合成的终止及释放（1）释放因子RF1或RF2进入核糖体A位。（2）多肽链的释放（3）70S核糖体解离53UAG30S亚基50S亚基53UAGtRNARF释放因子：也称终止因子，在肽键延伸过程中，当终止密码子出现在核糖体的A位时，蛋白多肽链合成即终止。释放因子使核糖体与mRNA分离，大肠杆菌有三种释放因子，真核生物中有一个释放因子eLF。延长因子：蛋白质合成过程中肽链延伸所需的特异蛋白质因子TU、TS和G。70S起始复合物：核糖体70S与mRNA、fmettRNA形成的复合物，它的形成标志着肽链延伸的开始。二、真核生物多肽链的合成（自学）1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2、起始氨基酸为Met，不是fMet；3、肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首先识别mRNA的5’端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG；4、起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子；