1、第十六章第十六章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 遗传密码遗传密码 核糖体核糖体 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 主要内容：主要内容：一般特征一般特征原核细胞蛋白质的生物合成原核细胞蛋白质的生物合成真核细胞蛋白质的生物合成真核细胞蛋白质的生物合成 蛋白质合成所需能量蛋白质合成所需能量合成后的加工、分拣与定向输送合成后的加工、分拣与定向输送 蛋白质生物合成的抑制剂蛋白质生物合成的抑制剂一、遗传密码（一、遗传密码（genetic code） 遗传密码（遗传密码（genetic code): 是指是指mRNA中对应于氨基酸的核苷酸序列。中对应于氨基酸的核苷酸序列。 密码子（密码子（codon）：
2、mRNA上上3个相邻的核苷酸序列作为一个密个相邻的核苷酸序列作为一个密 码单位，称密码子。码单位，称密码子。 1965年编写出了一张遗传密码表，密码子的阅读方向年编写出了一张遗传密码表，密码子的阅读方向53 1. 密码无标点符号密码无标点符号2. 一般情况下遗传密码是不重叠的一般情况下遗传密码是不重叠的3. 密码的简并性（密码的简并性（degeneracy）4. 密码的摆动性（密码的摆动性（wobble） 遗传密码的基本特点：遗传密码的基本特点：1966年年F.Crick提出的摆动假说（提出的摆动假说（wobble hypothesis） 5.密码的通用性和变异性密码的通用性和变异性 6.起始
3、密码子、终止密码子、氨基酸密码子、起始密码子、终止密码子、氨基酸密码子、 selenocystein（含硒半胱氨酸或称硒代半胱氨酸）（含硒半胱氨酸或称硒代半胱氨酸） 二、核糖体（二、核糖体（ribosome） 原核生物核糖体原核生物核糖体 70S50S30S5S rRNA， 23S rRNA34种蛋白质种蛋白质16S rRNA21种蛋白质种蛋白质真核生物核糖体真核生物核糖体 80S60S40S5SrRNA，5.8SrRNA，28SrRNA49种蛋白质种蛋白质18SrRNA33种蛋白质种蛋白质三、蛋白质的生物合成三、蛋白质的生物合成 （一）蛋白质合成的一般特征：（一）蛋白质合成的一般特征： 蛋白
4、质生物合成的方向：蛋白质生物合成的方向：N端端C端端 mRNA的翻译方向：的翻译方向：53 蛋白质合成除需要蛋白质合成除需要aa外，还需要外，还需要ATP、GTP，一系列酶，一系列酶 和许多辅助因子。和许多辅助因子。 （二）蛋白质生物合成的过程：（二）蛋白质生物合成的过程： v 氨基酸活化氨基酸活化v 肽链起始肽链起始v 肽链延长肽链延长v 肽链的终止和释放肽链的终止和释放v 肽链合成后的加工肽链合成后的加工 E.Coli蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 :1.氨基酸的活化：氨基酸的活化： 由高度特异的由高度特异的氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶 (aminoacyl-tRNA syntheta
5、se)催化，反应分两步催化，反应分两步 总反应式总反应式 2肽链的起始：肽链的起始： mRNA中的中的起始密码是起始密码是AUG，少数是，少数是GUG。起始密码子的上游约起始密码子的上游约10个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列称个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列称SD序列序列（Shine-Dalgarno序列），一般为序列），一般为310个核苷酸，它与核糖体个核苷酸，它与核糖体16srRNA 3端的端的核苷酸序列互补，可促使核糖体与核苷酸序列互补，可促使核糖体与mRNA的结合。的结合。 在在E.Coli和其它原核生物中与这起始密码（和其它原核生物中与这起始密码（AUG）相对应的相对应的
6、tRNA是是甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰tRNA（fMet-tRNAf Met），这是），这是起始起始tRNA。 起始起始tRNA怎样形成？由甲硫氨酰怎样形成？由甲硫氨酰-tRNA甲酰化甲酰化 tRNAMetMet-tRNA甲酰基转移酶甲酰基转移酶N10甲酰甲酰FH4FH4MettRNACOH（fMettRNAf）甲酰基甲酰基Structure of N-formyl-methionyl-tRNAMetDifferences with other tRNAs细胞内有细胞内有2种可携带种可携带Met的的tRNA，它们都识别同样的，它们都识别同样的AUG密码子，但它们的一级结构和功能不同。密码子，但它
7、们的一级结构和功能不同。 （2）tRNAmMet带上带上Met后不能甲酰化，用于肽链的内部，在肽后不能甲酰化，用于肽链的内部，在肽 链延伸中起作用。链延伸中起作用。 （1）tRNAf Met 带上带上Met后能甲酰化，是起始后能甲酰化，是起始tRNA，用于肽链，用于肽链 合成的起始。合成的起始。 所以所以AUG和和GUG是兼职密码子，是兼职密码子，它们既可以作为起始它们既可以作为起始密码子，作为肽链合成的起始信号，这时与之对应的氨基酸密码子，作为肽链合成的起始信号，这时与之对应的氨基酸是甲酰是甲酰Met。另外也可作肽链内部相应另外也可作肽链内部相应aa的密码，这时的密码，这时AUG编码编码Me
8、t,GUG编码编码val。MetATP/ Mg 2+ +tRNAm MettRNAf MetMet-tRNAmMetMet-tRNAfMetfMet-tRNAfMetN10-FormyltetrahydrofolateTransformylaseAMP/Mg2+ PPiThe same aaRSAMP/Mg2+PPi 肽链合成的起始除了需要肽链合成的起始除了需要起始密码、起始密码、SD序列、起序列、起始始tRNA外还要外还要三种起始因子三种起始因子（initiation factor），即），即IF-1， IF-2 和和IF-3，还要消耗，还要消耗GTP，还需核糖体大小，还需核糖体大小亚基参与
9、，形成一个亚基参与，形成一个70S的真正起始复合物的真正起始复合物。 Initiation of translation in ProkaryotesRecognition of the start codon AUG(90%),GUG(8%) and UUG(1%) SD sequence How to prove? Colicin E3(大肠杆菌素）大肠杆菌素） and mutationFormation of initiation complex 1) Binding of the ribosome 30S subunit with Initiation Factors 2) Bindi
10、ng of the mRNA and the fMet-tRNAfMet 3) Binding of the ribosome 50S subunit and release of Initiation Factors inactive 70S ribosomeSD sequence30S initiation complex70S initiation complexGDP + Pi肽链的延长需要一些延长因子或称延伸因子（肽链的延长需要一些延长因子或称延伸因子（elongation factor,EF） 原核生物的原核生物的EF有有EF-T和和EF-G两类两类: EF-T：延伸因子：延伸因子
11、“T”，开始误认为这类延伸因子有肽基转，开始误认为这类延伸因子有肽基转 移酶的活性移酶的活性peptidyl transferase，所以取转移酶的第一个字，所以取转移酶的第一个字 母母“T” 。3. 肽链的延长：肽链的延长： EF-G：这类延伸因子与核糖体结合时需要：这类延伸因子与核糖体结合时需要GTP，当，当GTP水水 解时，这类延伸因子就从核糖体上解离下来，总之涉及解时，这类延伸因子就从核糖体上解离下来，总之涉及 GTP，所以用，所以用GTP的第一个字母的第一个字母“G”，EF-G。 EF-T是由是由Tu和和Ts两个亚基组成的二聚体，两个亚基组成的二聚体， EF-Ts：s是是stable
12、的意思，是稳定蛋白质，的意思，是稳定蛋白质， EF-Tu: u是是unstable，不稳定蛋白质。，不稳定蛋白质。 EF-Tu直接参加了氨酰直接参加了氨酰-tRNA与核糖体的结合。与核糖体的结合。 v 氨酰氨酰-tRNA进入核糖体的进入核糖体的A位位 v 肽键的形成肽键的形成 v 移位移位 肽链的延长包括肽链的延长包括3步步: 这是个比较复杂的过程，需这是个比较复杂的过程，需Ts、Tu，还要，还要 消消 耗耗GTP。EF-Tu与与GTP和氨酰和氨酰-tNRA首先形成三元首先形成三元 复合物，才能进入复合物，才能进入A位。位。 （1）氨酰）氨酰-tRNA进入核糖体的进入核糖体的A位位（2）肽键的
13、形成）肽键的形成 通过一个转肽作用（通过一个转肽作用（transpeptidation），由），由肽酰转移酶（肽酰转移酶（peptidyl transferase）催化，使一催化，使一个酯键变成了肽键，肽基转移酶的活性由核糖体个酯键变成了肽键，肽基转移酶的活性由核糖体大亚基的大亚基的23s rRNA承担（肽基转移酶是一种承担（肽基转移酶是一种ribozyme）。嘌呤霉素对蛋白质的抑制作用就发）。嘌呤霉素对蛋白质的抑制作用就发生在肽键形成这一步。生在肽键形成这一步。 （3）移位（）移位（translocation） 移位包括三种运动移位包括三种运动:空载的空载的tRNA离开离开P位。位。二肽基二
14、肽基tRNA由由A位移到位移到P位位核糖体沿核糖体沿mRNA的的53方向方向 移动一个密码子的距离。移动一个密码子的距离。 移位需要移位需要EF-G和和GTP。4肽链的终止与释放：肽链的终止与释放： 释放因子（释放因子（release factor RF）能识别终止密码子与终）能识别终止密码子与终止密码子结合。止密码子结合。UAARF1 or RF2终止密码子终止密码子 RF-1：识别：识别UAA和和UAG RF-2：识别：识别UAA和和UGA RF-3：RF-3和和GTP形成复形成复 合物，是一种合物，是一种GTP结合蛋结合蛋 白，可促进核糖体与白，可促进核糖体与RF-1 和和RF-2的结合
15、。的结合。 5多聚核糖体（多聚核糖体（polyribosome, or polysome） （三）真核细胞蛋白质的生物合成：（三）真核细胞蛋白质的生物合成： 真核细胞蛋白质的生物合成与原核细胞相似，但真核细胞蛋白质的生物合成与原核细胞相似，但过程更复杂，参加的因子更多。过程更复杂，参加的因子更多。 1核糖体：核糖体： 真核细胞核糖体更大，为真核细胞核糖体更大，为80S，可解离成，可解离成60S和和40S两个亚基。两个亚基。 2起始起始tRNA： 真核生物也有二种携带真核生物也有二种携带Met的的tRNA，一种携带，一种携带Met的的tRNA为起始为起始tRNA ，即，即tRNAiMet，起始，
16、起始tRNA携带携带 Met后，并不甲后，并不甲酰化；另一种用于肽链内部的酰化；另一种用于肽链内部的tRNAMet。 3.起始密码子：起始密码子： 真核起始密码子总是真核起始密码子总是AUG，它的上游无，它的上游无SD序列，通常把序列，通常把mRNA上最靠近上最靠近5端的端的AUG定为起始部位定为起始部位, 40S核糖体与核糖体与mRNA 5一端的帽子相结合，向一端的帽子相结合，向3一方向移动，以便寻找一方向移动，以便寻找AUG密码子，这过程要消耗密码子，这过程要消耗ATP。 真核细胞的起始因子很多，到目前为止发现的至少有真核细胞的起始因子很多，到目前为止发现的至少有10种，种，命名为命名为e
17、IF-n，“e”代表真核，有代表真核，有eIF-1，eIF-2，eIF-2A，eIF-3，eIF4A、4B、4C、4D，eIF-5，eIF-6，其中，其中eIF-2是最重要是最重要的一种，它是一种帽结合蛋白质（的一种，它是一种帽结合蛋白质（cap-binding protein）它与）它与GTP与起始与起始tRNA结合形成三元复合物，起始翻译。结合形成三元复合物，起始翻译。 4. 起始因子：起始因子： 真核细胞的延伸因子为真核细胞的延伸因子为EF-1和和EF-1r，相当于原核细，相当于原核细胞中的胞中的EF-Tu和和EF-Ts。真核生物的。真核生物的EF-2相当于原核生物的相当于原核生物的EF
18、-G（EF-2能催化能催化GTP水解，供能，推动位移）。水解，供能，推动位移）。 真核细胞多肽合成的终止只有一种释放因子真核细胞多肽合成的终止只有一种释放因子eRF，可，可识别识别3种终止密码子。种终止密码子。 5延伸因子和终止因子：延伸因子和终止因子：蛋白质合成总结蛋白质合成总结 需很多酶和辅助因子参加 需很多酶和辅助因子参加折叠和加工折叠和加工终止密码终止密码eRFGTP终止密码终止密码RF-1, RF-2, RF-3GTP肽链的终止和释放肽链的终止和释放EF-1，EF-1r，GTP肽酰转移酶肽酰转移酶EF-2，GTPEF-Tu，EF-Ts,GTPK+, 肽酰转移酶肽酰转移酶EF-G，GT
19、P肽链的延长肽链的延长（1）氨酰）氨酰tRNA的结合的结合（2）肽键的形成）肽键的形成（3）位移）位移 起始密码起始密码Met-tRNAiMet eIF-1eIF-6GTP, ATP起始密码，起始密码，SD序列序列fMet-tRNAIF-1,IF-2,IF-3 GTP肽链起始肽链起始氨酰氨酰tRNA合成酶，合成酶，ATP，Mg2+氨酰氨酰tRNA合成酶，合成酶，ATP，Mg2+aa的活化的活化 真核生物所需因子真核生物所需因子原核生物所需因子原核生物所需因子过程过程（四）蛋白质生物合成所需的能量：（四）蛋白质生物合成所需的能量： 若要合成若要合成100个个aa组成的肽链要消耗多少能量？组成的肽
20、链要消耗多少能量？ aa活化活化 1ATP（2个个 键）键）起始起始 1GTP（1个个 键）键）延长延长 2GTP（2个个 键）键）终止终止 1GTP（1个个 键）键）PPPP原核生物原核生物（五）肽链合成后的加工：（五）肽链合成后的加工： 1N端甲酰基或端甲酰基或N端端aa的除去：的除去： 原核生物原核生物 fMet - (aa) n Met(aa)n （aa）n or (aa)n-m 去甲酰基酶去甲酰基酶氨肽酶氨肽酶 多数情况下，在肽链合成中，即当肽链的多数情况下，在肽链合成中，即当肽链的N端游离出核端游离出核糖体后，立即进行去甲酰化。糖体后，立即进行去甲酰化。 真核生物真核生物N端端Me
21、t常常在肽链的其他部分还未完全合成时常常在肽链的其他部分还未完全合成时, 就已经水解下来。就已经水解下来。2信号肽信号肽(signal peptide)的切除的切除 3. 二硫键的形成：二硫键的形成： 4. 氨基酸的修饰：氨基酸的修饰： 乙酰化、甲基化、磷酸化、羟基化、泛酸化、糖基化等乙酰化、甲基化、磷酸化、羟基化、泛酸化、糖基化等 5. 切去新生肽链中非功能所需的肽段：切去新生肽链中非功能所需的肽段： 如胰岛素原如胰岛素原胰岛素，胰蛋白酶原胰岛素，胰蛋白酶原胰蛋白酶，胰凝乳胰蛋白酶，胰凝乳 蛋白酶原蛋白酶原胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 6. 高级结构的形成：高级结构的形成： 蛋白质的一级结构决定
22、高级结构，多肽链的折叠在肽链蛋白质的一级结构决定高级结构，多肽链的折叠在肽链 合成没有结束时就已经开始合成没有结束时就已经开始 （1）不需要分子伴侣（）不需要分子伴侣（molecular chaperone） （2）需要分子伴侣）需要分子伴侣 （六）蛋白质的分拣（六）蛋白质的分拣（sorting）与定向输送）与定向输送 多肽或蛋白质合成后要送往细胞的各个部分，以行使各自多肽或蛋白质合成后要送往细胞的各个部分，以行使各自的生物功能。的生物功能。 真核细胞质真核细胞质核糖体合成的蛋白质核糖体合成的蛋白质 胞浆胞浆内质网内质网线粒体线粒体细胞核细胞核高尔基体高尔基体溶酶体溶酶体细胞膜细胞膜分泌到胞外
23、分泌到胞外 原核生物如原核生物如E.Coli合成的蛋白质合成的蛋白质 胞浆、质膜、外膜、胞浆、质膜、外膜、质膜与外膜之间的空隙。质膜与外膜之间的空隙。 为了能准确地运送蛋白质，在进化过程中每种蛋白为了能准确地运送蛋白质，在进化过程中每种蛋白质形成了一种明确的质形成了一种明确的地址标签（地址标签（address target），细，细胞通过对蛋白质地址标签的识别进行运送，这就是蛋胞通过对蛋白质地址标签的识别进行运送，这就是蛋白质的分拣或称分选（白质的分拣或称分选（sorting）。）。 蛋白质的定向由蛋白质蛋白质的定向由蛋白质N端特殊的端特殊的aa序列序列信号肽信号肽决定的，决定的，1975年年
24、Blobel和和Dobberstein提出了提出了信号肽学说信号肽学说(signal peptide hypothesis)，由于，由于Blobel在阐明蛋白质的分拣与定向中所作出的杰出在阐明蛋白质的分拣与定向中所作出的杰出贡献，因而获得了贡献，因而获得了1999年诺贝尔医学生理学奖。年诺贝尔医学生理学奖。 信号肽（信号肽（signal or leader sequence）：位于多肽链的）：位于多肽链的N端，长约端，长约1530个个 氨基酸序列，大部分为疏水性氨基酸，接近氨基酸序列，大部分为疏水性氨基酸，接近N端有几个正电荷的端有几个正电荷的Arg和和Lys。 信号肽识别颗粒（信号肽识别颗粒
25、（signal recognition particle, SRP） SRP是一个是一个RNA和蛋白质组成的复合物，由和蛋白质组成的复合物，由7SLRNA和和6种蛋白质组成。种蛋白质组成。 SRP受体（受体（SRP receptor）：是一个二聚体蛋白质，由）：是一个二聚体蛋白质，由亚基和亚基和-亚基亚基 组成。组成。 （七）蛋白质生物合成的抑制剂：（七）蛋白质生物合成的抑制剂： 许多抗菌素能抑制蛋白质的生物合成，如常用许多抗菌素能抑制蛋白质的生物合成，如常用的氯霉素、链霉素、四环素等，它们能抑制原核细的氯霉素、链霉素、四环素等，它们能抑制原核细胞如细菌的蛋白质的生物合成，可抑制细菌的生长，胞如细菌的蛋白质的生物合成，可抑制细菌的生长，但不抑制真核细胞蛋白质的生物合成，所以医学上但不抑制真核细胞蛋白质的生物合成，所以医学上可用作药物。可用作药物。 氯霉素（氯霉素（chlorampenicol） 链霉素（链霉素（streptomycin） 四环素（四环素（Tetracycline） 新霉素（新霉素（neomycin） 嘌呤霉素（嘌呤霉素（puromycin）
