蛋白质的生物合成翻译生物化学与分子生物学教研室Word文件下载.docx

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授课对象

专业班级：

基要本参教考材资和料主

基本教材：

生物化学人民卫生出版社，主编查锡良，第7版

主要参考资料：

生物化学人民卫生出版社，张昌颖主编，第2版

哈珀生化第25版（RK默里等）；

Biochemistry（2ndCarrentRH）；

Biochemistry:

Anintroduction（2ndTMckee）

教和学要目求的

通过课堂讲授教学过程，使学生掌握和了解本学科的基本理论、基本知识及基本技能，为学习后继的其它医学基础课程及临床医学、预防医学等专业课程奠定基础。

结合教学实践，培养学生独立思考、独立工作的能力和严谨的科学作风。

由于生物化学学是当今发展最快的学科之一。

教学中要结合本学科新的、重大的研究进展，使学生对现代生物化学发展趋势有所了解，培养学生探索献身科学的兴趣和志向。

教及

学重

难点

点

课程的重点：

包括蛋白质生物合成体系，蛋白质生物合成过程，蛋白质合成后的加工修饰

课程的难点：

蛋白质生物合成过程，蛋白质的靶向运输。

注：

课程类别：

公共基础课、专业基础课、专业必修课、专业选修课、集中实践环节、实验课、公共选修课

生物化学课程教案

课次

授课方式

（请打√）

理论课√□讨论课□实验课□习题课□其他□

课时

安排

3

授课题目（教学章、节或主题）：

第十二章蛋白质的生物合成

教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：

【目的要求】

1.掌握：

蛋白质翻译、遗传密码、SD序列、核蛋白体循环、分子伴侣、蛋白质翻译后的加工修饰等概念。

蛋白质翻译的有关物质的种类及作用。

遗传密码的特性，起始密码和终止密码，氨基酰-tRNA合成酶的特性及意义，蛋白质合成方向及合成过程，蛋白质合成后的加工修饰方式

2.熟悉：

核糖体的结构及活性，蛋白质合成起始、延长和终止的具体过程

3.了解：

分子伴侣的作用机制；

蛋白质靶向运输的机制，了解抗生素、毒素和代谢类似物影响蛋白质翻译的机制

教学重点及难点：

重点：

包括蛋白质生物合成体系，蛋白质生物合成过程，蛋白质合成后的加工修饰难点：

教学过程与时间分配

（一）蛋白质生物合成体系（1学时）

（二）蛋白质的生物合成过程（1学时）

（三）蛋白质合成后加工和输送（30分钟）

（四）蛋白质生物合成的干扰和抑制（20分钟） 

教学

内容

（一）蛋白质生物合成体系

翻译模板mRNA及遗传密码、核蛋白体是多肽链合成的装置、tRNA和氨基酰的活化。

（二）蛋白质的生物合成过程

肽链合成的起始、肽链的延长、肽链合成的终止。

（三）蛋白质合成后加工和输送

多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质、一级结构的修饰、空间结构的修饰、蛋白质合成后的靶向输送。

（四）蛋白质生物合成的干扰和抑制

抗生素类、其它干扰蛋白质合成的物质。

授课时间地点

教学手段

多媒体

第十二章蛋白质的生物合成（翻译）

教案

备注

概念：

是指以mRNA为模板，把mRNA分子中4种核苷酸序列编码的遗传信息，解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序的过程，称为翻译。

翻译是包含起始、延长和终止的连续过程。

含义：

以碱基（A、G、C、T、U）组成的遗传信息，以遗传密码破读的手段转变为蛋白质的20种氨基酸的排列顺序。

遗传信息→DNA→mRNA为模板，加上rRNA,tRNA,pro,E共同合成蛋白质。

第一节蛋白质生物合成体系

蛋白质的生物合成体系：

以mRNA为模板，tRNA为运载体，核蛋白体为装配场所，还包括氨基酸、酶、蛋白质因子（起始因子IF，真核生物的起始因子冠以小e字头（eukaryote），称为eIF；

延长因子EF；

释放因子RF及核蛋白体释放因子RR）及核苷酸、无机离子等

一、翻译模板mRNA及遗传密码

1．原核生物：

一种mRNA编码功能相关的几种蛋白质，称为多顺反子。

如：

E.coli乳糖操纵子的结构基因→mRNA→利用乳糖的三种酶（一个酶系统）

2．真核生物：

一个mRNA分子编码一种蛋白质，称为单顺反子。

其mRNA需经过剪接、首尾修饰等才能变成成熟的mRNA。

3．遗传密码：

从mRNA5’→3’方向，以AUG为开始，每相邻三个核苷酸形成一个三联体，组成一个遗传密码，编码一个氨基酸。

（开放读码框架）见表12-1

64组遗传密码。

有意义密码61种，编码20种氨基酸。

遗传密码阅读方向：

5’-3’

起始密码：

AUG（蛋氨酸）；

终止密码：

UAA、UGA、UAG。

4．遗传密码特点：

1）1）连续性：

无间断，无标点符号，连续三个一组翻译。

框移突变，mRNA链上碱基插入或缺失引起的，造成下游翻译产物氨基酸序列的改变。

2）2）简并性：

除色氨酸、蛋氨酸外均有2-3个或4-6个密码。

其三联体上1，2位碱基相同，而第三位上碱基则不同。

密码专一性由头2个碱基决定，三中读二；

生物学意义：

减少突变的有害效应。

不同生物对密码子具有偏爱性。

3）摆动性：

翻译过程氨基酸的正确加入，需靠mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子相互以碱基配对辨认。

mRNA上第三位碱基对上反密码子的第一位碱基辨认时常有不完全遵照碱基互补原则。

tRNA的碱基有很多稀有碱基（I），出现于反密码的第1位碱基可与A、U、C配对。

表12-2

4）通用性：

从病毒到人类都使用相同的一套遗传密码。

但动物体内的线粒体、植物细胞叶绿素有独立的DNA复制系统。

二、核蛋白体是多肽链合成的装置

16SrRNA+21种rps（核糖体蛋白）——小亚基；

5S、23SrRNA+36种rps——大亚基

大小亚基共同组成核糖体。

18srRNA+33rps——小亚基；

5S、5.8S、28SrRNA+49rps（核糖体蛋白）——大亚基

（表12-3）

核蛋白体蛋白（rps，rpl）种类繁多，其中有些就是参与蛋白质合成的酶和各种因子，靠这些蛋白质、rRNA，还有mRNA、tRNA等特异性的、准确的相互配合，使氨基酸按mRNA上的遗传密码指引依次聚合为肽链。

原核生物转录过程电镜下看到的羽毛状模型，在长短不一的尚未转录完成的mRNA上，已附着了若干个核蛋白体。

多聚核蛋白体：

一个mRNA分子同时有多个核蛋白体在进行蛋白质合成，即mRNA和多个核蛋白体的聚合物。

三、tRNA和氨基酸的活化

蛋白质生物合成是信息传递过程。

细胞内20种氨基酸都存在时，如何能依据mRNA模板的指导，保证氨基酸排列连接成特异的多肽链序列呢？

50年代P．Zamecnik发现，把氨基酸、ATP加到肝匀浆里一起保温，氨基酸先与一种可溶性、耐热的小分子RNA结合。

以后证实这类RNA就是tRNA。

F．Crick则据此提出tRNA在翻译过程中起接合体（adaptor）作用。

tRNA的作用：

1）氨基酸的搬运作用

2）信息转换作用

（一）氨基酰—tRNA合成酶

所谓的氨基酸活化过程，即氨基酸与特异tRNA结合形成氨基酰tRNA的过程。

氨基酰tRNA分子的反密码环与mRNA上的密码配对。

tRNA的3’-末端-CCA-OH是氨基酸的结合位点。

一种氨基酸可以和2-6种tRNA特异地结合，已发现的tRNA有40-50种。

tRNA能携带的氨基酸，总是按mRNA遗传密码决定的。

这样由密码—反密码-氨基酸之间的“对号入座”，保证了从核酸到蛋白质信息传递的准确性，完成信息的转换作用。

氨基酸+ATP+tRNA→氨基酰-tRNA+AMP+ppi

由氨基酰-tRNA合成酶催化，具有绝对的专一性。

生成的氨基酰-tRNA-AMP-酶为中间产物，有利于酶对氨基酸、tRNA的特异识别。

若错配，酶有校正活性，可水解磷酸酯键，再与正确可配对的氨基酸结合，保证了遗传信息能在核酸和蛋白质之间的正常沟通。

（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA

密码子AUG可编码甲硫氨酸，同时作为起始密码。

氨基酰-tRNA书写规则：

Arg-tRNAarg；

AA—tRNAaa；

原核生物：

起始密码（AUG、GUG、UUG）——编码甲酰蛋氨酸fMet、tRNAfMet，

fMet—tRNAifMet；

真核生物：

起始密码Met、Met-tRNAiMet；

延长过程：

Met、Met-tRNAeMet

用三字母缩写代表已结合的氨基酸残基，tRNA右上角的三字缩写代表tRNA的结合特异性，有时也可略去右上角的缩写。

在真核生物中至少有两种：

tRNAimet称为起始者tRNA（initiator-tRNA），tRNAemet是携带延长（elongation）中的肽链上的甲硫氨酸的tRNA。

met-tRNAimet和met-tRNAemet分别被起始因子和延长中起催化作用的酶所辨认。

第二节蛋白质生物合成过程

RNA的碱基序列是从5’-端自左至右书写至3’端，对应肽链的氨基酸序列从N-端自左至右书写至C端。

翻译过程从读码框架的5’-AUG……开始，按mRNA模板三联体的顺序延长肽链，直至终止密码出现。

终止密码前一位三联体，翻译出肽链C—端氨基酸。

翻译过程也可分起始、延长、终止阶段来描述。

氨基酰-tRNA的合成，是伴随着起始、延长阶段不断地进行和配合着的。

此外，蛋白质合成后，还需要加工修饰。

一、肽链合成起始

翻译起始是把带有甲硫氨酸的起始tRNA连同mRNA结合到核蛋白体上，生成翻译起始复合物（translationalinitioncomplex）。

此过程需多种起始因子参加。

原核生物与真核生物所需的起始因子不相同，氨基酰-tRNA、mRNA结合到核蛋白体上的步骤，大致上是一样的。

（一）原核翻译起始复合物形成

起始复合物生成可分四步描述。

1．1．核蛋白体亚基的拆离：

起始的第一步，核蛋白体大、小亚基必须先分开，以利于mRNA和fmet-tRNA先结合于小亚基上。

大小亚基解离

核糖体70S+IF3+IF1—————→30S小亚基.IF3.IF1+50S大亚基

（促解离）（促IF3作用）——利于小亚基与mRNA，fmet-tRNA结合。

2．mRNA在核蛋白体小亚基上就位：

mRNA在核蛋白体小亚基上就位涉及两种机制：

（1）S-D序列：

位mRNA起始密码子AUG的上游，8—13个bp处，存在4-9个富含嘌呤的序列（AGGAGG为核心），又称为核蛋白体结合位点（RBS）。

核蛋白体小亚基上的16S-rRNA近3’-末端，有一段富含嘧啶的短序列…UCCUCC…是与S-D序列互补的。

（2）紧接着AGGA的小段核昔酸，又可以被核蛋白体小亚基蛋白（rps-l）辨认结合。

蛋白质合成的限速反应：

mRNA结合核蛋白体小亚基：

1）1）互补序列指引

2）2）IF3固定作用

原核生物就是靠这种核酸-核酸，核酸-蛋白质之间的辨认结合而把mRNA连结到核蛋白体小亚基上的。

真核生物mRNA结合核蛋白体小亚基，需要好几种起始因子（eIF）的协同。

3．fmet-tRNAifmet的结合：

这个过程和mRNA在核蛋白体小亚基就位同时发生，fmet-tRNA只能辨认和结合于mRNA的起始密码子AUG上。

由于这一结合，推动了mRNA的前移，也保证了mRNA就位的准确性。

进入起始密码位置

fmet-tRNA+IF2+GTP————————→小亚基上就位（严格）

4．核蛋白体大亚基结合：

+50S大亚基

mRNA+fmet-tRNA+小亚基————————→70S－mRNA－fmet-tRNA

IF3IF1IF2GDP+Pi

P位：

肽位、或给位+AUG密码+fmet-tRNA占据

起始复合物上核糖体

A位：

受位+mRNA第二个密码+第二个相应AA-tRNA（现在空着）

E位：

排出卸载tRNA的排出位

在已有mRNA和fmet-tRNA的小亚基上，加入核蛋白体的大亚基，成为一个已准备好的翻译系统整体，即翻译起始复合物。

这时，核蛋白体的P-位已被fmet-tRNA和mRNA上的AUG所占据，但A位是留空的，而且mRNA上仅次于AUG的第二个三联体已相应于A位上，所对应的氨基酰-tRNA即可加入A位而进入延长阶段。

（二）真核生物翻译起始的特点（自学）

二、肽链的延长

肽链合成的延长：

是指根据mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。

核蛋白体循环（ribosomalcycle）:

指翻译过程中肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，称之～；

每次核蛋白体循环又可分三个步骤：

1）1）进位（entrance）或称注册（registration）；

2）2）成肽（peptidebondformation）；

3）3）转位（translocation）。

循环一次，肽链延长一个氨基酸，如此不断重复，直至肽链合成终止。

广义的核蛋白体循环可指翻译全过程；

下文的叙述仍以原核生物的资料为依据。

真核生物的肽链延长大同小异，延长因子不同。

延长因子：

延长过程所需的蛋白质因子称EF。

（一）进位

核蛋白体P位—fMet-tRNAifmet占据，

A位—留空，并对应下一组三联体密码，需加入的氨基酰-tRNA即为该密码子所决定的。

进位又称注册，即是根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰－tRNA进入核蛋白体A位，此时需EFT的协助。

EFTu和EFTs是延长因子T上的2个亚基。

当EF-Tu结合GTP后可使EF-Ts分离。

EF-Tu－GTP与进位的氨基酰－tRNA结合，以氨基酰－tRNA－EF-Tu－GTP活性复合物形式进入并结合核蛋白体A位。

EF-Tu有GTP酶活性促使GTP水解，驱动EF-Tu和GDP从核蛋白体释出，重新形成Tu-Ts二聚体。

EF-T继续催化下一氨基酰－tRNA进位。

已结合的AA-tRNA-mRNA则在A位上进行下一步的翻译延长反应。

核蛋白体对氨基酰－tRNA的进位有校正作用。

是维持蛋白质合成高度保真性的另一机制。

（二）成肽

成肽是转肽酶催化的肽键形成过程

转肽酶（transpeptidase）——核蛋白体大亚基上的数种蛋白质，rpL（ribosomalproteins，Largesubunit）；

P位—fMet-tRNAmet+A位—AA-tRNA——→肽（fMet成为N—末端）

（酰基）（氨基）（A位上形成）

A位成肽后，P位留下空载tRNA；

甲硫氨酸的α-氨基可保留至翻译终止成为新生的链上的N—末端。

但自然界的蛋白质大多数不是以甲硫氨酸作的。

翻译后这个N—甲硫氨酸，或者N—端的一段肽会被切除。

（三）转位

核蛋白体向mRNA的3’侧相对移动，在A位的二肽酰－tRNA连同mRNA从A位进入P位，卸载的tRNA则移入E位。

A位留空。

对应着第三号氨基酸按密码的指引进入A位注册，进入下一循环。

由转位酶（translocase）——催化（延长因子EF－G——原核）。

可见，核蛋白体阅读mRNA密码子是从5’—→3’方向进行，肽链合成是从N-端——→C端方向进行的。

每一次核蛋白体循环，肽链延长一个氨基酸。

（四）真核生物延长过程

真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。

三、肽链合成的终止

（一）肽链合成的终止：

当核蛋白体A位出现mRNA的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰－tRNA种释出，mRNA、核蛋白体大小亚基等分离，这些过程称为肽链合成终止。

（二）参与终止过程：

需释放因子RF

RF的作用：

辨认终止密码和促进肽链C端与tRNA3’-OH酯键的水解，使肽链从翻译中的核蛋白体上释放下来。

原核RF——三种：

1）1）RF-l——辨认UAA；

UAG

2）2）RF-2——辨认UAA；

UGA。

3）3）RF-3——GTP酶的活性，能介导RF-1/RF-2与核蛋白体的相互作用。

（三）原核终止过程：

1．A位出现mRNA的终止密码时，无AA-tRNA与之对应，RF-1或RF-2识别终止密码，进入A位。

RF-3结合核蛋白体上的其他部位，

2．诱导核蛋白体上的转肽酶转变为酯酶活性——水解P位肽链与tRNA分离。

3.卸载tRNA，mRNA及RF均从核蛋白体脱落。

真核的终止过程与原核生物相似，但只有一个释放因子eRF，可识别所有终止密码，完成原核生物各种RF的功能。

然后在IF作用下，核蛋白体分出大、小亚基。

大、小亚基又可再进入翻译过程，循环使用。

狭义上，核蛋白体循环指翻译延长，广义上则可包含整个翻译过程。

蛋白质生物合成和所有的代谢合成过程一样，是消耗能量的。

在氨基酸活化阶段，AAcyl-tRNA的生成，需ATP变为AMP，消耗2个高能键。

翻译起始阶段，GTP-met-tRNA与核蛋白体小亚基形成复合物，至起始复合物生成释出GDP，延长阶段的进位、成肽也消耗能量。

估计每生成一个肽键，平均消耗5个高能磷酸键。

第三节 

蛋白质合成后加工和输送

一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质

二、一级结构的修饰

三、空间结构的修饰

四、蛋白质合成后的靶向输送

第四节蛋白质生物合成的干扰和抑制

抗生素（antibiotics），是能够杀灭或抑制细菌的一类药物。

利用这些药物能干扰、抑制代谢过程或基因信息传递过程。

但它们必须是作用于微生物而对人类的损害不大。

一、抗生素类

1．四环素（tetracyclin）族（包括土霉素）:

抑制氨基酰-tRNA与小亚基结合，——作用于原核。

2．氯霉素（chloromycetin）:

与大亚基结合（阻断延长）。

——作用于原核。

高浓度——真核线粒体蛋白质合成——阻断作用。

3．链霉索（streptomycin）和卡那霉素（karamycin）：

与小亚基结合，——作用于原核。

4．嘌呤霉素（Puromycin）：

结构与酪氨酰-tRNA相似，可取代一些氨基酰-tRNA进人A位，终止肽链合成。

——原核、真核均有干扰作用，试用于肿瘤治疗。

5．放线菌酮（cycloheximide）：

抑制核蛋白体转肽酶。

真核生物有特异性作用，限于作研究的试剂用。

二、其他干扰蛋白质生物合成的物质

（一）毒素

白喉杆菌——白喉毒索（diphtheriatoxin）——真核生物有剧毒的毒素蛋白质。

见图12－15

（二）干扰素的作用

见图12－16