蛋白质的生物合成6

1、蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成（翻译（翻译）Protein Biosynthesis，Translation 蛋白质的生物合成，即翻译，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。蛋白质合成体系蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System 第第 一一 节节 20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子，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, 信使信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体核蛋白体

2、RNA）tRNA（transfer RNA, 转移转移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遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反顺反子子(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相可编码几种功能相关的蛋白质，为关的蛋白质，为多顺反子多顺反子(polycistron) 。 真核真核mRNA只编码一种蛋白质，为只编码一种蛋白质，为单顺反子单顺反子(single cistron) 。原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物

3、的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP5 3 蛋白质PPPmG -5 3 蛋白质目 录l mRNA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(initiation coden): AUG 终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA 遗传密码表目 录从mRNA 5端起始

4、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)。 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。码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。 基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。 2. 简并性简并性(degeneracy)遗传密码中，除色氨酸和甲硫

5、氨酸仅遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至个或多至6个三联体为其编码。个三联体为其编码。目 录2. 简并性简并性(degeneracy)目 录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. 摆动性摆动性(wobble)转运氨基酸的转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过的反密码需要通过碱基互补与碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间

6、不严格遵守常见的碱合，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。基配对规律，称为摆动配对。 U摆动配对目 录密码子、反密码子配对的摆动现象二、核蛋白体是多肽链合成的装置目 录原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S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质rpS 21种rpL 36种rpS 33种rpL 49种 不同细胞核蛋白体的组成 核核蛋蛋白白体体的的组组成成目 录原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位(aminoacyl s

7、ite)P位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位(exit site)目 录三、tRNA与氨基酸的活化反密码环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氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶（一）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氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E AMP PPi目 录第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E目 录 氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tR

8、NA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-tRNASerMet-tRNAMet 真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAifMet（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis 第第 二二 节节 翻译的起始(initiation)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翻译过

9、程从阅读框架的5 -AUG开始，按开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。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 ) 。原核、真核生物各种起始因子的生物功能 促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合复合物

10、成分，结合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA5帽子帽子eIF-4E结合结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结结合小亚基合小亚基IF-4A最先结合小亚基促进大小亚基分离最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2真核真核生物生物促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA敏感性敏感性EIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基

11、结合与小亚基结合EIF-2占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA5帽子帽子eIF-4E结合结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRN

12、A结结合小亚基合小亚基IF-4A最先结合小亚基促进大小亚基分离最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2真核真核生物生物促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA敏感性敏感性EIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合EIF-2占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子（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。IF-3IF-11.

13、 核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离目 录A U G53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合目 录S-D序列 IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到结合到小亚基小亚基A U G53目 录IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成A U G53目 录IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目 录（二）真核生物翻译起始复合物形成mRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E,

14、 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，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。 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 原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸

15、载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子 又称注册又称注册(registration)（一）进位指根据指根据mRNA下下一组遗传密码指导，一组遗传密码指导，使相应氨基酰使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体进入核蛋白体A位。位。目 录延长因子EF-T催化进位（原核生物）目 录Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP目 录（二）成肽是由转肽酶是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键催化的肽键形成过程。形成过程。（三）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 。fMetA U G53fMetTuGT

16、P目 录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子。似，但有不同的反应体系和延长因子。另外，真核细胞核蛋白体没有另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时位，转位时卸载的卸载的tRNA直接从直接从P位脱落。位脱落。（四）真核生物延长过程 三、肽链合成的终止当当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。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终止相关的蛋白因子

17、称为释放因子 (release factor, RF) 一是识别终止密码，如一是识别终止密码，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。二是诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化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肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核蛋上，使肽链从核蛋白体上释放。白体上释放。 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 原核肽链合成终止过程 U A G53RFCOO-目 录多聚核蛋白体(polysome)使蛋白质合成高使蛋白质合成高速、

18、高效进行。速、高效进行。目 录电镜下的多聚核蛋白体现象目 录蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation第第 三三 节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。主要包括一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步叠即开始。可

19、能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。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。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可能大部分都不细胞中大多数天然蛋白质折叠可能大部分都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。 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 di

20、sulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)1. 热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和和GreE族族 2. 伴侣素伴侣素(chaperonins) GroEL和和GroES家族家族分子伴侣分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。质的正确折叠。 热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用结合保护待折叠多肽片段，

21、再释放该片段进结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离和多肽片段依次结合、解离的循环。的循环。 HSP40结合待折叠多肽片段 HSP70-ATP复合物 HSP40- HSP70-ADP-多肽复合物 ATP水解GrpE ATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠 伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程 伴侣素的主要作用为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天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然空间构象的微环境。 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多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳

22、定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这定分泌蛋白、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。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，可在较二硫键异构酶在内质网腔活性很高，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硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。然构象。肽-脯氨酰顺反异构酶 多肽链中肽酰多肽链中肽酰- -脯氨酸间形成的肽键有顺反两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。种异构体，空间构象明显差别。 肽酰肽酰- -脯氨酰顺反异构酶可促进

23、上述顺反两种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。异构体之间的转换。 肽酰肽酰- -脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形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。使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。 二、一级结构的修饰（一）肽链N端的修饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰鸦片促黑皮质素原鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修的水解修饰饰NC信号肽信号肽PMOCKRKR103肽肽 ( ？)ACTH -LT -MSH -MSHEndophin三、高级结构的修饰（一）亚

24、基聚合 （二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接 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。 四、蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质的靶向输送(protein targeting)所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列 。 信号序列(signal sequence)靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白信号肽内质网腔蛋白信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)线粒体蛋白N端靶向序列（2035氨基酸残基）核蛋白核定位序列（-Pro-P

25、ro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）过氧化体蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶体蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向输送蛋白的信号序列或成分 （一）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。输送过程首先要进入内质网。 信号肽信号肽(signal peptide) 各种新生分泌蛋白的各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨端有保守的氨基酸序列称信号肽。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 目 录（二）线粒体蛋白的靶向输送 目 录（三）细胞核蛋白的靶向

26、输送目 录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第第 四四 节节 蛋白质生物合成是很多天然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抗生素抗生素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。一类药物。l抗代谢药物抗代谢药物指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如度生长的药物，如：6-MP。l 某些毒素也作用于基因信息传递过程某些毒素也作用于基因信息传递过程。 嘌呤霉素作用示意图四四环环素素族族氯霉素氯霉素链霉