生物化学与分子生物学-授课教案生物化学教学方案:

来源：泸州医学院精品课程网

生物化学与分子生物学:授课教案生物化学教学方案第十二章:教案首页课程名称生物化学年级专业、层次本科临床医学类授课教师职称课型（大、小) 大学时 4 授课题目（章、节) 第十二章蛋白质的生物合成教材名称《生物化学》第七版

教案首页

课程名称

生物化学

年级

专业、层次

本科临床医学类

授课教师

职称

课型（大、小)

大

学时

授课题目（章、节)

第十二章蛋白质的生物合成

教材名称

《生物化学》第七版

作者

查锡良

出版社

人民卫生出版社

主要参考书

（注明页数)

赵宝昌主编. 生物化学(第二版). 北京:高等教育出版社,2009年1月. 第十四章蛋白质的生物合成

目的与要求：

1. 掌握：翻译的概念。mRNA的模板作用。氨基酰tRNA合成酶的作用特点，氨基酸的活化。起始tRNA。原核生物多肽链生物合成的基本过程。

2. 熟悉：核蛋白体肽链合成场所的功能。tRNA转运氨基酸的功能，氨基酰tRNA的合成过程。蛋白质合成后的靶向输送的机制，信号肽的概念。

3. 了解：真核生物多肽链生物合成的基本过程。蛋白质翻译后加工方式。抗生素等物质对蛋白质生物合成的干扰和抑制作用。

教学内容与时间安排、教学方法：

1.教学内容与时间安排

翻译的概念，蛋白质生物合成体系 1.0学时

蛋白质生物合成体系 1.0学时

原核生物和真核生物的多肽链合成过程 1.0学时

多肽链合成后的加工和输送，蛋白质生物合成的干扰和抑制&www.med126.comnbsp; 1.0学时

2. 教学方法：

讲授+演示+启发+讨论。

教学重点及如何突出重点、难点及如何突破难点：

1. 重点：翻译的概念，蛋白质生物合成体系，原核生物的多肽链合成过程。

2. 难点：蛋白质生物合成体系，原核生物的多肽链合成过程。

3. 课件色彩及语言强调突出重点；采用图片及动画演示理解难点。

教研室审阅意见：

同意。

教研室主任签名：李洪

2009 年2 月 28 日

基本内容

课堂设计和时间安排

第十二章蛋白质的生物合成

☆翻译的概念。蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation)。

★第一节蛋白质生物合成体系

蛋白质生物合成体系：① 原料——20种编码氨基酸；② 模板——mRNA；③ 载体——tRNA；④ 装配机——核糖体（核蛋白体)；⑤ 酶和蛋白因子——氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子（IF)、延长因子（EF)、释放因子（RF)等；⑥ 供能物质——ATP、GTP；⑦ 无机离子——Mg²⁺、 K⁺。

一、mRNA是多肽链生物合成的直接模板

mRNA是翻译的直接模板。

☆遗传学将编码一条多肽链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多肽链，为多顺反子（polycistron)。真核mRNA只编码一条多肽链，为单顺反子（single cistron)。

多顺反子与单顺反子。

☆mRNA上的遗传密码：作为指导多肽链生物合成的模板，mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码（codon)。

☆遗传密码共有64种，其中，起始密码（initiation codon)：AUG；终止密码（termination codon)：UAA，UAG，UGA。

标准的通用遗传密码表。

☆开放阅读框的概念。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（open reading frame, ORF)。

☆遗传密码具有以下特点：① 连续性；② 简并性；③ 通用性；④ 方向性；⑤ 摆动性。

遗传密码的特点：

1. 连续性（commaless)：指编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。

遗传密码的连续性。

基因损伤引起mRNA开放阅读框内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变（frameshift mutation)。

2. 简并性（degeneracy)：遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性。遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。

遗传密码的简并性。

3. 通用性（universal)：蛋白质多肽链生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体等。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

4. 方向性（direction)：指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿5"→3"方向进行。

5. 摆动性（wobble)：转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反平行配对结合。但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称为摆动配对。

密码子与反密码子的摆动配对。

摆动配对现象示意图。

二、核糖体是多肽链生物合成的场所

核糖体（又称核蛋白体)，是多肽链合成的场所，是由多种rRNA与蛋白质组装形成的复合体。

核糖体的组成。

大肠杆菌核糖体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为多肽链生物合成的场所。

核糖体大、小亚基的功能：

☆1. 三个与tRNA结合的位点：

⑴ A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。

⑵ P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。

⑶ E位：又称排出位，见于原核生物，空载tRNA脱离核糖体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。

原核生物翻译过程中核糖体结构模式。

2. 与模板mRNA和起始tRNA结合位点：主要与小亚基有关。

3. 转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键；由大亚基成分构成。

4. GTPase活性：水解GTP，获得能量；分别由大、小亚基成分构成。

5. 起始因子、延长因子及释放因子的结合位点：分别由大、小亚基成分构成。

在多肽链生物合成过程中，常常由若干核糖体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核糖体之间存在一定的间隔，形成念球状结构。

☆多聚核糖体的概念。由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多聚核糖体（polysome)。

多聚核糖体示意图。

三、tRNA是多肽链生物合成的运载工具和适配器

tRNA的三级结构示意图。

☆能够识别mRNA中5"端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即fMet-tRNA^fmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即Met-tRNA_i^met。

在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码AUG。

四、氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸的活化与连接

氨基酸的活化与携带连接反应由氨基酰tRNA合成酶催化。特异的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而由tRNA携带活化的氨基酸参与多肽链的生物合成。

tRNA与酶结合的模型。

☆氨基酰tRNA合成酶催化的反应：第一步——活化反应；第二步——连接反应。

☆氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性（proof-reading activity)。

氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNA^Ala；Ser-tRNA^Ser；Met-tRNA^Met。

五、起始因子参与多肽链生物合成的起始过程

与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因子（initiation factor，IF)。原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起始因子（eIF)。

IF的作用主要是促进核糖体小亚基与起始tRNA及模板mRNA结合。

原核和真核生物中各种起始因子的生物功能。

六、延长因子参与多肽链生物合成的延长过程

与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子（elongation factor，EF)。

原核生物中存在3种延长因子（EF-TU，EF-TS，EF-G)，真核生物中存在2种（EF1，EF2)。

EF的作用主要是促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受位；并可促进移位过程，即具有转位酶活性，可催化核糖体向mRNA 3"-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。

多肽链合成的延长因子。

七、释放因子参与多肽链生物合成的终止

与多肽链合成终止并使之从核糖体上释放相关的蛋白因子称为释放因子（release factor，RF)。

RF在原核生物中有3种，在真核生物中只有1种。原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3；真核生物释放因子：eRF。

RF的生物学功能主要有：① 识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。② 诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核糖体上释放。

八、多肽链生物合成过程需要供能物质和无机离子

多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg²⁺、K⁺参与。

☆氨基酸活化时需消耗2个高能磷酸键，肽键形成时（进位和转位)又消耗2个高能磷酸键，合成错误的校正和消除常需消耗1个高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基平均需消耗5个高能磷酸键（5分子ATP)。

第二节多肽链生物合成的过程

☆★一、原核生物的多肽链合成过程

（一)原核生物多肽链合成的起始

包括以下几个步骤：核糖体大、小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核糖体大亚基结合。

1. 核糖体大、小亚基分离：IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核糖体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。此时，IF-1占据核糖体的A位。

2. mRNA在小亚基的精确定位结合：原核生物mRNA在核糖体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制：核糖体小亚基对模板mRNA S-D序列的辨认和结合；核糖体小亚基对模板mRNA小核苷酸序列的辨认结合。

原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为Shine-Dalgarno序列（S-D序列)，即核糖体结合位点（RBS)。而原核16S rRNA存在一段富含嘧啶的序列，二者之间可通过碱基配对，使mRNA与核糖体小亚基结合。

小核苷酸序列是mRNA上紧接S-D序列之后的序列，可被核糖体小亚基蛋白rpS-1辨认结合。

通过上述两种机制，使mRNA能与核糖体小亚基精确定位结合。

3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAfmet )结合到小亚基：起始 fMet-tRNAfmet以及IF2-GTP一起，识别结合小亚基P位，并对应模板mRNA的起始密码AUG。

4. 核糖体大亚基结合，形成起始复合体：IF2结合的GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAfMet构成起始复合体。

（二)原核生物多肽链合成的延长

多肽链合成的延长阶段由一循环反应过程来完成，即核糖体循环。每完成一次核糖体循环增加一个氨基酸残基。

☆核糖体循环的概念。活化氨基酸在核糖体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核糖体循环（ribosomal cycle)。

☆核糖体循环包括多肽链合成的进位、成肽和转位三步反应。

1. 进位（entrance)：又称注册(registration)，即与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的A位。此步骤耗能，需GTP，Mg²⁺，和EF-T（EF-Tu和EF-Ts)参与。

2. 成肽（peptide bond formation)：成肽是由转肽酶（transpeptidase)催化的肽键形成过程。在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到A位上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg²⁺，K⁺。

成肽反应过程。

3. 转位（translocation)：延长因子EF-G有转位酶（translocase)活性，可促进核糖体向mRNA的3´侧移动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从A位移到P位。此步骤耗能，需GTP和Mg²⁺参与。

转位反应过程。

此时，核糖体的A位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。已失去甲酰蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核糖体E位上脱落。

核糖体循环的反应过程。

（三)原核生物多肽链合成的终止

核糖体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入A位。

1. 识别：RF识别终止密码，进入核糖体的A位。

2. 水解：RF使转肽酶变为酯酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。

3. 脱离：模板mRNA、RF以及空载tRNA与核糖体脱离。

多肽链合成的终止过程。

多肽链合成终止演示。

二、真核生物多肽链生物合成过程

（一)真核生物多肽链合成的起始

真核生物翻译起始复合体的形成过程与原核生物类似，但参与的蛋白因子更多。包括：核糖体大、小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核糖体小亚基就位；核糖体大亚基结合。

真核生物翻译起始复合体形成过程。

（二)真核生物多肽链合成的延长

与原核生物基本类似，但参与反应的延长因子不同，由eEF-1替代EF-T完成进位，由eEF-2替代EF-G完成转位。核糖体无E位，转位时空载tRNA直接从核糖体释放。

（三)真核生物多肽链合成的终止

与原核生物类似，但RF只有一种，可识别全部终止密码。

第三节多肽链合成后的加工和输送

从核糖体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。

多肽链翻译后加工主要包括：① 多肽链折叠；② 一级结构的修饰；③ 高级结构修饰。

蛋白质合成后会被定向输送到其发挥作用的特定部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。

一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质

新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核糖体上一出现，肽链的折叠即开始。可随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模体、结构域到形成完整的空间构象。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶或蛋白因子辅助。

几种有促进蛋白折叠功能的大分子：① 分子伴侣（molecular chaperon)；② 蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase, PDI)；③ 肽-脯氨酰顺反异构酶（peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)。

1. 分子伴侣：分子伴侣是细胞内一类保守蛋白质，可识别多肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。包括：⑴ 热休克蛋白（heat shock protein, HSP)：HSP70、HSP40和GreE族；⑵ 伴侣素（chaperonins)：GroEL和GroES家族。

2. 蛋白二硫键异构酶：多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。蛋白二硫键异构酶在内质网腔中活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。

3. 肽-脯氨酰顺反异构酶：多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。肽-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。

二、蛋白质分子一级结构的加工修饰

（一)N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除

N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸残基，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。去甲酰化和去蛋氨酰基。

（二)氨基酸的共价修饰由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化以及疏水脂链的共价连接等。

（三)多肽链的水解修饰由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。

鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰。

三、蛋白质分子空间结构的修饰

（一)亚基的聚合