蛋白質生物合成

蛋白質生物合成第1頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二主要內(nèi)容第一節(jié)、RNA在蛋白質生物合成中的作用第二節(jié)、蛋白質生物合成過程第三節(jié)、蛋白質合成后的加工修飾與轉運第2頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二蛋白質的生物合成（翻譯）

蛋白質生物合成(proteinbiosynthesis)也稱翻譯(translation)，是生物細胞以mRNA為模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列順序所組成的密碼信息合成蛋白質的過程。mRNADNA

DNA復制

轉錄翻譯蛋白質第3頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二蛋白質生物合成體系：基本原料:

20種編碼氨基酸模

板:

mRNA適配器

:

tRNA裝配機

:核糖體（rRNA與蛋白質的復合物）主要酶和蛋白質因子:氨基酰-tRNA合成酶、轉肽酶、起始因子、延長因子、釋放因子等能源物質

:

ATP、GTP無機離子

:

Mg2+、K+第4頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、mRNA1.閱讀框架

從mRNA5'-端起始密碼子AUG到3'-端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻譯區(qū)533’-端非翻譯區(qū)開放閱讀框架

真核生物的mRNA結構第5頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二1.閱讀框架一、mRNA在各種mRNA起始AUG上游約8～13核苷酸部位，存在一段由4～9個核苷酸組成的一致序列，富含嘌呤堿基，如-AGGAGGU-，稱為Shine-Dalgarno序列(S-D序列)。原核生物的mRNA結構第6頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二多順反子與單順反子原核生物的多順反子：一個mRNA分子編碼多種蛋白質真核生物的單順反子：一個mRNA分子只編碼一種蛋白質PPP53蛋白質圖示說明：核糖體結合位點起始密碼子終止密碼子蛋白質PPPmG-53AAA…第7頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、mRNA2.遺傳密碼及特點密碼子（codon）：在mRNA的開放閱讀框架區(qū)，以每3個相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸，這種三聯(lián)體形式的核苷酸序列稱為密碼子。起始密碼子（initiationcodon）

AUG終止密碼子（terminationcodon）UAA、UAG、UGA第8頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二遺傳密碼表第一字母第二字母第三字母UCAGUCAGUCAGUCAG第9頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、mRNA2.遺傳密碼及特點（1）方向性（directional）

翻譯時遺傳密碼的閱讀方向是5’→3’，即讀碼從mRNA的起始密碼子AUG開始，按5’→3’的方向逐一閱讀，直至終止密碼子。第10頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二密碼子的特點——方向性mRNA模板鏈的閱讀方向：5'3'蛋白質合成的方向：N端C端NC肽鏈延伸方向5′3′讀碼方向第11頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、mRNA2.遺傳密碼及特點（2）連續(xù)性

編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼子及密碼子的各堿基之間既無間隔也無交叉，即具有無標點性（non-punctuated）。5’…….AUG

GCA

GUA

CAU……UAA3’AlaValHisMet終止密碼第12頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二移碼突變(frameshiftmutation)

基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致框移突變。纈脯蘇天冬纈丙酪甘纈丙絲精mRNA插入缺失插入及缺失閱讀框恢復第13頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、mRNA2.遺傳密碼及特點（3）簡并性（degenerate）

一種氨基酸可具有2個或2個以上的密碼子為其編碼的特性稱為遺傳密碼的簡并性。但蛋氨酸和色氨酸只有一個密碼子。第14頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二密碼子特點——簡并性為同一種氨基酸編碼的各密碼子稱為簡并性密碼子，也稱同義密碼子。簡并性主要發(fā)生在密碼子的第三位堿基，故該堿基改變時往往不影響氨基酸的翻譯（同義突變）。ACUACCACAACG蘇氨酸UGUUGCUGAUGG纈氨酸CUUCUCUUGCUAUUACUG亮氨酸第15頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二各個氨基酸的密碼子數(shù)目第16頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、mRNA2.遺傳密碼及特點（4）通用性（universal）

從簡單的病毒到高等的人類，幾乎使用同一套遺傳密碼，因此，遺傳密碼表中的這套“通用密碼”基本上適用于生物界的所有物種，具有通用性。

第17頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二密碼子通用性的例外

動物線粒體及植物葉綠體內(nèi)的部分密碼子與通用密碼子不同。

通用密碼線粒體密碼AUA異亮蛋、起始AGA精終止AGG精終止UGA終止色第18頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、mRNA2.遺傳密碼及特點（5）擺動性（wobble）

tRNA反密碼子第一位堿基與mRNA密碼子第三位堿基之間的配對有時并不嚴格遵守常見的堿基配對規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為擺動配對(wobblebasepairing)。tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U,C,AA,GU,CUG第19頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二密碼子特點——擺動性異亮氨酸U（同義突變）123321第20頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二密碼子的特點（1）方向性（directional）（2）連續(xù)性（non-punctuated）（3）簡并性（degenerate）（4）通用性（universal）（5）擺動性（wobble）第21頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二二、tRNAtRNA主要作用是攜帶氨基酸和識別mRNA的密碼子，作為蛋白質生物合成的接合體。二級結構三級結構反密碼環(huán)氨基酸臂第22頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二tRNA是氨基酸的載體及翻譯的“適配器”第23頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、tRNA

起始、延長階段使用的氨基酰-tRNA不同：真核生物起始階段的氨基酰-tRNA為：Met-tRNAiMet（起始蛋氨酰-tRNA)原核生物起始氨基酰-tRNA為：fMet-tRNAfMet（N-甲酰蛋氨酰-tRNA）第24頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二原核生物N-甲酰蛋氨酰-tRNA的生成

fMet-tRNAfMet的生成是一碳化合物轉移和利用的過程之一。反應由轉甲酰基酶催化，甲酰基從N10-甲酰四氫葉酸轉移到甲硫氨酸的α-氨基上。第25頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二三、rRNA

核糖體（ribosome）又稱核蛋白體，是由rRNA和多種蛋白質結合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒，是蛋白質生物合成的場所。第26頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、蛋白質生物合成體系（二）核糖體是蛋白質生物合成的場所2.核糖體的結構原核生物核糖體上有三個位點結合氨基酰-tRNA的氨基酰位（aminoacylsite，A位）結合肽酰-tRNA的肽酰位（peptidylsite，P位）排出卸載tRNA的排出位（exitsite，E位）第27頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二30S50S70S核糖體的結構A位：AA-tRNA結合部位P位：肽基tRNA結合部位E位：肽鍵形成部位第28頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二核糖體的組成S（Svedberg）：沉降

單位，1S=10-13厘米/秒.達因.克原核生物真核生物第29頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二原核生物rRNA的作用1.tRNA-5sRNA-23sRNA2.mRNA（S-D序列）-16sRNA-23sRNA3.起始tRNA-23sRNA-5srRNA第30頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二多聚核糖體無論是真核還是原核生物，1條mRNA模板鏈都可附著10～100個核糖體，這些核糖體依次結合起始密碼子并沿5'→3'方向讀碼移動，同時進行肽鏈合成，這種mRNA與多個核糖體形成的聚合物稱為多聚核糖體(polysome)。

多聚核糖體的形成可以使蛋白質生物合成以高速度、高效率進行。第31頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二多聚核糖體第32頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二主要內(nèi)容第一節(jié)、RNA在蛋白質生物合成中的作用第二節(jié)、蛋白質生物合成過程第三節(jié)、蛋白質合成后的加工修飾與轉運第33頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二蛋白質合成過程可以分為四個階段：①氨基酸的活化與搬運；②肽鏈合成的起始；③肽鏈的延長；④肽鏈的終止。第34頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、氨基酸的活化概念：氨基酸與特異的tRNA結合形成氨基酰-tRNA的過程稱為氨基酸的活化。參與氨基酸的活化的酶： 氨基酰-tRNA合成酶

aminoacyltRNAsynthetase第35頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二氨基酰-tRNA合成酶作用機理①氨基酸＋ATP-E

氨基酰-AMP-E

＋PPi

②＋tRNA氨基酰-tRNA＋AMP

＋EEE第36頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二氨基酰-tRNA合成酶的作用特點之一氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性tRNA氨基酰-tRNA合成酶（藍色）ATP（黃色）第37頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二氨基酰-tRNA合成酶的作用特點之二氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性第38頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二二、肽鏈合成的起始

肽鏈合成的起始：指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結合而形成三元起始復合物的過程。所有蛋白質翻譯的起始均源于甲硫氨酸，而且需要一個特殊的起始tRNA（簡寫tRNAiMet）參與。起始過程tRNAiMet能夠被起始因子所識別；延伸tRNAMet能夠被延伸因子所識別。第39頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二二、肽鏈合成的起始

起始階段的基本過程：1.IF-3

與小亞基結合使核糖體大小亞基分離；2.在IF-1、IF-2和GTP的協(xié)助下，mRNA在小亞基精確定位結合；起始氨基酰-tRNA結合起始密碼子；3.核糖體大亞基結合；4.mRNA、fMet-tRNAifMet和核糖體構成三元起始復合物。第40頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二50S50SIF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi肽鏈合成的起始過程第41頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二三、肽鏈的延長—核糖體循環(huán)肽鏈的延長：指在mRNA模板的指導下，氨基酸依次進入核糖體并聚合成多肽鏈的過程。肽鏈延長在核糖體上連續(xù)循環(huán)式進行，又稱為核糖體循環(huán)（ribosomalcycle）。肽鏈延長過程可分為三個步驟：注冊、成肽和轉位。延長過程需要一些稱為延長因子（elongationfactor，EF）的蛋白參與：EF-Tu、EF-Ts和EF-G。第42頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP注冊的反應過程（動畫）注冊：一個氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令進入并結合到核糖體A位的過程。第43頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二成肽轉肽酶成肽：在轉肽酶(peptidase)的催化下，核糖體P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨?；螂孽?tRNA的肽?；D移到A位并與A位上氨基酰-tRNA的α-氨基結合形成肽鍵的過程。第44頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二轉位轉位：是在轉位酶的催化下，核糖體向mRNA的3'-端移動一個密碼子的距離，使mRNA序列上的下一個密碼子進入核糖體的A位、而占據(jù)A位的肽酰-tRNA移入P位的過程。第45頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二肽鏈合成延長（核糖體循環(huán)）過程注冊轉位成肽第46頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二四、肽鏈合成的終止肽鏈合成的終止：指核糖體A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼子后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖體大、小亞基等分離的過程。終止階段需要釋放因子RF-1、RF-2和RF-3參與。第47頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二釋放因子的功能識別終止密碼子RF-1特異識別UAA、UAG；RF-2特異識別UAA、UGA。誘導轉肽酶轉變?yōu)轷ッ富钚裕捍呋律逆溑c結合在P位的tRNA之間的酯鍵水解，使肽鏈從核糖體上釋放。RF-3可結合核糖體其他部位，有GTP酶活性，能介導RF-1、RF-2與核糖體的相互作用。第48頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二蛋白質合成的終止過程第49頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二五、真核細胞肽鏈合成

真核生物mRNA具有5’帽子結構：依賴帽子結合蛋白復合物能夠使mRNA在核糖體上定位結合。起始密碼子AUG位于Kozak共有序列（ACCAUGG）中，此序列能夠促使核糖體識別其中的AUG并起始翻譯。第50頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二34+真核生物翻譯起始復合物形成過程第51頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二原核生物真核生物mRNA一條mRNA編碼幾種蛋白質（多順反子）一條mRNA編碼一種蛋白質（單順反子）轉錄后很少加工轉錄后進行首尾修飾及剪接轉錄、翻譯和mRNA的降解可同時發(fā)生mRNA在核內(nèi)合成，加工后進入胞液，再作為模板指導翻譯核糖體30S小亞基＋50S大亞基?70S核糖體40S小亞基＋60S大亞基?80S核糖體起始階段起始氨基酰-tRNA為fMet-tRNAfMet起始氨基酰-tRNA為Met-tRNAiMet核糖體小亞基先與mRNA結合,再與fMet-tRNAfMet結合核糖體小亞基先與Met-tRNAiMet結合，再與mRNA結合mRNA中的S-D序列與16SrRNA3-端的一段序列結合mRNA中的帽子結構與帽子結合蛋白復合物結合有3種IF參與起始復合物的形成有至少10種eIF參與起始復合物的形成延長階段延長因子為EF-Tu、EF-Ts和EF-G延長因子為eEF-1α、eEF-1βγ和eEF-2終止階段釋放因子為RF-1、RF-2和RF-3釋放因子為eRF1和3原核生物與真核生物肽鏈合成過程的主要差別第52頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二蛋白質的生物合成起始和延伸第53頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二蛋白質合成的終止第54頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二主要內(nèi)容第一節(jié)、RNA在蛋白質生物合成中的作用第二節(jié)、蛋白質生物合成過程第三節(jié)、蛋白質合成后的加工修飾與轉運第55頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二123

新生多肽鏈不具備蛋白質的生物學活性，必須經(jīng)過復雜的加工過程才能轉變?yōu)榫哂刑烊粯嬒蟮墓δ艿鞍踪|，這一加工過程稱為翻譯后修飾(posttranslationalmodification)。

翻譯后的修飾包括：多肽鏈的折疊肽鏈一級結構的修飾蛋白質空間結構的修飾第56頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二一、多肽鏈的修飾1.肽鏈N末端的修飾：如N端氨基酸殘基或部分多肽的切除2.個別氨基酸的共價修飾：如糖基化、羥基化、甲基化、磷酸化、二硫鍵形成、親脂性修飾等3.多肽鏈的水解修飾如鴉片促黑皮質素原(POMC)的水解修飾第57頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二鴉片促黑皮質素原(POMC)的水解修飾POMC基因信號肽γ-促黑色素促腎上腺素激素β-脂酸釋放激素α-促黑色素γ-脂酸釋放激素β-內(nèi)啡肽β-促黑色素甲硫啡肽促腎上腺皮質激素樣中葉肽轉錄翻譯第58頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二二、多肽鏈的折疊具有促進蛋白質折疊功能的大分子：參與蛋白質折疊的酶類蛋白質二硫鍵異構酶（proteindisulfideisomerase,PDI）肽酰-脯氨酰順反異構酶（peptideprolyl-cis-transisomerase,PPI）分子伴侶（molecularchaperon）第59頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二二、多肽鏈的折疊具有促進蛋白質折疊功能的大分子：1.蛋白質二硫鍵異構酶在多肽鏈內(nèi)或肽鏈之間二硫鍵形成正確的配對斷裂錯配的二硫鍵并形成正確二硫鍵連接正確的二硫鍵配對可以保證蛋白質形成熱力學最穩(wěn)定的天然構象第60頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二二、多肽鏈的折疊具有促進蛋白質折疊功能的大分子：2.肽酰-脯氨酰順反異構酶多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構體，空間構象有明顯差別。肽酰-脯氨酰順反異構酶可促進上述順反兩種異構體之間的轉換。肽酰-脯氨酰順反異構酶是蛋白質三維構象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構型時，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準確折疊。第61頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二二、多肽鏈的折疊具有促進蛋白質折疊功能的大分子：3.分子伴侶(molecularchaperon)

分子伴侶是細胞內(nèi)一類可識別肽鏈的非天然構象、促進各功能域和整體蛋白質的正確折疊的保守蛋白質。熱休克蛋白（heatshockproteins，HSP）：HSP70、HSP40和GrpE伴侶素（chaperonins）：GroEL-GroES復合物第62頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二二、多肽鏈的折疊具有促進蛋白質折疊功能的大分子：3.分子伴侶(molecularchaperon)

功能包括兩方面：一方面是防止新生肽鏈錯誤的折疊和聚合，另一