第七章蛋白質(zhì)合成及代謝

1、第七章蛋白質(zhì)合成及代謝m第一節(jié)第一節(jié) 遺傳密碼遺傳密碼m第二節(jié)第二節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成m第三節(jié)第三節(jié) 蛋白質(zhì)合成后的折蛋白質(zhì)合成后的折 疊與加工修飾疊與加工修飾m第四節(jié)第四節(jié) 蛋白質(zhì)的代謝蛋白質(zhì)的代謝 凡是有生命的物體無不含有蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生凡是有生命的物體無不含有蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)，是一切生命活動的執(zhí)行者命的基礎(chǔ)，是一切生命活動的執(zhí)行者。組成蛋白質(zhì)的基本單位組成蛋白質(zhì)的基本單位氨基酸氨基酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)氨基酸氨基酸必需氨基酸必需氨基酸體內(nèi)不能合成，必須通過食物提供。體內(nèi)不能合成，必須通過食物提供。 纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸、

2、甲硫氨酸（蛋氨酸）、苯丙氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、苯丙氨酸、 色氨酸、賴氨酸色氨酸、賴氨酸非必需氨基酸非必需氨基酸m核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，核酸與蛋白質(zhì)的核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，核酸與蛋白質(zhì)的生物合成有密切關(guān)系，細胞內(nèi)遺傳信息流動方生物合成有密切關(guān)系，細胞內(nèi)遺傳信息流動方向是從核酸到蛋白質(zhì)。向是從核酸到蛋白質(zhì)。m遺傳信息是指遺傳信息是指DNA中堿基序列，中堿基序列，DNA轉(zhuǎn)爐所產(chǎn)轉(zhuǎn)爐所產(chǎn)生的生的mRNA則是遺傳信息的攜帶者，作為蛋白則是遺傳信息的攜帶者，作為蛋白質(zhì)生物合成的直接模板，而生命活動的最終表質(zhì)生物合成的直接模板，而生命活動的最終表現(xiàn)者是蛋白質(zhì)?，F(xiàn)者是蛋白質(zhì)。m遺傳密碼的翻譯過程實

3、際上就是由遺傳密碼的翻譯過程實際上就是由tRNA攜帶者攜帶者氨基酸，逐一識別氨基酸，逐一識別mRNA上的密碼子，并將氨上的密碼子，并將氨基酸依密碼子的排序互相連接的過程，因此我基酸依密碼子的排序互相連接的過程，因此我們把們把tRNA稱為氨基酸的稱為氨基酸的“搬運工具搬運工具”。翻譯的場。翻譯的場所也就是使氨基酸互相縮合成肽鏈的所也就是使氨基酸互相縮合成肽鏈的“裝配裝配機機”核糖體。核糖體。蛋白質(zhì)與遺傳的關(guān)系蛋白質(zhì)與遺傳的關(guān)系第一節(jié)第一節(jié) 遺遺 傳傳 密密 碼碼一、遺傳密碼的破譯一、遺傳密碼的破譯mRNA帶有由DNA轉(zhuǎn)錄來的遺傳信息。這些遺傳信息由mRNA分子中堿基排列順序決定。mRNA能把遺傳

4、信息傳遞給蛋白質(zhì)，也就是以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)。所以，翻譯過程也就稱為蛋白質(zhì)生物合成的中心環(huán)節(jié)。遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯遺傳密碼遺傳密碼這一名詞在1944年薛丁諤的生命是什么？小冊中就已提出，但在1953年沃森和克里克建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以前，其真實內(nèi)涵乏人知曉。60年代遺傳密碼遺傳密碼的破譯，使遺傳物質(zhì)核酸和決定細胞功能的蛋白質(zhì)兩種重要的生物化學物質(zhì)之間架起了一座橋梁。這對于從分子水平了解遺傳和細胞的生物化學有著重大的影響，它大大推進了生物科學的進展，成為奠定分子生物學的重要基石之一。第一個提出具體設(shè)想的是俄國出生的美國物理學家伽莫夫（，第一個提出具體設(shè)想的是俄國出生的美國物理學家伽

5、莫夫（，19041968）。當他讀到沃森和克里克在英國）。當他讀到沃森和克里克在英國自然自然雜志上的文章之后，立雜志上的文章之后，立即提出一種設(shè)想，發(fā)表在即提出一種設(shè)想，發(fā)表在1954年年2月該雜志上。伽莫夫把雙螺旋結(jié)構(gòu)中月該雜志上。伽莫夫把雙螺旋結(jié)構(gòu)中由于氫鍵生成而形成的空穴用氨基酸填上，就像鑰匙和鎖一樣。每一個由于氫鍵生成而形成的空穴用氨基酸填上，就像鑰匙和鎖一樣。每一個空穴的四角是空穴的四角是4個堿基，也就是說四種堿基的排列組合形成了遺傳密碼。個堿基，也就是說四種堿基的排列組合形成了遺傳密碼。19551956年間，伽莫夫又發(fā)表文章，從排列組合計算，認為二個堿基年間，伽莫夫又發(fā)表文章，從排

6、列組合計算，認為二個堿基組成的密碼太少，只有組成的密碼太少，只有4216種，四個堿基組成的密碼又太多，有種，四個堿基組成的密碼又太多，有44256種，而三聯(lián)密碼有種，而三聯(lián)密碼有43=64種，足夠所有蛋白質(zhì)合成之需。他還以令人種，足夠所有蛋白質(zhì)合成之需。他還以令人信服的證據(jù)證明這種密碼并不重復。信服的證據(jù)證明這種密碼并不重復。對對DNA的研究使伽莫夫的科學想象的激情得到滿足。他建立了一個的研究使伽莫夫的科學想象的激情得到滿足。他建立了一個RNA俱樂部，并將該俱樂部的成員數(shù)限定為俱樂部，并將該俱樂部的成員數(shù)限定為20，每一個成員代表一種氨基，每一個成員代表一種氨基酸酸伽莫夫是伽莫夫是“phe”（

7、苯基丙氨酸的英語名稱縮寫）而克里克是（苯基丙氨酸的英語名稱縮寫）而克里克是“Tyr”（酪氨酸）。他們經(jīng)常聚會，交流信息。這場討論對揭開遺傳之謎無疑（酪氨酸）。他們經(jīng)常聚會，交流信息。這場討論對揭開遺傳之謎無疑產(chǎn)生了一定的影響。產(chǎn)生了一定的影響。第一個用實驗給遺傳密碼遺傳密碼以確切解答的是德國出生的美國生物化學家尼倫貝格（，1927）。1961年他和另一位德國科學家馬太（Heinrich Matthaei）在美國國家衛(wèi)生研究院的實驗室內(nèi)發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸的密碼是RNA上的尿嘧啶（UUU）。他們在用大腸桿菌的無細胞提取液研究蛋白質(zhì)的生物合成問題時發(fā)現(xiàn)：當向這個提取液中加進核酸，則合成了蛋白質(zhì)；當用由單

8、一的尿嘧啶組成的核酸長鏈加進這個提取液中，則產(chǎn)生了由單一苯丙氨酸組成的多肽長鏈。這個結(jié)果立即震動了科學界。但是測定其他氨基酸的密碼需要各種各樣的堿基組合，而當時這種組合并不是很容易得到的，它需要一種多核苷酸磷酸化酶。 美國另一位西班牙血統(tǒng)的生物化學家奧喬亞（Ochoa，Severo，1905）于1955年發(fā)現(xiàn)了多核苷酸磷酸化酶（PNP酶）幫助了尼倫貝格合成了同聚核苷酸多聚U（PolyU）（奧喬亞因發(fā)現(xiàn)此酶而獲得1959年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎）。當他將多聚U作為模板加入到無細胞體系中時，那就是只有加有標記苯丙氨酸所產(chǎn)生的那一試管蛋白質(zhì)沉淀具有放射性。而加其他標記氨基酸的各管則均無放射性進入沉淀。

9、于是，第一個密碼便被破譯出來，即UUU是苯丙氨酸的密碼子。用同樣的方式以其他多聚核苷酸作為模板，又測出CCC是脯氨酸的密碼子，AAA是賴氨酸的密碼子。多聚G的氨基酸密碼子當時用此法測定時遇到困難，未能測出。 m在取得第一階段突破性成果之后，尼倫貝格用混合的核苷酸制備人工合成的mRNA模板，分別測試其作用。m用2種或3種不同的核苷酸制備mRNA模板時，PNP酶合成的產(chǎn)物都是雜聚物，其中核苷酸的順序是隨機的，無法預測。但各種三聯(lián)體出現(xiàn)的相對幾率則是可以推算出來的。在測定了各種標記氨基酸參入蛋白質(zhì)的量之后，將其相對參入量和三聯(lián)體出現(xiàn)的幾率加以比較，即可知道每種三聯(lián)體相對應的是那一種氨基酸。m此法的應

10、用有局限性，密碼子中不同核苷酸的比例固然可以推測出來，但是它們的排序卻不能確定；盡管如此編碼的范圍還是大大縮小了。后來又發(fā)現(xiàn)有些密碼子具有重復性，即一種氨基酸可以有多種密碼子，但是每一種密碼子只編碼一種氨基酸。 完整的密碼子表，到完整的密碼子表，到19631963年由與尼倫貝格共獲年由與尼倫貝格共獲19681968年諾貝爾生理學或醫(yī)學年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的霍拉納（獎的霍拉納（KhoranaKhorana，Har GobindHar Gobind，19221922）利用其他技術(shù)加以確定的。）利用其他技術(shù)加以確定的。密碼的第1位堿基(5端） 密 碼 的 第 二 位 堿 基 密碼的第3位堿基(3端

11、) UCAGUUUU苯丙氨酸 UUC苯丙氨酸 UUA亮氨酸UUG亮氨酸 UCU 絲氨酸 UCC 絲氨酸 UGA 絲氨酸 UCG 絲氨酸 UAU 酪氨酸 UAC 酪氨酸 UAA終止密碼UAG終止密碼 UGU半胱氨酸 UGC半胱氨酸UGA終止密碼UGG 色氨酸 UCAG CCUU 亮氨酸CUC 亮氨酸CUA 亮氨酸 CUG 亮氨酸 CCU 脯氨酸CCC 脯氨酸CCA 脯氨酸CCG 脯氨酸 CAU 組氨酸CAC 組氨酸CAA谷胺酰胺CAG谷胺酰胺 CGU 精氨酸 CGC 精氨酸 CGA 精氨酸 CGG 精氨酸 UCA G A AUU異亮氨酸AUC異亮氨酸AUA異亮氨酸AUG甲硫氨酸 （兼起始密碼 ）

12、ACU 蘇氨酸ACC 蘇氨酸ACA 蘇氨酸ACG 蘇氨酸 AAU天冬酰胺 AAC天冬酰胺AAA賴氨酸AAG 賴氨酸 AGU 絲氨酸AGC 絲氨酸AGA 精氨酸AGG 精氨酸 UCAG G GUU 纈氨酸GUC 纈氨酸GUA 纈氨酸GUG 纈氨酸 GCU 丙氨酸GCC 丙氨酸GCA 丙氨酸GCG 丙氨酸 GAU天冬氨酸GAC天冬氨酸GAA谷氨酸 GAG 谷氨酸 GGU 甘氨酸GGC 甘氨酸GGA 甘氨酸GGG 甘氨酸 UCAG 遺傳密碼破譯的意義：遺傳密碼的破譯，加快了人們了解mRNA中的核苷酸序列翻譯成多肽鏈中的氨基酸序列的進程。起始密碼子：AUG終止密碼子：UAA、UGA、UAG（無義密碼子

13、） 1、密碼無標點符號（連續(xù)性）、密碼無標點符號（連續(xù)性） 從起點開始接連不斷直至終止密碼，中間無任何核 苷酸隔開。 二、遺傳密碼的性質(zhì)二、遺傳密碼的性質(zhì)1）簡并性 61個密碼子20種氨基酸 除色氨酸、蛋氨酸外，其他氨基酸都是一種氨基酸對 應多個密碼子。 簡并性：堿基不同仍編碼相同氨基酸。 分為兩類：第一位和第二位堿基的簡并性 第三位堿基的簡并性常見 編碼相同氨基酸的密碼子互稱同義密碼子編碼相同氨基酸的密碼子互稱同義密碼子 2、密碼的簡并性和擺動性、密碼的簡并性和擺動性各種氨基酸的密碼子數(shù)目各種氨基酸的密碼子數(shù)目背景環(huán)境分析2）擺動性 密碼子中的第三個堿基總是處在一個不穩(wěn)定的位置上，它與反密碼

14、子的第一個堿基配對結(jié)合的強度不如前兩個堿基，這類配對被稱為“擺動堿基配對”。 造成造成tRNA可與一個以上的密碼子堿基配對可與一個以上的密碼子堿基配對 3、遺傳密碼的通用性 除個別細胞器的特殊密碼子，遺傳密碼都是 相同的。4、遺傳密碼的偏愛性 大多數(shù)氨基酸有一個以上密碼子，但這些密 碼子的使用頻率各不相同，有些密碼子的使 用頻率高，稱之為遺傳密碼的偏愛性。 閱讀框架閱讀框架是指mRNA上一段含有翻譯密碼的堿基序列。三、閱讀框架三、閱讀框架Start of genetic messageCapEndTail5-端非翻譯區(qū)端非翻譯區(qū) 5 3 3-端非翻譯區(qū)端非翻譯區(qū) 開放閱讀框架開放閱讀框架 從從

15、mRNA 5 -端起始密碼子端起始密碼子AUG到到3 -端終止密端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。第二節(jié)第二節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成構(gòu)成非常復雜，是由一組RNA互相協(xié)調(diào)配合、共同作用的結(jié)果。原核細胞與真核細胞蛋白質(zhì)翻譯機制基本相同，但原核生物無成形細胞核，故邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。 S-D序列序列(Shine-Dalgarno sequence)： mRNA起始密碼前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。起始密碼前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。 5-UAAGGAGG-3 作用： 是mRN

16、A和核糖體識別結(jié)合的位點。 能夠與細菌核糖體小亞基16SrRNA的保守序列反向 互補，從而使核糖體借此判定mRNA的翻譯起始位 點。一、生物合成模板一、生物合成模板mRNA 在細胞內(nèi)，蛋白質(zhì)的合成是在胞漿中的核糖體上進行的，核糖體像一臺沿mRNA移動的高速編織機，快捷的合成肽鏈。核糖體是肽鏈合成的“裝配機”。 胞質(zhì)中核糖體種類：核糖體二、蛋白質(zhì)生物合成的場所二、蛋白質(zhì)生物合成的場所核糖體核糖體大亞基（含有蛋白質(zhì)和大亞基（含有蛋白質(zhì)和rRNA） 主要完成翻譯過程中催化肽鍵形成 及轉(zhuǎn)位。小亞基（含有蛋白質(zhì)和小亞基（含有蛋白質(zhì)和rRNA） 主要與mRNA結(jié)合，識別翻譯起始 位點。( (三三) )核糖

17、體是蛋白質(zhì)生物合成的場所核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的場所 核糖體是肽鏈合成的核糖體是肽鏈合成的“裝配機裝配機”。 胞質(zhì)中核糖體種類：胞質(zhì)中核糖體種類： 核糖體由大、小亞基組成，其組成成份核糖體由大、小亞基組成，其組成成份包括包括rRNArRNA和蛋白質(zhì)。和蛋白質(zhì)。分為四個階段：分為四個階段： 1、氨基酸的活化與搬運準備階段 2、肽鏈合成的起始 3、肽鏈的延長 4、肽鏈的終止 后后3步均在核糖體中循環(huán)進行步均在核糖體中循環(huán)進行稱為核糖體循環(huán)稱為核糖體循環(huán)三、蛋白質(zhì)生物合成過程三、蛋白質(zhì)生物合成過程背景環(huán)境分析tRNAtRNA是搬運氨基酸的工具是搬運氨基酸的工具 1. tRNA1. tRNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)

18、構(gòu) 背景環(huán)境分析（一）氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運tRNAtRNA分子中與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的位點：分子中與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的位點：1 1）氨基酸結(jié)合位點；）氨基酸結(jié)合位點；2 2）氨酰）氨酰-tRNA-tRNA合成酶識別位點；合成酶識別位點；3 3）核糖體識別位點；）核糖體識別位點；4 4）反密碼位點：）反密碼位點： 反密碼與密碼結(jié)合時方向相反。即反密反密碼與密碼結(jié)合時方向相反。即反密碼的第碼的第1 1、2 2、3 3位堿基分別與密碼的第位堿基分別與密碼的第3 3、2 2、1 1位堿基配對。位堿基配對。背景環(huán)境分析2 2. .氨酰氨酰-tRNA-tRNA 各種氨基酸和對應的各種氨基酸和對應

19、的tRNAtRNA結(jié)合后形成結(jié)合后形成的氨基酰的氨基酰-tRNA-tRNA表示為：表示為： 氨基酸的三字母縮寫氨基酸的三字母縮寫-tRNA-tRNA氨基酸的三字母縮寫氨基酸的三字母縮寫 例如：例如：m丙氨酰丙氨酰-tRNA-tRNA：Ala-tRNAAla-tRNAAlaAlam精氨酰精氨酰-tRNA-tRNA：Arg-tRNAArg-tRNAArgArgm甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA-tRNA： Met-tRNAMet-tRNAMetMetm起始者甲硫氨酰起始者甲硫氨酰-tRNA-tRNA： Met-tRNAiMet-tRNAiMetMetm延長甲硫氨酰延長甲硫氨酰-tRNA-tRNA： Me

20、t-tRNAeMet-tRNAeMetMet在蛋白質(zhì)生物合成時，tRNA活化成攜帶有相應氨基酸的氨基酰-tRNA是翻譯過程的啟動先決條件，也可以看成是氨基酸的活化過程。氨基酸與氨基酸與tRNAtRNA的結(jié)合需要氨酰的結(jié)合需要氨酰tRNAtRNA合成酶催化，合成酶催化，并需要消耗并需要消耗ATPATP。 氨基酸氨基酸 + tRNA+ tRNA氨基酰氨基酰- tRNA- tRNAATPATP AMPAMPPPiPPi氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶氨基酸氨基酸 ATP-E ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E -AMP-E PPiPPi 第一步反應第一步反應 第二步反應第二步反應氨基酰

21、氨基酰-AMP-E -AMP-E tRNAtRNA氨基酰氨基酰-tRNA -tRNA AMP AMP E E（二）肽鏈合成的起始（二）肽鏈合成的起始起始密碼子起始密碼子AUG與起始密碼子配對的氨基酰與起始密碼子配對的氨基酰-tRNA是甲硫氨酰是甲硫氨酰-tRNA。所以細胞中至少存在兩種能攜帶甲所以細胞中至少存在兩種能攜帶甲硫氨酸的硫氨酸的tRNAtRNA。一種識別起始密碼。一種識別起始密碼子；另一種參與甲硫氨酸在肽鏈上子；另一種參與甲硫氨酸在肽鏈上的延伸，不識別起始密碼子。的延伸，不識別起始密碼子。m指在指在mRNAmRNA模板的指導下，氨基酸依次進入核蛋白體模板的指導下，氨基酸依次進入核蛋白體并聚合成多肽鏈的過程。并聚合成多肽鏈的過程。1. 1. 進位進位(positioning)/(positioning)/注冊注冊(registration)(registration)2. 2. 成肽成肽(peptide bond formation)(peptide bond formation)3. 3. 轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)位(translocation) (translocation)