2012年秋季期 生化理论授课课件-14 蛋白质的生物合成.ppt

1、1 1掌握原核生物蛋白质合成体系的组分、作用原理；掌握原核生物蛋白质合成体系的组分、作用原理；2 2熟悉熟悉“中心法则中心法则”基本内容和蛋白质生物合成的基本内容和蛋白质生物合成的具体具体 过程；过程；3 3了解真、原核生物蛋白质合成的差异。了解真、原核生物蛋白质合成的差异。教学目标教学目标教学重点：教学重点：中心法则的概念、遗传密码的重要性质中心法则的概念、遗传密码的重要性质及蛋白质合成体系的组分、作用原理和蛋白质生物合及蛋白质合成体系的组分、作用原理和蛋白质生物合成的具体过程。成的具体过程。教学难点教学难点：蛋白质生物合成的具体过程。蛋白质生物合成的具体过程。概述概述 14. 1 14.

2、1 遗传密码遗传密码 14. 2 14. 2 核糖体核糖体 14. 3 14. 3 转移转移RNARNA 14.4 14.4 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 思考与练习教学纲要教学纲要 生物的遗传信息从生物的遗传信息从 DNADNA传递给传递给DNADNA的过程称为的过程称为复制复制 mRNAmRNA链上的遗传信息合成链上的遗传信息合成蛋白质的过程，被称为蛋白质的过程，被称为翻译翻译u 遗传信息从遗传信息从 DNADNA到到RNARNA再再到到蛋白质的过程蛋白质的过程称为称为基因表达基因表达 19581958年年CrickCrick将生物将生物遗遗传信息的这种传递方式传信息的这种传递方式

3、称称为中心法则。为中心法则。 19721972年年CrickCrick将中心法将中心法则作进一步修改则作进一步修改，补充了，补充了逆转录。逆转录。Reverse transcriptionD NAR NA蛋白质转录反转录翻译复制复制概述 生物的遗传信息从生物的遗传信息从 DNADNA传递给传递给mRNAmRNA的过程称为的过程称为转录转录复制、转录、翻译概况图复制、转录、翻译概况图概述1. 1. mRNAmRNA模板上的碱基顺序是如何决定多肽链模板上的碱基顺序是如何决定多肽链 上上AAAA的排列顺序的呢？的排列顺序的呢？翻译中的提出的问题翻译中的提出的问题2. 2. 核糖体为什么能作为蛋白质合

4、成的场所？核糖体为什么能作为蛋白质合成的场所？3. 3. tRNAtRNA又是怎样识别和运输它的又是怎样识别和运输它的AAAA的呢？的呢？概述密码子的概念：密码子的概念：mRNA分子中为一个氨基酸编码进入蛋白质分子中为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子.（Coden）或）或或或。密码子的确立：密码子的确立：数学推算方法数学推算方法密码子的证明密码子的证明：移码突变移码突变遗传学上把由于遗传学上把由于mRNA上的硷基增加或减少而上的硷基增加或减少而 使密码改变，从而造成生物性状突变的现象。使密码改变，从而造成生物性状突

5、变的现象。mRNA：AUG GUA GAA CGA 若增加一个、两个或丢失一个、两个硷基，都会成其后面全部的密码改若增加一个、两个或丢失一个、两个硷基，都会成其后面全部的密码改变，变，AA误译，从而导致突变。误译，从而导致突变。 若同时增加三个或丢失三个或三倍的硷基，只是局若同时增加三个或丢失三个或三倍的硷基，只是局 部发生差错，后面的部发生差错，后面的不改变。不改变。AAAA密码子的证明密码子的证明 生物化学方法生物化学方法 首先人工合成简单的多聚核苷酸来代替天然的首先人工合成简单的多聚核苷酸来代替天然的mRNA，然后观察这样的，然后观察这样的mRNA可指导合成怎样的多可指导合成怎样的多肽，

6、从而做出推断（自肽，从而做出推断（自1961年开始）。年开始）。 例例1：人工合成：人工合成：UUUUUUUUUUUU 多聚尿苷酸多聚尿苷酸 结结 果：苯丙果：苯丙-苯丙苯丙-苯丙苯丙-苯丙苯丙 多聚苯丙氨酸多聚苯丙氨酸 结结 论：论：苯丙氨酸的密码子苯丙氨酸的密码子UUU 例例2：人工合成：人工合成： AAAAAAAAAAAA 多聚腺苷酸多聚腺苷酸 结结 果：果： Lys- Lys-Lys- Lys 多聚赖氨酸多聚赖氨酸 结结 论：论： Lys的密码的密码AAA例例3：人工合成：人工合成：CUCUCUCUCUCU 多胞尿苷酸多胞尿苷酸 结结 果：果： Leu- Ser- Leu- Ser 多

7、亮丝氨酸多亮丝氨酸 结结 论：论： 1. Leu的密码的密码CUC 2. Ser的密码的密码UCU用其他类似的方法进行多次反复的实验，化了用其他类似的方法进行多次反复的实验，化了4年时间于年时间于1965年弄清了年弄清了20种种AA中的中的64组密码子，从而排列成了一个表。组密码子，从而排列成了一个表。遗传密码表遗传密码的性质遗传密码的性质1. 1.通用性。通用性。指在生物界是公用的，大家都同用一套密码。但质体（线粒指在生物界是公用的，大家都同用一套密码。但质体（线粒 体、叶绿体）中的有所不同。体、叶绿体）中的有所不同。2.2.方向性。方向性。从从5 5端到端到3 3端阅读。端阅读。3.3.不

8、重迭性。不重迭性。每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸。每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸。4.4.连续性。连续性。密码子之间无标点符号，不能停顿，不能加入一个或两个。密码子之间无标点符号，不能停顿，不能加入一个或两个。5.5.间并性。间并性。几种密码子对应于相同一种氨基酸。这些密码子为同义密码几种密码子对应于相同一种氨基酸。这些密码子为同义密码子子6. 6. 始起密码和终止密码。始起密码和终止密码。（1 1）始起密码）始起密码 AUGAUG： 代表合成蛋白质时的第一个密码，存在于代表合成蛋白质时的第一个密码，存在于mRNAmRNA的的5 5端。在真核生物中只有一个始起密码，而且也是

9、端。在真核生物中只有一个始起密码，而且也是MetMet的密码（即在合成多肽中有的密码（即在合成多肽中有AUGAUG出现时指导合成蛋氨酸，把出现时指导合成蛋氨酸，把AUGAUG叫叫MetMet的实义密码。而在原核生物在中，有的实义密码。而在原核生物在中，有两个始起密码两个始起密码AUGAUG和和GUGGUG，它们在始起时，是，它们在始起时，是fMetfMet的密码，但在合成多肽的密码，但在合成多肽时，时，GUGGUG不是不是fMetfMet的实义密码，而是的实义密码，而是ValVal的实义密码。的实义密码。（2 2）终止密码）终止密码UAAUAA、UAGUAG、UGAUGA核糖体是蛋白质合成的部

10、位：核糖体是蛋白质合成的部位：1950年用放射性同位素标记年用放射性同位素标记AA法证明法证明基本功能基本功能: :l 结合结合mRNAmRNA，在，在mRNAmRNA上选择适当的区域开始翻译上选择适当的区域开始翻译l 密码子（密码子（mRNAmRNA）和反密码子（和反密码子（tRNAtRNA）的正确配对的正确配对l 肽键的形成肽键的形成存在形式存在形式: : 核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成 粗糙的内质网。原核中，与粗糙的内质网。原核中，与mRNAmRNA形成串状形成串状多核糖体多核糖体核糖体的组成与结构核糖体的组成与结构原核原

11、核真核真核核糖体的功能部位核糖体的功能部位肽酰结合位点肽酰结合位点或或P P位或给位位或给位氨酰结合位点氨酰结合位点或或A A位或受位位或受位mRNA肽酰结合位点肽酰结合位点或或P P位或给位位或给位氨酰结合位点氨酰结合位点或或A A位或受位位或受位mRNAtRNAtRNA在蛋白质合成中忙前忙后，非常辛苦，在蛋白质合成中忙前忙后，非常辛苦， 将氨基酸运到核糖体与密码子将氨基酸运到核糖体与密码子“对号入座对号入座”。四个非常重要的四个非常重要的功能部位：功能部位：lAA臂臂l反密码子区反密码子区l氨酰氨酰tRNA 合成酶位点合成酶位点l核糖体结合位点核糖体结合位点氨基酸臂氨基酸臂反密码环反密码环

12、tRNAtRNA的三级结构示意图的三级结构示意图摆动学说摆动学说19661966年年CrickCrick提出的：一个反密码子可以识提出的：一个反密码子可以识别几个密码子，这种碱基配对的不严格性叫之。表现出别几个密码子，这种碱基配对的不严格性叫之。表现出一定的灵活性和摆动性。一定的灵活性和摆动性。 反密码子反密码子第一位碱基第一位碱基 密码子密码子第三位碱基第三位碱基A，C，U A，G C，G，U I U C 反密码反密码 密码子密码子第三位碱基第三位碱基 I U C密码子、反密码子配对的摆动现象 I U C I U CA，C，U A，G C，G，U以以mRNAmRNA为模板，为模板，2020种

13、氨基酸经活化获得的氨酰种氨基酸经活化获得的氨酰tRNAtRNA为原料，酶和因子为原料，酶和因子, ,以及无机离子，以及无机离子，ATP ATP 、GTPGTP供能等作用下在核糖体中完成蛋白质的合成供能等作用下在核糖体中完成蛋白质的合成。包括包括三方面三方面的内容的内容1.氨基酸的激活：在可溶性细胞质中进行氨基酸的激活：在可溶性细胞质中进行2.多肽链的合成多肽链的合成 3.新生肽链的加工处理：在可溶性细胞质中进行新生肽链的加工处理：在可溶性细胞质中进行 肽链合成的起始肽链合成的起始肽链合成的延伸肽链合成的延伸肽链合成的终止肽链合成的终止（在核糖体中进行）（在核糖体中进行）以以mRNAmRNA为模

14、板，为模板，2020种氨基酸经活化获得的氨酰种氨基酸经活化获得的氨酰tRNAtRNA为原料，酶和因子为原料，酶和因子, ,以及无机离子，以及无机离子，ATP ATP 、GTPGTP供能等作用下在核糖体中完成蛋白质的合成供能等作用下在核糖体中完成蛋白质的合成。14.4.1 14.4.1 氨基酸氨基酸的激活的激活 tRNA在氨基酰在氨基酰-tRNA 合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的氨基酸臂的 3-OH 与氨基酸的羧基形成活化与氨基酸的羧基形成活化(酯酯)氨基酰氨基酰-tRNA。 氨基酰氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程

15、：的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与第一步是氨基酸与 ATP 作用作用, 形成氨基酰腺嘌呤核苷酸（氨酰形成氨基酰腺嘌呤核苷酸（氨酰AMP）第二步是氨基酰基转移到第二步是氨基酰基转移到tRNA的的3-OH端上端上,形成氨酰形成氨酰-tRNA（氨酰（氨酰tRNA）是核糖体的大小亚基，是核糖体的大小亚基，mRNA以及一种具有起译作用的以及一种具有起译作用的fMettRNA共同结合成起始复合体的过程，需起动因子共同结合成起始复合体的过程，需起动因子（IF）、）、GTP和和Mg2+的参与，分三小步进行：的参与，分三小步进行：30S30S亚基在亚基在IF3IF3的作用下，识别的作用下，识别mRNA

16、mRNA上的起始密码上的起始密码AUG,AUG,与与mRNAmRNA结合产生结合产生30S30SmRNAmRNAIF3IF3复合物复合物fMettRNA此时此时fMetfMettRNAtRNA占据了占据了P P位，位，A A位空出位空出14.4.2 14.4.2 原核生物多肽链的合成原核生物多肽链的合成是新的氨酰是新的氨酰tRNA进进入核糖体与入核糖体与mRNA上的密码子上的密码子“对号入对号入座座”，即占据，即占据A位，然后位，然后P位上的氨酰位上的氨酰（或肽酰）脱落与（或肽酰）脱落与A位上的氨酰形成肽键，位上的氨酰形成肽键，核糖体不断沿着核糖体不断沿着mRNA从从5/ 3/滑动，滑动，从而

17、推动肽链不断延伸的过程。需要延长从而推动肽链不断延伸的过程。需要延长因子（因子（EF）、）、GTP、转肽酶、移位酶参、转肽酶、移位酶参与，分四小步进行：与，分四小步进行：14.4.2 14.4.2 原核生物多肽链的合成原核生物多肽链的合成进位进位肽链的形成肽链的形成P位点A位点 核糖体移动方向核糖体移动方向是是A位上出现位上出现了终止密码，肽链延长停止，新合成了终止密码，肽链延长停止，新合成的肽链被水解释放，核糖体与的肽链被水解释放，核糖体与mRNA，大小亚基分离的过程，需终止因子大小亚基分离的过程，需终止因子（RF）参与，分三小步完成）参与，分三小步完成14.4.2 14.4.2 原核生物多

18、肽链的合成原核生物多肽链的合成A A位上出现终止密码（位上出现终止密码（UAAUAA或或UAGUAG或或UGAUGA），），RFRF与终止密码结与终止密码结合，肽链延长即自行终止。合，肽链延长即自行终止。 P P位上的肽链被水解释放形成新位上的肽链被水解释放形成新生肽链。生肽链。 最后一个最后一个tRNAtRNA脱落，脱落，mRNAmRNA离离开核糖体，大小亚基分开。投入开核糖体，大小亚基分开。投入下一个核糖体循环。下一个核糖体循环。多聚核糖体多聚核糖体高速、高效高速、高效新生肽链新生肽链蛋白质蛋白质加工处理加工处理14.4.5 14.4.5 肽链合成后的肽链合成后的“加工处理加工处理”蛋白质

19、的生物合成包括蛋白质的生物合成包括氨基酸的激活：在可溶性细胞质中进行氨基酸的激活：在可溶性细胞质中进行多肽的合成多肽的合成 新生肽链的加工处理：在可溶性细胞质中进行新生肽链的加工处理：在可溶性细胞质中进行肽链合成的起始肽链合成的起始肽链合成的延伸：进位、转肽、肽链合成的延伸：进位、转肽、 脱落、移位脱落、移位肽链合成的终止肽链合成的终止真核和原核的区别：核糖体的大小不同；起译氨酰真核和原核的区别：核糖体的大小不同；起译氨酰- -tRNAtRNA不同不同（在核糖体中进行）（在核糖体中进行）蛋白质的生物合成小结蛋白质的生物合成小结14.5 14.5 蛋白质合成中能量问题蛋白质合成中能量问题按ATP

20、的摩尔数计算呢？活化每个氨基酸需活化每个氨基酸需1ATP，肽链的，肽链的起始要起始要1ATP（相当于第一个（相当于第一个AA进位用去），延长时（进位和移位）需进位用去），延长时（进位和移位）需2ATP。合成一个合成一个n肽所需能量肽所需能量3n1 ATP（ ?不用移位）。不用移位）。翻译中的几个重点问题翻译中的几个重点问题 1. 核糖体沿着核糖体沿着mRNA阅读的方向阅读的方向是从哪端到是从哪端到 哪端？哪端？多肽链合成的方向多肽链合成的方向又是从哪端到哪又是从哪端到哪端？端？2. 蛋白质合成过程中蛋白质合成过程中mRNA慢慢移动，每次慢慢移动，每次移动的距离移动的距离是多少？移动后，是多少？

21、移动后，5端露出的又端露出的又可结合核糖体，所形成的结构是什么？它可结合核糖体，所形成的结构是什么？它有什么作用？有什么作用？3. 合成一个二肽至少合成一个二肽至少用去几摩尔用去几摩尔ATP？ 合成合成100肽又用去几摩尔肽又用去几摩尔ATP？ 利用蛋白质供能是否划算？利用蛋白质供能是否划算？1试述遗传中心法则的主要内容，该法则的揭示在试述遗传中心法则的主要内容，该法则的揭示在 生命科学的发展中有何意义？生命科学的发展中有何意义？2什么是遗传密码？简述其基本特点。什么是遗传密码？简述其基本特点。3mRNA、tRNA、rRNA在蛋白质生物合成中各具在蛋白质生物合成中各具 什么作用？什么作用？4蛋白质的生物合成包括哪几方面的内容？多肽的蛋白质的生物合成包括哪几方面的内容？多肽的 合成又包括哪些步骤？其中每增加一个氨基酸残合成又包括哪些步骤？其中每增加一个氨基酸残 基的过程是如何进行的？基的过程是如何进行的？5合成二肽至少需要多少摩尔合成二肽至少需要多少摩尔ATP？合成？合成200肽有肽有 需要用去多少摩尔需要用去多少摩尔ATP？思考与练习思考与练习