第十章 蛋白质的生物合成
一、概述
? 基因的遗传信息在转
录过程中从 DNA转移
到 mRNA,再由 mRNA将
这种遗传信息表达为
蛋白质中氨基酸顺序
的过程叫做翻译。
? 合成体系,20种氨基
酸,mRNA,tRNA、核
蛋白体、酶和因子,
以及无机离子,ATP,
GTP 合成方向,N→C
端。
二,参与蛋白质合成的三类 RNA及核糖体
1.rRNA
与蛋白质一起构成核糖体 —— 蛋白质合成, 工厂,
核糖体结构组成
核糖体的基本功能
? 结合 mRNA,在 mRNA上选择适当的区域开始翻译
? 密码子 ( mRNA) 和反密码子 ( tRNA) 的正确配对
? 肽键的形成
存在
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 mRNA形成串状 —— 多核糖体
原核生
物核糖
体组成
真核生
物核糖
体组成
? 2,tRNA
结合氨基酸,一种氨基酸
有几种 tRNA携带,结合
需要 ATP供能,氨基酸结
合在 tRNA3‘-CCA的位臵。
反密码子,每种 tRNA的反
密码子,决定了所带氨
基酸能准确的在 mRNA上
对号入座 。
反密码子与 mRNA的第三个
核苷酸配对时,不严格
遵从碱基配对原则
? 3,mRNA
携带着 DNA的遗传信息,是
多肽链的合成模板
在 原核 细胞内,存在时间
短,在转录的同时翻译
在 真核 细胞内,较稳定
? 蛋白质合成时,mRNA结合
于核糖体小亚基上,大亚
基结合带氨基酸的 tRNA,
tRNA的反密码子与 mRNA密
码子配对,ATP供能,合成
蛋白质。
三、遗传密码子
? 为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位
臵的三个核苷酸单位称为密码子( Coden)或三联
体密码。
? 密码子的发现
? 统计学方法
? 人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸,推测由哪一
种氨基酸合成的多肽
? 核糖体结合试验 1965年,Nirenberg用 poly u加入 C14
标记的 20种 aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此
法破译了全部密码,编出遗传密码表。
遗传密码
? 遗传密码子的特点
? 无标点、不重叠 密码子是不重叠的,每个三联体中
的三个核苷酸只编码一个氨基酸,核苷酸不重叠使用噬
菌体 ?x174中某些基因之间有重叠现象
? 简并 (degeneracy) 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
? 通用性 绝大多数密码子对各种生物都适用,某些线
粒体中遗传密码有例外
? 终止信号 UAG,UAA,UGA
? 起始信号 AUG(真核中起始为 Met、原核中起始为 fMet,
翻译中间为 Met)和 氨酸的密码子 (GUG)(极少出现)
四、蛋白质生物合成过程
? 以 mRNA为模板,氨基酸经活化获得的氨酰 tRNA为原料,
GTP,ATP供能,在核糖体中完成 。
1.氨基酸的活化
? tRNA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 tRNA氨基酸臂的 3'-OH 与氨基酸的
羧基形成活化酯-氨基酰 -tRNA。
? 氨基酰 -tRNA的形成是一个两步反应过程:第一步是氨
基酸与 ATP 作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸; 第二
步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3'-OH 端上,形成氨基
酰 -tRNA。
氨基酸活化图示
氨基酸活化的总反应式是:
氨基酰 -tRNA 合成酶
? 氨基酸 + ATP + tRNA + H2O ?? 氨基酰 -tRNA + AMP + PPi
? 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰 -tRNA 合成酶 。 它
既催化氨基酸与 ATP 的作用,也催化氨基酰基转移到
tRNA。
? 氨基酰 -tRNA 合成酶具有高度的专一性 。 每一种氨基酰 -
tRNA 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,决定于它特有的碱基顺
序,而这种碱基顺序能够被氨基酰 -tRNA 合成酶所识别 。
氨基酸的活化
2.在核糖体上合成肽链
? 氨基酰 -tRNA通过反密码臂上的三联体反密码
子识别 mRNA上相应的遗传密码, 并将所携带的
氨基酸按 mRNA遗传密码的顺序安臵在特定的位
臵, 最后在核糖体中合成肽链 。
肽链的合成过程(以原核为例)
? 起始
? 延伸
? 终止与释放
肽链合成的起始
起始密码的识别
首先辨认出 mRNA链上的起
始点( AUG),核糖体小
亚基上的 16S rRNA和 mRNA
的 SD序列(位于起始位点
上游 4- 13个核苷酸)结
合
N-甲酰甲硫氨酸- tRNA
的活化形成
起始复合物的形成 (图示)
肽链的延长
进位 (氨酰 tRNA进入 A位点)
参与因子:延长因子 EFTu( Tu),EFTs( Ts)、
GTP、氨酰 tRNA
肽链的形成
肽酰基从 P位点转移到 A位点,形成新的肽链
移位 ( translocase)
在移位因子(移位酶) EF- G的作用下,核糖体沿
mRNA( 5’-3’)作相对移动,使原来在 A位点的肽酰
- tRNA回到 P位点
核糖体移动方向
P位
点
A位
点
进位
核糖体移位
肽链的形成
延长过程中肽链的生成
肽基转移酶
肽
链
的
延
伸
过
程
肽链合成的终止与释放
识别 mRNA的终止密码子,水解所
合成肽链与 tRNA间的酯键,释放
肽链
R1识别 UAA,UAG
R2识别 UAA,UGA
R3影响肽链的释放速度
RR帮助 P位点的 tRNA残基脱落,而
后核糖体脱落
多核糖体
? 在细胞内一条 mRNA链上结合着多
个核糖体,甚至可多到几百个。
蛋白质开始合成时,第一个核糖
体在 mRNA的起始部位结合,引入
第一个蛋氨酸,然后核糖体向
mRNA的 3’端移动一定距离后,第
二个核糖体又在 mRNA的起始部位
结合,现向前移动一定的距离后,
在起始部位又结合第三个核糖体,
依次下去,直至终止。每个核糖
体都独立完成一条多肽链的合成,
所以这种多核糖体可以在一条
mRNA链上同时合成多条相同的多
肽链,这就大大提高了翻译的效
率
五、真核细胞蛋白质合成的特点
? 核糖体为 80S,由 60S的大亚基和 40S的小亚基组成
? 起始密码 AUG
? 起始 tRNA为 Met- tRNA
? 起始复合物 结合在 mRNA 5’端 AUG上游的 帽子结构,真
核 mRNA无富含嘌呤的 SD序列(除某些病毒 mRNA外)
? 已发现的真核起始因子有近 9种( eukaryote Initiation
factor,eIF) eIF4A.eIF4E.P220复合物称为帽子结构结合
蛋白复合物( CBPC)
? 肽链终止因子( EF1α EF1βγ )及释放因子( RF)
线粒体、叶绿体内蛋白质的合成同于原核细胞
蛋白质合成过程小结
? 肽链合成方向 N C(同位素证明)
? 以 mRNA的 5’-3’方向阅读遗传密码
? 该合成过程是一个耗能过程
肽链的起始需要 5ATP,延长时只需 4ATP,合成一个 n肽
所需能量 4× n+ 1 ATP,原核生物中,肽链的终止不需
GTP,则合成 n肽所需能量 3× n+ 1
六、肽链合成后的“加工处理”
1,N端改造 fMet的切除
2,信号肽 (能透膜,进行蛋白质的锚定)的切除
3,氨基酸的修饰 /改造
肽链内或肽链间的二硫键的形成、乙酰化、甲基化
氨基酸残基的修饰( Pro-OH/Cys-OH)
4.糖基化 ( Asp,Ser,Thr,Asn)
5,某些多肽要经特殊 的酶切一段肽链 后才有生物活性 (如:
胰岛素 )
6,高级结构的形成 在分子伴侣的协助下形成正确的结构
7.锚定(定位)
七、蛋白质生物合成的调节
1.转录水平调节
2.转录后水平调节
3.翻译水平调节
蛋白质合成抑制剂:
抗生素类阻断剂
a,链霉素、卡那霉素、新霉素等,主要抑制革兰氏阴性细菌蛋白质
合成的三个阶段:① 50S起始复合物的形成,使氨基酰 tRNA从复合物中脱落;②
在肽链延伸阶段,使氨基酰 tRNA与 mRNA错配;③在终止阶段,阻碍终止因了与核
蛋白体结合,使已合成的多肽链无法释放,而且还抑制 70S核糖体的介离。
? b.四环素和土霉素
? c.氯霉素
? d.白喉霉素( diphtheria toxin)
由白喉杆菌所产生的白喉霉素是真核细胞蛋白质合成抑制剂。它对
真核生物的延长因子 -2( EF-2)起共价修饰作用,生成 EF-2腺苷二
磷酸核糖衍生物,从而使 EF-2失活,它的催化效率很高,只需微量
就能有效地抑制细胞整个蛋白质合成,而导致细胞死亡
? e.亚胺环己酮(放线菌酮)
只抑制真核 60S亚基的肽酰转移酶活性
干扰素对病毒蛋白合成的抑制
愿生物化学为你插上翅膀
在生命科学世界里展翅翱翔
一、概述
? 基因的遗传信息在转
录过程中从 DNA转移
到 mRNA,再由 mRNA将
这种遗传信息表达为
蛋白质中氨基酸顺序
的过程叫做翻译。
? 合成体系,20种氨基
酸,mRNA,tRNA、核
蛋白体、酶和因子,
以及无机离子,ATP,
GTP 合成方向,N→C
端。
二,参与蛋白质合成的三类 RNA及核糖体
1.rRNA
与蛋白质一起构成核糖体 —— 蛋白质合成, 工厂,
核糖体结构组成
核糖体的基本功能
? 结合 mRNA,在 mRNA上选择适当的区域开始翻译
? 密码子 ( mRNA) 和反密码子 ( tRNA) 的正确配对
? 肽键的形成
存在
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 mRNA形成串状 —— 多核糖体
原核生
物核糖
体组成
真核生
物核糖
体组成
? 2,tRNA
结合氨基酸,一种氨基酸
有几种 tRNA携带,结合
需要 ATP供能,氨基酸结
合在 tRNA3‘-CCA的位臵。
反密码子,每种 tRNA的反
密码子,决定了所带氨
基酸能准确的在 mRNA上
对号入座 。
反密码子与 mRNA的第三个
核苷酸配对时,不严格
遵从碱基配对原则
? 3,mRNA
携带着 DNA的遗传信息,是
多肽链的合成模板
在 原核 细胞内,存在时间
短,在转录的同时翻译
在 真核 细胞内,较稳定
? 蛋白质合成时,mRNA结合
于核糖体小亚基上,大亚
基结合带氨基酸的 tRNA,
tRNA的反密码子与 mRNA密
码子配对,ATP供能,合成
蛋白质。
三、遗传密码子
? 为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位
臵的三个核苷酸单位称为密码子( Coden)或三联
体密码。
? 密码子的发现
? 统计学方法
? 人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸,推测由哪一
种氨基酸合成的多肽
? 核糖体结合试验 1965年,Nirenberg用 poly u加入 C14
标记的 20种 aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此
法破译了全部密码,编出遗传密码表。
遗传密码
? 遗传密码子的特点
? 无标点、不重叠 密码子是不重叠的,每个三联体中
的三个核苷酸只编码一个氨基酸,核苷酸不重叠使用噬
菌体 ?x174中某些基因之间有重叠现象
? 简并 (degeneracy) 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
? 通用性 绝大多数密码子对各种生物都适用,某些线
粒体中遗传密码有例外
? 终止信号 UAG,UAA,UGA
? 起始信号 AUG(真核中起始为 Met、原核中起始为 fMet,
翻译中间为 Met)和 氨酸的密码子 (GUG)(极少出现)
四、蛋白质生物合成过程
? 以 mRNA为模板,氨基酸经活化获得的氨酰 tRNA为原料,
GTP,ATP供能,在核糖体中完成 。
1.氨基酸的活化
? tRNA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 tRNA氨基酸臂的 3'-OH 与氨基酸的
羧基形成活化酯-氨基酰 -tRNA。
? 氨基酰 -tRNA的形成是一个两步反应过程:第一步是氨
基酸与 ATP 作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸; 第二
步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3'-OH 端上,形成氨基
酰 -tRNA。
氨基酸活化图示
氨基酸活化的总反应式是:
氨基酰 -tRNA 合成酶
? 氨基酸 + ATP + tRNA + H2O ?? 氨基酰 -tRNA + AMP + PPi
? 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰 -tRNA 合成酶 。 它
既催化氨基酸与 ATP 的作用,也催化氨基酰基转移到
tRNA。
? 氨基酰 -tRNA 合成酶具有高度的专一性 。 每一种氨基酰 -
tRNA 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,决定于它特有的碱基顺
序,而这种碱基顺序能够被氨基酰 -tRNA 合成酶所识别 。
氨基酸的活化
2.在核糖体上合成肽链
? 氨基酰 -tRNA通过反密码臂上的三联体反密码
子识别 mRNA上相应的遗传密码, 并将所携带的
氨基酸按 mRNA遗传密码的顺序安臵在特定的位
臵, 最后在核糖体中合成肽链 。
肽链的合成过程(以原核为例)
? 起始
? 延伸
? 终止与释放
肽链合成的起始
起始密码的识别
首先辨认出 mRNA链上的起
始点( AUG),核糖体小
亚基上的 16S rRNA和 mRNA
的 SD序列(位于起始位点
上游 4- 13个核苷酸)结
合
N-甲酰甲硫氨酸- tRNA
的活化形成
起始复合物的形成 (图示)
肽链的延长
进位 (氨酰 tRNA进入 A位点)
参与因子:延长因子 EFTu( Tu),EFTs( Ts)、
GTP、氨酰 tRNA
肽链的形成
肽酰基从 P位点转移到 A位点,形成新的肽链
移位 ( translocase)
在移位因子(移位酶) EF- G的作用下,核糖体沿
mRNA( 5’-3’)作相对移动,使原来在 A位点的肽酰
- tRNA回到 P位点
核糖体移动方向
P位
点
A位
点
进位
核糖体移位
肽链的形成
延长过程中肽链的生成
肽基转移酶
肽
链
的
延
伸
过
程
肽链合成的终止与释放
识别 mRNA的终止密码子,水解所
合成肽链与 tRNA间的酯键,释放
肽链
R1识别 UAA,UAG
R2识别 UAA,UGA
R3影响肽链的释放速度
RR帮助 P位点的 tRNA残基脱落,而
后核糖体脱落
多核糖体
? 在细胞内一条 mRNA链上结合着多
个核糖体,甚至可多到几百个。
蛋白质开始合成时,第一个核糖
体在 mRNA的起始部位结合,引入
第一个蛋氨酸,然后核糖体向
mRNA的 3’端移动一定距离后,第
二个核糖体又在 mRNA的起始部位
结合,现向前移动一定的距离后,
在起始部位又结合第三个核糖体,
依次下去,直至终止。每个核糖
体都独立完成一条多肽链的合成,
所以这种多核糖体可以在一条
mRNA链上同时合成多条相同的多
肽链,这就大大提高了翻译的效
率
五、真核细胞蛋白质合成的特点
? 核糖体为 80S,由 60S的大亚基和 40S的小亚基组成
? 起始密码 AUG
? 起始 tRNA为 Met- tRNA
? 起始复合物 结合在 mRNA 5’端 AUG上游的 帽子结构,真
核 mRNA无富含嘌呤的 SD序列(除某些病毒 mRNA外)
? 已发现的真核起始因子有近 9种( eukaryote Initiation
factor,eIF) eIF4A.eIF4E.P220复合物称为帽子结构结合
蛋白复合物( CBPC)
? 肽链终止因子( EF1α EF1βγ )及释放因子( RF)
线粒体、叶绿体内蛋白质的合成同于原核细胞
蛋白质合成过程小结
? 肽链合成方向 N C(同位素证明)
? 以 mRNA的 5’-3’方向阅读遗传密码
? 该合成过程是一个耗能过程
肽链的起始需要 5ATP,延长时只需 4ATP,合成一个 n肽
所需能量 4× n+ 1 ATP,原核生物中,肽链的终止不需
GTP,则合成 n肽所需能量 3× n+ 1
六、肽链合成后的“加工处理”
1,N端改造 fMet的切除
2,信号肽 (能透膜,进行蛋白质的锚定)的切除
3,氨基酸的修饰 /改造
肽链内或肽链间的二硫键的形成、乙酰化、甲基化
氨基酸残基的修饰( Pro-OH/Cys-OH)
4.糖基化 ( Asp,Ser,Thr,Asn)
5,某些多肽要经特殊 的酶切一段肽链 后才有生物活性 (如:
胰岛素 )
6,高级结构的形成 在分子伴侣的协助下形成正确的结构
7.锚定(定位)
七、蛋白质生物合成的调节
1.转录水平调节
2.转录后水平调节
3.翻译水平调节
蛋白质合成抑制剂:
抗生素类阻断剂
a,链霉素、卡那霉素、新霉素等,主要抑制革兰氏阴性细菌蛋白质
合成的三个阶段:① 50S起始复合物的形成,使氨基酰 tRNA从复合物中脱落;②
在肽链延伸阶段,使氨基酰 tRNA与 mRNA错配;③在终止阶段,阻碍终止因了与核
蛋白体结合,使已合成的多肽链无法释放,而且还抑制 70S核糖体的介离。
? b.四环素和土霉素
? c.氯霉素
? d.白喉霉素( diphtheria toxin)
由白喉杆菌所产生的白喉霉素是真核细胞蛋白质合成抑制剂。它对
真核生物的延长因子 -2( EF-2)起共价修饰作用,生成 EF-2腺苷二
磷酸核糖衍生物,从而使 EF-2失活,它的催化效率很高,只需微量
就能有效地抑制细胞整个蛋白质合成,而导致细胞死亡
? e.亚胺环己酮(放线菌酮)
只抑制真核 60S亚基的肽酰转移酶活性
干扰素对病毒蛋白合成的抑制
愿生物化学为你插上翅膀
在生命科学世界里展翅翱翔