蛋白质的生物合成过程课件.ppt

1、蛋白质的生物合成过程，就是将蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递传递给给mRNA的遗传信息，再具体的解译为蛋的遗传信息，再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为被称为翻译翻译(translation)。 生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约20种氨种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括： mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链

2、中氨基酸的排列顺序；链中氨基酸的排列顺序； tRNA：搬运氨基酸的工具；：搬运氨基酸的工具； 核核糖糖体：蛋白体生物合成的场所；体：蛋白体生物合成的场所； 酶及其他蛋白质因子；酶及其他蛋白质因子； 供能物质及无机离子。供能物质及无机离子。 一、一、mRNA 作为指导蛋白质生物合成的模板。作为指导蛋白质生物合成的模板。mRNA中每中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为酸的信息，此三联体就称为密码密码(coden)。共有。共有64种不同的密码。种不同的密码。 原核生物的转录与翻译同步进行原核生物的转录与翻译同步进行无义突变无义突

3、变蛋白质的合成是蛋白质的合成是N端端C端端遗传密码的连续性遗传密码的连续性二、二、tRNA 在氨基酸在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的可与相应的 氨基酸结合，生成氨基酸氨基酸结合，生成氨基酸tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。 tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联上相应的密码，此三联体就称为体就称为反密码反密码(anticoden(anticoden) )。 反向互补反向互补tRNA的功能的功能tRNA分子上与蛋白质合成有

4、关的位点：1. 3端-CCA上的氨基酸接受位点。2. 识别氨酰-tRNA合成酶的位点。3. 核糖体识别位点，使延长中的肽链附着于核糖体上。4. 反密码子位点。第一套密码系统、第二套密码系统第二套密码系统校正校正tRNA：mRNA发生突变后，发生突变后，tRNA的反密码子也突变搬的反密码子也突变搬来相近的氨基酸来相近的氨基酸l反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即则，即AU，GC配对。但反密码的第一个核苷配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸

5、为补原则。如反密码第一个核苷酸为，则可与，则可与A、U或或C配对，如为配对，如为U，则可与，则可与A或或G配对，这种配对称配对，这种配对称为不稳定配对。为不稳定配对。l能够识别能够识别mRNA中中5端起动密码端起动密码AUG的的tRNA是一种特殊的是一种特殊的tRNA，称为起动，称为起动tRNA。在原核生物中，起动在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰是一种携带甲酰蛋氨酸的蛋氨酸的tRNA，即，即tRNAifmet；而在真核生；而在真核生物中，起动物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的是一种携带蛋氨酸的tRNA，即即tRNAimet。l在原核生物和真核生物中，均存在另一在原核生物和真核生物中，

6、均存在另一种携带蛋氨酸的种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位，识别非起动部位的蛋氨酸密码，的蛋氨酸密码，AUG。 l均被同一种甲硫氨酰均被同一种甲硫氨酰tRNA合成酶合成合成酶合成三、三、rRNA和核蛋白体和核蛋白体 原核生物中的核蛋白体大小为原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为，可分为30S小亚基和小亚基和50S大亚基。小亚基由大亚基。小亚基由16SrRNA和和21种蛋白质构成，大亚基由种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和和35种蛋白质构成。种蛋白质构成。真核生物中的核蛋白体大小为真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为，也分为40S小小亚基和亚基和60S大亚基。小亚基由

7、大亚基。小亚基由18SrRNA和和30多种多种蛋白质构成，大亚基则由蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8 S rRNA。 核蛋白体的组装核蛋白体的组装大肠杆菌核蛋白体的大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球空间结构为一椭圆球体，其体，其30S亚基呈哑亚基呈哑铃状，铃状，50S亚基带有亚基带有三角，中间凹陷形成三角，中间凹陷形成空穴，将空穴，将30S小亚基小亚基抱住，两亚基的结合抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成面为蛋白质生物合成的场所。的场所。 l核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：核蛋白体的

8、大、小亚基分别有不同的功能： 1小亚基：可与小亚基：可与mRNA、GTP和起动和起动tRNA结合。结合。 2大亚基：大亚基： （1）具有两个不同的具有两个不同的tRNA结合点结合点。A位位（右）（右） 受位或氨酰基位，可与新进入的氨受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰基酰tRNA结合；结合；P位（左）位（左）给位或肽酰基给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。结合。 （2）具有转肽酶活性具有转肽酶活性：将：将P位上的肽酰基转位上的肽酰基转移给移给A位上的氨基酰位上的氨基酰tRNA，形成肽键。，形成肽键。 （3）具有）具有GTPase活性，水解活性，水解GTP，获得能

9、量。，获得能量。 （4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。合部位。 在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。 由若干核蛋白体结合在一条由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体多核蛋白体。 四、起动因子（四、起动因子（IF） 这是一些与多肽

10、链合成起动有关的蛋白因这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。子。原核生物中存在原核生物中存在3种起动因子，分别种起动因子，分别称为称为IF1-3。在真核生物中存在。在真核生物中存在9种起动因种起动因子（子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动小亚基与起动tRNA及模板及模板mRNA结合。结合。 EFTU（GTPase） （GTPase） EFT EF1 原原核核 EFTS 真真核核 EFG（转转位位酶酶） EF2（转转位位酶酶） 五、延长因子（五、延长因子（EF） 原核生物中存在原核生物中存在3种延长因子（种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生

11、物中存在），真核生物中存在2种（种（EF1，EF2）。其）。其作用主要促使氨基酰作用主要促使氨基酰tRNA进入核进入核 蛋白的受体，蛋白的受体，并可促进移位过程。并可促进移位过程。 六、释放因子（六、释放因子（RF） 原核生物中有原核生物中有4种，在真核生物中只有种，在真核生物中只有1种。种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。的释放。 七、氨基酰七、氨基酰tRNA合成酶合成酶 该酶存在于该酶存在于胞液胞液中，与特异氨基酸的活化以及中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰氨基酰tRNA的合成有关。的合成有关。每种氨基酰每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及

12、携带氨基合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种酸的数种tRNA具有高度特异性，具有高度特异性，这是保证这是保证tRNA能能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。 目前认为，该酶对目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在的识别，是因为在tRNA的的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。码。 八、供能物质和无机离子八、供能物质和无机离子多肽链合成时，需多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物作为供能物质，并需质，并需Mg2+、K+参与。参与。 氨基酸活化时需消耗氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，分子高能磷

13、酸键，肽键形成时又消耗肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能分子高能磷酸键。磷酸键。 蛋白质生物合成过程包括三大步骤：蛋白质生物合成过程包括三大步骤：氨基酸的活化与搬运；氨基酸的活化与搬运；活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；多肽链合成后的加工修饰。多肽链合成后的加工修饰。 一、氨基酸的活化与搬运一、氨基酸的活化与搬运 氨基酸的活化以及活化氨基酸与氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，的结合，均由氨基酰均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。其反应过合成酶催化完成。其反应过程为：程为： 可纠正

14、可纠正错误的错误的酰化酰化氨基酸的活化氨基酸的活化 氨基酰氨基酰-tRNA 合成酶合成酶氨基酸氨基酸 + ATP + tRNA + H2O 氨基酰氨基酰-tRNA + AMP + PPil在此反应中，特异的在此反应中，特异的tRNA3端端CCA上上的的2或或3位自由羟基与相应的活化氨基酸位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酸以酯键相连接，形成氨基酸tRNA，从而，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。与多肽链的合成。 l氨基酸氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸的合成，可使氨基酸 活活化；化；搬运；搬运；定位。定位。 ATP +

15、HOOCCH(NH2)R APOCCH(NH2)R + PPiPAPOCCH(NH2)R + tRNA RCH(NH2)CO-tRNA + AMPP氨基酸活化的总反应式是：氨基酸活化的总反应式是： 氨基酰氨基酰-tRNA 合成酶合成酶氨基酸氨基酸 + ATP + tRNA + H2O 氨基酰氨基酰-tRNA + AMP + PPi 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA 合成酶。合成酶。它既催化氨基酸与它既催化氨基酸与 ATP 的作用的作用, 也催化氨基酰基转移也催化氨基酰基转移到到 tRNA。 氨基酰氨基酰-tRNA 合成酶具有高度的专一性。合成酶具有

16、高度的专一性。 每一种氨基每一种氨基酰酰-tRNA 合成酶只能识别一种相应的合成酶只能识别一种相应的 tRNA。 tRNA 分子能接受相应的氨基酸分子能接受相应的氨基酸, 决定于它特有的碱基决定于它特有的碱基顺序顺序, 而这种碱基顺序能够被氨基酰而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA 合成酶所识合成酶所识别。别。l活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核核蛋白体循环。蛋白体循环。 l核

17、蛋白体循环过程可分为核蛋白体循环过程可分为起动、延长和终止起动、延长和终止三个三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。以原核生物中的过程加以介绍。 现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子有两个，即甲硫氨酸的密码子有两个，即甲硫氨酸的密码子(AUG)(AUG)和缬氨酸和缬氨酸的密码子的密码子(GUG)(GUG)(极少出现极少出现) )。在大肠杆菌中。在大肠杆菌中, , 起始密码子起始密码子AUG AUG 所编码的氨基酸并不是甲硫氨所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身酸本身, ,

18、而是甲酰甲硫氨酸。而是甲酰甲硫氨酸。 （一）起动阶段：（一）起动阶段： 130S起动复合物的形成：在起动因子的促起动复合物的形成：在起动因子的促进下，进下，30S小亚基与小亚基与mRNA的起动部位，起动的起动部位，起动tRNA（fmet-fmet-tRNAfmet），和），和GTP结合，形成结合，形成复合体。复合体。 蛋白质合成起始复合物的形成蛋白质合成起始复合物的形成核糖体大小亚基，起始核糖体大小亚基，起始tRNAtRNA，蛋白合成因子，蛋白合成因子原核生物中的起始原核生物中的起始tRNAtRNA是是fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet真核生物中的起始真核生物中的起始tRNA

19、tRNA是是Met-tRNAMet-tRNAMetMet形成过程：形成过程：mRNAmRNA先与核糖体的小亚基结合，起先与核糖体的小亚基结合，起始始tRNAtRNA再结合上来，再与核糖体的大亚基结合再结合上来，再与核糖体的大亚基结合最后形成最后形成 8080S rRNA-mRNA- Met-tRNAS rRNA-mRNA- Met-tRNAMetMetl原核原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为殊核苷酸顺序组成，称为SD序列序列（核蛋白体（核蛋白体结合位点，结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基），可被核蛋白体小亚基1616S S的的3 3，

20、端端辨认结合。辨认结合。 l真核生物中的真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需具有帽子结构，已知需一种特殊的一种特殊的帽子结合蛋白（帽子结合蛋白（CBP）以识别此以识别此结构。结构。 270S起动前复合体的形成：起动前复合体的形成：IF3从从30S起动复起动复合体上脱落，合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。起动前复合体。 370S起动复合体的形成：起动复合体的形成：GTP被水解，被水解，IF1和和IF2从复合物上脱落。此时，从复合物上脱落。此时，tRNAtRNAfmetfmet的反密码的反密码UACUAC与与mRNAmRNA上的起动密码上的起

21、动密码AUGAUG互补结合，互补结合，tRNAtRNAfmetfmet结合在核蛋白的给位（结合在核蛋白的给位（P P位）。位）。 延伸：大亚基上的延伸：大亚基上的A A位与位与P P位，位，A A位对应密码子位对应密码子 第一个氨基酸结合到第一个氨基酸结合到P P位，第二个位，第二个A A位位 氨基酸之间形成肽键，肽转移酶氨基酸之间形成肽键，肽转移酶A A位空缺位空缺 第三个氨基酸再结合到第三个氨基酸再结合到A A位，循环延伸位，循环延伸终止：终止：终止密码子出现在终止密码子出现在A A位时位时, ,无配对的无配对的AA-tRNA AA-tRNA ，P P位的位的AAAA与与tRNAtRNA的

22、连接水解，的连接水解，tRNAtRNA与完整的多肽链与完整的多肽链释放释放肽键的形成不需要任何蛋白因子，是肽键的形成不需要任何蛋白因子，是核糖体自身催化完成的核糖体自身催化完成的 （二）肽链延长阶段：（二）肽链延长阶段： 1进位：进位：与与mRNA下一个密下一个密码相对应的氨基码相对应的氨基酰酰tRNA进入核蛋进入核蛋白体的白体的A A位。此步位。此步骤需骤需GTP，Mg2+，和和EF参与。参与。 2成肽：在转肽酶的催化下，将成肽：在转肽酶的催化下，将P位上的位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其上，与其-

23、氨基缩合形成肽键。氨基缩合形成肽键。此步骤需此步骤需Mg2+，K+。P位上已失去蛋位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上从核蛋白上脱落。脱落。 3移位：核蛋白体向移位：核蛋白体向mRNA的的3- 端滑动相当于一个密码的距离，同时端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基使肽酰基tRNA从受体移到给位。此从受体移到给位。此步骤需步骤需EF（EFG）、）、GTP和和Mg2+参参与。与。此时，核蛋白体的此时，核蛋白体的A A位留空，与位留空，与下一个密码相对应的氨基酰下一个密码相对应的氨基酰tRNA即即可再进入，重复以上循环过程，使多可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长

24、。肽链不断延长。 （三）肽链终止阶段：（三）肽链终止阶段： 核蛋白体沿核蛋白体沿mRNA链滑动，不断链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进使多肽链延长，直到终止信号进入受位。入受位。 1识别：识别：RF识别终止密码，识别终止密码，进入核蛋白体的受位。进入核蛋白体的受位。 2水解：水解：RF使转肽酶变为水使转肽酶变为水解酶，多肽链与解酶，多肽链与tRNA之间的酯之间的酯键被水解，多肽链释放。键被水解，多肽链释放。 3解离：通过水解解离：通过水解GTP，使，使核蛋白体与核蛋白体与mRNA分离，分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。小亚基。 第一个 tRNA

25、把一个氨基酸放在肽链起始位置上；另一个 tRNA带来第二个氨基酸。 第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上，形成肽键。 核糖体向右移三个核苷酸位置，第一个 tRNA脱落,准 备好位置迎接第三个 tRNA及其所带的氨基酸。 合成过程连续进行 直到在 mRNA上出现休止符号的密码子。 于是，不再有新的 tRNA上来，肽链合成结束。核糖体与 mRNA脱开。三、多肽链合成后的加工修饰三、多肽链合成后的加工修饰 （一）一级结构的加工修饰：一）一级结构的加工修饰： 1N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除： N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空

26、间结构之前被切除。间结构之前被切除。 去甲酰化：去甲酰化： 甲酰化酶甲酰化酶 甲酰蛋氨酸甲酰蛋氨酸-肽肽 甲酸甲酸 + 蛋氨酸蛋氨酸-肽肽 去蛋氨酰基：去蛋氨酰基： 蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酸氨基肽酶 蛋氨酰蛋氨酰-肽肽 蛋氨酸蛋氨酸 + 肽肽 2氨基酸的修饰：氨基酸的修饰： 由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。基化、磷酸化、甲酰化等。 3二硫键的形成：二硫键的形成： 由专一性的氧化酶催化，将由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为氧化为-S-S-。 4肽段的切除：肽段的切除： 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。由专一性的蛋白酶催化

27、，将部分肽段切除。 切去切去N N端的端的MetMet或或fMet fMet S-SS-S的形成的形成 蛋白质大分子蛋白质大分子折叠；折叠； 糖基和其他基团的糖基和其他基团的修饰修饰； 向细胞各部位的向细胞各部位的运送运送等等等等（二）高级结构的形成：（二）高级结构的形成：1构象的形成：构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。下，形成特定的空间构象。 2亚基的聚合。亚基的聚合。3辅基的连接。辅基的连接。 （三）靶向输送：三）靶向输送：l蛋白质合成后，定向地被输送到其执行蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。

28、大多数情况下，功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为段，称为信号肽信号肽。 l常见的信号肽由常见的信号肽由1040个氨基酸残基组成，个氨基酸残基组成，N端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水的核心区，而的核心区，而C端由小分子氨基酸残基组成，端由小分子氨基酸残基组成，可被信号肽酶识别并裂解。可被信号肽酶识别并裂解。 l分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的肽与胞浆中的信号肽识别粒子（信号肽识别粒子（SRP）识识别并特异结合，然后再通过别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的与膜上的对接蛋白（对接蛋白（DP）识别并结合后，将所携识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。带的蛋白质送出细胞。 分泌型蛋白质的靶向输送分泌型蛋白质的靶向输送