生物化學課件

1、生物化學12 蛋白質的生物合成蛋白質的生物合成n12.1 參與蛋白質生物合成的物質參與蛋白質生物合成的物質n12.2 蛋白質生物合成的過程蛋白質生物合成的過程n12.3 中心法則中心法則 生物化學12.1 參與蛋白質生物合成的物質參與蛋白質生物合成的物質n12.1.1 翻譯的模板翻譯的模板n12.1.2 肽鏈合成的場所肽鏈合成的場所n12.1.3 tRNA和氨基酰和氨基酰-tRNA生物化學12.1.1 翻譯的模板翻譯的模板n遺傳密碼：遺傳密碼： mRNA中的中的 三個堿基編碼一個三個堿基編碼一個氨基酸。此氨基酸。此 三聯堿基組三聯堿基組 稱為一個密碼子稱為一個密碼子（codon）。）。n遺傳密

2、碼的主要特征遺傳密碼的主要特征: 1. 密碼子無標點符號密碼子無標點符號 2. 密碼子的不重疊性密碼子的不重疊性 3. 密碼子的簡并性密碼子的簡并性 4. 密碼子使用頻率不同密碼子使用頻率不同 5. 密碼子與反密碼子配對的不嚴格性密碼子與反密碼子配對的不嚴格性 6. 密碼子的通用性密碼子的通用性 7. 密碼子的防錯性密碼子的防錯性生物化學生物化學12.1.2 肽鏈合成的場所肽鏈合成的場所 核糖體（核糖體（ribosome）是蛋白質合成是蛋白質合成的主要場所。它含有蛋白質合成中所需的主要場所。它含有蛋白質合成中所需要的多種酶活性，能按適當的位置和方要的多種酶活性，能按適當的位置和方向把向把 mR

3、NA 分子和帶有氨基酸的分子和帶有氨基酸的 tRNA 分子結合在一起最終分子結合在一起最終 將將 mRNA 分子的分子的堿基順序堿基順序 翻譯成翻譯成 氨基酸順序。氨基酸順序。生物化學（一）核糖體的化學組成（一）核糖體的化學組成n（1）原核生物核糖體的化學組成）原核生物核糖體的化學組成n（2）真核生物核糖體的化學組成）真核生物核糖體的化學組成生物化學（1）原核生物核糖體的化學組成）原核生物核糖體的化學組成 種不同的蛋白質70S核糖體30S亞基50S16S r RNA23S rRNA5S rRNA3221種不同的蛋白質亞基核糖體（大腸桿菌）結構生物化學（2）真核生物核糖體的化學組成）真核生物核糖

4、體的化學組成 約約 50 種不同的蛋白質種不同的蛋白質80S 核糖體亞基40S60S18S rRNA23S rRNA5S rRNA約約 30 種不同的蛋白質種不同的蛋白質亞基5.8S rRNA生物化學（二）核糖體的結構與功能（二）核糖體的結構與功能 核糖體的結構至少要滿足如下的部位：核糖體的結構至少要滿足如下的部位：n（1）容納）容納 mRNA 的部位的部位n（2）結合）結合氨基酰氨基酰-tRNA的部位的部位（稱（稱A-位點）位點）n（3）結合）結合 肽基肽基-tRNA 的部位的部位（稱（稱P-位點）位點）n（4）形成肽鍵的部位（轉肽酶中心）形成肽鍵的部位（轉肽酶中心）生物化學 3大腸桿菌大腸

5、桿菌70S核糖體核糖體5AA肽?；稽c肽?；稽c氨?；稽c氨?；稽c反密碼子反密碼子大亞基大亞基小亞基小亞基密碼子密碼子結合位點結合位點mRNA（P位點）位點）（A位點）位點）生物化學（三）多核糖體（三）多核糖體 蛋白質合成過程中一個蛋白質合成過程中一個mRNA 的分子上不止結合的分子上不止結合一個核糖體而是一群核糖一個核糖體而是一群核糖體同時翻譯一個體同時翻譯一個 mRNA 分分子，這群核糖體稱為多核子，這群核糖體稱為多核糖體（糖體（polysome）。）。 多個核糖體同時翻譯一個多個核糖體同時翻譯一個 mRNA 分子，這顯著提高了分子，這顯著提高了 mRNA 的利用率。的利用率。 一條一條

6、 mRNA 的最大利的最大利用率可達每用率可達每 80 個核苷酸結合一個個核苷酸結合一個核糖體。核糖體。 生物化學12.1.3 tRNA和氨基酰和氨基酰-tRNAn解碼系統(tǒng)：解碼系統(tǒng)： tRNA 具有能通過具有能通過堿基互補的方式堿基互補的方式識別密識別密碼子的特異部位，又有能結合相應氨基酸的碼子的特異部位，又有能結合相應氨基酸的特異部位，并把氨基酸攜帶至蛋白質合成的特異部位，并把氨基酸攜帶至蛋白質合成的部位。部位。 tRNA 結合相應氨基酸需一種酶來催化，這結合相應氨基酸需一種酶來催化，這種酶稱種酶稱氨基酰合成酶氨基酰合成酶（aminoacyl Synthetase）。生物化學（一）氨基酸與

7、（一）氨基酸與 tRNA 分子的連接分子的連接ntRNA 結合氨基酸這個過程也稱為氨基結合氨基酸這個過程也稱為氨基酸的活化。當氨基酸結合于酸的活化。當氨基酸結合于 tRNA 以以后，就稱為后，就稱為 氨?；陌滨；?tRNA 或或 氨基酰氨基酰 tRNA。 氨基酰氨基酰- tRNA 合成酶合成酶氨基酸氨基酸 + tRNA + ATP 氨基酰氨基酰-tRNA + AMP + PPi生物化學 PPPCOOHCCAOPPPOHCCAOHR1HC腺苷OOHOHOHOOPPOOHOOP+E1腺苷OOHOOPCOR1CH+OHOHOOPPOHOOHE1OOHOOPCOR1CHE1腺苷OOHOPHOtRN

8、A23氨基酸的活化作用腺苷NH2R1CHCOOHE1NH2NH2NH2生物化學（二）密碼子（二）密碼子-反密碼子的相互作用反密碼子的相互作用 mRNA 上密碼子的每個堿基與上密碼子的每個堿基與 tRNA 反密碼反密碼環(huán)上的密碼子堿基即互補形成堿基對：環(huán)上的密碼子堿基即互補形成堿基對： 反密碼子反密碼子 3- X-Y-Z-5 密碼子密碼子 5- X- Y- Z - 3 生物化學 擺動假說擺動假說: 1965 年年 F.Crick 提出擺動假說（提出擺動假說（Wobble hypothesis） 這個假說認為密碼子這個假說認為密碼子-反密碼子的相互作用，反密碼子的相互作用，首先要求前兩個堿基對是標

9、準型的堿基互補，首先要求前兩個堿基對是標準型的堿基互補，以保證結合有最大限度的穩(wěn)定性，第三個堿基以保證結合有最大限度的穩(wěn)定性，第三個堿基則要求不那么嚴格，可以允許結構上有小小的則要求不那么嚴格，可以允許結構上有小小的波動（即擺動）波動（即擺動）, 并允許有某些特異的堿基參并允許有某些特異的堿基參與。與。 Ala 的反密碼子的反密碼子TGC，可以識別丙氨酸的同義密碼子可以識別丙氨酸的同義密碼子GCU、GCC、GCA。生物化學12.2 蛋白質生物合成的過程蛋白質生物合成的過程n12.2.1 翻譯的起始翻譯的起始n12.2.2 肽鏈的延伸肽鏈的延伸n12.2.3 肽鏈的終止肽鏈的終止n12.2.6

10、肽鏈的折疊、加工與轉運肽鏈的折疊、加工與轉運生物化學12.2.1 翻譯的起始翻譯的起始（原核）（原核）n（一）（一）fMet - tRNA fMet 的形成：的形成： 氨基酰氨基酰- tRNA 合成酶催化大腸桿菌蛋白質合成酶催化大腸桿菌蛋白質合成的第一個氨基酸都是甲?；募琢虬彼?，合成的第一個氨基酸都是甲?；募琢虬彼?，即即 N-甲酰甲硫氨酸（甲酰甲硫氨酸（f Met）。）。 Met 的甲酰化是在的甲?；窃?Met - tRNA fMet 合成后，合成后，由由 轉甲?；皋D甲?；?催化，但轉甲酰酶不會催化組成催化，但轉甲酰酶不會催化組成肽鏈中的甲硫氨酸甲?；?。肽鏈中的甲硫氨酸甲?；?起始

11、的起始的 tRNA fMet，能特異地識別起始密碼子能特異地識別起始密碼子 AUG。生物化學 （二）翻譯起始信號（二）翻譯起始信號 mRNA 上起始密碼子上起始密碼子 AUG 通常離通常離 mRNA 5-末末端約端約 20 - 30 個堿基，在這段前導順序中，具有一段個堿基，在這段前導順序中，具有一段特殊順序特殊順序 AGGAGGU，位于起始位于起始 AUG 之前的固定之前的固定的位置上，稱為的位置上，稱為 S.D 序列（序列（Shine-Dalgano 順序）順序）。 核糖體小亞基核糖體小亞基 30s 內的內的 16s rRNA 3-末端有順末端有順序序 5-PyACCUCCUUA-3，Py

12、 可以是任何嘧啶核可以是任何嘧啶核苷酸。苷酸。 于是這段順序即與于是這段順序即與 mRNA 前導順序中的前導順序中的S.D 序序列能夠形成穩(wěn)定的堿基對。列能夠形成穩(wěn)定的堿基對。 翻譯的方向：翻譯的方向： 沿沿 mRNA 的的 53方向進行方向進行。生物化學（三）（三）起始復合物的形成起始復合物的形成 （1）30S 起始復合物的形成起始復合物的形成 首先在辨認首先在辨認 mRNA 的的 S.D 序列后，核糖體序列后，核糖體 30s 亞基亞基 和和 甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰 - tRNAfMet （fMet-tRNAfMet）與與 mRNA結合，形成結合，形成 30S 起始復合物。起始復合物。 生

13、成此復合物時需要生成此復合物時需要 GTP 和三種蛋白起始和三種蛋白起始因子因子（initiation factor ，IF） IF-1，IF-2 和和 IF-3。這這 3 種起始因子都連接于種起始因子都連接于 30S 上，上，GTP 穩(wěn)定這穩(wěn)定這種結合。種結合。 fMet-tRNAfMet 結合在結合在 mRNA 的的 AUG 上，上，最終形成最終形成30S 起始復合物。起始復合物。 生物化學（2）70S 起始復合物的形成起始復合物的形成 當當 30S 起始復合物形成后，起始復合物形成后，IF - 3 即釋放。即釋放。50S亞基參加進來，引起亞基參加進來，引起 GTP 水解釋放能量，水解釋放

14、能量，IF-1 和和 IF-2 也釋放，最后形成也釋放，最后形成 70S 起始復合起始復合物。形成物。形成 70S 復合物后即可進入蛋白質的肽復合物后即可進入蛋白質的肽鏈延長階段。鏈延長階段。 此時，此時，fMet - tRNAfMet 占據的是核糖體的占據的是核糖體的 P 位點位點（肽酰位），核糖體的（肽酰位），核糖體的 A 位點（氨基酰位）還空著，位點（氨基酰位）還空著，并正對著并正對著 mRNA 上的下一個密碼子，為下上的下一個密碼子，為下-個個 氨基氨基-tRNA 的進入作好了準備。的進入作好了準備。 生物化學真核生物翻譯起始的不同點真核生物翻譯起始的不同點n（1） 真核生物核糖體較大

15、，是由真核生物核糖體較大，是由 60s 大亞基大亞基和和 40s 小亞基組成小亞基組成 80s 的核糖體。的核糖體。n（2）起始的氨基酸是甲硫氨酸）起始的氨基酸是甲硫氨酸 。n（3） 起始時起始復合物在起始時起始復合物在 mRNA 的的 5 - 帽子處或其附近與之結合，然后沿著帽子處或其附近與之結合，然后沿著 mRNA 滑動，直至遇上第一個滑動，直至遇上第一個 AUG 密碼子。密碼子。n（4）真核生物含有的起始因子比原核生物多）真核生物含有的起始因子比原核生物多得多，相互關系也很復雜。以得多，相互關系也很復雜。以 elF 表示真核表示真核的起始因子。的起始因子。生物化學（二）肽鏈延長（二）肽鏈

16、延長 蛋白質合成的肽鏈延長階段包括以下蛋白質合成的肽鏈延長階段包括以下 三三步，這三步反復循環(huán)完成肽鏈延長。整個循步，這三步反復循環(huán)完成肽鏈延長。整個循環(huán)過程需要三個延長因子（環(huán)過程需要三個延長因子（elongation factor EF）：）：EF-Tu，EF-Ts 和和 EF-G。 （1）進位）進位 （2）肽鏈形成）肽鏈形成 （3）移位）移位生物化學（1）進位）進位 進位進位PiGTPGDPGTP-EF TutRNA氨酰氨酰-.53mRNAA位點 空出新生多肽fMet- tRNA53fMet-tRNA氨酰A位點P位點GTP-EF Tu.-EF Ts-EF Tu.-EF TsGDPEF-T

17、u.-EF Ts-tRNA氨酰生物化學（2） 肽鏈形成肽鏈形成 53fMet-tRNA氨酰A位點P位點轉肽作用轉肽作用53A位點P位點fMet空載tRNA-tRNA肽酰 生物化學 肽酰轉移酶肽 鏈 形 成部位A-tRNA肽酰無氨基酸t(yī)RNA載氨基酸t(yī)RNAfMetfMet-tRNAtRNAfOHNHCCOtRNAOHCCOHNHCOHR1R2HCCOtRNAOH2NR2HCNHCOHCOtRNAfOR1部位P部位P部位A生物化學（3）移位）移位 53mRNAfMetA位點 空出新生多肽53-tRNAA位點P位點肽酰 空載tRNAG-EFPi+GDP+tRNAGTP移位移位-tRNA肽酰 生物化

18、學真核生物翻譯真核生物翻譯延長延長的不同點的不同點n真核生物肽鏈延長的過程與原核相真核生物肽鏈延長的過程與原核相似。有多種因子參與，似。有多種因子參與，e EF 表示真表示真核的延長因子。核的延長因子。生物化學12.2.3 肽鏈的終止肽鏈的終止n當當 70s 核糖體核糖體 A 位出現位出現 mRNA 終止密碼子終止密碼子時，就沒有時，就沒有 氨基酰氨基酰-tRNA 再進入再進入 A 位點，位點，肽鏈延長停止。肽鏈延長停止。n合成的多肽仍然接在占據合成的多肽仍然接在占據 P 部位的部位的 tRNA 上。終止過程是上。終止過程是由由釋放因子釋放因子（release factor， RF）參與下完成

19、的，使參與下完成的，使 P 位上的肽鏈轉移至水中，形成游離肽鏈，同時位上的肽鏈轉移至水中，形成游離肽鏈，同時 70s 釋放出釋放出 50s 核糖體亞基。此時，另一個被稱為核糖體亞基。此時，另一個被稱為核糖體釋放因子核糖體釋放因子（ribosome releasing factor，RR）的成分參與使的成分參與使 30s 與與 mRNA 分開。脫去肽鏈的分開。脫去肽鏈的 tRNA 與終止因子也離開。分與終止因子也離開。分離后的離后的 50s、30s 又可為合成另一條肽鏈所用。又可為合成另一條肽鏈所用。生物化學mRNA上肽鏈合成終止密碼子為：上肽鏈合成終止密碼子為：UAA、UAG、UGA。n大腸桿

20、菌有參與肽鏈合成的終止反應的三個大腸桿菌有參與肽鏈合成的終止反應的三個終止因子終止因子RF1、RF2、RF3。RFl用以識別密碼用以識別密碼子子UAA、UAG。RF2幫助識別幫助識別UAA、UGA。RF3不識別任何終止密碼子，但能協助肽鏈釋不識別任何終止密碼子，但能協助肽鏈釋放。放。生物化學真核生物的翻譯終止不同：真核生物的翻譯終止不同： eRF 表示真核生物的釋放因子表示真核生物的釋放因子。真核生物真核生物僅僅 eRF 一個釋放因子辨認終止信號，它可以一個釋放因子辨認終止信號，它可以識別識別 3 種終止密碼子種終止密碼子 UAA、UAG、UGA。 生物化學核糖體的跳躍式讀碼核糖體的跳躍式讀碼

21、n在真核和原核生物中，也有一些例外的情況，在真核和原核生物中，也有一些例外的情況，發(fā)生了翻譯位移（發(fā)生了翻譯位移（translational frameshifting）。）。這種位移通常表現為一個堿這種位移通常表現為一個堿基位移?；灰?。n也有核糖體跳過一大段也有核糖體跳過一大段mRNA（如如50個堿基）個堿基）后繼續(xù)翻譯，這一過程叫做翻譯跳躍后繼續(xù)翻譯，這一過程叫做翻譯跳躍（translational jumping）。）。n它們都發(fā)生在它們都發(fā)生在mRNA的特殊位置，這些位置通的特殊位置，這些位置通常會有特殊的序列和結構。核糖體是怎樣進行常會有特殊的序列和結構。核糖體是怎樣進行識別的尚不

22、太清楚。識別的尚不太清楚。 生物化學12.2.6 肽鏈的折疊、加工與轉運肽鏈的折疊、加工與轉運（一）蛋白質的折疊（一）蛋白質的折疊 在體外只要具有完整的一級結構，即能形在體外只要具有完整的一級結構，即能形成天然的高級結構。氨基酸的一級結構序列是決成天然的高級結構。氨基酸的一級結構序列是決定蛋白質空間構象的最基本因素。體內折疊的環(huán)定蛋白質空間構象的最基本因素。體內折疊的環(huán)境比較復雜，參與的蛋白質成分及因子比較多。境比較復雜，參與的蛋白質成分及因子比較多。目前證明，至少有兩類蛋白質參與體內的折疊過目前證明，至少有兩類蛋白質參與體內的折疊過程，統(tǒng)稱為助折疊蛋白。程，統(tǒng)稱為助折疊蛋白。生物化學助折疊蛋

23、白助折疊蛋白 （folding helper） 一類是酶，如一類是酶，如 蛋白質二硫鍵異構酶蛋白質二硫鍵異構酶 及及 肽肽酰脯酰順反異構酶酰脯酰順反異構酶。前者通過加速蛋白質中形成前者通過加速蛋白質中形成正確的二硫鍵，正確的二硫鍵， 后者催化后者催化 肽脯氨酰肽脯氨酰 之間肽鍵的旋之間肽鍵的旋轉反應，從而加速蛋白質的折疊過程。轉反應，從而加速蛋白質的折疊過程。 另一類是另一類是 分子伴侶（分子伴侶（chaperonin）。）。這是這是細胞內一類能幫助新生肽鏈正確組裝，成熟，自身細胞內一類能幫助新生肽鏈正確組裝，成熟，自身卻不是終產物分子成分的蛋白質，類似酶的特征，卻不是終產物分子成分的蛋白質，

24、類似酶的特征，所以稱為分子伴侶。所以稱為分子伴侶。生物化學真核和原核生物中的分子伴侶真核和原核生物中的分子伴侶： 在真核和原核生物中研究得比較多的分子伴侶有：在真核和原核生物中研究得比較多的分子伴侶有：（a）脅迫脅迫-70家族：家族：整個家庭成員的分子質量約為整個家庭成員的分子質量約為70KD，由兩個結構域組成。不同來源的脅迫由兩個結構域組成。不同來源的脅迫-70蛋蛋白的白的 N-端的結構域高度保守，端的結構域高度保守，具有具有 ATP 酶活性酶活性。 （b）熱休克蛋白熱休克蛋白70 （heat shock protein 70， Hsp70） ：是研究得最多的家庭成員之一?，F在是研究得最多的

25、家庭成員之一?，F在已知，已知，Hsp70 除參與蛋白質的折疊外，還參與蛋白除參與蛋白質的折疊外，還參與蛋白質的組裝（質的組裝（assembly）、）、跨膜、分泌與降解?？缒?、分泌與降解。生物化學（二）蛋白質的加工（二）蛋白質的加工n主要有：主要有： （1）N - 端修飾端修飾 （2）氨基酸側鏈的修飾）氨基酸側鏈的修飾 （3）水解修飾水解修飾 （4）糖基化修飾）糖基化修飾生物化學（1）N - 端修飾端修飾 新生蛋白質的新生蛋白質的 N - 末端都帶有一個末端都帶有一個甲硫氨酸殘基甲硫氨酸殘基，原核中還是甲酰化的。，原核中還是甲?；?。 原核生物多數情況原核生物多數情況 甲硫氨酸甲硫氨酸 也被也被

26、 氨肽酶氨肽酶 除去。除去。 如大腸桿菌中約只有如大腸桿菌中約只有 30 的蛋白質還保留甲硫氨酸。的蛋白質還保留甲硫氨酸。 真核生物中真核生物中 甲硫氨酸甲硫氨酸 則全部被切除。則全部被切除。生物化學（2）氨基酸側鏈的修飾）氨基酸側鏈的修飾 氨基酸側鏈的修飾包括氨基酸側鏈的修飾包括 羥化、羥化、 羧化、羧化、 甲基化、甲基化、 二硫鍵二硫鍵 的形成等。的形成等。 如膠原蛋白合成后某些如膠原蛋白合成后某些 脯氨酸脯氨酸 和和 賴賴氨酸氨酸 需要羥化。肽鏈中的需要羥化。肽鏈中的 半胱氨酸半胱氨酸 在在 二二硫鍵異構酶硫鍵異構酶 催化下形成二硫鍵等。催化下形成二硫鍵等。 生物化學（3）水解修飾水解修飾 許多新合成的許多新合成的 酶酶 和和 蛋白質蛋白質 是以是以 酶原酶原 或或其它無活性的其它無活性的 “前體前體” 形式存在。修飾形式存在。修飾時是水解切除多余的肽段，使之折疊成為時是水解切除多余的肽段，使之折疊成為有活性的酶或蛋白質。酶激活即是例子。有活性的酶或蛋白質。酶激活即是例子。生物化學（4）糖基化修飾糖）糖基化修飾糖 單糖或寡聚糖與肽鏈以共價鍵進行連接。單糖或寡聚糖與肽鏈以共價鍵進行連接。常見的糖蛋白有：免疫球蛋白、血型糖蛋白、常見的糖蛋白有：免疫球蛋白、血型糖蛋白、干擾素、補體、甲狀腺球蛋白等。干擾素、補體、甲狀腺球蛋白等。 另外，還包括輔基的連接、亞基的聚合另外，還