蛋白质合成与加工翻译

1、会计学1蛋白质合成与加工翻译蛋白质合成与加工翻译蛋白质合成体系的组成蛋白质合成体系的组成Components Required for Protein Biosynthesis第一节 lmRNA（messenger RNA, 信使RNA）lrRNA（ribosomal RNA, 核糖核蛋白体RNA）ltRNA（transfer RNA, 转移RNA）辅助因子包括:起始因子(initiation factor, IF)延长因子(elongation factor, EF)释放因子（终止因子）(release factor, RF) 等 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA syn

2、thetase) 一、一、mRNA是蛋白质是蛋白质/多肽链合成的模板多肽链合成的模板原核生物mRNA真核生物mRNA非翻译区非翻译区核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP53蛋白质蛋白质PPPmG -53蛋白质蛋白质AAA目 录（一）mRNA含有64种密码子mRNA分子上每3个核苷酸构建一个密码子，编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet codon)，也称遗传密码子(genetic codon)。起始密码(initiation codon): AUG 终止密码(termination codon

3、): UAA、UAG、UGA 遗遗传传密密码码表表目 录1.遗传密码具有通用性遗传密码具有通用性（二）遗传密码具有几个特性2. 密码子具有方向性密码子具有方向性(direction)l起始密码子总是位于mRNA开放阅读框架的5末端，终止密码子位于3末端。 l翻译的方向是从5到3末端。 3. 遗传密码具有连续性遗传密码具有连续性l 密码子按5 3方向每3个一组阅读框架顺序翻译，无标点、不重叠，即连续性lmRNA开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入或缺失，可引起移码突变(frameshift mutation)。翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。 4. 遗传密码具有简并性遗传密码具有简并性目 录l

4、简并性，即同一种氨基酸具有多个密码子，或者多个密码子代表一种氨基酸的现象。l遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅对应一个密码子外，其余氨基酸均有一个以上密码子为其编码。简并性简并性(degeneracy)目 录5. 遗传密码具有摆动性遗传密码具有摆动性（wobble）l编码同一氨基酸的不同密码子互称同义密码子；同义密码子之间的差异通常只在第3位碱基上，密码子第3位碱基与tRNA反密码子不严格遵守碱基配对规律，而是摆动碱基配对。 U摆动配对目 录密码子、反密码子配对的摆动性密码子、反密码子配对的摆动性tRNA反密码子反密码子第第1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子密码子第第3位碱基位碱基U、C、A

5、A、 GU、CUG二、二、一种一种tRNA只能转运一种氨基酸但只能转运一种氨基酸但一种氨基酸可由几种一种氨基酸可由几种tRNA转运转运反密码环氨基酸臂氨基酸臂tRNA的三级结构示意图的三级结构示意图三、三、rRNA与蛋白质组成核糖体与蛋白质组成核糖体 目 录 蛋白质合成场所核核糖糖体体的的组组成成目 录原核生物核糖体原核生物核糖体 70 S Mt 2.7106 真核生物核糖体真核生物核糖体 80S Mt 4.2106核糖体在蛋白质合成中有主要作用： 核糖体两亚基上具有结合mRNA的位点，还有与起始因子、延长因子、释放因子及各种酶的结合位点；并且具有两个tRNA结合的位点；A位点是氨基酰tRNA

6、结合位点，P位点是肽酰tRNA结合位点。通过将mRNA、氨基酰-tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的合成。核糖体是合成蛋白质的场所。l20种氨基酸（AA）l酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成酶、起始因子(initiation factor，IF) 、延长因子（elongation factor，EF）、释放因子（release factor，RF）。 lATP、GTPl无机离子四、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子大肠杆菌蛋白质合成的大肠杆菌蛋白质合成的5 5个阶段所需化合物个阶段所需化合物1氨基酸的活化20种氨基酸20种氨基酰-tRNA合成酶32种（或多于32种）tRN

7、AATP、Mg2+2起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAfmermRNA上的起始密码子（AUG）30S 核糖体亚基50S 核糖体亚基起始因子（IF-1, IF-2, IF-3）GTP、Mg2+3延长具有功能的70S 核糖体（起始复合物）密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子（EF-Tu, EF-Ts, EF-G）GTP、Mg2+4终止与释放mRNA上的终止密码释放因子（RF-1, RF-2, RF-3）5折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅基结合到蛋白质上阶段必需化合物1氨基酸的活化20种氨基酸20种氨

8、基酰-tRNA合成酶32种（或多于32种）tRNAATP、Mg2+2起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAmRNA上的起始密码子（AUG）30S 核糖体亚基50S 核糖体亚基起始因子（IF-1, IF-2, IF-3）GTP、Mg2+3延长具有功能的70S 核糖体（起始复合物）密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子（EF-Tu, EF-Ts, EF-G）GTP、Mg2+4终止与释放mRNA上的终止密码释放因子（RF-1, RF-2, RF-3）5折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅基结合到蛋白质上阶段必需

9、化合物蛋白质的合成过程蛋白质的合成过程Protein Synthesis Process 第二节整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为4 4个阶段个阶段 ：翻译过程从开放阅读框架的5-AUG开始向3阅读，按mRNA上三联体密码的顺序指导蛋白质从N端向C端合成，直至终止密码。 氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸与tRNA的连接一、氨基酸活化成氨基酰-tRNA氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)第一步反应第一步反应: :氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi目 录第二步

10、反应第二步反应: :氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E目 录（型）型）（二）氨基酰-tRNA合成酶具有校读作用二、起始阶段形成翻译起始复合物二、起始阶段形成翻译起始复合物l原核生物中有3种起始因子(initiation factor，IF) ：IF-1、 IF-2、 IF-3l真核生物起始因子被称作eIF (eukaryotic initiation factor) eIF-1、-2、-3、-4、-5和-6 翻译的起始因子翻译的起始因子真核起始因子功能eIF-1 多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2 促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S 小亚基结合eIF-2B

11、 又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDP交换成GTP eIF-3 首先与40S 小亚基结合的因子，并能加速后续步骤eIF-4A 具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA 5端的发夹结构，使其与40S 小亚基结合。是eIF-4F 的组成成分eIF-4B 与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E 结合mRNA的帽子结构，是eIF4F的组成成分eIF-4G 一种接头蛋白，能与eIF-4E 、eIF-3和poly A结合蛋白结合将40 S 的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是eIF4F的组成成分eIF-5 促进上述起始因子从40S 小亚基脱落，以便40S 小亚基与60S大亚

12、基结合形成80S 起始复合物eIF-6 促进无活性的80S 核糖体解聚生成40S 小亚基和60S 大亚基原核起始因子功能IF-1 防止tRNA过早地结合到A位IF-2 促进fMet-tRNAfMet结合到30S 小亚基IF-3 结合30S 小亚基，防止它过早地与50S 大亚基结合，并提高P 位对fMet-tRNAfMet的特异性真核起始因子功能eIF-1 多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2 促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S 小亚基结合eIF-2B 又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDPGTP eIF-3 首先与40S 小亚基结合的因子，并能加速后续步骤eIF-4A 具有RN

13、A解旋酶的活性，能解除mRNA 5端的发夹结构，使其与40S 小亚基结合。是的组成成分eIF-4B 与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E 结合mRNA的帽子结构，是的组成成分eIF-4G 一种接头蛋白，能与、eIF-3和poly A结合蛋白结合将40 S 的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是eIF4F的组成成分eIF-5 促进上述起始因子从40S 小亚基脱落，以便40S 小亚基与60S大亚基结合形成80S 起始复合物eIF-6 促进无活性的80S 核糖体解聚生成40S 小亚基和60S 大亚基原核起始因子功能IF-1 防止tRNA过早地结合到A位IF-2 促进fMe

14、t-tRNAfMet结合到30S 小亚基IF-3 结合30S 小亚基，防止它过早地与50S 大亚基结合，并提高P 位对fMet-tRNAfMet的特异性（一）（一）原核生物在起始因子参与下组装翻译起原核生物在起始因子参与下组装翻译起始复合物始复合物1原核生物翻译起始形成70S起始复合物lIF-1、IF-3结合解聚的核糖体30S小亚基 ；lmRNA结合核糖体30S小亚基；l在IF-1的作用下， fMet-tRNA结合mRNA的起始密码子； l50S核糖体大亚基参入复合物。肽链合成的起始氨基酰-tRNA:IF-3IF-1（1）IF-3、IF-1结合解聚的30S核糖体小亚基 目 录A U G53IF

15、-3IF-1（2）mRNA结合核糖体30S小亚基 目 录S-D序列（序列（Shine-Dalgarno sequence）又称核糖又称核糖体结合位点（体结合位点（ribosomal binding site, RBS） IF-3IF-1IF-2GTP（3）在IF-1的作用下， fMet-tRNA结合mRNA的 起始密码子 A U G53目 录IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi(4) 利用IF-2具有GTP酶的活性，催化GTP水解，起始因子释放，50S大亚基与30S小亚基结合，形成70S起始复合物，fMet-tRNAfMet位于核糖体上的P（peptidyl）位。A U G53目 录IF-

16、3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目 录（二）真核细胞蛋白质合成起始机制与（二）真核细胞蛋白质合成起始机制与 原核相似但更复杂原核相似但更复杂 真核细胞的蛋白质合成过程中需要更多的蛋白质因子，步骤更为复杂，但基本过程与原核细胞中相似。 1 . 真核生物的核糖体为80S 2 . 真核生物的起始氨基酸是甲硫氨酸，而不是N-甲酰甲硫氨酸。3. AUG是真核生物中起始密码子，mRNA 的5末端AUG一般就是起始位点4 . 真核较原核有更多的起始因子（用 elf表示），而且相互作用更复杂 真核生物翻译起始复合物形成过程真核生物翻译起始复合物形成过程Met40S60SMetM

17、et40S60SmRNAeIF-3elF-2-GTPGDP+Pi各种各种elF释放释放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet43S前起始复合物48S前起始复合物80S翻译起始复合物三、新生肽链通过核糖体循环而延长三、新生肽链通过核糖体循环而延长l肽链延长在核糖体上连续、循环式进行，称为核糖体循环(ribosomal cycle)，每循环一次肽链延长一个氨基酸残基，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptide bond formation)转位(translocation)A U G53翻译起始复合物翻

18、译起始复合物A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)目 录又称注册又称注册(registration)指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位。目 录（一）氨基酰-tRNA在EF-Tu-GTP协助下进入A位（即进位） 延长因子EF-T催化进位（原核生物） 第二个氨基酰-tRNA在EF-Tu-GTP引导下进入核糖体的A位，伴随GTP水解、Tu-GDP脱离tRNA, 而结合Ts和GTP，引导下一个氨基酰-tRNA进位。 Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP目 录由肽基转移酶催化肽键形成

19、（二）P位氨基酰基/肽酰基与A位氨基酰- tRNA氨基形成肽键（即成肽） （三）在延长因子（三）在延长因子EF-G和和GTP参与下促进参与下促进 核糖体沿核糖体沿mRNA移动移动/转位转位l在原核生物，转位依赖延长因子EF-G；l在真核生物，则依赖GTP和EF-G的相应蛋白质EF-2。fMetA U G53fMetTuGTP目 录进进位位转转位位成肽成肽 （四）核糖体在肽链延长阶段有校读作用 l 核糖体的校读功能建立在正确的密码子与反密码子相互作用的基础上。 四、肽链合成终止阶段释放新生的肽链肽链合成的终止包括终止密码的识别，肽链从肽酰-tRNA中释出， 终止过程需要的蛋白因子称为释放因子 (

20、release factor, RF)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. 帮助完成合成的多肽从P位点的tRNA释放。 释放因子的功能：原核生物释放因子：RF-1、RF-2、RF-3 真核生物释放因子：eRF 原核生物肽链合成终止过程 U A G53RFCOO-目 录多聚核蛋白体多聚核蛋白体(polysome)：mRNA与多个核糖体的聚合物与多个核糖体的聚合物使蛋白质合成以高速度、高效率进行。目 录电镜下的多聚核糖体现象电镜下的多聚核糖体现象目 录翻译后的折叠和加工修饰翻译后的折叠和加工修饰Folding and Posttranslati

21、onalProcessing第三节主要包括：主要包括：l蛋白质折叠（protein folding）l翻译后加工（post-translation processing） 一、新生肽链经历翻译后修饰一、新生肽链经历翻译后修饰（一）肽链N端和C端的切除和/或化学修饰l细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以去除N-甲酰基、N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽链。 l在真核细胞，50%的蛋白质在翻译后，氨基末端的氨基发生乙酰化。 l有些情况下，羧基末端的残基也可被酶切除。 （二）水解加工包括多蛋白水解加工和内含肽的剪接1多蛋白水解加工可产生多种肽链一些蛋白质在合成之初是含有一系列头尾相连的蛋白质的长多肽链。多

22、肽链的水解将裂解释放出各种蛋白质，释放出的蛋白质可能具有完全不同的功能，这些蛋白质称为多蛋白。 阿皮素原阿皮素原(POMC)的水解加工：的水解加工：NC信号肽信号肽KRKR103肽肽ACTH -LT -MSH -MSHEndophin2内含肽切除导致外显肽连接 内含肽是蛋白质的内部片段，翻译后很快被剪切，两个外显肽连接到一起。内含肽的长度一般在300 600个氨基酸之间。剪接是由内含肽自我催化的。（三）氨基酸残基的化学修饰有多种形式二、折叠是肽链高级结构形成的过程二、折叠是肽链高级结构形成的过程（一）多肽链通过分步反应快速地进行折叠1分子伴侣有核糖体结合和非核糖体结合两类（二）分子伴侣参与蛋白

23、质折叠细胞内分子伴侣完成以下功能：细胞内分子伴侣完成以下功能：l封闭待折叠蛋白暴露的疏水区段； l创建一个隔离的环境，蛋白质可互不干扰在此折叠； l促进折叠和去聚合； l遇到应激，使已折叠的蛋白质去折叠。（1）热休克蛋白70(Hsp70)的两个主要功能域为折叠所必需还需要辅助因子还需要辅助因子Hsp40和和Grp E非核糖体结合的分子伴侣 Hsp70反应循环（2）大肠杆菌的Gro EL属于热休克蛋白60（Hsp60）家族需要辅分子伴素需要辅分子伴素10(cochaperonin 10) Gro ES的帮助的帮助（3） 二硫键异构酶催化链内或链间二硫键形成多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定

24、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。 二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可加速形成正确配对的二硫键 ，从而促进蛋白质折叠的全过程。（4） 脯氨酰顺-反异构酶催化顺反异构加速折叠多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象差别明显。 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。 脯氨酰顺-反异构酶催化这种异构化的过程，可加速蛋白质的折叠。2.目前对大肠杆菌的蛋白质折叠过程了解较多（1） 折叠过程首先经历Hsp70反应循环Hsp40结合未折叠蛋白Hsp70-ATP复合物Hsp70-ADP-未折叠蛋白复合物Grp E ADP释放ATP结合Hsp7

25、0 ，释出完成部分折叠的蛋白质Hsp40- Hsp70-ATP-未折叠蛋白复合物ATPADP（2）部分折叠的蛋白质尚需经历GroEGro ES 反应循环三、亚单位聚合形成多亚基蛋白质三、亚单位聚合形成多亚基蛋白质四、蛋白质合成后经靶向输送到细胞特异区间 新合成的蛋白质/多肽链须经分选、靶向输送到细胞特异区间或亚细胞器，在那里进行翻译后加工或发挥作用。 大肠杆菌新合成的多肽，一些仍停留在胞浆之中，一部分则被送到质膜、外膜或质膜与外膜之间的空隙。有的也可分泌到胞外。 真核细胞中新合成的多肽被送往溶酶体、线粒体、叶绿体、细胞核等亚细胞器。所以新合成的多肽的输送是有特异靶向的。 一部分核糖体以游离状态

26、停留在胞质中，它们只合成供装配线粒体及叶绿体膜的蛋白质。 另一部分核糖体，受新合成多肽的N端上的信号肽（signal peptide）的控制而进入内质网，使原来表面平滑的内质网（smooth ER）变成有局部凸起的粗糙内质网（rough ER）。与内质网相结合的核糖体可合成3类主要的蛋白质溶酶体蛋白、分泌到胞外的蛋白和构成质膜骨架的蛋白。信号识别体(signal recognition particle, SRP)识别信号肽 。 蛋白质生物合成与医学的关系蛋白质生物合成与医学的关系Clinical Relatives in Protein Synthesis第四节一、病毒利用宿主蛋白质合成体系

27、进行复制一、病毒利用宿主蛋白质合成体系进行复制二、许多抗生素通过抑制细菌蛋白质合成发挥作用抗生素抗生素作用点作用点作用原理作用原理应用应用四环素族（金霉素四环素族（金霉素 新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、链霉素、卡那霉素、新霉素新霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素 放线菌酮放线菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素原核核糖体原核核糖体小亚基小亚基原核核糖体原核核糖体小亚基小亚基原核核糖体原核核糖体大亚基大亚基真核核糖体真核核糖体大亚基大亚基真核、原核真核、原核核糖体核糖体 抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA-tRNA与小亚基与小亚基结合结合改变构象引起读码错误、抑改变构象引起读码错误、抑制起始制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA类似物，进位类似物，进位后引起未成熟肽链脱落后引起未成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究医学研究抗肿瘤药抗肿瘤药嘌呤霉素嘌呤霉素作用示意图作用示意图四四环环素素族族氯霉素氯霉素链霉素族链霉素族嘌呤霉素嘌呤霉素放线菌酮放线菌酮目 录三、三、某些活性物质通过抑制细胞或某些活性物质通过抑制细胞或病毒的蛋白质合成