第十一章蛋白质的生物合成

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1、蛋白质蛋白质的生物合成的生物合成Protein Biosynthesis本章内容第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 第二节第二节 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 第三节第三节 蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送 第四节第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制蛋白质生物合成的干扰和抑制 蛋白质合成体系蛋白质合成体系第一节第一节l 三种三种RNAmRNA（messenger RNA,信使信使RNA）rRNA（ribosomal RNA,核糖体核糖体RNA）tRNA（transfer RNA,转移转移RNA）一、翻译模板一、翻译模板mRNA及遗传密码及遗传密码（一）（一）m

2、RNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者n遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子反子(cistron)。n原核细胞中数个结构基因常串联为一个转原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的录单位，转录生成的mRNA可编码几种功可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)。n真核真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反只编码一种蛋白质，为单顺反子子(single cistron)。原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起

3、始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG-5 3 蛋白质蛋白质（二）（二）mRNA上存在遗传密码上存在遗传密码 mRNA分子上从分子上从5 至至3 方向，由方向，由AUG开开始，每始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码称为三联体密码(triplet coden)。遗传密码表目目 录录从从mRNA 5 端起始密码子端起始密码子AUG到到3 端终止密码端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编子之间的核苷酸序列，各个三

4、联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。（三）遗传密码的特点（三）遗传密码的特点 1.连续性连续性(commaless)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密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。码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。2.简并性简并性(degeneracy)遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨

5、酸仅有一个遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至个或多至6个三联体为其编码。个三联体为其编码。起始密码子：起始密码子：AUG终止密码子：终止密码子：UAA,UAG,UGA3.通用性通用性(universal)n蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。到人类都通用。n已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。植物细胞的叶绿体。n密码的通用性进一步证明各种生物进化自密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。同一祖先。4.摆动性摆动性(wob

6、ble)转运氨基酸的转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过的反密码需要通过碱基互补与碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对上的遗传密码反向配对结合，但反密码子第一位与密码子第三位结合，但反密码子第一位与密码子第三位间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。摆动配对。密码子、反密码子配对的摆动现象二、核糖体是多肽链合成的场所二、核糖体是多肽链合成的场所 不同细胞核糖体的组成不同细胞核糖体的组成 核糖体的组成原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(p

7、eptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)三、氨基酸转运工具三、氨基酸转运工具tRNA反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂tRNA的三级结构示意图（一）氨基酰（一）氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E AMP PPi第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E tRNA搬运功能的搬运功能的忠实性忠实性是通过以下是通

8、过以下 两条途径实现的：两条途径实现的：tRNA的的反密码子反密码子识别识别mRNA的的密码子密码子。不同的不同的tRNA有不同的碱基组成，并由有不同的碱基组成，并由 不同的不同的氨基酰氨基酰tRNA合成酶合成酶识别。识别。既能识别既能识别特异特异的的tRNA，又能识别又能识别特异特异的的氨基酸氨基酸。（二）起始肽链合成的氨基酰（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程第二节第二节整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为：翻译过程从阅读框架的翻译过程从阅读框架的5-AUG开始，按开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码

9、出现。至终止密码出现。一、原核生物的翻译过程一、原核生物的翻译过程（一）（一）起始阶段起始阶段1.核蛋白体大小核蛋白体大小亚基分离；亚基分离；2.mRNA与小亚与小亚基结合；基结合；3.起始氨基酰起始氨基酰-tRNA与小亚基与小亚基结合；结合；4.核蛋白体大亚核蛋白体大亚基结合；基结合；30S50SmRNA50S+30S解聚解聚 IF-1IF-3fMetIF-2，GTPAUGfMet50SIF-3GDP+PiIF-1IF-2fMetAUG起始复合物起始复合物原核、真核生物各种起始因子的生物功能原核、真核生物各种起始因子的生物功能 促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促

10、进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA5帽子帽子eIF-4E结合结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结结合小亚基合小亚基IF-4A最先结合小亚基促进大小亚基分离最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2真核真核生物生物促

11、进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA敏感性敏感性EIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合EIF-2占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA5帽子帽子eIF-4E结合结合mRNA，促进，促进m

12、RNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结结合小亚基合小亚基IF-4A最先结合小亚基促进大小亚基分离最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2真核真核生物生物促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA敏感性敏感性EIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合EIF-2占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子IF-3IF-11.

13、核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离A U G53IF-3IF-12.mRNA与小亚基结合与小亚基结合S-D序列序列 IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)与小亚与小亚基结合基结合A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成A U G53（二）（二）延长阶段延长阶段肽链延长在核蛋白体上连续性循环式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：加一个氨基酸，包括以下三步：1

14、.进位进位(entrance)2.成肽成肽(peptide bond formation)3.转位转位(translocation)肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 又称注册又称注册(registration)1.进位进位指根据指根据mRNA下下一组遗传密码指导，一组遗传密码指导，使相应氨基酰使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体进入核蛋白体A位。位。Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP2.成肽成肽是由转肽酶是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键催化的肽键形成过程。形成过程。3.转位转位进进位位转转位位成肽成肽（三）终止阶段（三）终止阶段 终止相关的蛋白因子称为释放

15、因子终止相关的蛋白因子称为释放因子(release factor,RF)原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 识别终止密码，如识别终止密码，如RF-1特异识别特异识别UAA、UAG；而；而RF-2可识别可识别UAA、UGA。诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。核蛋白体上释放。释放因子的功能释放因子的功能原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 多聚核蛋白体多聚核蛋白体(polysome)二、真核生物的翻译过程二、真核生物的翻译过程（一）（一）起始阶段起始阶段1.核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；2.起始氨酰起

16、始氨酰-tRNA(Met-tRNA)与小亚基结合与小亚基结合3.mRNA在核蛋白体小亚基就位；在核蛋白体小亚基就位；4.核蛋白体大亚基结合；核蛋白体大亚基结合；*真核生物真核生物与与原核生物原核生物核糖体循环的核糖体循环的 起始过程起始过程的不同点：的不同点：.1.起始起始Met-tRNAMet不需甲酰化；不需甲酰化；.2.起始因子起始因子不少于不少于10种；种；.3.小亚基小亚基先与先与Met-tRNAMet结合，再与结合，再与 mRNA结合；结合；.4.ATP供能。供能。（二）（二）延长阶段延长阶段 延长因子为延长因子为EF-1、EF-2。（三）终止阶段（三）终止阶段 仅需一种释放因子，有

17、仅需一种释放因子，有GTP酶活性。酶活性。蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送第三节第三节主要包括主要包括n多肽链折叠为天然的三维结构多肽链折叠为天然的三维结构 n肽链一级结构的修饰肽链一级结构的修饰n高级结构修饰高级结构修饰 n靶向输送靶向输送一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质（一）分子伴侣（一）分子伴侣(molecular chaperon)分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。体蛋白质的正确折叠。1.热休克蛋白热休克蛋白(heat

18、 shock protein,HSP)HSP70、HSP40和和GreE族族 2.伴侣素伴侣素(chaperonins)GroEL和和GroES家族家族热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离和多肽片段依次结合、解离的循环。的循环。HSP40结合待结合待折叠多肽片段折叠多肽片段 HSP70-ATP复合物复合物 HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物多肽复合物 ATP水解水解GrpE ATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折

19、叠复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠 伴侣素伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程系统促进蛋白质折叠过程 伴侣素的主要作用伴侣素的主要作用为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境然空间构象的微环境。（二）蛋白二硫键异构酶（二）蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)在内质网腔活性很高，可在较大区段肽在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。的

20、天然构象。（三）肽（三）肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl cis-trans isomerase,PPI)肽酰肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。成准确折叠。二、一级结构修饰二、一级结构修饰（一）肽链（一）肽链N端的修饰端的修饰（二）个别氨基酸的修饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰（三）多肽链的水解修饰.多肽链中多肽链中个别氨基酸个别氨基酸的修饰的修饰o 磷酸化：磷酸化

21、：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸o 羟基化：羟基化：脯氨酸，赖氨酸脯氨酸，赖氨酸o 酰基化：酰基化：组氨酸组氨酸o 甲基化：甲基化：色氨酸色氨酸o 核糖基化：核糖基化：精氨酸精氨酸意义：意义：或者是蛋白或者是蛋白 质所固有的，或者质所固有的，或者 在调节蛋白质功能在调节蛋白质功能 时起重要作用。时起重要作用。鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰NC信号肽信号肽PMOCKRKR103肽肽(？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin三、高级结构修饰三、高级结构修饰（一）亚基聚合（一）亚基聚合（二）辅基连接（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接（三）疏水脂链的共价连接 四、蛋

22、白质合成后的靶向输送四、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送(protein targeting)蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。过程称为蛋白质的靶向输送。所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。信号序列信号序列(signal sequence)靶向输送蛋白的信号序列或成分靶向输送蛋白的信号序列或成分 分泌蛋白的靶向输送分泌蛋白的靶向输送 真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。程首先要进入内质网。信号肽信号肽(signal peptide)各种新生分泌蛋白的各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序端有保守的氨基酸序列称信号肽。列称信号肽。信号肽的一级结构信号肽的一级结构信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网