第十四章蛋白质的生物合成第十四章蛋白质的生物合成 中中心心法法则则指指出出，遗遗传传信信息息的的表表达达最最终终是是合合成成出出具具有有特特定定氨氨基基酸酸顺顺序序的的蛋蛋白白质质，这这种种以以mRNA上上所所携携带带的的遗遗传传信信息息,到到多多肽肽链链上上所所携携带带的的遗遗传传信信息息的的传传递递，就就好好象象以以一一种种语语言言翻翻译译成成另另一一种种语语言言时时的的情情形形相相似似，所所以以称称以以mRNA为为模模板合成蛋白质的过程为板合成蛋白质的过程为翻译翻译(translation)。 翻翻译译过过程程十十分分复复杂杂，需需要要mRNA、tRNA、rRNA和和多多种种蛋蛋白白因因子子参参与与。在在此此过过程程中中mRNA为为合合成成的的模模板板，tRNA为为运运输输氨氨基基酸酸工工具具，rRNA和和蛋蛋白白质质构构成成核核糖糖体体，是是合合成成蛋蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为白质的场所，蛋白质合成的方向为NC端。端。思考思考遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制DNARNA遗遗传传信信息息流流动动示示意意图图核糖体核糖体DNAmRNAtRNA目 录第一节 蛋白质合成体系第二节 蛋白质合成的机理第三节第三节 肽链合成后的折叠肽链合成后的折叠与与加工加工第四节 蛋白质定位蛋白质定位二、t RNA三、核糖体核糖体第一节第一节第一节第一节 蛋白质合成体系蛋白质合成体系蛋白质合成体系蛋白质合成体系一、一、mRNA和和遗传密码遗传密码四、四、辅助因子辅助因子 mRNA (messenger RNA)是蛋白质合成过程中是蛋白质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。直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。m R N Am R N A原核生物原核生物和和真核生物真核生物mRNA的比较的比较遗 传 密 码三联体密码的破译遗传密码的性质 遗遗传传密密码码: DNA（或或mRNA）中中的的核核苷苷酸酸序序列列与与蛋蛋白白质质中中氨氨基基酸酸序序列列之之间间的的对对应应关关系系称称为为遗传密码。遗传密码。 密密码码子子(codon)：mRNA上上每每3个个相相邻邻的的核核苷苷酸酸编编码码蛋蛋白白质质多多肽肽链链中中的的一一个个氨氨基基酸酸，这这三三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。遗传密码字典遗传密码字典遗传密码字典UACGUCAGUCAG第二位第二位 第一位第一位（5） 第三位第三位（3）UCAGUCAGUCAG三联体密码的破译2、以随机共聚合指导多肽的合成、以随机共聚合指导多肽的合成例：以随机共聚物例：以随机共聚物A、C为模板，任意排列可为模板，任意排列可 出现出现8种三体，获得六种氨基酸组成的多肽。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，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为PolyphePolyA为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为PolylysPolyC为模板，产生的多肽链为为模板，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）以以多多聚聚二二核核苷苷酸酸作作模模板板可可合合成成由由2个个氨氨基基酸酸组组成成的的多多肽肽、PolyUG的的模模板板，合合成成产产物物为为Lys和和Val。（2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨 基酸组成的多肽。基酸组成的多肽。核糖体结合技术技术要点保温 硝酸纤维滤膜过滤硝酸纤维滤膜过滤分析留在滤膜上的三核苷酸三核苷酸- -核糖体核糖体-AtRNA 确定与核糖体结合的A以人工合成的以人工合成的三核苷酸为模板三核苷酸为模板三核苷酸为模板三核苷酸为模板+核糖体核糖体核糖体核糖体+A-tRNA遗传密码的性质遗传密码的性质4、密码的、密码的简并性与摆动性简并性与摆动性：由一种以上密码子编码同：由一种以上密码子编码同一个一个 氨基酸的现象称为简并，对应于同一氨基酸的密码氨基酸的现象称为简并，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子子称为同义密码子(Synonymous codon)。多数情况下同多数情况下同义密码子的第一第二个碱基相同，第三个碱基不同，说义密码子的第一第二个碱基相同，第三个碱基不同，说明密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定。明密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定。5、64组组密密码码子子中中，AUG既既是是的的密密码码，又又是是起起始始密密 码码；有有三三组组密密码码不不编编码码任任何何氨氨基基酸酸，而而是是多多肽肽链链合合成成的的终终止密码子：止密码子：UAG、UAA、UGA。1、方向性、方向性2 、密码子是近于完全、密码子是近于完全通用通用的。的。3、密码是、密码是无标点符号无标点符号的且相邻密码子的且相邻密码子互不重叠互不重叠。 6、变偶性、变偶性1966年年Crick根据立体化学原理提出：根据立体化学原理提出：（2）有些反密码子的第一个碱基（按）有些反密码子的第一个碱基（按5-3）决定了）决定了 该该tRNA识别密码子的数目。识别密码子的数目。（3）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他们的第一）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他们的第一 和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的tRNA 来识别来识别。（1）mRNA上的密码子的第一、第二个碱基上的密码子的第一、第二个碱基 与与tRNA上上 的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一 性主要是由这两个碱基对的性主要是由这两个碱基对的 作用。作用。原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点53顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序SD区区1.1.半衰期短半衰期短2.2.许多原核生物许多原核生物mRNAmRNA以多顺反子形式存在以多顺反子形式存在3.3.AUGAUG作为起始密码；作为起始密码；AUGAUG上游上游7 71212个核苷酸处有一被称为个核苷酸处有一被称为SDSD序列的序列的保守区，保守区，16S 16S rRNArRNA 3- 3- 端反向互补而使端反向互补而使mRNAmRNA与核糖体结合。与核糖体结合。AGGAGGU真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5ppp-N-3 p帽子结构功能帽子结构功能使使mRNAmRNA免遭核酸酶的破坏免遭核酸酶的破坏使使mRNAmRNA能与核糖体小亚基结合并开始能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质合成蛋白质被蛋白质合成的起始因子所识别，从被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。而促进蛋白质的合成。Poly(A)Poly(A)Poly(A)Poly(A)尾巴的功能尾巴的功能尾巴的功能尾巴的功能是是mRNAmRNA由细胞核进入细胞质由细胞核进入细胞质所必需的形式所必需的形式它大大提高了它大大提高了mRNAmRNA在细胞质在细胞质中的稳定性中的稳定性AAAAAAA-OHtRNA （transfer ribonucleic asid）在蛋白质合成中处于关键地位，它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。氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。1、tRNA的结构特征的结构特征三叶草型二级结构三叶草型二级结构2、tRNA的功能的功能（1）被特定的氨酰）被特定的氨酰- tRNA合成酶识别，使合成酶识别，使 tRNA接受正确的活化氨基酸。接受正确的活化氨基酸。（2）识别识别mRNA链上的密码子。链上的密码子。（3）在蛋白质合成过程中，）在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生长起着连结生长 的多肽链与核的多肽链与核 糖体的作用。糖体的作用。 t RNA密密码码子子与与反反密密码码子子的的配配对对关关系系反密码子反密码子tRNA5 3 A U C5 mRNA3 密码子密码子1 2 3核糖体核糖体核核 糖糖 体体 是由是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核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蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。体上进行的。2、核糖体的功能核糖体的功能1、核糖体的结构核糖体的结构和和组成组成核核糖糖体体的的组组成成原核生物核原核生物核原核生物核原核生物核糖体的组成糖体的组成糖体的组成糖体的组成原原核核生生物物核核糖糖体体结结构构示示意意图图原核细胞原核细胞70S核糖体的核糖体的A位、位、P位及位及mRNA结合部位示意图结合部位示意图anticodonanticodonanticodoncodoncodoncodon30S30S与与mRNA结合部位结合部位P P位位位位（结合结合或接受肽基或接受肽基的部位）的部位）A A位位位位（结合或接结合或接受受A - tRNA的的部位）部位）50S50S5 5 3 3 mRNAmRNA真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子阶段阶段阶段阶段原核原核原核原核 真核真核真核真核 功功功功 能能能能IF1IF1IF2IF2 eIF2 eIF2 参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成IF3IF3 eIF3eIF3、eIF4CeIF4C起始起始起始起始CBP I CBP I 与与与与mRNAmRNA帽子结合帽子结合帽子结合帽子结合 eIF4A B F eIF4A B F 参与寻找第一个参与寻找第一个参与寻找第一个参与寻找第一个AUGAUGeIF5 eIF5 协助协助协助协助eIF2 eIF2 、 eIF3eIF3、eIF4CeIF4C的的的的释放释放释放释放eIF6 eIF6 协助协助协助协助60S60S亚基从无活性的核糖体上解离亚基从无活性的核糖体上解离亚基从无活性的核糖体上解离亚基从无活性的核糖体上解离EF-EF-TuTu eEF1eEF1 协助氨酰协助氨酰协助氨酰协助氨酰-tRNAtRNA进入核糖体进入核糖体进入核糖体进入核糖体延长延长延长延长EF-TsEF-Ts eEF1 eEF1 帮助帮助帮助帮助EF-EF-TuTu 、 eEF1eEF1 周转周转周转周转 EF-GEF-G eEF2 eEF2 移位因子移位因子移位因子移位因子RF-1RF-1终止终止终止终止 eRFeRF 释放完整的肽链释放完整的肽链释放完整的肽链释放完整的肽链RF-2RF-2第二节 蛋白质合成的机理一、一、氨基酸的活化二、二、原核生物多肽链的合成过程四、四、真核生物多肽链的合成真核生物多肽链的合成三、三、多核糖体与核糖体循环氨氨基基酸酸的的活活化化EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸氨基酸ATP +ATP +氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸E E- -AMPAMPPPiPPiAMPAMPE E氨氨基基酸酸的的活活化化3-氨酰氨酰-tRNAE EN-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNAtMet的形成的形成CHOCHO-HN-CH-COO-HN-CH-COO-tRNAtRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S COO- COO- + +H H2 2N-CH-COO-tRNAN-CH-COO-tRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S COO- COO-Met-tRNAtMetfMet-tRNAtMetN N1010- -甲酰甲酰甲酰甲酰FHFH4 4FHFH4 4甲酰化酶甲酰化酶氨酰氨酰- tRNA合成酶特点合成酶特点a a、专一性专一性： 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。b b、校对作用校对作用：氨酰- tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。原核生物多肽链的合成过程原核生物多肽链的合成过程 原核生物多肽链的合成分为三个阶段：肽链合成的起始、肽链的延伸、肽链合成的终止和释放。1、肽链合成的起始2、肽链的延长3、肽链合成的终止及释放肽链合成的起始肽链合成的起始30S亚基亚基 mRNA IF3- IF1复合复合物物30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物复合物70S起始复合物起始复合物codoncodonanticodonanticodonP P位位位位A A位位位位 mRNA +30S亚基亚基-IF3A A A A位位位位IF-35 5 3 3 IF2GTPP P P P位位位位IF2 IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S50S亚基亚基IF2+ IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始起始复合物复合物肽链的延长1 12 21 12 22 23 32 23 3进位进位进位进位肽键形成肽键形成肽键形成肽键形成移位移位移位移位进位进位进位进位( (TuTuTsTs) )GTPGTPGTPGTPN-N-端端端端2 23 35 5 3 3 C-C-端端端端肽键形成肽键形成肽键形成肽键形成1 15 5 3 3 （EF-GEF-G） 肽链合成的终止及释放（1 1）释释放放因因子子RFRF1 1或或RFRF2 2进入核糖体进入核糖体A A位。位。 （2 2）多肽链的释放）多肽链的释放（3 3）70S70S核糖体解离核糖体解离5 5 3 3 UAGUAG30S30S亚基亚基亚基亚基50S50S亚基亚基亚基亚基5 5 3 3 UAGUAGtRNARFRF肽肽键的形成键的形成TuTs循环循环多多多核糖体与核糖体循环多核糖体与核糖体循环合成完毕合成完毕的肽链的肽链多核糖体多核糖体3mRNA延伸中的肽链延伸中的肽链5核糖体循环核糖体循环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；5、真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。 肽肽链链折折叠叠是是指指从从多多肽肽链链的的氨氨基基酸酸序序列列形形成成具具有正确三维空间结构的蛋白质的过程。有正确三维空间结构的蛋白质的过程。 体体内内多多肽肽链链的的折折叠叠目目前前认认为为至至少少有有两两类类蛋蛋白白质质参参与与，称称为为助助折折叠叠蛋蛋白白: (1) 酶酶：蛋蛋白白质质二二硫硫键键异构酶异构酶 (PDI)； (2) 分子伴侣分子伴侣肽肽 链链 的的 折折 叠叠 Lasky于于1978年首先提出分子伴侣（年首先提出分子伴侣（mulecular chaperone）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在。原核生物和真核生物中广泛存在。1、肽链末端的修饰：、肽链末端的修饰：N-端端fMet或或Met的切除的切除2、信号序列的切除、信号序列的切除3、二硫键的形成、二硫键的形成4、部分肽段的切除、部分肽段的切除5、个别氨基酸的修饰、个别氨基酸的修饰6、糖基侧链的添加、糖基侧链的添加7、辅基的加入、辅基的加入蛋白质的加工修饰实例：实例：胰岛素原的加工胰岛素原的加工胰岛素原的加工胰岛素原的加工A链区链区B链区链区间插序列（间插序列（C肽区）肽区）HSSHSHSHHSHS信号肽信号肽NC核糖体上合成出无规核糖体上合成出无规则卷曲的则卷曲的前胰岛素原前胰岛素原切除切除C肽后，形成肽后，形成成熟的胰岛素分子成熟的胰岛素分子切除信号肽后切除信号肽后折叠成稳定构折叠成稳定构象的胰岛素原象的胰岛素原SSSSNNCCA链链B链链胰岛素胰岛素CNSSSS胰岛素原胰岛素原SS多核糖体第一个编码区第一个编码区第一个编码区第一个编码区第一个编码区第一个编码区第一个编码区第一个编码区第二个编码区第二个编码区第二个编码区第二个编码区第二个编码区第二个编码区第二个编码区第二个编码区终止终止终止终止 起始起始起始起始终止终止终止终止起始起始起始起始mRNAmRNAmRNAmRNA5 5 5 5 3 3 3 3 第四节第四节 蛋白质定位蛋白质定位1 1、分泌蛋白、分泌蛋白 信号肽假说简图信号肽假说简图 分泌蛋白质的合成和胞吐作用分泌蛋白质的合成和胞吐作用2 2、线粒体与叶绿体蛋白、线粒体与叶绿体蛋白 蛋白质向线粒体的定位机制蛋白质向线粒体的定位机制信号肽假说简图信号肽假说简图35SRP循环循环mRNA内质网膜内质网膜内质网腔内质网腔信号肽酶信号肽酶信号肽信号肽分泌蛋白质的合成和胞吐作用分泌蛋白质的合成和胞吐作用内质网内质网高尔基体高尔基体泡泡泡泡泡泡融入融入质膜质膜核糖体核糖体芽泡芽泡线粒体外膜线粒体外膜线粒体外膜线粒体外膜线粒体内膜线粒体内膜线粒体内膜线粒体内膜带有导肽的线粒体蛋白质带有导肽的线粒体蛋白质前体跨膜运送过程示意图前体跨膜运送过程示意图内外膜接触位点的内外膜接触位点的内外膜接触位点的内外膜接触位点的蛋白质通道蛋白质通道蛋白质通道蛋白质通道线粒体线粒体线粒体线粒体hsp70hsp70受体蛋白受体蛋白受体蛋白受体蛋白hsp70hsp70导肽导肽导肽导肽蛋白酶切蛋白酶切蛋白酶切蛋白酶切除导肽除导肽除导肽除导肽问答题问答题1、试述遗传中心法则的主要内容。、试述遗传中心法则的主要内容。2、遗传密码如何编码？简述其基本特点。、遗传密码如何编码？简述其基本特点。3、mRNA、tRNA、rRNA在蛋白质生物合成中各具什么作用？在蛋白质生物合成中各具什么作用？4、肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？、肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？5、试比较下列生物分子结构单元的激活机制：、试比较下列生物分子结构单元的激活机制： 蛋白质蛋白质 脂肪酸脂肪酸 多糖多糖 名词解释名词解释中心法则遗传密码密码子简并性中心法则遗传密码密码子简并性 翻译翻译冈崎片段冈崎片段 多核糖体多核糖体