第十四章蛋白质的生物合成 第一节蛋白质生物合成体系 、信使RNA(mRNA):在细胞总RNA中所占比例很小 (一)mRNA作为pr生物合威的直接模板,也可以说:mRNA是将DNA遗 传信息传递给pot的信使,不同的蛋白质各有其特定的mRNA模板。 原核生物中:一种mRNA常带有多个功能相关蛋白质的编码信息,在翻译 过程中可同时合成这些蛋自质。 真核生物中一种mRNA只带有一种蛋白质或多肽链的编码信息,因而其 mRNA种类很多每个细胞可达万种)。 (二)遗传密码:即mRNA分子中相邻3个核苷酸排列而成。 由数学推导:每3个相邻核苷酸代表1种氨基酸,即:43=64(密码子) 1961年,生物化学家 Nirenberg等用大肠杆菌无细胞体系外加20种标记氨 基酸混合物及poU经保温反应后,发现多肽中只有Phe多聚体,由此证实 UUU是Phe的密码子;接着用同样的方法确定: CCC Pro→ AAA→Lys:而后又用 polyU、 polyA等做实验,终于1965年确定了 为20种氨基酸编码的全部密码子。(P394表213) (三)遗传密码的基本特性 l、编码规律;43=64,其中有3组密码子(UAG、UAA、UGA)只能被 肽链释放因子识别:AUG(Me)为起始密码子。 2、无标点符号 不重叠 ABCDEFGHI、、、、、 4、方向性:mRNA編码方向:5′→3 密码阅读方向:5→3′ prot多肽链合成:N端→C端
第十四章 蛋白质的生物合成 第一一节 蛋白质生物合成体系 一一、信使 RNA（mRNA）：：在细胞总 RNA 中所占比例很小 （一一）mRNA 作为 prot 生物合成的直接模板，，也可以说：：mRNA 是将 DNA 遗 传信息传递给 prot..的信使，，不同的蛋白质各有其特定的 mRNA 模板。 原核生物中：：一一种 mRNA 常带有多个功能相关蛋白质的编码信息，，在翻译 过程中可同时合成这些蛋白质。 真核生物中一一种 mRNA 只带有一一种蛋白质或多肽链的编码信息，，因而其 mRNA 种类很多(每个细胞可达万种)。 （二）遗传密码：：即 mRNA 分子中相邻 3 个核苷酸排列而成。 由数学推导：：每 3 个相邻核苷酸代表 1 种氨基酸，，即：：4 33 = 64（密码子） 1961 年，，生物化学家 Ni’’renberg 等用大肠杆菌无细胞体系外加 20 种标记氨 基酸混合物及 polyU,,经保温反应后，，发现多肽中只有 Phe 多聚体，，由此证实 UUU 是 Phe 的密码子；；接着用同样的方法确定：：CCC Pro AAA Lys；；而后又用 polyUG、polyAC 等做实验，，终于 1965 年确定了 为 20 种氨基酸编码的全部密码子。（P394 表 21--3） （三）遗传密码的基本特性：： 1、编码规律；；4 33 = 64，，其中有 3 组密码子（UAG、UAA、UGA）只能被 肽链释放因子识别；；AUG（Met）为起始密码子。 2．．无标点符号；； 3．．不重叠；； A B C D E F G H I、、、、、、 4．．方向性：：mRNA 编码方向：：5′′→3′′；； 密码阅读方向：：5′′→3′′；； prot 多肽链合成：：N 端→C 端
5、简并性:一种氨基酸有2个或2个以上密码子的现象。 同义密码子:可编码相同氨基酸的密码子 生物学意义:①可以降低有害的突变;②可使DNA碱基组有较大变化 余地,并在物种稳定上起一定作用 6.摆动性( wobble):密码子的第三位碱基呈动现象。 例:Aa的4个同义密碍子 GCU\ GCC、GCA、GCG 密码子的专一性由前二位碱基决定,第三位可容许一定变化。 是:在tRNA的反密码子中,除A,U,G,0生种碱基外,还经常出现次黄嘌呤(I)次黄嘌呤 的特点是它与U、A、0三者之间都可形成配对,这就使得凡带有Ⅰ碱基的反密码子都具有阌 读nRNA上密码了的非凡能力,从而减低了由于遗传密码突变而引起的误差。这一点已经得 到实验证明。酵母试NAM的反密码子为IG,可阅读C,2,0OA几组密码子; 反密码子:3-(-G-I53C-G-1-3-CG15 密码了.C-U5G0C-C-A3 击RNA反密码子上的,U可分别与密码子上的U,0和(,A配对(表15 7、通用性:各种高、低等生物(人、动、植物、微生物、病毒等)一般 可共用一套密码:但也有例外,人线粒体中UGA→Tp,不是终止蜜码。 二、转运RNA(tRNA细胞中约有50种tRNA,所以每一种AA有一种 或以上的tRNA作为转运工具,占AA结合后的tRNA称为氨基酰RNA 如tRNA eRNA的功能;l、转运AA功能:3′-CCA_OH 2、识别密码功能:反密码环上相邻3个核苷酸排列而成。 (反密码子)
5．．简并性：：一一种氨基酸有 2 个或 2 个以上密码子的现象。 同义密码子：：可编码相同氨基酸的密码子 生物学意义：：①可以降低有害的突变；；②可使 DNA 碱基组有较大变化 余地，，并在物种稳定上起一一定作用；； 6．．摆动性（wobble）：：密码子的第三位碱基呈摆动现象。 例：：Ala 的 4 个同义密码子：：GCU、GCC、GCA、GCG 密码子的专一一性由前二位碱基决定，，第三位可容许一一定变化。 7．．通用性：：各种高、低等生物（人、动、植物、微生物、病毒等）一一般 可共用一一套密码；；但也有例外，，人线粒体中 UGA Trp，，不是终止密码。 二、转运 RNA（tRNA）：：细胞中约有 50 种 tRNA，，所以每一一种 AA 有一一种 或以上的 tRNA 作为转运工具，，占 AA 结合后的 tRNA 称为氨基酰 tRNA 。 如 tRNA LLeeuu tRNA 的功能：：1、转运 AA 功能：：3′′——CCA——OH 2、识别密码功能：：反密码环上相邻 3 个核苷酸排列而成。 （反密码子）
MRNA 图21-9密码子与反密码子之间的识别 三、核糖体RNA(rRNA)是合成pt的工厂的“装配机” 结构特点:是一个巨大的核糖体蛋白质。 1、真核生物细胞中核糖体可游离存在,也可与细胞内质网结合一 (粗糙内质网) 真核细胞核糖体由二个亚基构成 大亚基(60s)包括蛋白质50多种及28 STRNA,5 STRNA 小亚基(40S)包括蛋自质30多种及l8 SrRNA(约2100个核眷酸残基)s 2、原核细胞核糖体:包括大亚基50s,小亚基30 3、核糖体大小亚基与mRNA有不同的结合特性: 大肠杆菌小亚基能单独与mRNA结合→30s核体一mRN复合物 可与tRNA专一结合 50s亚基不能与mRNA结合,但可非专一地与tRNA结合。 50s亚基上有二个tRNA位点:A位:(氨酰基位点、受位) (P400图215) P位(肽基位点、给位)
三、核糖体 RNA（rRNA）：：是合成prot 的工厂的“装配机”。 结构特点：：是一一个巨大的核糖体蛋白质。 1、真核生物细胞中核糖体可游离存在，，也可与细胞内质网结合 （粗糙内质网）。。 真核细胞核糖体由二个亚基构成：： 大亚基（60s）；；包括蛋白质 50 多种及 28S rRNA，，5S rRNA；； 小亚基（40S）：：包括蛋白质 30 多种及 18srRNA（约 2100 个核苷酸残基）。 2、原核细胞核糖体：：包括大亚基 50s，，小亚基 30s。 3、核糖体大小亚基与 mRNA 有不同的结合特性：： 大肠杆菌小亚基能单独与 mRNA 结合 30S 核糖体—— mRNA 复合物 可与 tRNA 专一一结合 50s 亚基不能与 mRNA 结合，，但可非专一一地与 tRNA 结合。 50S 亚基上有二个 tRNA 位点：：A 位：：（氨酰基位点、受位） （P400 图 21--5） P 位（肽基位点、给位）
这二个部位紧相连接。各相当子mRNA一个密码子的宽度转肽腐位子 个部位之间。这里是形成肽键的中心部位。 肽酰基位点 (P位点)氨酰基位点 (A位点) 大亚基 AA 反密码子 小亚基 mRNA 结合位点 密码子 图2-5大肠杆菌mUS核糖体图解 与mRNA结合但可非专一地与NA相结合,5亚基上有两个识NA位点:氨酰基位点 (A位点)与默酰基位点(P位点)。这两个位点的位置可能是在68亚基与808亚基相结合的 表画上。508亚基上还有一个在肽酰RNA移位过程中使GIP水解的位点。在58与88 亚基的接触面上有一个结合mRNA的位点(图21-5)。此外,核糖体上还有许多与起始因子 延仲因子,释放因子及与各科酶相结合的位点。至此,不难看出核糖体是一个多么复杂的结 构它真配得上称为蛋白质合成的厂。 第二节蛋白质合成机理 一合成特点 (一)肽链延伸方向及速度(快)应用同位素实验发现: 肽链合成方向是:N端→C端 大肠杆菌延伸20个AA/秒/个核糖体 兔网织红C(真核)合成(37C)一条Hba链(146个AA)/3分钟 (二)mRNA链上翻译方向:5,3
这二个部位紧相连接，，各相当于 mRNA 一个密码子的宽度，，转肽酶位于 二个部位之间，，这里是形成肽键的中心部位。 第二节 蛋白质合成机理 一、合成特点：： （一一）肽链延伸方向及速度（快）：：应用同位素实验发现：： 肽链合成方向是：：N 端→C 端；； 大肠杆菌延伸 20 个 AA/ 秒 /一一个核糖体 兔网织红 C（真核）合成（37 00C）一一条 Hbα链(146 个 AA)/ 3 分钟 （二）mRNA 链上翻译方向；；5’’ 3’’
(三)氨基酸的活化(氨醚RNA的合成)(P402、403) l、氨基酸的羧基活化在可溶性细胞质内完成,反应分二步 (1)ATP+氨基酸 氨基酸一AMP醚+PP (g除RNA合成) H N CHe (Δ代表腺嘌呤,五代表酶) H (2)氨基酸从氨基酸一AMP酶复合物转移到相应的RNA上: 氨基酸一AMP醚+RNA—氨酰tRNA+AMP+酶 氨基酸连接在RNA3,一末端的AMP上: OH ≈C-C-R NH, 总反应为:氨基酸+RNA+ATP 氨RNA+AMP+PF 2、氨除代RNA合成藻存在于胞液中,特异性很高, ①专一性识别AA(LAA ②专一性识别1RNA:每一种酶只催化一种AA与其对应tRNA结合, 所以胞液中有20种以上此酶 对每一个AA的活化来说,净消耗二个高能磷酸健反应基本不可逆 (四)tRNA的接头作用
（三）氨基酸的活化（氨酰 tRNA 的合成）：：（P402、403） 1、氨基酸的羧基活化在可溶性细胞质内完成，，反应分二步：： （1）ATP+ 氨基酸 Mg ++++ 氨基酸——AMP——酶 + PPi （氨酰 tRNA 合成酶） 2Pii （2）氨基酸从氨基酸——AMP——酶复合物转移到相应的 tRNA 上：： 氨基酸——AMP——酶 + tRNA 氨酰 tRNA + AMP+ 酶… 氨基酸连接在 tRNA3’’——末端的 AMP 上：： 总反应为：：氨基酸 + tRNA+ ATP 氨酰 tRNA+ AMP+ PPi 2、氨酰 tRNA 合成酶存在于胞液中，，特异性很高，， ①专一一性识别 AA（L--AA）；； ②专一一性识别 tRNA：：每一一种酶只催化一一种 AA 与其对应 tRNA 结合，， 所以胞液中有 20 种以上此酶。 对每一个 AA 的活化来说，，净消耗二个高能磷酸键，，反应基本不可逆 （四）tRNA 的接头作用：：
BNA在识别mNA分子上的蜜码子时,具有接an)的n作氨基酸一且与 RNA形成氨酰-NA后,进一步的去向就由NA来决定了。NA凭借自身的反密码 子与mRN分子上的密码子相识别(图219)面把所带約氨基酸送到肽链的一定位置上。 tRNA分子上与多欣合成有关的位点至少有生个 1.3端COA上的氨基酸接受位点; 2.识别氨酰-RNA合成酶的位点; 8.核糖体识别位点; 4.反密码子位点。 二、肽链合成过程?又称核蛋白体循环:(橛念) 指已活化的AA由RNA转运至核蛋自体上,以mRNA为模板合成 多肽链的过程,肽链合成后,核蛋白体又可循环使用。 通常把这一复杂的过程分为三个阶段: (一)起始? 1、起始密码子(AUG)起始AA(Met) 原核细胞内有二种携带甲硫氨酸的 RNA: IMet-tRNA和NA 起始物为N甲酰甲硫氨酰tRNA (参与延伸过程) 16人、AUG AuG 山、-3+IF3 ⊥ 30s ORNA 3 P位点 A位点 fM fet→tRN 508核糖体 fMet GTP,正12 50S GDP+P IF3 正1IF2 (起始因子 30s 2、70S起始复合物的形成
二、肽链合成过程：：又称核蛋白体循环：：（概念） 指已活化的 AA 由 tRNA 转运至核蛋白体上，，以 mRNA 为模板合成 多肽链的过程，，肽链合成后，，核蛋白体又可循环使用。 通常把这一一复杂的过程分为三个阶段：： （一）起始：： 1、 起..始密码子（AUG）；；起始 AA（Met） 原核细胞内有二种携带甲硫氨酸的 tRNA：：fMet--tRNAf f 和 tRNA MMeet t 起始物为 N--甲酰甲硫氨酰--tRNA （参与延伸过程） 2、70S 起始复合物的形成：：
(1)先形成30s起婚复合物(30s核糖体 mRNA-MMet -) (2)70s起始复合物的形成:(70S核蛋白体 mRNA-MMet-tRNAN) (二)延伸:分三步进行: 1、进位:新进入的氨酰tRNA结合到7S核糖体的A位点,新进入的 氨酰RNA上的反密码子必须与在A点上的mRNA上的密码子相互补。 这一反应需要GTP及两类蛋自质因子参加,延伸因子EF和EFIs 2.肽链的形成歇酰基从P位点转移到A位点同时形成一个新的肽键,即进入Δ位 点的氨酷tRNA上的氨基与P位点上的賦酰-tRNA上的羧基之间形成一个新的肽键。这一 步需要有60S核糖体上的蛋白因子即肽酰转移酶( peptidyltransferase〕参加。同时P位点 上的tRNA卸下耿链而成为无负载的+NA面A位点上的NA这时所携带的不再是一个 氨基酸而是一个二(图21。这一步反应还需要有较高浓度的+参加。 A位点 AA). (延伸因子) (AA), (移位酶) GTP EFTu AALRNA P GTPEFG A 3GDP EFTu S ⊥1 2GTP3 EFG+GDP+Pi 3.移位移位( relocation)是指核糖体沿mRNA(5-3)作相对移动。每次移动的 距离为一个密码子的距离。移位的结釆使原来在A位点上的肽酰tRNA。又回到了P位点 上,原来在P位点上的无负载的妞N△离开核糖体。移位反应需要一个蛋白质因子参加,它 称延伸因子G,缩写成EFG,也称移位酶( translocase,还需要(IP。但QIP的具体作用尚 不清楚。过去认为GP水解成GDP时释出的能量直接用于肽键的合成,而目前却认为这部 分能量是用于使IF2EFT及EFG等因子从核糖体上释出,使它们投入另一轮延伸反应中 去 总之,每经过这三个过程,肽链延伸一个AA残基,直至出现终止密码子。 终止
（1）先形成 30S 起始复合物（30S 核糖体--mRNA--fMet--tRNAf f）；； （2）70S 起始复合物的形成：：（70S 核蛋白体--mRNA--fMet--tRNAf f MMeet t） （二）延伸：：分三步进行：： 1、进位：：新进入的氨酰--tRNA 结合到 70S 核糖体的 A 位点，，新进入的 氨酰--tRNA 上的反密码子必须与在 A 点上的 mRNA 上的密码子相互补。 这一一反应需要 GTP 及两类蛋白质因子参加，，延伸因子 EFTu 和 EFTs。 总之，，每经过这三个过程，，肽链延伸一一个 AA 残基，，直至出现终止密码子。 （三）终止：：
mRNA终止密码子进入A位点时,蛋自质因子、终子因子(释放因子) 可识别并结合到A位点上,肽链合成停止,转肽酶活性改变一→水解作用 已合成的多肽链从核蛋白体上释放出来→mRNA与核蛋白体解离 核蛋自体解离为大小亚基一→可重新组合参加新肽链合成。 肽链合成的终止( berming0)包括两步(图21-1):1.对mRNA上终止信号的识别; 2完工的肽酰RNA酯键的水解,以便使新合成的肽键释放出来,mRNA上肽链合成终止 密码子为:UAA,UAG,GA。三种蛋白因子(BF,RF2BEF)参与这一步。R1(分子量为 500)以识别密码子UAA,UAG。RF2(分子量为50助识别UAA,UAG。RF3不识 别任何终止密码子,但能协助肽链释放。RF1或RF2可能还可以使P位点上的默酰转移酶活 力转变成为水解活力,从而使肽酰-tRNA不再转移到氨酰-tRNA上,而转入水相中。一且 邯RNA从70S核糖体上脱落,该核糖体就立即离开mBNA,解离成508与80亚基,重又投 入新一轮反应中去。2F与308亚基结合后,可防止60亚基与808亚基的聚合。 三、真核细胞pot合成:(了解) 1.核糖体更大真核细胞核糖体为80S,可解离成60与40两个亚基。真核细胞核糖 体的质量为4200000原核细胞的只有270004亚基含有18RNA,60亚基含 有5S,5.88及288rRNA。 2.起始扭RNA真核细胞多肽合成的起始氦基酸为甲硫氨酸;而不是N甲酰甲硫氨酸。 起始tRNA为Meb+RNA6,此RNA分子不含卫0序列。 3.起始密码子为AUG,它的上游5-端也不含富嘌呤的序列。通常,在mRNA5′-末 端的AUG密码子所在的部位也就是多肽合成的起点。40S核糖体与m-NA5-端的帽子相 结合后,向3-方向移动,以便寻找AUG密码子。这过程要消耗ATP。Me- tRNa上的反 密码子与40S亚基相结合,并与mRNA上的AUG形成互补碱基对。真核细胞mRNA通常 只有一个AUG密码子,每种mRNA只转译出一种多默。 4.808起始复合物真核细胞转译中涉及的蛋白因子较多,从兔网织红细胞中已分离出 多种蛋白因子。用eIF来表示真核细胞转译中的起始蛋白因子。(表21-10
mRNA 终止密码子进入 A 位点时，，蛋白质因子、终子因子（释放因子） 可识别并结合到 A 位点上，，肽链合成停止，，转肽酶活性改变 水解作用 已合成的多肽链从核蛋白体上释放出来 mRNA 与核蛋白体解离。 核蛋白体解离为大小亚基 可重新组合参加新肽链合成。 三、真核细胞 prot..合成：：（了解）
5.脉链延伸因子与终止因子真核细胞中的肽链延伸因子为EF1和EF18y (相当于原核细胞中的FT和飞。 真核细胞中的多肽合成终止因子称信号释放因子( signal release factor)写成eR 6,.蛋白质激酶参与真核细胞蛋白质合成的调节 在真核细胞中,蛋白质激酶( protein kinase)可以催化起始因子eF2磷酸化 eF2的作用是将 Mot-tRNA送至4S核糖体亚基上,eF2被磷酸化后就难以 再投入下一轮的起始作用所以蛋白质合成受到抑制。 四、pro合成所需能量及GTP作用 每合成一个肽键至少消耗4个高能磷酸键 1、AA活化:ATP→AMP+pp(2个) 2、进位:GTP GDP+pi 3、移位: GTP GDP+pi GTP水解反应除提供能量外,GTP还是一种变构因子 蛋白质因子大分子无活性神象 活性神象 五、蛋白质合成的抑制剂嘌呤霉素还有许多抗菌素及毒素可抑制蛋白质合成 氯霉素、四环素链霉素只抑制原核细胞的转译,但不作用于真核细胞 亚胺环已酮 ycloheximide)只作用于8s核糖体,所以只抑制真核细胞的转译 白喉棒状杆菌所产生的白喉毒素是一种蛋白质,可与EF2结合而抑制肽链的移位作用。 第三节多肽合成后的定向输送与加工 在核糖体上新合成的多肽被送往细胞的各个部分,以行使各自的生物功能。大肠杆菌新 合成的多肽,一部分仍停留在胞浆之中,一部分则被送到质膜,外膜、或质膜与外膜之间的空 隙。有的也可分泌到胞外。真核细胞中新合成的多肽被送往溶酶体、线粒体、叶绿体、胞核等 细胞器。所以新合成的多賦的输送是有目的地定向地进行的
四、prot..合成所需能量及 GTP 作用：： 每合成一一个肽键至少消耗 4 个高能磷酸键 1、AA 活化：：ATP AMP+ppi （2 个） 2、进位：：GTP GDP+pi 3、移位：：GTP GDP+pi GTP 水解反应除提供能量外，，GTP 还是一一种变构因子 蛋白质因子大分子无活性构象←←←← 活性构象 第三节 多肽合成后的定向输送与加工
一、信号肱及信号肽的识别 在真核细胞中,当某一种多肽的N端刚开始合成不久,这种多肽合成后的去向就已被决 定。一部分核糖体以游离状态停留在胞浆中,它们只合成供装配线粒体及叶绿体膜的蛋白质。 另一部分核糖体,受紆合成的多肽的N端上的信号肽( signa sequence)所控制而进入内质 网,使原来表面平滑的内质网(GmhE)变成有局部凸起的粗糙内质网( rough ER)2 信号肽的概念首先是由D,8a16n8和(.B}bel所提出的。 当时,只是在体外合成的未经转译后加工的免疫球蛋白上找到了信号肽,但不能在体内 合成的经过转译后加工的成熟免疫球蛋白上找到它。因为在体内合成时,在转译后加工时 信号肽被信号肽酶 signal peptidase)切掉了在很多真核细胞的分泌蛋白中都发现有信号肽。 信号肽具有一些共同的特征:链长度为13206个氨基酸残基,氨基端至少含有一个带 正电荷的氨基酸在中部有一段长度为10-15氮基酸残基的由高度疏水性的氨基酸组成的酞 链常见的为丙氨酸亮氨酸缬氨酸异亮氨酸和苯丙氨酸。这个水区极重要,其中某一个 氨基酸被非极性氨基酸置换时,信号肽即失去其功能;在信号肽的0-端有一个可被信号肽酶 识别的位点,此位点上游常有一段疏水区较强的5肽,信号肽酶切点上游的第一个(-1)及第 个(-8)氨基酸常为具有一个小侧链的氨基酸(如两氨酸)。 切点 人生长激素 MATGSRTSLLLAFGLL CLPWL QEGSA FPT 人岛薪原 MALWMRL L PLLALL ALWGPDPAAA FVN 信号肽的位置也不一定在新生肽的N-端。有些蛋白质(如卵清蛋白)的信号肽位于多肽 链的中部,但其功能则相同。 那么,信号肽又是由什么蛋白质加以识别的呢? Blobel等已证明,识别信号肽的是一种核 蛋白体称为信号识别体( signal recognition particle,RP) 二、内质网上多肽的糖基化修饰 多肽经移位后,在内织网的小腔 umen)中被修饰。这些修饰作用包括:N-端信号肽的 切除;二硫键形成,使线形多肽呈现一定空间结构及糖基化作用。 通常在糖蛋白上发现的寡聚糖核是五聚糖。其成分为三分子什露糖及二分子N乙酰胺基 葡萄糖(N-0 styiglucosamine)但是在糖蛋白形成过程中寡聚糖核的形成过程较为复杂。 高尔基体中多肽的糖基化修饰及多肽的分类 高尔基体主要有两方面功能:一是对糖蛋白上的寡聚糖核作进一步修怖与调整;二是将 各种多肽进行分类并送往溶酶体、分泌粒( granule和质膜等目的地。但是何种蛋白质应送往 何处,是由蛋白质本身的空间结构决定的