第十二章蛋白质的生物合成 【目的与要求】 1、掌握蛋白质合成体系的组成： 2、掌握蛋白质的合成过程： 3、了解翻译后加工过程。 【教学内容】 1、参与蛋白质生物合成的物质 2、蛋白质的合成过程 3、翻译后加工 【重点与难点】 1、参与蛋白质生物合成的物质及其作用。 2、遗传密码的特点。 3、蛋白质生物合成过程。 【教学方法】 多媒体授课。 【教学时数】 4学时
1 第十二章 蛋白质的生物合成 【目的与要求】 1、掌握蛋白质合成体系的组成； 2、掌握蛋白质的合成过程； 3、了解翻译后加工过程。 【教学内容】 1、参与蛋白质生物合成的物质 2、蛋白质的合成过程 3、翻译后加工 【重点与难点】 1、参与蛋白质生物合成的物质及其作用。 2、遗传密码的特点。 3、蛋白质生物合成过程。 【教学方法】 多媒体授课。 【教学时数】 4 学时
第一节参与蛋白质生物合成的物质 参与蛋白质合成的物质，除氨基酸外，还有mRNA(“模板”)、tRNA(“特异的搬运工 具”)、核糖体(“装配机”)、有关的酶（氨基酰RNA合成酶与某些蛋白质因子），以及ATP、 GP等供能物质与必要的无机离子等。 一、 mRNA是合成蛋白质的直接模板 蛋白质是在胞质中合成的，而编码蛋白质的信息载体DNA却在细胞核内，所以必定 有一种中间物质用来传递DNA上的信息，实验证明：mRNA是遗传信息的传递者，是蛋 白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，因此得名信使RNA。 原核细胞中每种mRNA为多顺反子，而真核细胞中，每种mRNA是单顺反子的形式， mRNA特点：短命原核：半衰期几秒几分钟真核：半衰期数小时。 功能是蛋白质合成的模板，多肽链氨基酸排列顺序就取决于mRNA的核苷酸的排列 顺序。 蛋白质由20种氨基酸构成的，mRNA却只有4种碱基，如果由一种碱基编码氨基酸 那么4种碱基只能决定4种氨基酸：如果2个碱基编码一种氨基酸也只能编码4？种氨 基酸：若由3个碱基作为一组，可以有43-64种排列，那么就满足了编码20种氨基酸的 需要，实验证明：确实是3个碱基编码一种氨基酸。 >三联体密码：3个连续的碱基编码一种氨基酸，即每3个核苷酸组成的1个密码子， 称为三联体密码子，简称密码子。 (一)遗传密码的特点 1、密码的简并性 研究表明，密码子(codon)共有64个，每个密码子是由三个核苷酸（称为三联体， triplet)组成的。有的氨基酸有多个密码子，这种现象称为简并(degenerate),如UUU和 UUC都是苯丙氨酸的密码子，UCU、UCC、UCA、UCG、AGU和AGC都是丝氨酸的密 码子，同一氨基酸的不同密码子称为同义密码子。64个密码子中61个密码子代表一定的 氨基酸，只有3个密码子不代表任何氨基酸，为肽链合成的终止信号。 2、起始信号与终止信号 64个密码子中，61个代表氨基酸。另有3个密码子(UAA、UAG、UGA)为肽链的 终止密码子(terminator codon)不代表任何氨基酸，为终止信号。密码子AUG具有特殊 性，不仅代表甲硫氨酸，如果位于mRNA起始部位，它还代表肽链合成的起始密码子 (initiator codon)。起始密码子常在mRNA的5端附近。作为起始信号的AUG与其局部构 象有关，而局部构象常取决于AUG邻近核苷酸序列。 3、方向性与无间隔性 mRNA的起动信号到终止信号的排列是有一定方向性的。起动信号总是位于mRNA
2 第一节 参与蛋白质生物合成的物质 参与蛋白质合成的物质，除氨基酸外，还有 mRNA（“模板”）、tRNA（“特异的搬运工 具”）、核糖体（“装配机”）、有关的酶（氨基酰 tRNA 合成酶与某些蛋白质因子），以及 ATP、 GTP 等供能物质与必要的无机离子等。 一、mRNA 是合成蛋白质的直接模板 蛋白质是在胞质中合成的，而编码蛋白质的信息载体 DNA 却在细胞核内，所以必定 有一种中间物质用来传递 DNA 上的信息，实验证明：mRNA 是遗传信息的传递者，是蛋 白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，因此得名信使 RNA。 原核细胞中每种 mRNA 为多顺反子，而真核细胞中，每种 mRNA 是单顺反子的形式。 mRNA 特点：短命 原核：半衰期几秒-几分钟 真核：半衰期数小时。 功能是蛋白质合成的模板，多肽链氨基酸排列顺序就取决于 mRNA 的核苷酸的 排列 顺序。 蛋白质由 20 种氨基酸构成的，mRNA 却只有 4 种碱基，如果由一种碱基编码氨基酸， 那么 4 种碱基只能决定 4 种氨基酸；如果 2 个碱基编码一种氨基酸 也只能编码 4 2 种氨 基酸；若由 3 个碱基作为一组，可以有 4 3=64 种排列，那么就满足了编码 20 种氨基酸的 需要，实验证明：确实是 3 个碱基编码一种氨基酸。 ➢ 三联体密码：3 个连续的碱基编码一种氨基酸，即每 3 个核苷酸组成的 1 个密码子， 称为三联体密码子，简称密码子。 （一）遗传密码的特点 1、密码的简并性 研究表明，密码子（codon）共有 64 个，每个密码子是由三个核苷酸（称为三联体， triplet）组成的。有的氨基酸有多个密码子，这种现象称为简并（degenerate），如 UUU 和 UUC 都是苯丙氨酸的密码子，UCU、UCC、UCA、UCG、AGU 和 AGC 都是丝氨酸的密 码子，同一氨基酸的不同密码子称为同义密码子。64 个密码子中 61 个密码子代表一定的 氨基酸，只有 3 个密码子不代表任何氨基酸，为肽链合成的终止信号。 2、起始信号与终止信号 64 个密码子中，61 个代表氨基酸。另有 3 个密码子（UAA、UAG、UGA）为肽链的 终止密码子（terminator codon）不代表任何氨基酸，为终止信号。密码子 AUG 具有特殊 性，不仅代表甲硫氨酸，如果位于 mRNA 起始部位，它还代表肽链合成的起始密码子 （initiator codon）。起始密码子常在 mRNA 的 5′端附近。作为起始信号的 AUG 与其局部构 象有关，而局部构象常取决于 AUG 邻近核苷酸序列。 3、方向性与无间隔性 mRNA 的起动信号到终止信号的排列是有一定方向性的。起动信号总是位于 mRNA
的5'侧，终止信号总是在3'侧。mRNA分子中遗传信息具有方向性（从5'端至3y端）的排 列，决定了翻译过程肽链从N端向C端合成的方向性。mRNA的密码子之间无标点符号 隔开，所以在相应基因的DNA链上，如因突变插入一个碱基或缺失一个碱基，都会引起 mRNA的阅读框移位(frame shift),使其编码(code)的蛋白质丧失功能。 4、变偶性（摆动性） 但tRNA的反密码子中的第1个核苷酸与mRNA的第3个核苷酸（由S'端向3'端方 向计数)配对时，并不严格遵循这一原则，除AU(相当于DNA中的T)GC可以配 对外，U一G,I一C,I一A亦可相配（表14-2），此种配对称为摆动配对(wobble base pair) 或不稳定配对。 5、基本通用性(universal 从细菌到人，遗传密码可以通用，这一点不仅为地球上的生物来自同一起源的进化学 说提供有力依据，而且使我们有可能利用细菌等生物制造人类蛋白质。但遗传密码的通用 性有个别例外。如哺乳动物线粒体的蛋白质合成体系中，UAG不代表终止信号而代表色氨 酸，由AGA与AGG代表终止信号，CUA、AUA不代表亮氨酸，却分别代表苏氨酸和蛋氨 酸等。 二、氨基酸的“搬运工具”一RNA (一)同功tRNA 体内的20种氨基酸都各有其特定的tRNA,而且一种氨基酸常有数种tRNA,在ATP 和酶的存在下，它可与特定的氨基酸结合。每个tRNA都有1个由3个核苷酸编成的特珠 的反密码子(anticodon)。此反密码子可以根据碱基配对的原则，与mRNA上对应的密码 子相配合。tRNA上的反密码子，只有与mRNA上的密码子相对应时，才能结合。因此， 在翻译时，带着不同氨基酸的各个tRNA就能准确地在核糖体上与mRNA的密码子对号入 座。每种氨基酸都有2-6种各自特异的tRNA,它们之间的特异性是靠氨酰tRNA合成酶来 识别的。这样，携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同功tRNA,它们在细 胞内合成量上有多和少的差别，分别称为主要tRNA和次要tRNA。 (二)起始tRNA与普通tRNA 普通tRNA只在肽链延长阶段起作用。例如RNAmet就是普通tRNA中的一员，上标 met表示它是甲硫氨酸的tRNA,可携带甲硫氨酸，识别mRNA非起始部位的AUG。 起始tRNA(tRNAme)与众不同，下标“T代表起始((nion)。它在蛋白质合成的起 始中起重要作用，它是识别mRNA起始部位AUG的tRNA。此种tRNA在真核生物携带 蛋氨酸，在原核生物携带经过甲酰化的甲硫氨酸。甲酰甲硫氨酰RNAmet是甲硫氨酰 RNAe在原核生物中经甲硫氨酰tRNA转甲酰基酶催化后的产物， 原核tRNAMeim一将Met运到肽链中间。 tRNAfMetr一携带甲酰蛋氨酰参于蛋白质合成的起始
3 的 5′侧，终止信号总是在 3′侧。mRNA 分子中遗传信息具有方向性（从 5′端至 3′端）的排 列，决定了翻译过程肽链从 N 端向 C 端合成的方向性。mRNA 的密码子之间无标点符号 隔开，所以在相应基因的 DNA 链上，如因突变插入一个碱基或缺失一个碱基，都会引起 mRNA 的阅读框移位（frame shift），使其编码（code）的蛋白质丧失功能。 4、变偶性（摆动性） 但 tRNA 的反密码子中的第 1 个核苷酸与 mRNA 的第 3 个核苷酸（由 5′端向 3′端方 向计数）配对时，并不严格遵循这一原则，除 A—U（相当于 DNA 中的 T）G—C 可以配 对外，U—G，I—C，I—A 亦可相配（表 14-2），此种配对称为摆动配对（wobble base pair） 或不稳定配对。 5、基本通用性（universal） 从细菌到人，遗传密码可以通用，这一点不仅为地球上的生物来自同一起源的进化学 说提供有力依据，而且使我们有可能利用细菌等生物制造人类蛋白质。但遗传密码的通用 性有个别例外。如哺乳动物线粒体的蛋白质合成体系中，UAG 不代表终止信号而代表色氨 酸，由 AGA 与 AGG 代表终止信号，CUA、AUA 不代表亮氨酸,却分别代表苏氨酸和蛋氨 酸等。 二、氨基酸的“搬运工具”—tRNA （一）同功 tRNA 体内的 20 种氨基酸都各有其特定的 tRNA，而且一种氨基酸常有数种 tRNA，在 ATP 和酶的存在下，它可与特定的氨基酸结合。每个 tRNA 都有 1 个由 3 个核苷酸编成的特珠 的反密码子（anticodon）。此反密码子可以根据碱基配对的原则，与 mRNA 上对应的密码 子相配合。tRNA 上的反密码子，只有与 mRNA 上的密码子相对应时，才能结合。因此， 在翻译时，带着不同氨基酸的各个 tRNA 就能准确地在核糖体上与 mRNA 的密码子对号入 座。每种氨基酸都有 2-6 种各自特异的 tRNA，它们之间的特异性是靠氨酰 tRNA 合成酶来 识别的。这样，携带相同氨基酸而反密码子不同的一组 tRNA 称为同功 tRNA，它们在细 胞内合成量上有多和少的差别，分别称为主要 tRNA 和次要 tRNA。 （二）起始 tRNA 与普通 tRNA 普通 tRNA 只在肽链延长阶段起作用。例如 tRNAmet 就是普通 tRNA 中的一员，上标 “met”表示它是甲硫氨酸的 tRNA，可携带甲硫氨酸，识别 mRNA 非起始部位的 AUG。 起始 tRNA（tRNAi met）与众不同，下标“i”代表起始 (initiation)。它在蛋白质合成的起 始中起重要作用，它是识别 mRNA 起始部位 AUG 的 tRNA。此种 tRNA 在真核生物携带 蛋氨酸，在原核生物携带经过甲酰化的甲硫氨酸。甲酰甲硫氨酰 tRNAi met 是甲硫氨酰 tRNAi met 在原核生物中经甲硫氨酰 tRNA 转甲酰基酶催化后的产物。 原核 :tRNAMetm—将 Met 运到肽链中间。 tRNAfMetf—携带甲酰蛋氨酰参于蛋白质合成的起始
真核：tRNAMet一将Met运到肽链中间。 tRNAMet-一携带Met参于蛋白质合成的起始。 三、肽链合成的“装配机”一核糖体 核糖体由大小不同的两个亚基所组成，这两个亚基分别由不同的RNA分子（称为 RNA)与多种蛋白质分子共同构成的。原核生物的核糖体为70S,由30S小亚基与50S大 亚基组成：真核生物的核糖体为80S,由30S小亚基与50S大亚基组成。 细胞类型 核糖体类型大亚 RNA 蛋白质 原核细及 5.23 34种 真核细叶绿体、线粒 705 21种 0 真核细 40 18S 30种 胞质中的核糖体分为两类，一类附着于粗面内质网，主要参与白蛋白，胰岛素等分泌 蛋白质的合成：另一类游离于胞质，主要参与细胞固有蛋白质的合成。 (一)转肽酶以及给位与受位 核糖体相当于“装配机”能够促进tRNA所带的氨基酸缩合成肽。核糖体有2个位置分 别称为给位(donor site)与受位(acceptor site),供携带氨基酸或新生肽链的tRNA附着。 给位又称为P位(peptidyl site,肽位)：受位有时又称A位(aminoacyl site,氨基酰位)。 核糖体的大亚基具有转肽酶(transpeptidase)活性，可使附者于给位上的肽酰tRNA转移 到受位上tRNA所带氨基酸上，使两者缩合，形成肽键。 (二)多核糖体 在细胞内合成蛋白质的核糖体并不是单个核糖体，而是多个核糖体聚在一起的多核糖 体。多核糖体中的各个核糖体可在同一时间内与同一个mRNA相连，如图141。在一条 mRNA上可以同时合成多条同样的多肽链。多核糖体合成肽链的效率甚高，其每一个核糖 体每秒钟可翻译约40个密码子，即每秒钟可以合成相当于一个由40个左右氨基酸残基组 成的，分子量约为4000的多肽链。 四、翻译辅助因子 除ATP、GTP、Mg+外，还有一些蛋白质因子。真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因
4 真核: tRNAMet—将 Met 运到肽链中间。 tRNAMetI—携带 Met 参于蛋白质合成的起始。 三、肽链合成的“装配机”—核糖体 核糖体由大小不同的两个亚基所组成，这两个亚基分别由不同的 RNA 分子（称为 rRNA）与多种蛋白质分子共同构成的。原核生物的核糖体为 70S，由 30S 小亚基与 50S 大 亚基组成；真核生物的核糖体为 80S，由 30S 小亚基与 50S 大亚基组成。 胞质中的核糖体分为两类，一类附着于粗面内质网，主要参与白蛋白，胰岛素等分泌 蛋白质的合成；另一类游离于胞质，主要参与细胞固有蛋白质的合成。 （一）转肽酶以及给位与受位 核糖体相当于“装配机”能够促进 tRNA 所带的氨基酸缩合成肽。核糖体有 2 个位置分 别称为给位（donor site）与受位（acceptor site），供携带氨基酸或新生肽链的 tRNA 附着。 给位又称为 P 位（peptidyl site，肽位）；受位有时又称 A 位（aminoacyl site，氨基酰位）。 核糖体的大亚基具有转肽酶（transpeptidase）活性，可使附着于给位上的肽酰 tRNA 转移 到受位上 tRNA 所带氨基酸上，使两者缩合，形成肽键。 （二）多核糖体 在细胞内合成蛋白质的核糖体并不是单个核糖体，而是多个核糖体聚在一起的多核糖 体。多核糖体中的各个核糖体可在同一时间内与同一个 mRNA 相连，如图 14-1。在一条 mRNA 上可以同时合成多条同样的多肽链。多核糖体合成肽链的效率甚高，其每一个核糖 体每秒钟可翻译约 40 个密码子，即每秒钟可以合成相当于一个由 40 个左右氨基酸残基组 成的，分子量约为 4 000 的多肽链。 四、翻译辅助因子 除 ATP、GTP、Mg2+外，还有一些蛋白质因子。真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因 子
阶段原核 真核 IF1、IF2、 elFl、eIF2、 起始 IF3 elF3、elF4 等至少9种 EF-Tu 延长 EFI EF-Ts EF2 EF-G 移位RF1 因子 RF RF-2 原核细胞7OS核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图 纷天 A合威楼登 50s L山 3 mRNA 30S 与mRNA结合部位 第二节蛋白质的合成过程 原核生物蛋白质生物合成的具体步骤包括：氨基酸的活化与转运、多肽链合成的起始 肽链的延长、肽链的终止和释放。 一、氨基酸的活化与转运 在蛋白质分子中，氨基酸借其—N基及一COOH基互相联结成肽。氨基酸的活化过 程及其活化后与相应tRNA的结合过程，都是由同一类酶所催化：此类酶称为氨基酰tRNA 合成酶(aminoacyl--tRNA synthetase)。氨基酰tRNA合成酶催化的反应必须有ATP参加， 其反应步骤如下： (一)氨基酸的活化与转运是酶促需能反应 在进行合成多肽链之前，必须先经过活化，然后再与其特异的tRNA结合，带到mRNA 相应的位置上，这个过程靠氨酰：RNA合成酶催化，此酶催化特定的氨基酸与特异的tRNA 相结合，生成各种氨酰-RNA。 5
5 原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图 30S 与mRNA结合部位 P位（结合或接受 肽基的部位） A位（结合或接受 AA- tRNA的部位） 50S P位（结合或接受 肽基的部位） A位（结合或接受 AA- tRNA的部位） 50S 5 3 mRNA 5 3 mRNA 第二节 蛋白质的合成过程 原核生物蛋白质生物合成的具体步骤包括：氨基酸的活化与转运、多肽链合成的起始、 肽链的延长、肽链的终止和释放。 一、氨基酸的活化与转运 在蛋白质分子中，氨基酸借其—NH2 基及—COOH 基互相联结成肽。氨基酸的活化过 程及其活化后与相应 tRNA 的结合过程，都是由同一类酶所催化；此类酶称为氨基酰 tRNA 合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase）。氨基酰 tRNA 合成酶催化的反应必须有 ATP 参加， 其反应步骤如下： （一）氨基酸的活化与转运是酶促需能反应 在进行合成多肽链之前，必须先经过活化，然后再与其特异的 tRNA 结合，带到 mRNA 相应的位置上，这个过程靠氨酰-tRNA 合成酶催化，此酶催化特定的氨基酸与特异的 tRNA 相结合，生成各种氨酰-tRNA。 阶段 原核 真核 起始 IF1、IF2、 IF3 eIF1、eIF2、 eIF3 、 eIF4 等至少 9 种 延长 EF-Tu EF1 EF2 EF-Ts EF-G 移 位 因子 RF-1 RF RF-2