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蛋白质 的生物合成 Protein Biosynthesis

第 十一 章. 蛋白质 的生物合成 Protein Biosynthesis. 本章内容. 第一节 蛋白质生物合成体系 第二节 蛋白质生物合成过程 第三节 蛋白质合成后加工和输送 第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制（主要自学）. 本章重点与难点 重点： 了解密码子的概念与特点； RNA 在蛋白质生物合成中的作用；蛋白质合成过程及合成后加工与运输。 难点： 核糖体的结构；蛋白质合成过程；肽链合成后的加工与定向运输；蛋白质生物合成的干扰和抑制。.

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蛋白质 的生物合成 Protein Biosynthesis

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  1. 第 十一 章 蛋白质的生物合成 Protein Biosynthesis

  2. 本章内容 第一节 蛋白质生物合成体系 第二节 蛋白质生物合成过程 第三节 蛋白质合成后加工和输送 第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制（主要自学）

  3. 本章重点与难点 重点：了解密码子的概念与特点；RNA在蛋白质生物合成中的作用；蛋白质合成过程及合成后加工与运输。 难点：核糖体的结构；蛋白质合成过程；肽链合成后的加工与定向运输；蛋白质生物合成的干扰和抑制。

  4. 蛋白质的生物合成，即翻译，以mRNA为模板形成蛋白质的过程，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。

  5. 20世纪生物化学史上的三大进步 • Zamecnik证明了蛋白质合成的场所是核糖体 • 发现氨基酸被激活后,与tRNA结合 • Crick推测tRNA的功能是适配器,导致遗传密码的阐明

  6. 第一节 蛋白质合成体系

  7. 参与蛋白质生物合成的物质包括 • 三种RNA • mRNA（messenger RNA, 信使RNA） • rRNA（ribosomal RNA, 核糖体RNA） • tRNA（transfer RNA, 转移RNA） • 20种氨基酸(AA)作为原料 • 酶及众多蛋白因子，如IF、eIF • ATP、GTP、无机离子

  8. 蛋白质合成的场所（工厂）是核糖体； • 运输氨基酸到模板上的是tＲＮＡ—适配器； • 模板是mＲＮＡ； • 氨基酸变为活化态与tＲＮＡ共价结合形成氨酰tＲＮＡ，催化这个过程的酶叫氨酰tＲＮＡ合成酶。

  9. 一、mRNA ---模板 m RNA是蛋白质生物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。

  10. 原核生物和真核生物mRNA的比较

  11. 顺反子 顺反子 顺反子 插入顺序 插入顺序 末端顺序 原核细胞mRNA的结构特点 SD区 5´ 3´ AGGAGGU 先导区 • 半衰期短 • 许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在 • AUG作为起始密码；AUG上游7～12个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区， 16S rRNA3’- 端反向互补而使mRNA与核糖体结合。

  12. 顺反子 5´“帽子” PolyA3´ 真核细胞mRNA的结构特点 Poly(A)尾巴的功能 • 是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式 • 它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性 m7G-5´ppp-N-3 ´ p 帽子结构功能 • 使mRNA免遭核酸酶的破坏 • 使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质 • 被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。 AAAAAAA-OH

  13. 二、氨基酸转运工具－－tRNA 氨基酸臂 反密码子环

  14. *tRNA的一级结构特点 • 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU • 3´末端为 — CCA-OH • 5´末端大多数为G • 具有 TC

  15. tRNA的二级结 ——三叶草形 • 氨基酸臂 • DHU环 • 反密码环 • 额外环 • TΨC环 氨基酸臂 额外环

  16. * tRNA的三级结构 —— 倒L形 * tRNA的功能 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。

  17. 3 密码子与反密码子的配对关系 5 tRNA 反密码子 5 3 A U C 1 2 3 mRNA 密码子

  18. t RNA 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氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。 1、tRNA的结构特征——三叶草型二级结构 2、tRNA的功能 （1）被特定的氨酰- tRNA合成酶识别，使tRNA接受正确的活化氨基酸。 （2）识别mRNA链上的密码子。 （3）在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生长的多肽链与核 糖体的作用。

  19. 三、蛋白质合成的工厂---核 糖 体 核糖体是由rRNA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体上进行的。 1、核糖体的结构和组成 2、核糖体的功能

  20. 原核生物核糖体的组成 原核生物核糖体结构示意图 核糖体的组成

  21. 占RNA总量的80％ 特征： 单链，螺旋化程度较tRNA低  与蛋白质组成核糖体后方能 发挥其功能 功能: 参与组成核蛋白体，作为蛋白 质生物合成的场所。

  22. 原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式: P位：肽酰基位 (peptidyl site) A位：氨酰基位 (aminoacyl site) E位：排出位 (exit site)

  23. 氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸 + tRNA 氨基酰- tRNA ATP AMP＋PPi 四、氨酰-tRNA合成酶

  24. 氨酰- tRNA合成酶的特点 a、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。（第二遗传密码系统） b、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。

  25. AA E AA E AA E tRNA AA E tRNA AA E tRNA 氨基酸的活化 ATP + 氨基酸 氨基酸的活化 第一步 PPi E-AMP 氨酰腺苷酸 第二步 AMP E 3-氨酰-tRNA

  26. 1.氨酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。1.氨酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 2.氨酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。 3.氨酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet

  27. 生物体内有两种tRNA用于运转蛋氨酸：起始密码子——AUG； 用于中间参入的密码子AUG分别标记为： Met-tRNAMet 和fMet-tRNAfMet只有一种蛋氨酸的氨酰tRNA合成酶 起始肽链合成的氨酰-tRNA 真核生物： Met-tRNAMet ----蛋氨酰tRNA 原核生物： fMet-tRNAfMet----N-甲酰蛋氨酰tRNA

  28. 五、 什么是遗传密码和密码子？ 遗传密码: DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。 密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。

  29. Established the chemical structure of tRNA Established the in vitro system for revealing the genetic codes Devised methods to synthesize RNAs with defined sequences

  30. （1）、三联体密码的破译 1、以均聚物为模板指导多肽的合成 2、以随机共聚合指导多肽的合成 例：以随机共聚物A、C为模板，任意排列可 出现8种三体，获得六种氨基酸组成的多肽。 3、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

  31. 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Polyphe PolyC为模板，产生的多肽链为Polypro PolyA为模板，产生的多肽链为Polylys

  32. 以特定的共聚物为模板指导多肽的合成 （1）以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽 、PolyUG的模板，合成产物为Lys和Val。 （2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨 基酸组成的多肽。

  33. All 64 genetic codes

  34. （2）几个基本概念 • 错义蛋白:在阅读一个mRNA分子，开始时阅读框就必须正确无误，如果在阅读框开始时错过一个或两个碱基，或在mRNA上的核糖体偶然跳过了一个核苷酸,随后的所有密码子将会与原来不同，从而导致错义蛋白。 • 起始密码子（initiation codon)：AUG，多肽链开始的 信号。 • 终止密码子（termination codon)：也称无意义密码子， 多肽链终止的信号，UAA、UAG、UGA。 • Trp和Met是唯一密码子编码的。

  35. （3）、遗传密码的特点 1. 连续性 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。

  36. 2. 简并性(degeneracy) 遗传密码共有64个，其中61个密码子对应20种氨基酸，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。

  37. 3. 通用性 • 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 • 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。 • 密码子的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

  38. 4. 摆动性 转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。 5、方向性 即解读方向为5′→ 3′

  39. 摆动配对 U

  40. 密码子、反密码子配对的摆动现象Crick 提出的摆动学说

  41. （4）什么是开放阅读框？ 从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，连续50个以上密码子排列编码，无终止密码子，这段顺序称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。

  42. 第二节 蛋白质的生物合成过程

  43. 翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。 • 翻译的起始(initiation) • 翻译的延长(elongation) • 翻译的终止(termination ) 整个翻译过程可分为 ：

  44. 一、原核生物的翻译过程 （一） 起始阶段 1.核蛋白体大小亚基分离----IF3； 2.mRNA与小亚基结合； 3.起始氨基酰-tRNA与小亚基结合； 4.核蛋白体大亚基结合；

  45. S-D序列---富含嘌呤 引导mRNA 的起始密码子到30S小亚基的正确位置

  46. 蛋白质合成起始需要的因子 • 30S小亚基 • mRNA • 起始fMet-tRNAfMet • 起始因子---IF1、IF2、IF3 • GTP • 50S大亚基

  47. IF1 P位 A位 IF2-GTP-fMet-tRNA IF3 IF2 IF1 5 3 IF3 GTP IF2 A位 P位 50S亚基 anticodon IF-3 IF2+ IF1+GDP+Pi codon 肽链合成的起始 mRNA+30S亚基-IF3 30S亚基• mRNA IF3- IF1复合物 IF-1 70S起始复合物 30S• mRNA • GTP- fMet –tRNA- IF2- IF1复合物 70S起始复合物

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