蛋白质生物合成及加工
蛋白质的合成、转运、加工与修饰
沉降系数 蛋白质
原核细胞 16S-rRNA
30S 21种 5S-rRNA 23S-rRNA
50S 34种 70S
真核细胞 18S-rRNA
40S ~33种 5S-rRNA 5.8S-rRNA 28S-rRNA 60S ~49种 80S
E.coli核糖体小亚基中rRNA与r蛋白的相互关系示意图
Brenner 等 用 实 验 证 实 ： 用 噬 菌 体 T2 感 染大肠杆菌后，几乎所有在细胞内合成 的蛋白质都不再是细胞本身的蛋白质， 而是噬菌体所编码的蛋白质；大肠杆菌 内出现了少量半衰期很短的新类型RNA， 其代谢速度极快，它们的碱基组成与噬 菌体DNA是一致的。
Spiegelman用分子杂交技术证明：经噬 菌体感染后新合成的RNA可以与噬菌体 DNA相杂交。
Kozak序列：a favorable context for efficient
eukaryotic
translation
initiation
（PuNNATGPu）。（S）
典型的Poly(A)加尾信号：AATAAA。（S）
cDNA末端快速扩增法（rapid amplification of
Tu TGsTP
Ts Tu GDP
5'
AUG
3'
2. 肽链延长的第二步：成肽
在转肽酶的催化下，P位上的tRNA所携的甲酰蛋氨酰 基转移给A位上的新进入的氨酰-tRNA，形成肽链。原 在P位上的、脱去甲酰蛋氨酰基的tRNA从复合物中迅速 脱落，使P位留空。
3. 肽链延长的第三步：转位
在转位酶/延长因子G（EF-G）的催化下，在A位的二 肽连同mRNA从A位进入P位。实际是整个核糖体的相对 位置移动。第三位氨基酸按密码的指引进入A位注册，开 始下一轮循环。
【生物化学】蛋白质的生物合成
嘌 呤 霉 素
酯键
（3）转位(translocation)
•转位酶 (translocase): •原核：延长因子G(EF-G),真核：EF-2 • GTP
可结合并水解1分子GTP，促进核 蛋白体向mRNA的3’侧移动
进 位
成肽 转 位
合成
3、肽链终止阶段：
核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多 肽链延长，直到终止信号进入受位。
四、蛋白质生物合成的干扰和抑制
1、抗生素（antibiotics）
名称
作用机制
四环素类 氯霉素类 链霉素类 嘌呤霉素
抑制氨酰－tRNA与原核生物核糖体结合，抑制细菌 蛋白质合成
结合原核生物核糖体大亚基，阻断翻译延长过。高 浓度时，对真核生物线粒体内的蛋白质合成也有阻 断作用 结合原核生物核糖体小亚基，改变其构象，引起读 码错误
,IF）
有抗病毒作
用的蛋白质
1、诱导一种蛋白激酶，使eIF2磷酸 化，从而抑制病毒蛋白质的生物合 成。
2、诱导生成一种寡核苷酸（2’5’A），活化核酸内切酶RNaseL， 可降解病毒RNA。
谢 谢!
（1）识别：释放因子（RF）识别终 止密码，进入核蛋白体的受位。
（2）水解：RF使转肽酶变为水解酶， 多肽链与tRNA之间的酯键被水解， 多肽链释放。
（3）解离：通过水解GTP，使核蛋 白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落， 核蛋白体解离为大、小亚基。
进位
肽链的形成 移位
蛋白质 合成过程
肽链合成终止
结构与Tyr-tRNAtyr相似，阻止肽链正常合成
放线菌酮 抑制核糖体转肽酶。且只对真核生物有特异性作用
2、干扰蛋白质生物合成的生物活性物质
名称
第十一章蛋白质的生物合成ppt课件
一、翻译模板mRNA及遗传密码
（一） mRNA是遗传信息的携带者 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺
反子(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转
录单位，转录生成的mRNA可编码几种功 能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)。 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反 子(single cistron) 。
翻译的延长(elongation)
翻译的终止(termination )
一、原核生物的翻译过程
（一） 起始阶段
1.核蛋白体大小 30S 亚基分离； 50S
2.mRNA与小亚
IF-3
IF-1
30S + 50S
解聚
mRNA
基结合； 3.起始氨基酰-
IF-2，GTP
AUG
tRNA与小亚基
fMet
fMet
溶酶体蛋白 Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）
分泌蛋白的靶向输送
真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过 程首先要进入内质网。
信号肽(signal peptide)－－
各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序 列称信号肽。
信号肽的一级结构
信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网
EF-Ts 调节亚基
EF-1-βγ
有转位酶活性，促进mRNA-肽 EFG 酰-tRNA由A位前移到P位，促
进卸载tRNA释放
EF-2
1.进位
又称注册(registration)
指根据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。
Tu TGsTP
Tu GDP
Ts GTP
遗 传 密 码 表
目录
从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码 子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编 码 一 个蛋 白 质多 肽 链 ， 称 为开 放 阅读 框 架 (open reading frame, ORF)。
蛋白质合成过程四个步骤
蛋白质合成是生物体内一项非常重要的生物化学过程，也被称为蛋白质生物合成。
该过程包括转录和翻译两个主要阶段，涉及到DNA、RNA和蛋白质等多种生物分子的参与。
下面我将详细介绍蛋白质合成的四个步骤，以便更好地理解这一复杂而精密的生物学过程。
步骤一：转录（Transcription）转录是蛋白质合成的第一步，它发生在细胞核内。
在这一过程中，DNA的信息将被复制到一种名为mRNA（信使RNA）的分子上。
具体来说，转录的步骤包括：1. 启动子结合：转录过程开始于启动子，启动子是DNA上的一个特定区域，其特殊序列能够与RNA聚合酶结合，从而启动转录。
2. RNA聚合酶合成mRNA：一旦启动子与RNA聚合酶结合，RNA 聚合酶将会沿着DNA模板链合成mRNA，这一过程包括RNA的合成和剪切修饰等步骤。
3. 终止：当RNA聚合酶到达终止子时，转录过程将结束，mRNA 分子从DNA模板上分离出来。
步骤二：前期mRNA处理（Pre-mRNA Processing）在转录完成后，产生的mRNA并不是立即可以被翻译成蛋白质的成熟mRNA，还需要经过一系列的前期处理。
这些处理包括：1. 剪接（Splicing）：mRNA中会存在一些被称为内含子的非编码序列，而真正编码蛋白质的序列被称为外显子。
剪接过程将内含子从mRNA中切除，将外显子连接起来，形成成熟的mRNA。
2. 5'端盖（5' Cap）的添加：在mRNA的5'端，会添加一种名为7-甲基鸟苷酸（m7G）的化合物，用于保护mRNA不受降解，同时有助于mRNA与核糖体的结合。
3. 3'端聚腺苷酸（Polyadenylation）的添加：在mRNA的3'端，会添加一系列腺苷酸，形成所谓的聚腺苷酸尾巴，同样用于保护mRNA不受降解。
步骤三：翻译（Translation）翻译是蛋白质合成的第二个主要步骤，它发生在细胞质中的核糖体内。
在翻译过程中，mRNA上携带的遗传密码将被翻译成氨基酸序列，从而合成特定的蛋白质。
细胞合成蛋白质的过程
细胞合成蛋白质的过程，即蛋白质生物合成或翻译（Translation），是一个复杂的多步骤过程，主要包括以下五个阶段：1. 氨基酸的活化：- 在起始阶段之前，每一个参与蛋白质合成的氨基酸都需要先与特异性的转运RNA（tRNA）结合，并被一个酶（氨酰-tRNA合成酶）催化，接受ATP提供的能量，形成活性的氨酰-tRNA。
2. 多肽链合成的起始：- mRNA首先通过转录过程生成，并从细胞核转移到细胞质中的核糖体。
在原核生物中，mRNA通常可以直接与核糖体结合，而在真核生物中，mRNA需要经过剪接和修饰后穿过核孔进入细胞质。
- 起始复合物形成，mRNA上的起始密码子（通常是AUG）与携带甲硫氨酸的Met-tRNAiMet结合，后者通过IF-2等起始因子的帮助定位在核糖体的小亚基上，随后大亚基结合形成完整的起始复合物。
3. 肽链的延长：- 进位（Elongation）阶段，下一个适当的氨酰-tRNA在其tRNA反密码子区与mRNA上的下一个密码子互补配对，进入核糖体的A位点。
- 核糖体的催化作用下，A位点的氨基酸通过肽键与延伸中的多肽链相连，然后空载的tRNA移至P位点，再接着从P位点移到E位点释放。
- GTP驱动的转位酶促使核糖体沿mRNA移动一个密码子的距离，准备接收下一个氨基酸。
4. 肽链的终止与释放：- 当mRNA上的终止密码子（UAA、UAG或UGA）进入A位点时，没有对应的氨酰-tRNA与其配对。
此时，释放因子RF识别终止密码子并结合到核糖体上，引发肽链从核糖体上脱离并水解掉tRNA与多肽链之间的酯键。
- 最终，核糖体大小亚基分离，翻译过程结束，新生的多肽链被释放出来。
5. 蛋白质合成后的加工修饰：- 新合成的多肽链往往还需要进行一系列的后翻译修饰，包括但不限于切除N端的甲硫氨酸、折叠成三维结构、磷酸化、糖基化、跨膜插入、剪接等过程，才能成为成熟的、具有生物学功能的蛋白质。
在整个过程中，核糖体、mRNA、tRNA以及众多蛋白质因子协同工作，保证了遗传信息准确无误地转化为蛋白质分子。
蛋白质的生物合成与工程
蛋白质的生物合成与工程蛋白质是生命中不可或缺的基本分子，它们在细胞中扮演着各种功能角色，包括结构支撑、酶催化、运输、信号传递等等。
蛋白质的生物合成是指由核糖体将氨基酸链组装成蛋白质的过程，也就是所谓的翻译（translation）过程。
这个过程是高度复杂的，需要核糖体、mRNA、tRNA、氨基酰-tRNA合成酶、GTP酶活化蛋白等多种因素协同作用。
蛋白质生物合成的主要步骤包括：（1）转录（transcription）：DNA模板被RNA聚合酶复制成mRNA分子；（2）翻译（translation）：mRNA被核糖体复制成氨基酸序列；（3）后翻译修饰（post-translational modification）：新合成的蛋白质经过各种化学修饰，包括剪切、磷酸化、甲基化、乙酰化、糖基化等等，以获得成熟的功能性蛋白质。
这个过程是高度精密和调控的，任何一步出错都会导致生命体失衡或死亡。
蛋白质的生物合成是细胞机理学研究的重点之一。
掌握它的规律和特点对生命科学和医学研究有着重要意义。
特别是在蛋白质工程与制药研发中，理解蛋白质合成的分子机制和调控策略，有助于设计和构建更加高效、稳定、安全、功能性的新型蛋白质、抗体、疫苗等生物制品。
与传统的蛋白质生产相比，蛋白质工程技术能够大规模、高效、精准地合成目标蛋白质，具有许多优点。
例如，它可以实现异物蛋白质大量表达、简化纯化、降低成本和污染等问题；同时，也可以设计和制造新型蛋白质的突变、修饰、拼接和组装等操作，以实现更加智能和灵活的应用。
近年来，蛋白质工程技术在医药、生物农业、食品、能源等领域都取得了丰硕的成果和前景。
一些常见的蛋白质工程技术包括：（1）融合蛋白质技术：将目标蛋白质与其他蛋白质或肽段融合在一起，以提高稳定性、表达量或靶向；（2）点突变或替换技术：通过人工合成或随机变异方法引入点突变或替换，以改变结构、性能或特异性；（3）抗体工程技术：将抗体序列进行人工改造，以生产更加特异的抗体、双特异性抗体、Fc修饰抗体等；（4）蛋白质递送技术：将目标蛋白质与载体融合或包裹在一起，以保护、传递、释放和放大蛋白质作用，如核酸疫苗、基因传递、药物递送等。
第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰
第十一章蛋白质的生物合成及加工修饰(The Biosynthesis and transport of protein)在不同的蛋白质分子中，氨基酸有着特定的排列顺序，这种特定的排列顺序不是随机的，而是严格按照蛋白质的编码基因中的碱基排列顺序决定的。
基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。
翻译的过程也就是蛋白质分子生物合成的过程，在此过程中需要200多种生物大分子参加，其中包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。
第一节参与蛋白质生物合成的物质一、合成原料自然界由mRNA编码的氨基酸共有20种，只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料。
某些蛋白质分子还含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、γ-羧基谷氨酸等，这些特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的。
下图给出部分特殊氨基酸分子式：二、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分子常带有多个功能相关蛋白质的编码信息，以一种多顺反子的形式排列，在翻译过程中可同时合成几种蛋白质；而真核细胞中，每种mRNA一般只带有一种蛋白质编码信息，是单顺反子的形式。
mRNA以它分子中的核苷酸排列顺序携带从DNA传递来的遗传信息，作为蛋白质生物合成的直接模板，决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。
不同的蛋白质有各自不同的mRNA，mRNA除含有编码区外，两端还有非编码区。
非编码区对于mRNA的模板活性是必需的，特别是5'端非编码区在蛋白质合成中被认为是与核糖体结合的部位。
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。
第8章 蛋白质生物合成和翻译后加工
第8章蛋白质生物合成和翻译后加工一、学习要点本章涉及的基本概念较多，如翻译、核酶、翻译的起始因子、延长因子、释放因子、三联体密码、密码的简并性、密码的摆动性、SD序列、信号肽等。
主要理解和掌握蛋白质合成的分子基础、遗传密码的基本特性、多肽链生物合成的一般过程、确保翻译准确性的机制、翻译后加工和定向运输等内容。
1、蛋白质合成的分子基础：与蛋白质合成有关的RNA有：mRNA、tRNA和rRNA。
mRNA 作为蛋白质多肽链合成的直接模板。
tRNA在蛋白质合成主要起接头作用，① tRNA的 3′端- CCA序列是氨基酸接受位点(氨基酸接受臂)；②DHU环是识别氨酰tRNA合成酶的位点；③TψC环是核糖体的识别位点；④反密码子环上的反密码子作用是mRNA的密码子。
rRNA主要是与蛋白质结合形成核糖体，作为蛋白质合成的场所。
2、遗传密码。
mRNA上决定一个特定氨基酸的三个相邻的核苷酸称为遗传密码.又叫三联体密码或密码子。
其特点主要有：1）无标点符号的；2）简并性(degeneracy)，除Met (AUG )和Trp(UGG )外，每个氨基酸都有一个以上的密码子，这种现象称为密码的简并，把编码相同氨基酸的密码子称同义密码子。
其生物学意义在于减少有害突变，对生物物种的稳定有一定作用。
3) 遗传密码具有的变偶性(摆动性)，密码子第1位、第2位碱基配对是严格的,第3位碱基可以有一定的变动，这一现象称为变偶性或摆动性(wobble)。
4）64组密码子中61组编码氨基酸，UAA、UAG和UGA为终止密码子（或无义密码子）， AUG为起始密码子。
5）遗传密码的通用性和变异性，通用性是指各种低等和高等生物,包括病毒、原核以及真核生物,基本上共用一套遗传密码，反应了生物世界的统一性；目前已知线粒DNA(mtDNA)的编码方式与通常遗传密码子有所不同。
3 多肽链合成的机理。
（1）多肽链的延伸方向。
在翻译时，核糖体沿mRNA从5’→3’方向进行翻译，多肽链延伸的方向为氨基端→羧基端（与多肽的人工合成不同，在多肽的人工合成中，肽链从羧基端→氨基端）。
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2020年6月14日12时7分
烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University
Crick预言的 分子转换器 (adaptor)
2020年6月14日12时7分
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2020年6月14日12时7分
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第一位 5端
第二位
遗 传 密 码 表
第三位 3端
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遗传密码的特点 1.连续性(commaless):编码蛋白质氨基酸序列的
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B、1964年也是由M.Nirenberg 等人完成的.首先合成一个已知 序列的核苷酸三聚体,然后与大 肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起 温育.由此确定与已知核苷酸三 聚体结合的tRNA上连接的是那 一种氨基酸.该实验对于几种密 码编码同一个氨基酸提供了直 接的、最好的证据
各个三联体密码连续阅读,密码间无间断、无交叉
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2.通用性(universal)：在所有生物中都一 样，但在线粒体、支原体等中有少量变化
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破译密码的必备条件：
• 要有确定的已知序列的mRNA • 要有同位素标记的氨基酸
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证明三联体密码的三个著名实验的示意图
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A、1961年,Marshall Nirenberg合 成了poly(U),将它放入20根 试管中,每根试管中加入了大 肠杆菌细胞质抽提物和一种 有同位素标记的氨基酸.反应 一段时间后用TCA(三氯乙酸) 将蛋白质沉淀下来,测定同位 素的量,结果发现在加了同位 素标记Phe的试管的沉淀物中 同位素含量特别高
第一节 遗传密码的破译
mRNA的翻译:按照mRNA上密码子的信息指导 氨基酸单体合成为多肽链的过程.
将mRNA中4种核苷酸的语言解读为蛋白质中20种氨基 酸的语言——翻译（Translation）
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3.简并性(degeneracy) 除Met,Trp外,其余氨 基酸均由2个以上密码 子编码.同义密码子. 所对应的密码子的多 少与该氨基酸在生物 中的利用度成比例.
但每一个密码子仅对 应一个氨基酸
不同物种对密码子有“偏爱性”
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这是因为体外合成是无调控的合成, 可以随机地从A、或U、或C翻译，所 以有三种重复的多肽链生成.
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通过Nirenberg和Khorana两位科学家的辛勤工作,于1966年 全部密码都被破译.共有64个密码,其中61个密码是编码氨基 酸的，其余3种是终止密码，两位科学家获得了诺贝尔奖。
蛋白质的合成发生在粗面内质网上
20世纪50年代Paul Zamecnik将同位素标记的氨基酸 注射到大鼠体内,分析不同时间肝脏内氨基酸的分布. 时间长了会在任何地方都有,但注射后数分钟检测,全 部跑到含有RNA的小颗粒中(即核糖体,ribosome).
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mRNA分子中每三个相临碱基组成一个密 码子,代表一种氨基酸,或起始信号,或终 止信号
mRNA上的四种碱基可组成64个密码子, 其中61个代表不同的氨基酸,其余三个代 表终止信号.
2020年6月14日12时7分
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第16章 蛋白质生物合成及加工
第一节 遗传密码的破译 第二节 蛋白质的合成过程 第三节 蛋白质的加工、修饰及转运
2020年6月14日12时7分
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Crick比较了核酸和氨基酸的大小和形状后,认为不 可能在空间上互补,对核酸→蛋白质的信息传递作了 以下预测： 1)一种分子转换器,使信息从核酸序列转换成氨基酸
序列,这种分子很可能是核酸； 3)不论以何种方式进入蛋白质翻译系统,都必须与模
板形成氢键； 4)有20种分子转换器,每种氨基酸一个； 5)每种氨基酸必定有一个对应的酶,催化与特定的分
2020年6月14日12时7分
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C、由Khorana等人完成. 利用有机化 学和酶法制备了已知的核苷酸重复序 列,以此多聚核苷酸作模板,在体外进 行蛋白质合成,发现可生成三种重复 的多肽链.
若从A翻译,则合成出多聚Ile,即AUC 对应Ile；若从U翻译,则合成出多聚 Ser,即UCA对应Ser；若从C翻译,则合 成出多聚 His,即CAU对应 His.