生物化學(xué)蛋白質(zhì)的合成

1、蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成(翻譯翻譯)Protein Biosynthesis (Translation)蛋白質(zhì)生物合成的定義蛋白質(zhì)生物合成的定義在多種因子輔助下，由在多種因子輔助下，由tRNA攜帶并轉(zhuǎn)運相應(yīng)氨基攜帶并轉(zhuǎn)運相應(yīng)氨基酸，識別酸，識別mRNA上的三聯(lián)體密碼子，在核糖體上上的三聯(lián)體密碼子，在核糖體上合成具有特定序列多肽鏈的過程。合成具有特定序列多肽鏈的過程。 它的本質(zhì)是它的本質(zhì)是將將mRNA分子中分子中4種核苷酸序列編碼的遺傳信息種核苷酸序列編碼的遺傳信息（核酸語言）（核酸語言），解讀為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中，解讀為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中20種氨種氨基酸的排列順序基酸的排列順序（蛋白質(zhì)語言

2、），（蛋白質(zhì)語言），也稱也稱翻譯翻譯(translation) 。 蛋白質(zhì)生物合成過程蛋白質(zhì)生物合成過程蛋白質(zhì)生物合成體系蛋白質(zhì)生物合成體系蛋白質(zhì)生物合成系蛋白質(zhì)生物合成系Protein Biosynthesis System蛋白質(zhì)生物合成體系蛋白質(zhì)生物合成體系u基本原料：基本原料：20種編碼氨基酸種編碼氨基酸u模板：模板：mRNAu適配器：適配器：tRNAu裝配場所：核糖體裝配場所：核糖體u主要酶和蛋白質(zhì)因子：氨基酰主要酶和蛋白質(zhì)因子：氨基酰-tRNA合成酶、轉(zhuǎn)肽酶、合成酶、轉(zhuǎn)肽酶、轉(zhuǎn)位酶、起始、延長、釋放因子等轉(zhuǎn)位酶、起始、延長、釋放因子等u能源物質(zhì)：能源物質(zhì)：ATP、GTPu無機離子：無

3、機離子：Mg2+、 K+mRNA ( (蛋白質(zhì)合成的信息模板蛋白質(zhì)合成的信息模板) )mRNAmRNA中每三個相鄰的的核苷酸組成三聯(lián)體，代表中每三個相鄰的的核苷酸組成三聯(lián)體，代表一個氨基酸或起始和終止信息，此三聯(lián)體就稱為一個氨基酸或起始和終止信息，此三聯(lián)體就稱為密碼子（密碼子（codon）。共有。共有6464中不同的密碼，起始中不同的密碼，起始密碼：密碼：AUG;AUG;終止密碼終止密碼:UAA:UAA、UAGUAG、UGA.UGA.從從mRNA 5 -端的起始密碼子端的起始密碼子AUG到到3 -端終止密端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架開放閱讀框架(op

4、en reading frame, ORF)。遺傳密碼的特點遺傳密碼的特點u方向性方向性(direction) ： 翻譯時的閱讀方向只能從翻譯時的閱讀方向只能從53u連續(xù)性連續(xù)性 (commaless): mRNA的密碼子之間沒有間隔核的密碼子之間沒有間隔核苷酸苷酸u簡并性簡并性(degeneracy)： 一種氨基酸可具有一種氨基酸可具有2個或個或2個以上個以上的密碼子為其編碼的密碼子為其編碼u通用性通用性(universal)： 從細(xì)菌到人類都使用著同一套遺從細(xì)菌到人類都使用著同一套遺傳密碼傳密碼u擺動性擺動性(wobble)： 反密碼子與密碼子之間的配對有反密碼子與密碼子之間的配對有時并不

5、嚴(yán)格遵守常見的堿基配對規(guī)律時并不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對規(guī)律u連續(xù)性連續(xù)性mRNA序列上的各個密碼子及密碼子的各堿基是連續(xù)排列的，之間沒序列上的各個密碼子及密碼子的各堿基是連續(xù)排列的，之間沒有間隔，即具有無標(biāo)點性。有間隔，即具有無標(biāo)點性。翻譯時從翻譯時從AUG開始向開始向3-端連續(xù)讀碼，每端連續(xù)讀碼，每個堿基只讀一次，不重疊閱讀，直至終止密碼子出現(xiàn)。個堿基只讀一次，不重疊閱讀，直至終止密碼子出現(xiàn)。 開放閱讀框架中插入或缺失開放閱讀框架中插入或缺失1個或個或2個堿基的基因突變，引起個堿基的基因突變，引起mRNA閱讀框架發(fā)生移動，編碼的蛋白質(zhì)徹底喪失功能，稱為閱讀框架發(fā)生移動，編碼的蛋白質(zhì)徹底喪失功

6、能，稱為移碼突變移碼突變(frameshift mutation)，“后果很嚴(yán)重后果很嚴(yán)重”；如同時連續(xù)插入或缺失如同時連續(xù)插入或缺失3個堿基，則只會在蛋白質(zhì)產(chǎn)物中增加或缺失個堿基，則只會在蛋白質(zhì)產(chǎn)物中增加或缺失一個氨基酸，但不會導(dǎo)致閱讀框移位，對蛋白質(zhì)的功能影響相對較小。一個氨基酸，但不會導(dǎo)致閱讀框移位，對蛋白質(zhì)的功能影響相對較小。u簡并性簡并性 64個密碼子中有個密碼子中有61個編碼氨基酸，而氨基酸只有個編碼氨基酸，而氨基酸只有20種，種，因此有的氨基酸可由因此有的氨基酸可由可具有可具有2個或個或2個以上的密碼子為其編個以上的密碼子為其編碼。這一特性稱為遺傳密碼的碼。這一特性稱為遺傳密碼的

7、簡并性簡并性。例如，。例如，UUU和和UUC都是苯丙氨酸的密碼子都是苯丙氨酸的密碼子.多數(shù)情況下，簡并性密碼子的前兩位堿基相同多數(shù)情況下，簡并性密碼子的前兩位堿基相同 ，僅第三，僅第三位有差異，即密碼子的特異性主要由前兩位核苷酸決定，位有差異，即密碼子的特異性主要由前兩位核苷酸決定，如蘇氨酸的密碼子是如蘇氨酸的密碼子是ACU、ACC、ACA、ACG。這意味。這意味著著第三位堿基的改變往往不改變其密碼子的編碼氨基酸，第三位堿基的改變往往不改變其密碼子的編碼氨基酸，合成的蛋白質(zhì)具有相同的一級結(jié)構(gòu)合成的蛋白質(zhì)具有相同的一級結(jié)構(gòu)。因此，遺傳密碼的簡。因此，遺傳密碼的簡并性可低基因突變的生物學(xué)效應(yīng)并性可

8、低基因突變的生物學(xué)效應(yīng)mRNA的功能：的功能：蛋白蛋白質(zhì)質(zhì)合成的直接模板，合成的直接模板， 堿堿基排列基排列順順序序決決定了定了氨氨基酸的排列基酸的排列順順序，序，密密碼碼的的閱讀閱讀方向方向為為53 tRNA作用作用運載氨基酸：運載氨基酸：氨基酸各由其特異的氨基酸各由其特異的tRNA攜帶，一種氨基酸可有幾攜帶，一種氨基酸可有幾種對應(yīng)的種對應(yīng)的tRNA，氨基酸結(jié)合在，氨基酸結(jié)合在tRNA的的3 -CCA的位置，結(jié)合需要的位置，結(jié)合需要ATP供能；供能；充當(dāng)充當(dāng)“適配器適配器”：每種每種tRNA的反密碼子決定了所攜帶的氨基酸能的反密碼子決定了所攜帶的氨基酸能準(zhǔn)確地在準(zhǔn)確地在mRNA上對號入座。上

9、對號入座。功能功能通過通過3-CCA-OH將氨基酸帶到蛋白質(zhì)合成場所，通過反密碼子將氨將氨基酸帶到蛋白質(zhì)合成場所，通過反密碼子將氨基酸正確就位。基酸正確就位。二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)反密反密碼環(huán)碼環(huán)氨氨基酸臂基酸臂tRNA的的構(gòu)構(gòu)象象cloverleaf12核糖體核糖體肽鏈肽鏈“裝配廠裝配廠”u核核糖體糖體的組成的組成核糖體核糖體又稱又稱核蛋白體核蛋白體，是由，是由rRNA和多種蛋白質(zhì)組成的復(fù)合體，和多種蛋白質(zhì)組成的復(fù)合體，是蛋是蛋白質(zhì)生物合成的場所。白質(zhì)生物合成的場所。u核糖體的功能核糖體的功能蛋白質(zhì)合成的場所，由大小亞基組蛋白質(zhì)合成的場所，由大小亞基組成，成，小亞基與小亞基與mRN

10、A結(jié)合，核糖體上有結(jié)合，核糖體上有P位和位和A位，是形成肽鍵的中心位，是形成肽鍵的中心 核蛋白體核蛋白體 原核生物中的蛋白體大小為原核生物中的蛋白體大小為70S，可分為，可分為30S小亞基和小亞基和50S大亞基大亞基. 核蛋白體的大小亞基分別有不同的功能：核蛋白體的大小亞基分別有不同的功能： u小亞基小亞基：可與可與mRNA、GTP和起始和起始tRNA結(jié)合結(jié)合u大亞基：大亞基：具有兩個不同的具有兩個不同的tRNA結(jié)合點。結(jié)合點。 A位位受位，可與新進(jìn)入的氨基酰受位，可與新進(jìn)入的氨基酰tRNA結(jié)合；結(jié)合； P位位給位，可與延伸中的氨基酸給位，可與延伸中的氨基酸t(yī)RNA結(jié)合。結(jié)合。 具有轉(zhuǎn)肽酶活性

11、。具有轉(zhuǎn)肽酶活性。rRNA的結(jié)構(gòu)特點的結(jié)構(gòu)特點修飾堿基較少多為甲基化修飾堿基較少多為甲基化; ;不同來源的不同來源的rRNArRNA某些區(qū)域具有某些區(qū)域具有高度的同源性高度的同源性; ;含有大量的莖環(huán)結(jié)構(gòu)含有大量的莖環(huán)結(jié)構(gòu). .u重要的酶類重要的酶類氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的，催化氨基酸的活化；活化；轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)肽酶(peptidase)，將將P P位上的肽?；D(zhuǎn)給位上的肽?；D(zhuǎn)給A A位上的氨基，生成肽鍵位上的氨基，生成肽鍵轉(zhuǎn)位酶轉(zhuǎn)位酶(translocase)，催化核糖體向，催化核糖體向mRNA的的3-端移動一個密碼子端

12、移動一個密碼子的距離，使下一個密碼子定位于的距離，使下一個密碼子定位于A位。位。u蛋白質(zhì)因子蛋白質(zhì)因子起始因子（起始因子（initiation factor，IF）延長因子（延長因子（elongation factor，EF）釋放因子（釋放因子（release factor，RF）u能源物質(zhì)及離子能源物質(zhì)及離子蛋白質(zhì)生物合成的能源物質(zhì)為蛋白質(zhì)生物合成的能源物質(zhì)為ATP和和GTP;參與蛋白質(zhì)生物合成的無機離子有參與蛋白質(zhì)生物合成的無機離子有Mg2+、K+ 等。等。u蛋白質(zhì)因子蛋白質(zhì)因子起始因子（起始因子（initiation factor，IF）延長因子（延長因子（elongation fact

13、or，EF）釋放因子（釋放因子（release factor，RF）參與參與原核生物原核生物翻翻譯譯的各的各種種蛋白蛋白質(zhì)質(zhì)因子及其生物因子及其生物學(xué)學(xué)功能功能18蛋白質(zhì)的生物合成過程蛋白質(zhì)的生物合成過程u蛋白質(zhì)合成的三個過程蛋白質(zhì)合成的三個過程: (1) 氨基酸的活化氨基酸的活化; (2) 肽鏈的合成；肽鏈的合成；(3) 肽鏈合成后的折疊加工、修飾、蛋白質(zhì)的靶向運輸肽鏈合成后的折疊加工、修飾、蛋白質(zhì)的靶向運輸u氨基酸與特異的氨基酸與特異的tRNA結(jié)合形成氨基酰結(jié)合形成氨基酰-tRNA的過程稱的過程稱為為氨基酸的活化氨基酸的活化。u氨基酸的活化形式是氨基酰氨基酸的活化形式是氨基酰-tRNA，氨

14、基酰氨基酰-tRNA合成合成酶酶催化完成。催化完成。u氨基酰氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特都有高度特異性。異性。u氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。合成酶具有校正活性。氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶* 活化的部位活化的部位 ： -COOH* 活化的形式：活化的形式：氨基酰氨基酰-tRNA 能量：能量： -ATP 氨氨基?；?tRNA合成酶識別特定氨基酸合成酶識別特定氨基酸和和tRNA反反應(yīng)過應(yīng)過程程2122具有起始功能的具有起始功能的tRNAfMet與甲硫氨酸結(jié)合后，

15、與甲硫氨酸結(jié)合后，甲硫氨酸很快被甲硫氨酸很快被甲?；柞；癁闉镹-甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸(N-formyl methionine, fMet)，于是形成，于是形成N-甲酰甲硫氨甲酰甲硫氨酰酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在，可以在mRNA的起始的起始密碼子密碼子AUG處就位，參與形成翻譯起始復(fù)合物。起處就位，參與形成翻譯起始復(fù)合物。起始密碼子只能辨認(rèn)始密碼子只能辨認(rèn)fMet-tRNAfMet。 n原核生物原核生物起始起始氨氨基基酰酰-tRNA: fMet-tRNAfMet 參與肽鏈參與肽鏈延延長長的甲硫的甲硫氨酰氨酰-tRNA：Met-tRNAMet肽鏈肽鏈合成的起始需要特殊

16、的起始合成的起始需要特殊的起始氨氨基基酰酰-tRNA二、二、肽鏈肽鏈生物合成過程生物合成過程 The Biosynthesis Process of Peptide Chainu起始起始(initiation)u延長延長(elongation)u終止終止(termination ) 翻譯的起始是指翻譯的起始是指mRNA、起始氨基酰、起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結(jié)合分別與核糖體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物的過程。而形成翻譯起始復(fù)合物的過程。24翻翻譯譯起始起始復(fù)復(fù)合物的裝配合物的裝配啟動肽鏈啟動肽鏈合成合成原核生物原核生物翻譯起始復(fù)合物的形成翻譯起始復(fù)合物的形成u 核糖體大、小亞基分離；核糖體大

17、、小亞基分離；u核糖體小亞基結(jié)合于核糖體小亞基結(jié)合于mRNA的起始密碼子附近；的起始密碼子附近；u起始氨基酰起始氨基酰-tRNA結(jié)合在核糖體結(jié)合在核糖體P位；位； u核糖體大亞基結(jié)合形成起始復(fù)合物。核糖體大亞基結(jié)合形成起始復(fù)合物。u 肽鏈延長肽鏈延長指在指在mRNA模板的指導(dǎo)下，氨基酸依次模板的指導(dǎo)下，氨基酸依次進(jìn)入核糖體并聚合成多肽鏈的過程。進(jìn)入核糖體并聚合成多肽鏈的過程。1. 進(jìn)進(jìn)位位(positioning)/注注冊冊(registration)2. 成成肽肽(peptide bond formation)3. 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位位(translocation) 肽鏈延長在核糖體上連續(xù)循環(huán)式進(jìn)行，每

18、次循肽鏈延長在核糖體上連續(xù)循環(huán)式進(jìn)行，每次循環(huán)使多肽鏈增加一個氨基酸殘基，又稱為核糖環(huán)使多肽鏈增加一個氨基酸殘基，又稱為核糖體循環(huán)體循環(huán)(ribosomal cycle)，包括以下三步，包括以下三步：26在核糖體上重在核糖體上重復(fù)進(jìn)復(fù)進(jìn)行的三步反行的三步反應(yīng)應(yīng)延延長肽鏈長肽鏈u進(jìn)位：進(jìn)位：又稱又稱注冊注冊(registration)，是指一個氨基酰，是指一個氨基酰-tRNA按照按照mRNA模板的指令進(jìn)入并結(jié)合到核糖體模板的指令進(jìn)入并結(jié)合到核糖體A位的過程。位的過程。u成肽：是指在成肽：是指在轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)肽酶(peptidase)的催化下，核糖體的催化下，核糖體P位位上起始氨基酰上起始氨基酰-tRNA的的N-甲酰甲硫氨酰基甲酰甲硫氨?；螂孽；螂孽?tRNA的的肽?；孽；D(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到A位并與位并與A位上氨基酰位上氨基酰-tRNA的的-氨基氨基結(jié)合結(jié)合形成肽鍵的過程。形成肽鍵的過程。u轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移： 轉(zhuǎn)位是在轉(zhuǎn)位是在轉(zhuǎn)位酶轉(zhuǎn)位酶的催化下，核糖體向的催化下，核糖體向mRNA的的3 -端