生物化学教程王镜岩朱圣庚徐长法第17章 蛋白质的生物合成

1、第第十七章十七章蛋白质的蛋白质的生物合成（翻译）生物合成（翻译）Protein synthesis，Translation生化教研室生化教研室 崔安芳崔安芳mRNA蛋白质的生物合成过程就是将mRNA 分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。n第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系n第二节第二节 氨基酸与氨基酸与tRNAtRNA的连接的连接n第三节第三节 肽链的生物合成过程肽链的生物合成过程n第四节第四节 蛋白质合成后加工和靶向输送蛋白质合成后加工和靶向输送n第五节第五节 蛋白质生物合成的干扰和抑

2、制蛋白质生物合成的干扰和抑制本章主要内容本章主要内容蛋白质生物合成的体系蛋白质生物合成的体系Protein Biosynthesis System第第 一一 节节 蛋白质合成的模板：蛋白质合成的模板：模板与氨基酸之间的接合体：模板与氨基酸之间的接合体：蛋白质合成的场所：蛋白质合成的场所：核糖体核糖体mRNAmRNAtRNAtRNA酶及众多蛋白因子酶及众多蛋白因子 如如IFIF、eIFeIF 能量：能量：ATPATP、GTPGTP蛋白质合成的原料：蛋白质合成的原料： 20种氨基酸种氨基酸一、一、mRNA是蛋白质生物合成的信息模板是蛋白质生物合成的信息模板mRNA结构简图结构简图l mRNA上存在

3、遗传密码上存在遗传密码mRNA分子上从分子上从5 至至3 方向，由方向，由AUG开开始，每始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为称为三联体密码三联体密码(triplet coden)。起始密码起始密码(initiation coden): AUG 终止密码终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA 1968 Nobel Prize in Physiology & Medicine (for deciphering the genetic code)

4、“Triumph of the Chemists” H.G. Khorana R. Holley M. Nirenberg Used a cell-free protein synthesis system from E. coli, programmed it with natural and synthetic RNAs of defined sequence, and determined the sequence of the peptides produced.保温保温蛋白质合成停止蛋白质合成停止poly U，ATP，GTP，氨基酸，氨基酸多聚苯丙氨酸（多聚苯丙氨酸（UUU是是Phe

5、的密码子）的密码子）同样方法证明了同样方法证明了CCC是是Pro的密码子，的密码子，AAA是是Lys的密码子。的密码子。提取液（提取液（DNA、mRNA、tRNA、核糖、核糖 体、酶、离子）体、酶、离子）遗传密码的破译遗传密码的破译(1961)目录目录13n遗传密码的特点遗传密码的特点1. 方向性方向性(directional)翻译时遗传密码的阅读方向是翻译时遗传密码的阅读方向是5 3 ，即读，即读码从码从mRNA的起始密码子的起始密码子AUG开始，按开始，按5 3 的的方向逐一阅读，直至终止密码子。方向逐一阅读，直至终止密码子。 NC肽链延伸方向肽链延伸方向53读码方向读码方向目录目录142

6、. 连续性连续性(non-punctuated)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。既无间隔也无交叉。 AlaValHisMet终止密码终止密码目录目录15由于密码子的连续性，在开放阅读框中发生插入由于密码子的连续性，在开放阅读框中发生插入或缺失或缺失1个或个或2个碱基的基因突变，都会引起个碱基的基因突变，都会引起mRNA阅阅读框架发生移动，称为读框架发生移动，称为移码移码（frame shift），使后续），使后续的氨基酸序列大部分被改变，其编码的蛋白质彻底丧的氨基酸

7、序列大部分被改变，其编码的蛋白质彻底丧失功能，称之为失功能，称之为移码突变移码突变。 缬缬 脯脯 苏苏 天冬天冬缬缬 丙丙 酪酪 甘甘缬缬 丙丙 丝丝 精精目录目录163. 简并性简并性(degeneracy)一种氨基酸可具有一种氨基酸可具有2个或个或2个以上的密码个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并简并性。性。除色氨酸和甲硫氨酸仅有除色氨酸和甲硫氨酸仅有1个密码子外，个密码子外，其余氨基酸有其余氨基酸有2、3、4个或多至个或多至6个三联体为个三联体为其编码。为同一种氨基酸编码的各密码子称其编码。为同一种氨基酸编码的各密码子称为为简并性密码子简并

8、性密码子，也称，也称同义密码子同义密码子 。目录目录17各种氨基酸的密码子数目各种氨基酸的密码子数目目录目录18密码子的特密码子的特异性主要由异性主要由前两位核苷前两位核苷酸酸决定，即决定，即第三位碱基第三位碱基的改变往往的改变往往不改变其密不改变其密码子编码的码子编码的氨基酸。氨基酸。目录目录194. 摆动性摆动性(wobble) 反密码子与密码子之间的配对有时并不反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对为摆动配对( (wobble base pairing) )。 tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密

9、码子第3位碱基U, C, AA, GU, CUG反密码子与密码子的识别方式与摆动配对反密码子与密码子的识别方式与摆动配对目录目录215. 通用性通用性(universal)从简单的病毒到高等的人类，几乎使用从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套套“通用密码通用密码”基本上适用于生物界的所有基本上适用于生物界的所有物种，具有物种，具有通用性通用性。密码的通用性进一步证明各种生物进化密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。自同一祖先。目录目录22已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植

10、物细胞的叶绿体。植物细胞的叶绿体。 通用密码通用密码 线粒体密码线粒体密码AUA 异亮异亮 蛋、起始蛋、起始AGA 精精 终止终止AGG 精精 终止终止UGA 终止终止 色色目录目录23二、氨基酰二、氨基酰-tRNA通过其反密码子与通过其反密码子与mRNA中对应的密码子互补结合中对应的密码子互补结合 ntRNA的作用的作用运载氨基酸：运载氨基酸：氨基酸各由其特异的氨基酸各由其特异的tRNA携带，携带，一种氨基酸可有几种对应的一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合，氨基酸结合在在tRNA 3 -CCA的位置，结合需要的位置，结合需要ATP供能；供能；充当充当“适配器适配器”：每种每种tRN

11、A的反密码子决定了的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。上对号入座。目录目录24二级结构二级结构三级结构三级结构反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂ntRNA的构象的构象tRNA分子具有：分子具有：l3 CCA-OH氨基酸接受位点l识别氨基酰-tRNA合成酶位点l核糖体识别位点l反密码子位点一种一种 tRNA只与一种氨基酸结合只与一种氨基酸结合一种氨基酸可与几种一种氨基酸可与几种 tRNA结合结合至少需要至少需要32种种 tRNA去识别所有的密码子去识别所有的密码子二、核糖体是蛋白质生物合成的场所二、核糖体是蛋白质生物合成的场所核糖体位于粗面内质网核糖

12、体位于粗面内质网rRNA + Protein = Ribosome 原核生物真核生物核蛋白体70S30S50S80S40S60SrRNA16S5S23S18S28S5S5.8S蛋白质rpS 21种rpL 36种rpS 33种rpL 49种核蛋白体的组成核蛋白体的组成 核核蛋蛋白白体体的的组组成成在单个核糖体上，可化分多个功能活性中心，在单个核糖体上，可化分多个功能活性中心，在蛋白质合成过程中各有专一的识别作用和功能。在蛋白质合成过程中各有专一的识别作用和功能。mRNAmRNA结合部位结合部位小亚基小亚基结合或接受结合或接受aa-tRNAaa-tRNA部位（部位（A A位位）大亚基大亚基结合或接

13、受肽酰结合或接受肽酰tRNAtRNA的部位（的部位（P P位位）大亚基大亚基tRNAtRNA排出部位排出部位大亚基大亚基目录目录33n 核糖体在翻译中的功能部位核糖体在翻译中的功能部位 原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式: :A位：位：氨基酰位氨基酰位 (aminoacyl site)P位：位：肽酰位肽酰位 (peptidyl site)E位：位：排出位排出位(exit site)目录目录35四、四、肽链生物合成需要酶类和肽链生物合成需要酶类和蛋白质因子蛋白质因子氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸

14、的活化；催化氨基酸的活化；转肽酶转肽酶(peptidase)，催化核蛋白体，催化核蛋白体P位上的肽酰基转位上的肽酰基转移至移至A位氨基酰位氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键形成肽键;并受释放因子的作用后发生变构，表现出并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，使酯酶的水解活性，使P位上的肽链与位上的肽链与tRNA分离；分离；转位酶转位酶(translocase)，催化核蛋白体向，催化核蛋白体向mRNA3-端移端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。位。 目录目录36起始因子（起始因子（init

15、iation factor，IF）延长因子（延长因子（elongation factor，EF）释放因子（释放因子（release factor，RF）目录目录37参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类种类生物学功能生物学功能起始因子起始因子IF-1占据核糖体占据核糖体A位，防止位，防止A位结合其他位结合其他tRNA IF-2促进促进fMet-tRNAfMet与小亚基结合与小亚基结合 IF-3促进大、小亚基分离；提高促进大、小亚基分离；提高P位对结合位对结合fMet-tRNAfMet的敏感性的敏感性 延长因子延长因子EF-Tu促进氨基酰

16、促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合并分解位，结合并分解GTPEF-TsEF-Tu的的调节亚基调节亚基EF-G有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位移至位移至P位；促进位；促进tRNA卸载与释放卸载与释放 释放因子释放因子RF-1特异识别特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶，诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异识别特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯酶，诱导转肽酶转变为酯酶RF-3具有具有GTP酶活性，介导酶活性，介导RF-1及及RF-2与核糖体的相与核糖体的相互作用互作用参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与真核生物翻译的各种蛋白质因

17、子及其生物学功能种类种类生物学功能生物学功能起始因子起始因子eIF-1多功能因子，参与翻译的多个步骤多功能因子，参与翻译的多个步骤eIF-2促进促进Met-tRNAiMet与小亚基结合与小亚基结合eIF-2B结合小亚基，促进大、小亚基分离结合小亚基，促进大、小亚基分离 eIF-3结合小亚基，促进大、小亚基分离；介导结合小亚基，促进大、小亚基分离；介导eIF-4F复合物复合物-mRNA与小亚基结合与小亚基结合 eIF-4AeIF-4F复合物成分；有复合物成分；有RNA解螺旋酶活性，解除解螺旋酶活性，解除mRNA 5 -端的端的发夹结构，使其与小亚基结合发夹结构，使其与小亚基结合 eIF-4B结合

18、结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，识别结合复合物成分，识别结合mRNA 的的5 帽结构帽结构eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和和PABeIF-5促进各种起始因子从小亚基解离促进各种起始因子从小亚基解离eIF-6促进大、小亚基分离促进大、小亚基分离延长因子延长因子eIF1-促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合分解位，结合分解GTP，相当于，相当于EF-TueIF1-调节亚基，相当于调节亚基，相当于EF-TseIF-2有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-t

19、RNA由由A位移至位移至P位，促进位，促进tRNA卸载与释放，相当于卸载与释放，相当于EF-G 释放因子释放因子eRF识别所有终止密码子，具有原核生物各类识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能的功能第二节第二节 氨基酸的活化氨基酸的活化2020种不同的氨基酸在种不同的氨基酸在氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶合成酶作用下作用下分别与相应的分别与相应的tRNAtRNA发生酯化反应，生成氨酰发生酯化反应，生成氨酰- -tRNAtRNA目录目录40第二节第二节氨基酸与氨基酸与tRNA的连接的连接 目录目录41氨基酸与特异的氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰结合形成氨基酰-tRNA的的过程

20、称为过程称为氨基酸的活化氨基酸的活化。参与氨基酸的活化的酶：参与氨基酸的活化的酶：氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶。氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA合成酶合成酶一、氨基酰一、氨基酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和合成酶识别特定氨基酸和tRNAl氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNAtRNA都有高度特异性。都有高度特异性。第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E -AMP-E PPiPPin步骤步骤第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP

21、-E -AMP-E tRNAtRNA 氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA AMPAMP E EATPl氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNAtRNA都有都有高度高度特异性。特异性。l氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA合成酶具有合成酶具有校正活性校正活性(proofreading (proofreading activity)activity)当发生错配时，可以水解酯键，再重新当发生错配时，可以水解酯键，再重新与正确的底物结合。与正确的底物结合。l蛋白质合成的错误率在蛋白质合成的错误率在1/100001/10000，比，比DNADNA合成错误率合成错误

22、率高很多。高很多。目录目录48n氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法的表示方法丙氨酰丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet各种氨基酸和对应的各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的结合后形成的氨基酰氨基酰-tRNA表示为：表示为：氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写 例如：例如：n氨基酰氨基酰-tRNA的书写：的书写：nAla-tRNAAlanMet-tRNAMet nfmet-tRNAfmetnMet-tRNAiMet 真核生物：真核生物： Met-tR

23、NAiMet(initiator-tRNA)原核生物：原核生物： fMet-tRNAfMet (N-formyl methionine)与甲硫氨酸结合的与甲硫氨酸结合的tRNAtRNA，在真核生物中至少有两，在真核生物中至少有两种：种：tRNAtRNAi imetmet和和tRNAtRNAmetmet ；原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，即即N-N-甲酰甲硫氨酸（甲酰甲硫氨酸（ fMetfMet ）。）。二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨基二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨基酰酰- -tRNAtRNA肽链的生物合成过程肽链的生物合成过程 T

24、he Process of Protein Biosynthesis 第第 三三 节节 52l翻译过程包括起始（翻译过程包括起始（initiation）、延长）、延长（elongation）和终止（）和终止（termination）三个阶段。三个阶段。l真核生物的肽链合成过程与原核生物的真核生物的肽链合成过程与原核生物的肽链合成过程基本相似，只是反应更复肽链合成过程基本相似，只是反应更复杂、涉及的蛋白质因子更多。杂、涉及的蛋白质因子更多。 l起始起始(initiation)l延长延长(elongation)l终止终止(termination )一、原核生物的肽链合成过程：一、原核生物的肽链合成

25、过程：模板模板mRNAmRNA和起始氨基酰和起始氨基酰- -tRNAtRNA分别与核糖分别与核糖体结合而形成体结合而形成翻译起始复合物翻译起始复合物的过程。的过程。一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成（一）原核生物翻译起始复合物的形成（一）原核生物翻译起始复合物的形成 55需要需要1. 30S小亚基小亚基2. mRNA3. 起始起始fMet - tRNAfMet4. 起始因子起始因子(IF1,IF2,IF3)5. ATP，GTP6. 50S大亚基大亚基起始过程：起始过程：1. 核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；2. 核糖体小亚基结合于核糖体小亚基结合于

26、mRNA的起始密码子的起始密码子附近；附近；3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体结合在核糖体P位位 ； 4. 核糖体大亚基结合形成起始复合物。核糖体大亚基结合形成起始复合物。IF-3IF-11. 1. 核糖体大小亚基分离核糖体大小亚基分离防止大亚基过早结合防止大亚基过早结合A U G53IF-3IF-1mRNA如何准确定位？如何准确定位？2. 核糖体小亚基结合于核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近的起始密码子附近 S-DS-D序列：序列：mRNAmRNA起始密码上游的一段富含嘌起始密码上游的一段富含嘌呤碱基的特殊保守序列，可与核糖体小亚基呤碱基的特殊保守序列，可与核糖体小亚基16

27、S-rRNA16S-rRNA上富含嘧啶碱基的短序列相结合。上富含嘧啶碱基的短序列相结合。起始起始AUG由于与由于与S-D序列邻近而与其它的序列邻近而与其它的AUG区别开来区别开来Shine-Dalgarno sequence61lmRNA上邻近上邻近RBS下游，还有一段短核苷酸下游，还有一段短核苷酸序列，可被小亚基蛋白序列，可被小亚基蛋白rpS-1识别并结合。识别并结合。l通过上述通过上述RNA-RNA、RNA-蛋白质相互作蛋白质相互作用，小亚基可以准确定位用，小亚基可以准确定位mRNA上的起始上的起始AUG。IF-3IF-1IF-2GTP3.3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体结合在

28、核糖体P P位位A U G53防止防止fMet-tRNAfMet进入进入A位位IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.4. 核糖体大亚基结合形成起始复合物核糖体大亚基结合形成起始复合物AUG5533IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2GDP Pi翻译起始复合物：完整核糖体翻译起始复合物：完整核糖体mRNAfMet-tRNAfMet（二）真核生物翻译起始复合物的形成（二）真核生物翻译起始复合物的形成1. 核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；2. Met-tRNAiMet定位结合于小亚基定位结合于小亚基P位；位； 3. mRNA与核糖体小亚基定位结合；与核糖体小亚基定位结合；4

29、. 核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。mRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+Pi帽子结合蛋白复合物帽子结合蛋白复合物（elF4E, elF4G, elF4A）, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP图图- -真核生物翻译起真核生物翻译起始复合物形成过程始复合物形成过程6667真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；起始因子有数十种（命名较混乱），但只有起始因子有数十种（命名较混乱），但只有2 2种种延长因子和延长因子和1 1种终止因子。种终止因子。起始氨基酸为起始氨基酸为MetMet，不是，不是

30、fMetfMet。（如何与内部。（如何与内部MetMet区别？）区别？）肽链合成的起始：由肽链合成的起始：由40S40S核糖体亚基首先识别核糖体亚基首先识别mRNAmRNA的的55端端- -帽子，然后沿帽子，然后沿mRNAmRNA移动寻找移动寻找AUGAUG；68 eIF-2B, eIF-3促进大小亚基分离（未显示）促进大小亚基分离（未显示） Met-tRNAiMet在结合了在结合了GTP的的eIF2等起始因子协助下等起始因子协助下结合于结合于40S小亚基小亚基P位。位。 eIF4F复合物（组成：复合物（组成：eIF4E, eIF4G, eIF4A）结合于）结合于mRNA 5- CAP。 40

31、s小亚基在小亚基在eIF3协助下与协助下与mRNA及及eIF4G结合。结合。真核生物翻译起始前复合物的形成：真核生物翻译起始前复合物的形成：MetMet69 ATP水解释放能量推动翻译水解释放能量推动翻译起始前复合物向起始前复合物向3端前进端前进“扫描扫描”，使，使Met-tRNAiMet准确定位在起始密码子（机准确定位在起始密码子（机制？）制？） eIF5促使结合于促使结合于eIF2上的上的GTP水解，并促使起始因子水解，并促使起始因子的解离。的解离。 60S大亚基加入，形成完整大亚基加入，形成完整80S核蛋白体，翻译开始。核蛋白体，翻译开始。MetMetMetMetMetMet70Koza

32、k序列Marilyn KozakKozak序列是位于序列是位于真核生物真核生物mRNA 5端帽子结构后面的一段核酸序列，端帽子结构后面的一段核酸序列，通常是通常是ACCACCAUGG，为，为18S rRNA提供识别和结合位点。对应提供识别和结合位点。对应于原核生物的于原核生物的SD序列。序列。真核生物翻译起始复合物真核生物翻译起始复合物Pab1p72l翻译起始复合物形成后，核糖体从翻译起始复合物形成后，核糖体从mRNAmRNA的的5 5 端向端向3 3 端移动，依据密码子端移动，依据密码子顺序，从顺序，从N N端开始向端开始向C C端合成多肽链。端合成多肽链。 二、在核糖体上重复进行的三步反应

33、二、在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链延长肽链根据根据mRNAmRNA密码序列的指导，次序添密码序列的指导，次序添加氨基酸，从加氨基酸，从N N端向端向C C端延伸肽链，直到端延伸肽链，直到合成终止的过程，又称合成终止的过程，又称核糖体循环。核糖体循环。n 包括以下三步：包括以下三步：1.1. 进位进位 (entrance)2.2. 成肽成肽 (peptide bond formation)3.3. 转位转位 (translocation) 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。n 延长过程所需的蛋白因子称为延长延长过程所需的蛋白因子称为延长因子因子(elo

34、ngation factor, EF)l真核生物：真核生物：eEF-1 、 eEF-1 、 eEF-2目录目录751. 进位（进位（entrance） 又称又称注册注册(registration)，是指一个氨基酰是指一个氨基酰-tRNA按照按照mRNA模板的指令进模板的指令进入并结合到核糖体入并结合到核糖体A位的过程。位的过程。目录目录76真核生物肽链延长过程真核生物肽链延长过程目录目录772.成肽成肽 成肽是指成肽是指肽基转移酶（转肽酶）肽基转移酶（转肽酶）催化两催化两个氨基酸间肽键形成的反应。个氨基酸间肽键形成的反应。 肽基转移酶的化学本质：肽基转移酶的化学本质：RNARNA，属于一种，属

35、于一种核酶。核酶。 成肽成肽由转肽酶（rRNA核酶）催化的肽键形成过程目录目录79真核生物肽链延长过程真核生物肽链延长过程目录目录803. 转位转位指的是核糖体沿着指的是核糖体沿着mRNA的移位。的移位。移位的结果是：移位的结果是： 成肽后位于成肽后位于P 位的位的tRNA所所携带的氨基酸或肽在反应中交给了携带的氨基酸或肽在反应中交给了A位上的氨基酸，位上的氨基酸，空载的空载的tRNA从核糖体直接脱落；从核糖体直接脱落； 成肽后位于成肽后位于A位的带有合成中的肽链的位的带有合成中的肽链的tRNA（肽酰（肽酰-tRNA）转）转到了到了P位上；位上； A位得以空出，且准确定位在位得以空出，且准确定

36、位在mRNA的下一个密码子，以接受一个新的对应的的下一个密码子，以接受一个新的对应的氨基酰氨基酰tRNA进位。进位。 转位需要延长因子参与。转位需要延长因子参与。目录目录81真核生物肽链延长过程真核生物肽链延长过程GTP目录目录82原核生物与真核生物延长机制的差异原核生物与真核生物延长机制的差异需要的延长因子不同需要的延长因子不同原核生物的核糖体有原核生物的核糖体有E位，成肽反应后，位，成肽反应后，P位的空位的空载载tRNA要先进入要先进入E位，然后再脱落位，然后再脱落l原核生物需要的延长因子：原核生物需要的延长因子：EF-T (EF-Tu/Ts)、EF-GEF-Tu（热不稳定延伸因子，（热不

37、稳定延伸因子，elongation factor thermo unstable）EF-Ts（热稳定延伸因子，（热稳定延伸因子，elongation factor thermo stable）EF-G（延伸因子（延伸因子G，elongation factor G）84原核延原核延长因子长因子生物功能生物功能对应真核对应真核延长因子延长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合位，结合分解分解GTPeEF-1-EF-Ts调节亚基调节亚基eEF-1-EF-G有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，促进卸载位，促进卸载tRNA释

38、放释放eEF-2肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 进位进位/ /注册注册氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA进入进入A A位。位。EF-Tu介导介导氨基酰-tRNA进入进入A位。“进位进位”过程使与过程使与之结合的一个之结合的一个GTP水解。水解。原核生物的肽链延长过原核生物的肽链延长过程程EF-Ts是是EF-Tu的鸟嘌的鸟嘌呤核苷酸交换因子，呤核苷酸交换因子，催化与催化与EF-Tu复合的复合的GDP释放并重新形成释放并重新形成EF-Tu和和EF-Ts的二聚的二聚体体 (EF-T)Tu TsGTPGTPGDPGDPAUG53TuTs 成肽成肽由转肽酶（rRNA核酶）催化的肽键形成过程 转位转

39、位延长因子延长因子EF-GEF-G有有转位酶活性转位酶活性，可结合并水解可结合并水解GTPGTP提供能量，提供能量，促进核糖体向促进核糖体向mRNAmRNA的的33端移端移动。动。fMetAUG53fMetTuGTPGTP成肽后成肽后A位中的肽酰位中的肽酰-tRNA进入核糖体进入核糖体P位，使位，使A位再次空出位再次空出进进位位转转位位成肽成肽93P AeEF1a/a/eEF2GTPGTP真核肽链延长：真核肽链延长：1.真核核糖体无真核核糖体无E位，位，合成好的肽链直接合成好的肽链直接从从P位脱离位脱离2.eEF1a/a/ 分别对应分别对应原核原核EF-Tu/Ts3.eEF2对应原核对应原核E

40、F-G94在延长过程中，每生成一个肽键，消耗在延长过程中，每生成一个肽键，消耗2个个GTP；在蛋白质合成过程中，每生成；在蛋白质合成过程中，每生成一个肽键，平均需要消耗一个肽键，平均需要消耗4个个GTP。（三）终止（三）终止当核糖体当核糖体A A位出现位出现mRNAmRNA的的终止密码终止密码后，后，多肽链合成停止，肽链从肽酰多肽链合成停止，肽链从肽酰- -tRNAtRNA中释出，中释出，mRNAmRNA、核糖体大、小亚基等分离，这些过、核糖体大、小亚基等分离，这些过程称为肽链合成终止。程称为肽链合成终止。目录目录96肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要经肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要经过一

41、次进位、成肽和转位反应。如此往复，直过一次进位、成肽和转位反应。如此往复，直到核糖体的到核糖体的A A位对应到了位对应到了mRNAmRNA的终止密码子上。的终止密码子上。终止密码子不被任何氨基酰终止密码子不被任何氨基酰- -tRNAtRNA识别识别，只有释放因子只有释放因子RFRF能识别终止密码子而进入能识别终止密码子而进入A A位，位，这一识别过程需要水解这一识别过程需要水解GTPGTP。 三、终止密码子和释放因子导致肽链三、终止密码子和释放因子导致肽链合成停止合成停止终止相关的蛋白因子称为终止相关的蛋白因子称为释放因子释放因子(release factor, RF) l 识别终止密码，如识

42、别终止密码，如RF-1特异识别特异识别UAA、UAG；而；而RF-2可识别可识别UAA、UGA。 而真而真核核eRF识别所有识别所有3种终止密码子。种终止密码子。l RF-3诱导转肽酶变为酯酶活性，使肽链从诱导转肽酶变为酯酶活性，使肽链从核糖体上释放。核糖体上释放。 释放因子的功能释放因子的功能: :原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF UAG53RFCOO-99 多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。成以高速度、高效率进行。多聚核糖体多聚核糖体(polysome) 1条

43、条mRNA模板链都可附着模板链都可附着10100个核个核蛋白体，这些核糖体依次结合起始密码子并蛋白体，这些核糖体依次结合起始密码子并沿沿5 3 方向读码移动，同时进行肽链合成，方向读码移动，同时进行肽链合成，这种这种mRNA与多个核糖体形成的聚合物称为与多个核糖体形成的聚合物称为多聚核糖体多聚核糖体(polysome) 。 使蛋白质合成高速、高效进行。使蛋白质合成高速、高效进行。多聚核糖体多聚核糖体( (polysomepolysome) )102原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物原核生物真核生物真核生物mRNA一条一条mRNA编码几种蛋白

44、质（多顺反子）编码几种蛋白质（多顺反子）一条一条mRNA编码一种蛋白质（单顺反子）编码一种蛋白质（单顺反子）核蛋白体核蛋白体30S小亚基小亚基50S大亚基大亚基 70S核蛋白体核蛋白体40S小亚基小亚基60S大亚基大亚基 80S核蛋白体核蛋白体起始阶段起始阶段起始氨基酰起始氨基酰-tRNA为为fMet-tRNAfMet起始氨基酰起始氨基酰-tRNA为为Met-tRNAiMet核蛋白体小亚基先与核蛋白体小亚基先与mRNA结合结合,再与再与fMet-tRNAfMet结合结合核蛋白体小亚基先与核蛋白体小亚基先与Met-tRNAiMet结合，结合，再与再与mRNA结合结合mRNA中的中的S-D序列与序

45、列与16S rRNA 3 -端的一端的一段序列结合，使小亚基段序列结合，使小亚基P位准确定位于位准确定位于AUG起始密码子起始密码子mRNA中的帽子结构与帽子结合蛋白复合中的帽子结构与帽子结合蛋白复合物结合，向下游扫描位于物结合，向下游扫描位于Kozak序列中的序列中的AUG起始密码子起始密码子有有3种种IF参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成有至少有至少10种种eIF参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成延长阶段延长阶段延长因子为延长因子为EF-Tu、EF-Ts和和EF-G延长因子为延长因子为eEF-1、eEF-1和和eEF-2终止阶段终止阶段释放因子为释放因子为RF-1、RF-2和和

46、RF-3释放因子为释放因子为eRF103第四节第四节 蛋白质翻译后修饰和靶向输送蛋白质翻译后修饰和靶向输送Posttranslational Processing & Protein Transportation目录目录105 新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后加工翻译后加工(post-translational processing)。目录目录106 蛋白质合成后还需要被输送到合适的亚细胞部蛋白

47、质合成后还需要被输送到合适的亚细胞部位才能行使各自的生物学功能。其中，有的蛋位才能行使各自的生物学功能。其中，有的蛋白质驻留于细胞液，有的被运输到细胞器或镶白质驻留于细胞液，有的被运输到细胞器或镶嵌入细胞膜，还有的被分泌到细胞外。蛋白质嵌入细胞膜，还有的被分泌到细胞外。蛋白质合成后在细胞内被定向输送到其发挥作用部位合成后在细胞内被定向输送到其发挥作用部位的过程称为的过程称为蛋白质的靶向输送（蛋白质的靶向输送（protein targeting）或蛋白质分选（）或蛋白质分选（protein sorting）。）。主要包括主要包括:l多肽链折叠为天然构象的蛋白质多肽链折叠为天然构象的蛋白质l蛋白质

48、一级结构的修饰蛋白质一级结构的修饰l空间结构的修饰空间结构的修饰l翻译后的靶向输送翻译后的靶向输送n 新生肽链新生肽链N N端在核糖体上一出现，肽链的折端在核糖体上一出现，肽链的折叠即开始。叠即开始。 n 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构一级结构是空间构象的基础。象的基础。n 一般情况下新生蛋白质无法自发折叠成正一般情况下新生蛋白质无法自发折叠成正确的空间结构。确的空间结构。一、肽链折叠为功能构象需要分子伴侣一、肽链折叠为功能构象需要分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非

49、天是细胞内一类可识别肽链的非天然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠的保守蛋白质。叠的保守蛋白质。 分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。使肽链正确折叠。 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。后，再诱导其正确折叠。 110l分子伴侣的主要作用是：分子伴侣的主要作用是： 封闭待折叠肽链暴露的疏水区段；封闭待折叠肽链暴露的疏水区段； 创建一个

50、隔离的环境，可以使肽链的折创建一个隔离的环境，可以使肽链的折叠互不干扰；叠互不干扰； 促进肽链折叠和去聚集；促进肽链折叠和去聚集； 遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。叠。 111细胞内分子伴侣可分为两大类细胞内分子伴侣可分为两大类 一类为核糖体结合性分子伴侣，包一类为核糖体结合性分子伴侣，包括触发因子和新生链相关复合物；括触发因子和新生链相关复合物； 另一类为非核糖体结合性分子伴侣，另一类为非核糖体结合性分子伴侣，包括热激蛋白、伴侣蛋白等。包括热激蛋白、伴侣蛋白等。 热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70（Dna

51、K）、）、HSP40(DnaJ)和和GrpE族族 伴侣蛋白伴侣蛋白( (chaperoninchaperonin) ) GroEL和和GroES家族家族分子伴侣：分子伴侣：目录目录1141. 热激蛋白热激蛋白(heat shock protein, HSP) 热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。 热休克蛋白包括热休克蛋白包括HSP70、HSP40和和GrpE三族。三族。HSPHSP促进蛋白质折

52、叠基本作用：促进蛋白质折叠基本作用：结合保护待折叠多肽片段，再释放结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠，形成该片段进行折叠，形成HSPHSP和多肽片段和多肽片段依次结合、解离的循环。依次结合、解离的循环。 目录目录116它有两个主要功能域：一个是存在于它有两个主要功能域：一个是存在于N-端的高端的高度保守的度保守的ATP酶结构域，能结合和水解酶结构域，能结合和水解ATP；另一个是存在于另一个是存在于C-端的肽链结合结构域。蛋白端的肽链结合结构域。蛋白质的折叠需要这两个结构域的相互作用。质的折叠需要这两个结构域的相互作用。 大肠杆菌的大肠杆菌的HSP70 (DnaK)ATP酶肽链结合结构

53、域H2NEEVD-COOHGrp E结合部位结合部位DnaJ/HSP40结合部位结合部位目录目录117 大肠杆菌的大肠杆菌的HSP40 (Dna J)可激活可激活Dna K中的中的ATP酶，生酶，生成稳定的成稳定的Dna J -Dna K-ADP-被折叠蛋白质复合物，以利被折叠蛋白质复合物，以利于于Dna K发挥分子伴侣作用。在发挥分子伴侣作用。在ATP存在的情况下，存在的情况下，Dna J和和Dna K的相互作用能抑制蛋白质的聚集。的相互作用能抑制蛋白质的聚集。 Grp E，核苷酸交换因子，与，核苷酸交换因子，与Dna K的的ATP酶结构域结合，酶结构域结合，使使Dna K的构象发生改变、的

54、构象发生改变、ADP从复合物中释放出来并从复合物中释放出来并由由ATP代替代替ADP，从而控制，从而控制Dna K的的ATP酶活性。酶活性。在蛋白质的折叠过程中，在蛋白质的折叠过程中，HSP70还需还需2个辅助因子个辅助因子HSP40和和Grp E。大肠杆菌中的大肠杆菌中的HSP70 HSP70 反应循环反应循环HSP70HSP70HSP40HSP40HSP70HSP70HSP40HSP40119人类细胞中人类细胞中HSP蛋白质家族可存在于胞蛋白质家族可存在于胞浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位涉及多种细胞保护功能：如使线粒体和涉及多种细胞保护功能：如使线粒体和内

55、质网蛋白质保持未折叠状态而转运、跨内质网蛋白质保持未折叠状态而转运、跨膜，再折叠成功能构象；膜，再折叠成功能构象；通过类似上述机制，避免或消除蛋白质通过类似上述机制，避免或消除蛋白质变性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚变性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，以利于清除变性或错误折叠的多肽中集，以利于清除变性或错误折叠的多肽中间物等。间物等。目录目录120 伴侣蛋白（伴侣蛋白（chaperonin）是分子伴侣的另一）是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌的家族，如大肠杆菌的Gro EL和和Gro ES（真（真核细胞中同源物为核细胞中同源物为HSP60和和HSP10）等家族。）等家族。 其主要作用是为非

56、自发性折叠蛋白质提供其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。能折叠形成天然空间构象的微环境。 2. 伴侣蛋白伴侣蛋白Gro EL和和Gro ES 伴侣蛋白的主要作用：伴侣蛋白的主要作用：为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。天然空间构象的微环境。 123 除了分子伴侣协助肽链折叠以外，一些对于蛋除了分子伴侣协助肽链折叠以外，一些对于蛋白质空间结构形成至关重要的氨基酸残基（如白质空间结构形成至关重要的氨基酸残基（如半胱氨酸、脯氨酸等）的正确折叠还需要酶促半胱氨酸、脯氨酸等）的正确折叠还需要酶促反应。这些可催化蛋白质功

57、能构象形成所必需反应。这些可催化蛋白质功能构象形成所必需的酶称为异构酶（的酶称为异构酶（isomerase），也称为折叠），也称为折叠酶（酶（foldase）。如蛋白质二硫化物异构酶、肽）。如蛋白质二硫化物异构酶、肽酰酰-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 。 目录目录124二、肽链的肽键水解生成活性蛋白二、肽链的肽键水解生成活性蛋白质或功能肽质或功能肽（一）合成后肽链的末端被水解加工（一）合成后肽链的末端被水解加工 新生肽链的新生肽链的N端的甲硫氨酸残基，在肽链离开端的甲硫氨酸残基，在肽链离开核糖体后，大部分即由特异的蛋白水解酶切核糖体后，大部分即由特异的蛋白水解酶切除。除。 目录目录125例

58、：鸦片促黑皮质素原例：鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰的水解修饰（二）肽链中肽键水解产生多种功能肽（二）肽链中肽键水解产生多种功能肽 1.1. N N端甲酰蛋氨酸的切除端甲酰蛋氨酸的切除2.2. 各种氨基酸残基的共价修饰各种氨基酸残基的共价修饰3.3. 水解加工可生成具有生物学的活水解加工可生成具有生物学的活性的蛋白质或多肽性的蛋白质或多肽二、一级结构的修饰主要是肽键水解和二、一级结构的修饰主要是肽键水解和 化学修饰化学修饰A链区链区B链区链区间插序列（间插序列（C肽区）肽区）HSSHSHSHHSHS信号肽信号肽NC核糖体上合成出无规核糖体上合成出无规则卷曲的则卷曲的前胰岛素原前胰岛素原

59、切除切除C肽后，形成肽后，形成成熟的胰岛素分子成熟的胰岛素分子切除信号肽后切除信号肽后折叠成稳定构折叠成稳定构象的胰岛素原象的胰岛素原SSSSNNCCA链链B链链胰岛素胰岛素CNSSSS胰岛素原胰岛素原SS目录目录128三、三、肽链中氨基酸残基的化学修饰肽链中氨基酸残基的化学修饰增加蛋白质功能多样性增加蛋白质功能多样性常见的化学修饰种类常见的化学修饰种类 发生修饰的主要氨基酸残基发生修饰的主要氨基酸残基磷酸化磷酸化丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸N-糖基化糖基化天冬酰胺天冬酰胺O-糖基化糖基化丝氨酸、苏氨酸丝氨酸、苏氨酸羟基化羟基化脯氨酸脯氨酸 赖氨酸赖氨酸甲基化甲基化赖氨酸、精氨

60、酸、组氨酸、天冬酰赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸胺、天冬氨酸、谷氨酸乙酰化乙酰化赖氨酸、丝氨酸赖氨酸、丝氨酸硒化硒化半胱氨酸半胱氨酸目录目录129四、亚基聚合形成功能性蛋白质复合物四、亚基聚合形成功能性蛋白质复合物结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。才能成为具有功能活性的天然蛋白质。 具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体通过非共价键聚合，形成寡聚体(oligomer)。n 通过非共价键亚基聚合形成具有四级通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质结构的蛋白