生物化学：19-蛋白质的合成

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1、1 1生物化学 第十九章第十九章蛋白质的合成蛋白质的合成12第一节第一节 概述概述第二节第二节 单糖单糖第三节第三节 寡糖寡糖第四节第四节 多糖多糖第五节第五节 结合糖结合糖本本章章提提纲纲第一节第一节概述概述第二节第二节单糖单糖第三节第三节寡糖寡糖第四节第四节多糖多糖第五节第五节结合糖结合糖第一节第一节概述概述第二节第二节单糖单糖第三节第三节寡糖寡糖第四节第四节多糖多糖第五节第五节结合糖结合糖第一节第一节遗传密码遗传密码第二节第二节蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所-核糖体核糖体第三节第三节tRNA的功能的功能-AA的搬运工的搬运工第四节第四节蛋白质的合成蛋白质的合成第五节第五节蛋白质运输与翻

2、译后修饰蛋白质运输与翻译后修饰第六节第六节蛋白质合成的抑制剂蛋白质合成的抑制剂23 3蛋白质的合成34 4蛋白质的合成45 5第一节 遗传密码p5055一、三联体密码子的发现一、三联体密码子的发现n数学计算数学计算4种核苷酸种核苷酸20种氨基酸种氨基酸142163646 6第一节 遗传密码6三个不同的实验证明了遗传密码是三个不同的实验证明了遗传密码是mRNA上上3个连续的个连续的核苷酸残基构成的，称为三联体密码（核苷酸残基构成的，称为三联体密码（tripletcodons）第一个实验是第一个实验是1961年由美国的年由美国的Nirenberg等人完成的等人完成的首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一

3、条由首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸相同核苷酸组成的多核苷酸链，用它作模组成的多核苷酸链，用它作模板，利用大肠杆菌蛋白提取液和板，利用大肠杆菌蛋白提取液和GTP在体在体外合成蛋白质外合成蛋白质发现多聚（发现多聚（U）导致多聚）导致多聚Phe的合成，表明的合成，表明多聚（多聚（U）编码多聚）编码多聚Phe；类似的实验表明；类似的实验表明，多聚（，多聚（A）编码多聚）编码多聚Lys；多聚（；多聚（C）编）编码多聚码多聚Pro7 7第一节 遗传密码7第二个实验是第二个实验是1964年也是由美国的年也是由美国的Nirenberg等人完成的等人完成的首先合成一个已知序列的核苷酸三首先合成一

4、个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰酰tRNA一起温育一起温育由此确定与已知核苷酸三聚体结合由此确定与已知核苷酸三聚体结合的的tRNA上连接的是哪一种氨基酸。上连接的是哪一种氨基酸。该实验对于几种密码编码同一个氨该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据基酸提供了直接的、最好的证据8 8第一节 遗传密码8第三个实验是由第三个实验是由Khorana等人完成的等人完成的利用有机化学和酶法制备了已知的核利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可板，在体外

5、进行蛋白质合成，发现可以以生成三种重复的多肽链生成三种重复的多肽链若从若从A翻译，则合成出多聚翻译，则合成出多聚Ile，即，即AUC对应对应Ile；若从；若从U翻译，则合成出翻译，则合成出多聚多聚Ser，即，即UCA对应对应Ser；若从；若从C翻翻译，则合成出多聚译，则合成出多聚His，即，即CAU对应对应His因为体外合成是无调控的合成，可以因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从随机地从A、或、或U、或、或C翻译，所以翻译，所以有三种重复的多肽链生成有三种重复的多肽链生成9 9第一节 遗传密码9遗传密码按遗传密码按53方向书写，方向书写，例例如如UAC指定编指定编码码Tyr，而，而CAU指

6、定编码指定编码His二、密码子的特点二、密码子的特点1966年，全部密码年，全部密码都被破译。共有都被破译。共有64个密码个密码，其中，其中61个个密码是编码氨基酸密码是编码氨基酸的，其余的，其余3个是终个是终止密码止密码p5111010第一节 遗传密码10密码具有以下一些显著特点：密码具有以下一些显著特点：1、无间隔性与不重叠性：、无间隔性与不重叠性：密码子在密码子在mRNA上是连续的上是连续的三联体，不相互重叠，也无逗点隔开三联体，不相互重叠，也无逗点隔开2、方向性：、方向性：mRNA的的533、遗传密码具有简并性：一个氨基酸有多个密码、遗传密码具有简并性：一个氨基酸有多个密码子的现象子的

7、现象大多数氨基酸都存在几个密码，例如大多数氨基酸都存在几个密码，例如Ser就有就有6个密个密码，码，Gly有有4个密码，而个密码，而Lys有有2个密码，也就是说遗个密码，也就是说遗传密码具有传密码具有简并性简并性（degenerate）p5121111第一节 遗传密码11确定同一个氨基酸的不同密码称为确定同一个氨基酸的不同密码称为同义密码同义密码（synonymouscodons）意义：意义：防止因突变造成的错误蛋白的合成，保证生防止因突变造成的错误蛋白的合成，保证生物表型的稳定性，保证物种的稳定物表型的稳定性，保证物种的稳定简并密码子的使用频率具有简并密码子的使用频率具有物种专一性物种专一性

8、同义密码的差异主要是同义密码的差异主要是第三位碱基第三位碱基的不同，第三位的不同，第三位碱基往往是同类碱基的互变碱基往往是同类碱基的互变1212第一节 遗传密码124、遗传密码具有变偶性：、遗传密码具有变偶性：密码子的变偶性：密码子的密码子的变偶性：密码子的专一性取决于前两位碱基专一性取决于前两位碱基，而第，而第三位碱基可变的现象三位碱基可变的现象tRNA的反密码子与密码子的配对结合时第一、第二碱基的配的反密码子与密码子的配对结合时第一、第二碱基的配对是严格的，对是严格的，第三位第三位可以变偶或摆动可以变偶或摆动变偶性增大了变偶性增大了tRNA的阅读速度与阅读能力的阅读速度与阅读能力变偶性可减

9、少变偶性可减少tRNA的种类的种类p5125、遗传密码具有通用性：、遗传密码具有通用性：从低等生物到人，所有生物共用一套密码从低等生物到人，所有生物共用一套密码但不同的生物中，不同密码子使用频率不同但不同的生物中，不同密码子使用频率不同1313第一节 遗传密码136、密码子的其它性质：、密码子的其它性质：中间碱基为中间碱基为U：氨基酸为非极性、疏水、支链：氨基酸为非极性、疏水、支链;中间为中间为C：氨基酸为非极性或极性不带电荷；：氨基酸为非极性或极性不带电荷；中间为中间为A/G：极性氨基酸，具有亲水性；：极性氨基酸，具有亲水性；第一位为第一位为A/C，中间为，中间为A/G：碱性氨基酸；碱性氨基

10、酸；前两位为前两位为AG：酸性氨基酸：酸性氨基酸氨基酸在蛋白质中出现的频率与其密码子的数目成氨基酸在蛋白质中出现的频率与其密码子的数目成正比正比141414终止密码子与无义突变的较正终止密码子与无义突变的较正 基因发生突变使有义密码变成终止密码，称为基因发生突变使有义密码变成终止密码，称为无义突变无义突变（nonsensemutation): UAG琥珀型突变琥珀型突变 UAA赭石型突变赭石型突变 UGA乳白型突变乳白型突变 在某些生物的细胞中存在校正在某些生物的细胞中存在校正tRNA： 可在无义突变处引入氨基酸，使得多肽链继续合成可在无义突变处引入氨基酸，使得多肽链继续合成 反密码子识别范围

11、变化，可校正反密码子识别范围变化，可校正1或或1移码突变移码突变 校正校正tRNA不在正常的终止密码处引入氨基酸。不在正常的终止密码处引入氨基酸。p507第一节 遗传密码151515第二节 蛋白质合成的场所-核糖体核糖体是蛋白质合成的场所核糖体是蛋白质合成的场所核糖体的基本功能：核糖体的基本功能：1、在、在mRNA上选择适当的起点开始翻译上选择适当的起点开始翻译2、使密码子与反密码子正确配对、使密码子与反密码子正确配对3、肽键合成、肽键合成核糖体的组成：核糖体的组成：核蛋白体，核蛋白体，60%rRNA+40%蛋白质蛋白质p522161616第二节 蛋白质合成的场所-核糖体171717第二节 蛋

12、白质合成的场所-核糖体与与mRNA结合的是核糖体的小亚基结合的是核糖体的小亚基181818第二节 蛋白质合成的场所-核糖体191919tRNA的结构的结构第三节 tRNA的功能-AA的搬运工 p520202020Codon-anticodonpairing第三节 tRNA的功能-AA的搬运工 212121tRNA分子在蛋白质的合成中充当遗传密码的分子在蛋白质的合成中充当遗传密码的翻译翻译每个细胞内至少含有每个细胞内至少含有20种种tRNA（一种氨基酸对应一种（一种氨基酸对应一种tRNA），即每种），即每种tRNA至少识别一个至少识别一个mRNA密码密码第三节 tRNA的功能-AA的搬运工 22

13、2222第四节 蛋白质的合成 p525蛋白质合成的过程：蛋白质合成的过程：232323一、一、AA的活化与搬运的活化与搬运-氨酰氨酰tRNA的合成的合成氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶可以催化特定的氨基酸连接到相应的可以催化特定的氨基酸连接到相应的tRNA分分子的子的3端（氨基酸接受臂），形成端（氨基酸接受臂），形成氨酰氨酰-tRNA常用常用tRNAAA表示可结合某种氨基酸的表示可结合某种氨基酸的tRNA，例如可特异结合，例如可特异结合Ala的的tRNA用用tRNAAla表示，而用表示，而用Ala-tRNAAla表示携带了丙氨酸表示携带了丙氨酸的的tRNAAla第四节 蛋白质的合成 每一种氨基酸

14、都有一特定的氨酰每一种氨基酸都有一特定的氨酰-tRNA合成酶，合成酶，蛋白质合成的精蛋白质合成的精确度依赖于氨酰确度依赖于氨酰-tRNA合成酶催化正确的氨基酸连接到相应的合成酶催化正确的氨基酸连接到相应的tRNA分子上分子上某些氨酰某些氨酰tRNA合成酶能够识别几个同工合成酶能够识别几个同工tRNA分子分子242424氨酰基团能在氨酰基团能在2或或3的羟基的羟基间交换，但只有间交换，但只有3形式的酯，形式的酯，才能参与下面的转肽反应才能参与下面的转肽反应氨酰氨酰tRNA的合成的合成Amino acid252525氨酰氨酰tRNA合成酶的性质合成酶的性质第四节 蛋白质的合成 262626二、肽链

15、合成的起始二、肽链合成的起始蛋白质的合成是通过一个复杂的复合体完成的，它包括蛋白质的合成是通过一个复杂的复合体完成的，它包括核糖体、附属的蛋白质因子、核糖体、附属的蛋白质因子、mRNA和负载的和负载的tRNA分分子子，又称为，又称为翻译复合体翻译复合体第四节 蛋白质的合成 1、起始密码子与起始氨基酸、起始密码子与起始氨基酸 起始密码子起始密码子绝大多数情况为绝大多数情况为AUG：甲硫氨酸甲硫氨酸少数情况为少数情况为GUG：缬氨酸缬氨酸2727272、起始复合物的形成、起始复合物的形成起始复合物起始复合物的形成就是指的形成就是指mRNA在起始因子的作用下与在起始因子的作用下与核糖体结合成复合物核

16、糖体结合成复合物它包括它包括核糖体、附属的蛋白质因子、核糖体、附属的蛋白质因子、mRNA和负载的和负载的tRNA分子分子，又称为翻译复合体，又称为翻译复合体第四节 蛋白质的合成 （1）起始位点的识别）起始位点的识别区别起始的和内部的甲硫氨酸密码子区别起始的和内部的甲硫氨酸密码子两种两种tRNA：tRNAiMet/tRNAfMettRNAMet282828识别机制：识别机制：30S亚基（小亚基）与亚基（小亚基）与SD序列的相互作用序列的相互作用第四节 蛋白质的合成 在原核生物中，起始密码的选择不仅取决于在原核生物中，起始密码的选择不仅取决于tRNA的反密码子和的反密码子和mRNA密码子的相互作用

17、，也取决于核糖体的小亚基与密码子的相互作用，也取决于核糖体的小亚基与mRNA模模板的相互作用板的相互作用30S亚基是在紧靠亚基是在紧靠起始密码子的上游的一个富含嘌呤碱基的区域起始密码子的上游的一个富含嘌呤碱基的区域与与mRNA结合。这个被称为结合。这个被称为SD序列序列（Shine-Dalgarnosiquence）的区域与的区域与16SrRNA的的3端的一个端的一个富含嘧啶富含嘧啶的片段互补。在形成的片段互补。在形成起始复合体时，互补的核苷酸对形成一个双链结构，使得起始复合体时，互补的核苷酸对形成一个双链结构，使得mRNA结合到核糖体上结合到核糖体上292929第四节 蛋白质的合成 Tran

18、slation start codonRBS303030mRNA与与16SrRNA的这一非翻译片段之间的配对将起的这一非翻译片段之间的配对将起始密码定位在始密码定位在P部位部位，确立了正确的阅读框架，确立了正确的阅读框架SD序列只出现在起始密码的上游，序列只出现在起始密码的上游，起始复合体就只能起始复合体就只能在起始密码处组装，而不可能在内部的甲硫氨酸密码子在起始密码处组装，而不可能在内部的甲硫氨酸密码子处组装处组装第四节 蛋白质的合成 （2）起始因子）起始因子蛋白质的起始合成需要多种蛋白因子的帮助，在蛋白质的起始合成需要多种蛋白因子的帮助，在E. coli中共有中共有三个起始因子（三个起始因

19、子（InitiationFactor缩写为缩写为IF）IF-1，IF-2和和IF-316S rRNA16S rRNAShine Dalgano sequence第四节 蛋白质的合成 16S rRNA16S rRNA30S起始复合物IF-2结合有结合有GTP，可识，可识别起始别起始tRNA16S rRNA16S rRNA70S起始复合物30S起始复合物fMet-tRNAfMet被定位在被定位在P位位343434三、肽链的延伸：包括进位、转肽和移位三个步骤三、肽链的延伸：包括进位、转肽和移位三个步骤第四节 蛋白质的合成 1、进位进位氨酰氨酰-tRNA与与A位点的结合位点的结合延伸因子延伸因子(EF

20、-Tu和和EF-Ts)参与结合反应的循环过程，参与结合反应的循环过程，由由GTP提供提供能量能量2、转肽、转肽肽键的形成肽键的形成(23SrRNA催化催化)3、移位、移位肽酰基肽酰基-tRNA从从A位转移到位转移到P位位(核糖体移位一核糖体移位一个密码子单位个密码子单位)无负载无负载tRNA释放释放mRNA的下一个密码子进入的下一个密码子进入A位位EF-Tu recycled进位转肽移位393939四、肽链合成的终止四、肽链合成的终止第四节 蛋白质的合成 没有任何没有任何tRNA可以正常识别终止密码子；可以正常识别终止密码子； 需要三种释放因子需要三种释放因子RF1RF2RF3 RF1识别识别

21、UAA、UAG RF2识别识别UAA、UGA RF3 是是GTP-结合蛋白，从肽酰结合蛋白，从肽酰-tRNA释放肽链释放肽链大肠杆菌核大肠杆菌核糖体上蛋白糖体上蛋白质合成的终质合成的终止过程止过程The ribosome life cycle. Note that IF3 is released prior to 50S addition424242多核糖体结构提高蛋白质的合成效率多核糖体结构提高蛋白质的合成效率第四节 蛋白质的合成 由由mRNA连接多个核糖体进行蛋白质转译的结构称之连接多个核糖体进行蛋白质转译的结构称之为为多核糖体多核糖体 在多肽链合成在多肽链合成25肽后，可以起始第二条肽链

22、的合成肽后，可以起始第二条肽链的合成 核糖体之间的距离大约为核糖体之间的距离大约为80 个核苷酸个核苷酸 多核糖体具有一定的三维结构：多核糖体具有一定的三维结构：6个以上的多核糖体个以上的多核糖体可形成螺旋状结构，小亚基面向内侧可形成螺旋状结构，小亚基面向内侧434343第四节 蛋白质的合成 多核糖体结构多核糖体结构444444一、信号肽序列指导蛋白质定位一、信号肽序列指导蛋白质定位第五节 蛋白质运输与翻译后修饰p533信号肽信号肽指的是指导蛋白质寻靶的任何一段连续的氨基酸指的是指导蛋白质寻靶的任何一段连续的氨基酸序列，序列，1040个氨基酸个氨基酸蛋白质中的信号序列可以是蛋白质中的信号序列可

23、以是N末端的序列末端的序列或内部的氨基或内部的氨基酸序列酸序列信号肽可以被信号肽酶切除信号肽可以被信号肽酶切除454545二、蛋白质翻译后修饰二、蛋白质翻译后修饰1、二硫键的形成、二硫键的形成2、肽链的部分切除：、肽链的部分切除：某些肽链合成后需经酶水解切除一些肽链某些肽链合成后需经酶水解切除一些肽链后才能折叠出正确构象后才能折叠出正确构象3、氨基酸的修饰：、氨基酸的修饰：甲基化、糖基化、乙酰化等甲基化、糖基化、乙酰化等4、与辅助因子的结合、与辅助因子的结合5、分子伴侣帮助下的正确折叠、分子伴侣帮助下的正确折叠第五节 蛋白质运输与翻译后修饰464646作用于作用于DNA合成的抗生素：复制或转录

24、抑制剂合成的抗生素：复制或转录抑制剂作用于作用于RNA合成的抗生素：转录抑制剂合成的抗生素：转录抑制剂作用于蛋白质合成的抗生素：翻译抑制剂作用于蛋白质合成的抗生素：翻译抑制剂第六节 蛋白质合成的抑制剂 p530嘌呤霉素：嘌呤霉素：结构非常类似于结构非常类似于氨酰氨酰-tRNA的的3末末端的结构，可以端的结构，可以进入核糖体的进入核糖体的A位位第六节 蛋白质合成的抑制剂 肽酰转移酶催化肽酰转移酶催化新生成的新生成的多肽转多肽转移至嘌呤霉素的移至嘌呤霉素的游离的氨基上游离的氨基上由于由于肽酰嘌呤肽酰嘌呤霉素在霉素在A位处的位处的结合弱结合弱，很快就，很快就从核糖体上解离，从核糖体上解离，因此就可终止蛋因此就可终止蛋白质的合成白质的合成