蛋白质合成liu

1、第六章第六章蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 Biosynthesis of protein(翻译 Translation)翻译是蛋白质生物合成的同义词。翻译就是将核酸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的过程。蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系Protein Biosynthesis System 第一节 20种氨基酸（AA）作为原料 酶：氨基酰-tRNA合成酶， 转肽酶 众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括：l 三种RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（ribosom

2、al RNA, 核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA, 转移RNA）一、翻译模板mRNA及遗传密码 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（poly cistron） 。 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron） 。多顺反子单顺反子真核生物原核生物非编码序列l mRNA上存在遗传密码 mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每相邻的3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸，或是蛋白质合成的起始、终

3、止信号，称为遗传密码（genetic codon），又称为三联体密码（triplet codon）。起始密码（initiation coden）:AUG 终止密码（termination coden）:UAA，UAG，UGA 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）。5ACUAUGCCCGCUAUGCGUUAA3 ORF1. 1. 连续性连续性（commaless）l遗传密码的特点: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。 基因

4、损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变（frameshift mutation）。 2. 2. 简并性简并性（degeneracy） 几种密码子代表一种氨基酸的现象称为密码的简并性。 密码的简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的。 密码的简并性对于保证物种稳定性有一定意义。3. 3. 通用性通用性（Universal） 蛋白质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。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。 4. 4. 摆动性摆动性 （Wobble）转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基

5、互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。 密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子反密码子第第1 1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子密码子第第3 3位碱基位碱基U,C,AA,GU,CUG二、tRNA与氨基酸的活化反密码环氨基酸臂tRNA的三级结构示意图：的三级结构示意图：氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶1. 氨基酰-tRNA合成酶 （aminoacyl-tRNA synthetase）l 氨基酸的活化:第一步反应:氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi第二步反应

6、:氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E tRNA与酶结合的模型氨基酰tRNA合成酶ATP 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（proofreading activity） 。 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla， Ser-tRNASer， Met-tRNAMet 。真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAfMet2. 起始肽链合成的氨基酰-tRNA三、核蛋白体是多肽链合成的装置原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋白体小亚基大亚基核蛋白体小亚基大亚基S值70S30S50

7、S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质rpS21种rpL36种rpS33种rpL49种 不同细胞核蛋白体的组成 核蛋白体蛋白质（ribosomal protein，rp） 原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:氨基酰位（aminoacyl site，A 位）肽酰位（peptidyl site，P 位）排出位（exit site，E 位）核蛋白体核蛋白体的组成的组成蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 Process of Protein Biosynthesis 第二节 翻译的起始（Init

8、iation）翻译的延长（elongation）翻译的终止（termination）整个翻译过程可分为 ：翻译过程从阅读框架的5-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。 一、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成 翻译起始 复 合 物 t r a n s l a t i o n a l i n i t i a t i o n c o m p l e x起始因子起始因子（initiation factor，IF ） 起始步骤 原核生物 IF 真核生物 eIF亚基分离 IF3（IF1） eIF3mRNA就位 核酸核酸，核酸蛋白质 eIF

9、3, eIF1, eIF4A 之间的辨认结合 eIF4B , CBP-1 eIF4E （CBP-2） 起始tRNA就位 IF2, GTP（IF1） eIF2 , co-eIF2-GTP eIF3 , eIF4C 大亚基结合 各种IF脱落，GTP水解 eIF5 , eIF4D（一）原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。1. 核蛋白体大小亚基分离2. mRNA在小亚基定位结合S-D序列:AUG上游 8-13个核苷酸处的,由4-6个核苷酸组成的富含嘌呤的序列.能与小亚基的16SrRNA结合,又称核蛋白体结合蛋白.3

10、. 起始氨基酰tRNA ( fMet-tRNAfmet ) 结合到小亚基上。4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成。（二）真核生物翻译起始复合物形成l核蛋白体大小亚基分离；l起始氨基酰-tRNA结合；lmRNA在核蛋白体小亚基就位；l核蛋白体大亚基结合。 eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetmet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始复合物形成过程二、肽链合成延长指根据mRNA密码序列的指导，按次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。 l肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又

11、称为核蛋白体循环（ribosomal cycle），每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位（Entrance）成肽（Peptide bond formation）转位（Translocation） 延伸过程所需蛋白因子称为延长因子（elongation factor，EF ） 原核生物：EF-T（EF-Tu，EF-Ts） EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2 原核延长原核延长因子因子生物功能生物功能对应真核延长对应真核延长因子因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结位，结合分解合分解GTPEF1-EF-Ts调节亚基调节亚基EF1-EFG有转位酶活性，促进有转位酶活性

12、，促进mRNA-mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位位前移到前移到P P位，促进卸位，促进卸载载tRNA释放释放EF-2肽链合成的延长因子 又称注册又称注册（ registration ）1. 进位指根据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。延长因子EF-T催化进位（原核生物）2. 2. 成肽是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。3. 3. 转位延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动 。进位转位成肽真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因

13、子。另外，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、肽链合成的终止当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。终止相关的蛋白因子称为释放因子（release factor，RF）。 一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。二是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，使肽链从核蛋白体上释放。 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 原核肽链合成终止过程 多聚核蛋白体（Poly

14、some）使蛋白质合成高速、高效进行。电镜下的多聚核蛋白体现象蛋白质合成后加工蛋白质合成后加工Posttranslational Processing第三节从核蛋白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。主要包括:l多肽链折叠为天然的三维结构 l肽链一级结构的修饰l高级结构修饰 一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 新生肽链经盘曲折叠形成空间结构。 新生肽链的折叠可能是随着肽链的不断延伸而逐步完成的，逐渐产生正确的二级结构、模序、结构域, ，最终形成完整空间构象。 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

15、间构象的基础。 在许多蛋白质分子中,可发现由23个二级结构的肽段，在空间上互相接近，形成立体形状和拓扑结构类似的，具有特殊功能的局部区域，称为模序。 某些蛋白质分子中多肽链上相邻的超二级结构可以形成结构比较紧密、稳定和具有不同功能的区域，称为蛋白质的结构域。二、一级结构的修饰（一）肽链N端的修饰： 去除N-甲酰基或N-蛋氨酸。（二）个别氨基酸的共价修饰： 磷酸化修饰；Pr Pr-P ATP 蛋白激酶 ADP 羟基化修饰：羟脯氨酸、羟赖氨酸。（三）二硫键的生成（四）多肽链的水解修饰鸦片促黑皮质素原（POMC）的水解修饰NC信号肽POMCKRKR103肽 ( ？)促肾上腺皮质激素ACTH-LT促脂

16、解激素Endophin-内啡肽三、高级结构的修饰（一）亚基聚合（二）辅基连接（一）亚基聚合 血红蛋白是22四聚体蛋白，聚合过程如下： 链合成后自行释下，与尚在聚核糖体上的链相连，形成二聚体。此二聚体再与血红素结合，然后再形成四聚体。（二）辅基连接 有些蛋白质是由蛋白质和非蛋白质两部分组成，称为结合蛋白质，其中的非蛋白质部分称为辅基。 结合蛋白质中的辅基是在蛋白质合成后加上的。 例如糖蛋白的糖即是多肽链合成后在内质网或高尔基氏体中加上的。蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送（protein targeting） 。 四、蛋白质合成后的

17、靶向输送蛋白质生物合成的干扰和抑制蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis第四节 蛋白质生物合成是很多抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。 可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。 l 抗生素（antibiotics）： 是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。l抗代谢药物 指能干扰生物代

18、谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物。l 某些毒素也作用于基因信息传递过程。一、抗生素类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 新新霉素、土霉素）霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、新链霉素、卡那霉素、新霉素霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素红霉素红霉素梭链孢酸梭链孢酸 放线菌酮放线菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素原核核蛋白体原核核蛋白体小亚基小亚基原核核蛋白体原核核蛋白体小亚基小亚基原核核蛋白体原核核蛋白体大亚基大亚基原核核蛋白体原核核蛋白体大亚基大亚基原核核蛋白体原核核蛋白体大亚基大亚基真核核蛋白体真核核蛋白体大亚基大亚基真核、原核核真核、原核核蛋白体蛋白体 抑制

19、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、改变构象引起读码错误、抑制起始等抑制起始等抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位抑制转肽酶、妨碍转位与与EFG-GTPEFG-GTP结合，抑制肽链结合，抑制肽链延长延长抑制转肽酶、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抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研医学研究究抗肿瘤抗肿瘤药药抗生素抑制蛋白质生物合成的原理 四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线菌酮二、其他干扰蛋白质生物合成的物质（一）毒素（toxin）（二）干扰素（interferon）白喉毒素（diphtheria toxin）的作用机理NCONH2N+OCH2OOHOHADPCONH2白喉毒素（有活性）OCH2OOHOHADP（无活性）干扰素（interferon）的作用干扰素诱导的蛋白激酶ATPeIF2ADPeIF2-PdsRNAPi1. 干扰素诱导eIF2磷酸化而失活磷酸酶2. 2. 干扰素诱导病毒干扰素诱导病毒RN