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1、十一章蛋白质的生物合成 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 引引 言言 中心法则的补充与完善 在在细细胞胞分分裂裂过过程程中中，通通过过DNADNA的的复复制制把把遗遗传传信信息由亲代传递给子代；息由亲代传递给子代；在在子子代代的的个个体体发发育育过过程程中中，遗遗传传信信息息由由DNADNA传传递递到到RNARNA，然然后后翻翻译译成成特特异异的的蛋蛋白白质质，表表现现出出与与亲亲代代相相似似的的遗遗传传性性状状。这这种种遗遗传传信信息息的的流流向向
2、，称称为为中心法则中心法则。中心法则DNARNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译复制复制狭义的中心法则狭义的中心法则 在在某某些些情情况况下下，RNARNA也也是是重重要要的的遗遗传传物物质质，如如RNARNA病病毒毒中中RNARNA具具有有自自我我复复制制的的能能力力，并并同同时时作作为为mRNAmRNA指导蛋白质的生物合成。指导蛋白质的生物合成。在在致致癌癌RNARNA病病毒毒中中，RNARNA还还以以逆逆转转录录的的方方式式将将遗传信息传递给遗传信息传递给DNADNA分子。分子。中心法则的补充与完善 中心法则中心法则RNADNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译复制复制反转录反转录RNA复制复制复
3、复制制：以以亲亲代代DNADNA分分子子的的双双链链为为模模板板，按按照照碱碱基基配配对对的的原原则则，合合成成出出与与亲亲代代DNADNA分分子子相相同同的的双链双链DNADNA的过程。的过程。转转录录：以以DNADNA分分子子中中一一条条链链的的部部分分片片段段为为模模板板，按按照照碱碱基基配配对对原原则则，合合成成出出一一条条与与模模板板DNADNA链互补的链互补的RNARNA分子的过程。分子的过程。翻翻译译：把把mRNAmRNA上上的的遗遗传传信信息息按按照照遗遗传传密密码码转转换换成成蛋蛋白白质质中中特特定定的的氨氨基基酸酸序序列列的的过过程程。“翻翻译译”又叫又叫“转译转译”。中心
4、法则的补充与完善几个基本重要的概念几个基本重要的概念第一节第一节 蛋白质合成体系的组分蛋白质合成体系的组分 蛋蛋白白质质的的合合成成是是一一个个十十分分复复杂杂的的过过程程，蛋蛋白白质质的的合合成成要要求求100100多多种种大大分分子子物物质质参参与与和和相相互互协协作作，这这些些大大分分子子物物质质包包括括rRNArRNA、tRNAtRNA、核核糖糖体体、多多种种活活化化酶酶及及各种蛋白质因子。各种蛋白质因子。蛋白质的合成不只是氨基酸之间形成蛋白质的合成不只是氨基酸之间形成肽键的问题，更重要的在于安排氨基酸的肽键的问题，更重要的在于安排氨基酸的排列顺序，以形成千差万别的蛋白质。排列顺序，以
5、形成千差万别的蛋白质。一、遗传密码一、遗传密码 mRNA是蛋白质合成过程中直接指令氨基酸参是蛋白质合成过程中直接指令氨基酸参入的模板。那么入的模板。那么mRNA上的遗传信息是如何传递给上的遗传信息是如何传递给蛋白质的？即蛋白质的？即mRNA的核苷酸序列是如何对应于蛋的核苷酸序列是如何对应于蛋白质中的氨基酸序列的？其对应关系来自白质中的氨基酸序列的？其对应关系来自遗传密码遗传密码 mRNA(或或DNA)中的核苷酸序列与蛋白质中氨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。基酸序列之间的对应关系，称为遗传密码。mRNA(或或DNA)中三个连续的核苷酸可编码一中三个连续的核苷酸可
6、编码一种氨基酸，这种核苷酸三联体称为密码子。种氨基酸，这种核苷酸三联体称为密码子。一、遗传密码一、遗传密码 19541954年物理学家年物理学家G.GamovG.Gamov首先对遗传密码进行首先对遗传密码进行探讨。蛋白质由探讨。蛋白质由2020种基本氨基酸组成，而种基本氨基酸组成，而mRNAmRNA只含只含有有4 4种核苷酸，由种核苷酸，由4 4种核苷酸构成的序列是如何决定种核苷酸构成的序列是如何决定多肽链中多至多肽链中多至2020种氨基酸的序列的呢？显然，在核种氨基酸的序列的呢？显然，在核苷酸和氨基酸之间不能采取简单的一对一的对应关苷酸和氨基酸之间不能采取简单的一对一的对应关系。系。2 2个
7、核苷酸决定一个氨基酸也只能编码个核苷酸决定一个氨基酸也只能编码1616种氨种氨基酸，如果用基酸，如果用3 3个核苷酸决定一个氨基酸，个核苷酸决定一个氨基酸，4 43 3=64=64，就足以编码就足以编码2020种氨基酸了，这说明可能需要种氨基酸了，这说明可能需要3 3个或个或更多个核苷酸编码一个氨基酸。更多个核苷酸编码一个氨基酸。一、遗传密码一、遗传密码 1961年年Francis Crick及其同事的遗传实验及其同事的遗传实验进一步肯定进一步肯定3个碱基编码一个氨基酸，此三联体个碱基编码一个氨基酸，此三联体碱基即称为密码子。他们研究碱基即称为密码子。他们研究T4噬菌体噬菌体 位点位点A和和B
8、两个顺反子变异的影响，这两个基因与噬两个顺反子变异的影响，这两个基因与噬菌体能否感染大肠杆菌菌体能否感染大肠杆菌 株有关。株有关。他们的研究发现，在上述位点缺失一个核他们的研究发现，在上述位点缺失一个核苷酸产生的突变体，不能感染大肠杆菌苷酸产生的突变体，不能感染大肠杆菌 株。株。一、遗传密码一、遗传密码碱基序列碱基序列碱基序列碱基序列CATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCAT1 1 1 1CATCATCATCATCACACACAC C C CATCATCATCATCATCATCATCATCAT
9、CATCATCATCATCATCATCATC1 1 1 11 1 1 1 CATCATCATCATCACACACAC C C CA A A AX X X XT T T TCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCATCAT2 2 2 2CATCATCATCATX X X XCACACACAX X X XTCTCTCTCATCATCATCATCATCATCATCATCATATATAT3 3 3 3CACACACAX X X X T T T TX X X XC C C CATATATATX X X X CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAT CA
10、T CAT CAT 缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变 一、遗传密码一、遗传密码 在理论上，遗传密码可以通过简单的比较在理论上，遗传密码可以通过简单的比较 mRNA的碱基序列及其所编码的多肽的氨基酸的碱基序列及其所编码的多肽的氨基酸序列进行确定，然而在序列进行确定，然而在 20 世纪世纪 60 年代，此年代，此方法不可行，因为当时分离方法不可行，因为当时分离 mRNA 并测定其并测定其序列的方法尚未建立。序列的方法尚未建立。2.遗传密码的解读 1961年年 Nirenberg 等用大肠杆菌无细胞等用大肠杆菌无细胞体系，外加体系，外加 20 种氨基酸的混合物
11、（其中有一种氨基酸的混合物（其中有一种氨基酸被同位素标记）及种氨基酸被同位素标记）及 poly U，经保温经保温反应后，得到了被标记的苯丙氨酸的多聚体，反应后，得到了被标记的苯丙氨酸的多聚体，从而证明从而证明 poly U起了信使起了信使 RNA 的作用，的作用，UUU是编码苯丙氨酸的密码子。用同样的方法是编码苯丙氨酸的密码子。用同样的方法证明证明 CCC 编码脯氨酸，编码脯氨酸，AAA 编码赖氨酸。编码赖氨酸。这样，这三个密码子最早被解译出来了。这样，这三个密码子最早被解译出来了。2.遗传密码的解读 Nirenberg 和和 Ochoa 等又进一步用两种核苷等又进一步用两种核苷酸或三种核苷酸
12、的共聚物作模板，重复上述实验。酸或三种核苷酸的共聚物作模板，重复上述实验。例如，用例如，用U和和G 随机排列组成的共聚物可以出现随机排列组成的共聚物可以出现 8 种不同的三联体，即种不同的三联体，即GGG，GGU，GUG，UGG，UUG，UGU，GUU，UUU。酶促合成共聚核苷酸时，根据加入核苷酸底物酶促合成共聚核苷酸时，根据加入核苷酸底物的比例可以计算出各种三联体出现的频率，而标记的比例可以计算出各种三联体出现的频率，而标记氨基酸掺入新合成的肽链的相对量与三联体密码出氨基酸掺入新合成的肽链的相对量与三联体密码出现的频率相符合现的频率相符合 2.遗传密码的解读 UUUGUUGGU2.遗传密码的
13、解读 1964年年Nirenberg等发现在无蛋白质合成的等发现在无蛋白质合成的情况下，三联核苷酸能促进特异的情况下，三联核苷酸能促进特异的tRNA与核糖与核糖体结合。例如，加入体结合。例如，加入pUpUpU促进脯氨酸促进脯氨酸tRNA与之结合，与之结合，pApApA促进赖氨酸促进赖氨酸tRNA与之结合与之结合进一步要解决的问题是密码子中三个碱基的排列顺序进一步要解决的问题是密码子中三个碱基的排列顺序2.遗传密码的解读 将结合的氨酰将结合的氨酰-tRNA-三核苷酸三核苷酸-核糖体吸核糖体吸附在硝酸纤维素滤膜上，这样，凡是结合在核糖附在硝酸纤维素滤膜上，这样，凡是结合在核糖体（带特定氨基酸）上的
14、体（带特定氨基酸）上的tRNA分子在通过硝酸分子在通过硝酸纤维素滤膜时被截留下来，而未结合的纤维素滤膜时被截留下来，而未结合的tRNA则则可通过。由于可通过。由于三核苷酸模板只能与一定的三核苷酸模板只能与一定的tRNA对应对应，而一定的，而一定的tRNA又只与特定的氨基酸又只与特定的氨基酸结结合，合，所以只要所以只要带标记带标记的氨基酸被的氨基酸被滤膜，就可以测出三滤膜，就可以测出三联体对应氨基酸的密码子。联体对应氨基酸的密码子。2.遗传密码的解读 利用此系统，通过合成所有利用此系统，通过合成所有64种可能的三联种可能的三联体，测定每种三联体对体，测定每种三联体对20种氨基酸相应的种氨基酸相应
15、的tRNA与核糖体结合的影响，已使与核糖体结合的影响，已使50多种密码子被解译多种密码子被解译出来。但还有一些三联体编码的氨基酸不能肯定，出来。但还有一些三联体编码的氨基酸不能肯定，需要用其他方法来破译。需要用其他方法来破译。2.遗传密码的解读 与此同时，与此同时，Khorana 应用合成的具有重复应用合成的具有重复序列的多核苷酸如序列的多核苷酸如UCUCUCUC进行体外蛋白质进行体外蛋白质人工合成，发现产物为丝氨酸与亮氨酸交替出现人工合成，发现产物为丝氨酸与亮氨酸交替出现的多肽：的多肽：Ser Leu Ser Leu，说明说明UCU编编码丝氨酸，而码丝氨酸，而CUC编码亮氨酸。编码亮氨酸。2
16、.遗传密码的解读 当一合成的三联核苷酸重复序列，如当一合成的三联核苷酸重复序列，如 poly（UUC）作模板时，由于阅读框架不同，得作模板时，由于阅读框架不同，得到的产物是三种不同的均聚多肽：多聚苯丙氨酸、到的产物是三种不同的均聚多肽：多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸和多聚亮氨酸，说明多聚丝氨酸和多聚亮氨酸，说明UUC编码苯丙氨编码苯丙氨酸、酸、UCU编码丝氨酸、编码丝氨酸、CUU编码亮氨酸。编码亮氨酸。通过分析各种两个和三个核苷酸重复序列编通过分析各种两个和三个核苷酸重复序列编码的多肽，确认了许多密码子的一致性并填补了码的多肽，确认了许多密码子的一致性并填补了遗漏的遗传密码遗漏的遗传密码。2.遗传密
17、码的解读 UUUGUUGGU2.遗传密码的解读 v 密码的无标点性、无重叠性密码的无标点性、无重叠性 3.遗传密码的特点v 密码子的简并性密码子的简并性一个氨基酸可以有几个不同的密码子的特性一个氨基酸可以有几个不同的密码子的特性。同义密码子：编码同一个氨基酸的一组密码子。同义密码子：编码同一个氨基酸的一组密码子。注意：注意：Trp Trp 和和 MetMet只有一个密码子。只有一个密码子。LeuLeu、ArgArg、Ser Ser 均有均有6 6个密码子。个密码子。ATG CGG AAA TGG CCG AAT GATv 密码子的通用性和例外密码子的通用性和例外 密码子的通用性是指生物细胞共同
18、使用同密码子的通用性是指生物细胞共同使用同一套遗传密码字典。只有在一些线粒体中使用一套遗传密码字典。只有在一些线粒体中使用的遗传密码与通用密码有所区别。所以说遗传的遗传密码与通用密码有所区别。所以说遗传密码基本通用，但非绝对通用。密码基本通用，但非绝对通用。3.遗传密码的特点 v 起始密码子和终止密码子起始密码子和终止密码子 在在6464个个密密码码子子中中，有有3 3个个密密码码子子不不编编码码任任何何氨氨基基酸酸，从从而而成成为为肽肽链链合合成成的的终终止止信信号号，称称为为终终止止密密码码子子或或无无义义密密码码子子，它它们们是是UAAUAA、UAGUAG、UGAUGA。其其余余的的61
19、61个个密密码码子子均均编编码码不不同同的的氨氨基基酸酸，其其中中AUGAUG既既是是MetMet的的密密码码子子，又又是是肽肽链链合合成成的的起起始始信信号号，称为起始密码子。称为起始密码子。v 密码子的摆动性密码子的摆动性 密密码码子子的的专专一一性性主主要要是是由由前前两两位位的的碱碱基基决决定定，而第三位碱基有较大的灵活性。而第三位碱基有较大的灵活性。3.遗传密码的特点二、二、mRNAmRNA mRNAmRNA的功能结构的功能结构 mRNAmRNA上能够编码一条多肽链合成的区段叫做编码区。上能够编码一条多肽链合成的区段叫做编码区。原核生物原核生物 mRNAmRNA：其一条其一条mRNA
20、mRNA链可编码多个多肽链，称为多顺反链可编码多个多肽链，称为多顺反子的子的mRNAmRNA。编编码码区区的的第第一一个个密密码码子子必必定定是是AUGAUG，最最后后一一个个密密码码子子必必定定是是UAAUAA或或UAGUAG或或UGAUGA，从从第第一一个个密密码码子到最后一个密码子之间间隔子到最后一个密码子之间间隔3 3n n个核苷酸。个核苷酸。3非编码区5非编码区编码区非编码区编码区非编码区编码区二、二、mRNAmRNA真核生物真核生物mRNAmRNA：其一条其一条mRNAmRNA链只能编码一个多肽链，称为单顺反子的链只能编码一个多肽链，称为单顺反子的mRNAmRNA。编 码 区5非编
21、码区帽子PolyA尾巴3非编码区 mRNAmRNA的功能结构的功能结构 三、三、核糖体核糖体核糖体是合成蛋白质的场所。核糖体是合成蛋白质的场所。核糖体是合成蛋白质的场所。核糖体是合成蛋白质的场所。19551955年，年，Paul ZamecnikPaul Zamecnik通过实验确认核糖体是蛋通过实验确认核糖体是蛋白合成的场所。他将放射性同位素标记的氨基酸注射白合成的场所。他将放射性同位素标记的氨基酸注射到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离心到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离心后分成细胞核、线粒体、微粒体和可溶部分。发现微后分成细胞核、线粒体、微粒体和可溶部分。发现微粒体中的
22、放射性强度最高，若将微粒体部分进一步分粒体中的放射性强度最高，若将微粒体部分进一步分级分离，可在核糖体中大量回收到所掺入的放射性，级分离，可在核糖体中大量回收到所掺入的放射性，这说明核糖体是合成蛋白质的部位。这说明核糖体是合成蛋白质的部位。1.1.核糖体的存在部位核糖体的存在部位 三、三、核糖体核糖体 真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，另一部分与内质网结合，形成粗面内质状态，另一部分与内质网结合，形成粗面内质网。此外在其线粒体和叶绿体中也有核糖体。网。此外在其线粒体和叶绿体中也有核糖体。原核生物的核糖体存在于细胞质中；原核生物的核糖体存在于细胞质
23、中；核糖体是一个巨大的核糖核蛋白体 2.2.核糖体的组成核糖体的组成核糖体核糖体rRNArRNA蛋白质蛋白质原核生原核生物物7070S S3030S S1616S S2121种种5050S S2323S S、5S5S3131种种真核生真核生物物8080S S4040S S1818S S30-3230-32种种6060S S2828S S、5S5S、5.8S5.8S36-5036-50种种 三、三、核糖体核糖体2.2.核糖体的组成核糖体的组成 三、三、核糖核糖体体A three-dimensional model for the E.coli ribosomemRNAmRNA结合部位：结合部位：
24、大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳mRNAmRNA；此外，小亚基的此外，小亚基的1616S rRNAS rRNA可以与可以与mRNAmRNA相互相互作用，从而参与作用，从而参与mRNAmRNA与核糖体的结合。与核糖体的结合。3.3.核糖体上的活性部位核糖体上的活性部位(1)(1)结合部位结合部位 三、三、核糖体核糖体3.3.核糖体上的活性部位核糖体上的活性部位tRNAtRNA结合部位：有结合部位：有2 2个个 氨酰基部位（氨酰基部位（A A位）位）氨酰氨酰tRNAtRNA的结合部位的结合部位 肽基部位肽基部位 （P P位）位）正在延长的多肽基正在延长的多肽基
25、tRNA tRNA的结合部位；的结合部位；tRNA tRNA的这两个结合部位有一小部分在的这两个结合部位有一小部分在3030S S亚基内，大部分在亚基内，大部分在5050S S亚基内。亚基内。三、三、核糖体核糖体催化肽键形成的部位：催化肽键形成的部位：称为肽基转移酶，又叫转肽酶。位于大亚基上。称为肽基转移酶，又叫转肽酶。位于大亚基上。1992 1992年发现该活性是由年发现该活性是由2323S rRNAS rRNA提供的。提供的。3.3.核糖体上的活性部位核糖体上的活性部位(2)(2)催化部位催化部位催化催化GTPGTP水解的部位：水解的部位：位于大亚基上，在核糖体移位期间将位于大亚基上，在核
26、糖体移位期间将GTPGTP水解成水解成GDPGDP和和PiPi。(1)(1)结合部位结合部位 三、三、核糖体核糖体 四、四、tRNAtRNAThe general structure of tRNA molecules 四、四、tRNAtRNA1.1.被特定的氨酰被特定的氨酰-tRNAtRNA合成酶所识别。合成酶所识别。2.2.识别识别mRNAmRNA链上的密码子，这是因为链上的密码子，这是因为tRNAtRNA上有上有3 3个特定碱基组成的一个反密码子与个特定碱基组成的一个反密码子与mRNAmRNA链链上的密码子配对，保证氨基酸按上的密码子配对，保证氨基酸按mRNAmRNA的碱基的碱基顺序入号
27、。顺序入号。3.3.tRNAtRNA将多肽链联结在核糖体上。将多肽链联结在核糖体上。tRNA的功能 五五、辅助辅助因子因子 在蛋白质合成体系中，还有溶解在胞质中的蛋在蛋白质合成体系中，还有溶解在胞质中的蛋白质，在蛋白质合成的不同阶段起作用，分别有：白质，在蛋白质合成的不同阶段起作用，分别有：蛋白质因子蛋白质因子蛋白质因子蛋白质因子 五五、辅助辅助因子因子其它因子其它因子第二节第二节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成一、氨基酸的活化一、氨基酸的活化 游离氨基酸掺入多肽链以前必须活化即氨游离氨基酸掺入多肽链以前必须活化即氨基酸与特异基酸与特异tRNA形成氨酰形成氨酰-tRNA。原因有两原因有两个：
28、第一，蛋白质的合成依赖于个：第一，蛋白质的合成依赖于tRNA的接头的接头作用，以保证正确的氨基酸得到整合，每个氨作用，以保证正确的氨基酸得到整合，每个氨基酸为了参与蛋白质合成必须共价连接到基酸为了参与蛋白质合成必须共价连接到tRNA分子上。第二，氨基酸与分子上。第二，氨基酸与tRNA之间形成之间形成的共价键是一个高能键，它使氨基酸和正在延的共价键是一个高能键，它使氨基酸和正在延伸的多肽链末端反应形成新的肽键，因此伸的多肽链末端反应形成新的肽键，因此,这这一氨酰一氨酰-tRNA的合成过程被称为氨基酸的活化的合成过程被称为氨基酸的活化1.1.氨酰氨酰-tRNAtRNA的形成的形成 氨基酸的活化是指
29、氨基酸与氨基酸的活化是指氨基酸与tRNA相连，相连，形成氨酰形成氨酰-tRNA的过程。的过程。氨基酸的活化在细胞质中进行。反应由氨基酸的活化在细胞质中进行。反应由氨酰氨酰-tRNA合成酶（又称氨基酸活化酶）催合成酶（又称氨基酸活化酶）催化。化。1.1.氨酰氨酰-tRNAtRNA的形成的形成氨基酸羧基通过酸酐键与氨基酸羧基通过酸酐键与AMP上的上的5-磷酸基相连磷酸基相连氨酰氨酰-tRNAtRNA合成酶：合成酶：1.1.此酶具有较高专一性，能有效识别此酶具有较高专一性，能有效识别tRNAtRNA和和相应的氨基酸。相应的氨基酸。2.2.此酶具有校对功能。此酶具有校对功能。3.3.活化一个氨基酸消耗
30、活化一个氨基酸消耗2 2分子分子ATPATP。1 1）识别识别mRNA的起始密码子为的起始密码子为AUG，而而AUG对应的氨基酸为对应的氨基酸为Met。2 2）有两种甲硫氨酸专一性的有两种甲硫氨酸专一性的tRNA：a.tRNAfmet只与起始密码子结合只与起始密码子结合b.tRNAmmet只与肽链内部的只与肽链内部的AUG有关有关在原核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲酰在原核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲酰甲硫氨酸甲硫氨酸。2.2.起始氨酰起始氨酰tRNAtRNA的形成的形成在真核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲硫在真核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲硫氨酸氨酸tRNAimet只与起始密码子
31、结合只与起始密码子结合a.tRNAmet只与肽链内部的只与肽链内部的AUG有关有关 2.2.起始氨酰起始氨酰tRNAtRNA的形成的形成原核生物中的原核生物中的fMet-tRNAfMet-tRNA的合成的合成Met+ATP+tRNAMettRNA+AMP+PPi甲硫氨甲硫氨(蛋氨蛋氨)酰酰tRNAtRNA合成酶合成酶原核生物中的原核生物中的fMet-tRNAfMet-tRNA的合成的合成 Met-tRNA Met-tRNA在转甲酰酶的作用下，在在转甲酰酶的作用下，在其其MetMet的的-NHNH2 2上甲酰化。上甲酰化。fMettRNA在在翻翻译译的的起起始始阶阶段段，还还需需有有3 3种种蛋
32、蛋白白质质因因子子 起起始因子始因子(IF)IF)的参与，即的参与，即IF1IF1、IF2IF2、IF3IF3。此时核糖体的此时核糖体的P P位被起始氨酰位被起始氨酰-tRNAtRNA占据，占据，A A位空着，位空着，等待能与第二个密码子匹配的氨酰等待能与第二个密码子匹配的氨酰-tRNAtRNA进位。进位。起始复合物的结构：起始复合物的结构：二二、多肽链合成的过程、多肽链合成的过程1.起始 指核糖体与指核糖体与mRNAmRNA及起始氨酰及起始氨酰-tRNAtRNA结合成起始结合成起始复合物复合物(1)核糖体的小亚基核糖体的小亚基30S与与mRNA结合结合 小小亚亚基基识识别别mRNA上上翻翻译
33、译的的起起始始信信号号，并并结结合合在在这这个个部部位位，它它的的P位位正正好好落落在在起起始始密密码码子子AUG处处。形形成成“小小亚亚基基-mRNA”二二元复合物。元复合物。1.起始 起起始始氨氨酰酰-tRNA与与mRNA上上的的起起始始密密码码子子结结合合（通通过过反反密密码码子子与与密密码码子子之之间间的的碱碱基基互互补补配配对对），形形成成“小小亚亚基基 mRNA fMet-tRNA”三元复合物三元复合物(2)起始氨酰起始氨酰-tRNA结合上去结合上去 形成起始复合物，即形成起始复合物，即“核糖体核糖体 mRNA fMet-tRNA”三元复合物三元复合物(3)大亚基结合上去形成大亚基
34、结合上去形成70S起始复合物起始复合物1.起始 这一阶段是在这一阶段是在fMet（或肽链）的或肽链）的C末端逐个的末端逐个的添加添加aa，使肽链不断延伸。使肽链不断延伸。每延伸一个每延伸一个aa，需要经历三步：需要经历三步：1 1）进位）进位与与A位处的密码子相对应的位处的密码子相对应的aa-tRNA进入核糖体的进入核糖体的A位位2.肽链的延长2.肽链的延长2 2）转肽）转肽P位位tRNA上上的的甲甲酰酰甲甲硫硫氨氨基基转转移移至至A位位tRNA上上的的aa的的氨氨基基上上，形形成成肽肽键。键。3 3）移位）移位核核糖糖体体在在mRNA上上向向3端端移移动动一一个个密密码码子子的的距距离离，这
35、这样样，原原P位位空空载载的的tRNA离离开开了了核核糖糖体体，原原A位位的的肽肽酰酰-tRNA落落在在P位位，而而A位空了出来。位空了出来。2.肽链的延长 通过以上三步，完成了氨基酸的一轮添加。通过以上三步，完成了氨基酸的一轮添加。每延伸一个氨基酸，需要消耗每延伸一个氨基酸，需要消耗 2 分子分子GTPGDP。（。（进位和移位）进位和移位）此过程还需要一些蛋白质因子的参与，称此过程还需要一些蛋白质因子的参与，称为延长因子（为延长因子（EF）随着核糖体在随着核糖体在mRNA上从上从 53 方向方向滑动，新生链从滑动，新生链从 N端端C端端 延伸。延伸。mRNA上上的核苷酸序列被的核苷酸序列被“
36、翻译翻译”成多肽链上的氨基成多肽链上的氨基酸序列酸序列2.肽链的延长三、肽链合成的终止与释放三、肽链合成的终止与释放 当当核核糖糖体体在在mRNA上上由由53移移动动至至终终止止密密码码子子（UAA、UAG、UGA）时时，由由于于没没有有与与之相应的之相应的tRNA，终止因子终止因子RF进入进入A位。位。1 终止因子使肽基转移酶的活性转变为水解终止因子使肽基转移酶的活性转变为水解酶活性酶活性(肽基不再转移到氨酰肽基不再转移到氨酰tRNA上，而是转上，而是转移给水分子移给水分子)，从而将肽酰，从而将肽酰tRNA水解。这样肽水解。这样肽链被释放。链被释放。2 空载的空载的tRNA也离开核糖体。也离
37、开核糖体。3核糖体的大小亚基解离并离开核糖体的大小亚基解离并离开mRNA。4四、多肽链合成的能量消耗四、多肽链合成的能量消耗蛋白质的生物合成是个高耗能过程。蛋白质的生物合成是个高耗能过程。仅翻译过程，其能量消耗情况如下：仅翻译过程，其能量消耗情况如下：NTP高能磷酸键高能磷酸键氨基酸的活化氨基酸的活化ATP2/aa2/aa肽链合成的起始肽链合成的起始GTP1 1肽链的延伸肽链的延伸GTP2/2/轮轮aaaa添加添加肽链合成的终止肽链合成的终止 0 0例：例：以游离的氨基酸为原料，起始合成一个以游离的氨基酸为原料，起始合成一个100肽，至少需要消耗多少肽，至少需要消耗多少ATP？（注：注：ATP
38、AMP折算成折算成2个个ATP，GTP折算成折算成ATP）解法一：解法一：分阶段累计分阶段累计 2100 1 299 399五、多肽链合成的能量消耗五、多肽链合成的能量消耗解法二：以解法二：以aa为单位累计为单位累计 每个游离的氨基酸参入到正在合成的多肽链每个游离的氨基酸参入到正在合成的多肽链中，至少需要消耗中，至少需要消耗 4 个高能磷酸键（活化个高能磷酸键（活化 2个；氨酰个；氨酰tRNA进入进入A位位 1个；核糖体移个；核糖体移位位 1个）。个）。但起始的氨基酸要少消耗但起始的氨基酸要少消耗1个个GTP（可理解可理解成它直接进入成它直接进入P位，不要移位）位，不要移位）4n1 41001
39、五、多肽链合成的能量消耗五、多肽链合成的能量消耗 六、多肽链合成的速度六、多肽链合成的速度 蛋白质的生物合成的速度极快。在最适蛋白质的生物合成的速度极快。在最适条件下，合成一条含条件下，合成一条含400个氨基酸残基的多个氨基酸残基的多肽链大约只要肽链大约只要10秒钟。秒钟。多多核核糖糖体体：在在一一条条mRNA链链上上，可可以以有有多多个个核核糖糖体体同同时时进进行行翻翻译译，每每个个核核糖糖体体上上都都附附着着一一条条正正在在延延长长的的多多肽肽链链，越越靠靠近近mRNA的的3端端的的核核糖糖体体上上的的肽肽链链越越长长。这这种结构叫做多核糖体。种结构叫做多核糖体。多多核核糖糖体体：在在一一
40、条条mRNA链链上上，可可以以有有多多个个核核糖糖体体同同时时进进行行翻翻译译，每每个个核核糖糖体体上上都都附附着着一一条条正正在在延延长长的的多多肽肽链链，越越靠靠近近mRNA的的3端端的的核核糖糖体体上上的的肽肽链链越越长长。这这种结构叫做多核糖体。种结构叫做多核糖体。mRNA上核糖体的多少，视上核糖体的多少，视 mRNA 链长而链长而定。一般每隔定。一般每隔40个核苷酸有一个核糖体。个核苷酸有一个核糖体。多核糖体的结构可大大提高多核糖体的结构可大大提高mRNA的翻译效率。的翻译效率。六、多肽链合成的速度六、多肽链合成的速度 多多肽肽链链的的折折叠叠是是指指从从多多肽肽链链氨氨基基酸酸序序
41、列列形成正确的三维结构的过程。形成正确的三维结构的过程。蛋白质二硫键异构酶（蛋白质二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase）和肽基脯氨酸异构酶（和肽基脯氨酸异构酶（peptidylprolylisomerase）参与蛋白质的折叠过程。参与蛋白质的折叠过程。前者能加速蛋白质正确二硫键的形成。前者能加速蛋白质正确二硫键的形成。后者则加速脯氨酸亚氨基肽键的顺后者则加速脯氨酸亚氨基肽键的顺-反异反异构化。构化。七、多肽链合成后的加工七、多肽链合成后的加工1.多肽链的折叠多肽链的折叠 Structure and function of the GroEL-GroES comple
42、xGroEL GroES GroEL 多多肽肽链链的的修修饰饰是是指指多多肽肽链链中中氨氨基基酸酸残残基基被被切切除除或或在在氨氨基基酸酸残残基基中中添添加加和和改改变变一一些些基基团团,从从而而使使多多肽肽链链形形成成具具有有一一定定高高级级结结构和生物活性的蛋白质分子的过程。构和生物活性的蛋白质分子的过程。2.多肽链的修饰多肽链的修饰 (1)末端氨基的去甲酰化和末端氨基的去甲酰化和N-甲硫氨酸的切除甲硫氨酸的切除 原核细胞多肽原核细胞多肽N-末端的甲酰甲硫氨酸的甲酰末端的甲酰甲硫氨酸的甲酰基可在去甲酰酶的催化下被除去。基可在去甲酰酶的催化下被除去。在原核和真核细胞中多肽在原核和真核细胞中多
43、肽N-末端的甲硫氨酸末端的甲硫氨酸均可被氨肽酶除去。均可被氨肽酶除去。原核细胞究竟采取去甲酰基还是去甲酰甲硫原核细胞究竟采取去甲酰基还是去甲酰甲硫氨酸，常决定于邻近氨基酸。如果第二个氨基酸氨酸，常决定于邻近氨基酸。如果第二个氨基酸是是Arg，Asn，Asp，Glu，Ile或或Lys，则以前者则以前者为主，如果第二个氨基酸是为主，如果第二个氨基酸是Ala，Gly，Pro，Thr或或Val，则以后者为主。则以后者为主。(2)一些氨基酸残基侧链被修饰一些氨基酸残基侧链被修饰 有些氨基酸没有相应的遗传密码，而是在有些氨基酸没有相应的遗传密码，而是在肽链从核糖体释放后经化学修饰形成的。如胶肽链从核糖体释
44、放后经化学修饰形成的。如胶原蛋白中含有大量的羟脯氨酸和羟赖氨酸，分原蛋白中含有大量的羟脯氨酸和羟赖氨酸，分别是脯氨酸和赖氨酸经羟化而成的。有些蛋白别是脯氨酸和赖氨酸经羟化而成的。有些蛋白质中的天冬酰胺、丝氨酸和苏氨酸发生糖基化质中的天冬酰胺、丝氨酸和苏氨酸发生糖基化形成糖蛋白，丝氨酸磷酸化成为磷酸丝氨酸。形成糖蛋白，丝氨酸磷酸化成为磷酸丝氨酸。(3)二硫键的形成二硫键的形成 多肽链的半胱氨酸残基可在蛋白质二硫键多肽链的半胱氨酸残基可在蛋白质二硫键异构酶的作用下形成二硫键，肽链内或肽链间异构酶的作用下形成二硫键，肽链内或肽链间都可形成二硫键，二硫键在维持蛋白质的空间都可形成二硫键，二硫键在维持蛋
45、白质的空间构象中起了很重要的作用。构象中起了很重要的作用。(4)多肽链的水解断裂多肽链的水解断裂 许多具有一定功能的蛋白质如酶、激素蛋许多具有一定功能的蛋白质如酶、激素蛋白，在体内常以无活性的前体肽的形式产生，白，在体内常以无活性的前体肽的形式产生，这些前体在一定情况下经体内蛋白酶的水解切这些前体在一定情况下经体内蛋白酶的水解切去部分肽段，才能变成有活性的蛋白质，如胰去部分肽段，才能变成有活性的蛋白质，如胰岛素原变成胰岛素，胰蛋白酶原变为胰蛋白酶岛素原变成胰岛素，胰蛋白酶原变为胰蛋白酶等。等。无无论论是是原原核核还还是是真真核核细细胞胞都都是是一一个个高高度度有有序序的的结结构构，新新生生的的
46、蛋蛋白白质质要要被被准准确确地地运运送送到到细细胞胞的的各各个个部部分分，如如溶溶酶酶体体、线线粒粒体体、叶叶绿绿体体、细细胞胞质质和和细细胞胞核核等等，以以更更新新其其结结构构组组成成和和维维持持其其功功能能,这一过程称为蛋白质的定位。这一过程称为蛋白质的定位。八、蛋白质的定位八、蛋白质的定位 多肽的转运有两种类型即共翻译转移（多肽的转运有两种类型即共翻译转移（co-translational translocation）和翻译后转移和翻译后转移（post-translational translocation）。）。蛋蛋白白质质的的定定位位(Protein translocation)主主
47、要要由由共共翻翻译译转转移移为为特特征征，首首先先在在游游离离核核糖糖体体上上合合成成一一段段称称为为信信号号肽肽（signal peptide）的的肽肽段段，该该信信号号肽肽指指令令核核糖糖体体结结合合到到粗粗面面内内质质网网膜膜上上，然然后后肽肽链链边边合合成成边边进进入入内内质质网网腔腔，经经初初步步加加工工和和修修饰饰后后，部部分分多多肽肽以以囊囊泡泡形形式式被被运运往往高高尔尔基基体体，再再经经进进一一步步的的加加工工和和修修饰饰后后被被运运往往质质膜膜、溶酶体或被分泌到胞外。溶酶体或被分泌到胞外。1.共翻译转移共翻译转移 a.信信号号肽肽通通常常在在被被转转运运的的多多肽肽链链的的
48、N端端，长长度度为为10 40个个氨氨基基酸酸残残基基不不等等，氨氨基基端端至至少少含含有有一一个带正电荷的氨基酸个带正电荷的氨基酸;b.序序列列中中心心为为含含有有10 15高高度度疏疏水水的的氨氨基基酸酸残残基基，如如丙丙氨氨酸酸、亮亮氨氨酸酸、缬缬氨氨酸酸、异异亮亮氨氨酸酸和和苯苯丙丙氨酸。氨酸。c.在在信信号号肽肽的的C末末端端有有一一个个可可被被信信号号肽肽酶酶识识别别的的位位点点，当当蛋蛋白白质质运运送送到到目目的的地地后后，信信号号肽肽即即被被信信号肽酶切去。号肽酶切去。八、蛋白质的定位八、蛋白质的定位1.共翻译转移共翻译转移 d.在在信信号号肽肽酶酶识识别别位位点点上上游游常常
49、有有一一疏疏水水性性较较强强的的5肽肽，信信号号肽肽酶酶切切点点上上游游的的第第一一个个(1)及及第第3个个(3)氨氨基基酸酸常常为为具具有有一一个个小小侧侧链链的的氨氨基酸（如丙氨酸）基酸（如丙氨酸）1.共翻译转移共翻译转移 一些真核细胞的信号肽的结构一些真核细胞的信号肽的结构 信号肽是如何被识别的信号肽是如何被识别的?含有这种顺序的蛋白质又是含有这种顺序的蛋白质又是怎样被运过粗面内质网膜的怎样被运过粗面内质网膜的?1.共翻译转移共翻译转移 Blobel等已证明，有一种被称为信号识别颗粒等已证明，有一种被称为信号识别颗粒（signal recognition particle SPR）的核糖
50、核蛋的核糖核蛋白与合成分泌蛋白的核糖体结合到粗面内质网膜白与合成分泌蛋白的核糖体结合到粗面内质网膜上密切相关。上密切相关。SPR的相对分子质量为的相对分子质量为325 kD，是由一种是由一种300个核苷酸的个核苷酸的RNA分子分子(名为名为7SL RNA)和和6个不同的多肽链组成的。个不同的多肽链组成的。SPR存在于细存在于细胞质中，其上有两个关键部位，即胞质中，其上有两个关键部位，即信号肽识别部信号肽识别部位位和和翻译暂停功能域翻译暂停功能域。信号肽的识别及多肽进入内质网的过程信号肽的识别及多肽进入内质网的过程 1.共翻译转移共翻译转移 信号肽的识别及多肽进入内质网的过程信号肽的识别及多肽进