第14章翻译

1、目目 录录l蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成，即，即翻译翻译，就是将核酸中由，就是将核酸中由 4 种种核苷酸序列核苷酸序列编码的遗传信息，通过编码的遗传信息，通过遗传密码遗传密码破破译的方式解读为蛋白质一级结构中译的方式解读为蛋白质一级结构中20种种氨基酸的氨基酸的排列顺序排列顺序 。l蛋白质合成体系（蛋白质合成体系（RNA，核糖体），核糖体）l蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程l蛋白质合成后加工蛋白质合成后加工l蛋白质的转运蛋白质的转运第第 一一 节节 l20种氨基酸种氨基酸(AA)作为原料作为原料l酶及众多蛋白因子，如酶及众多蛋白因子，如IF、eIF lATP、GTP、无机离子、无机离子

2、l 三种三种RNAmRNA（messenger RNA, 信使信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA, 转移转移RNA）l mRNA是遗传信息的携带者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

3、，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的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列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PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG -5 3 蛋白质蛋白质目目 录录l mRNA上存在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

4、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 从从mRNA 5 端起始密码子端起始密码子AUG到到3 端终止端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连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，称为续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读开放阅读框架框架(open reading frame, ORF)。 目目 录录l遗传密码的特点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

5、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)。 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅遗传密码中，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。目目 录录目目 录录 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植已发现少数例外，如动物细

6、胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。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密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。一祖先。 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摆动配对摆动配对目目 录录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, AA, GU, CUG目目 录录原核生物原核生物真核生物真核生

7、物核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白蛋白质质rpS 21种种rpL 36种种rpS 33种种rpL 49种种 不同细胞核蛋白体的组成不同细胞核蛋白体的组成 目目 录录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：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)目目

8、 录录原核细胞核糖体的各种功能部位原核细胞核糖体的各种功能部位反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶（一）（一）氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)l 氨基酸的活化氨基酸的活化第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E AMP PPi目目 录录第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E目目 录录tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATPl氨基酰氨基酰-tRNA合成酶

9、对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有都有高度特异性。高度特异性。l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。l氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法：的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 真核生物真核生物： Met-tRNAiMet原核生物原核生物： fMet-tRNAifMet（二）（二）起始肽链合成的氨基酰起始肽链合成的氨基酰-tRNA 第第 二二 节节 l翻译的起始翻译的起始(initiation)l翻译的延长翻译的延长(elongation)l翻译的终止翻译的终止(term

10、ination )整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为 ：翻译过程从阅读框架的翻译过程从阅读框架的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。 指指mRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA分别分别与核蛋白体结合而形成与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物翻译起始复合物 (translational initiation complex)。原核生物各种起始因子的生物功能原核生物各种起始因子的生物功能 促促进进核核蛋蛋白白体体分分离离成成大大小小亚亚基基eI F- 6促促进进各各种种起起始始因因子子从从小小亚亚基

11、基解解离离，进进而而结结合合大大亚亚基基eI F- 5eI F- 4F复复合合物物成成分分，结结合合eI F- 4E和和PABeI F- 4GeI F- 4F复复合合物物成成分分，结结合合mRNA5帽帽子子eI F- 4E结结合合mRNA，促促进进mRNA扫扫描描定定位位起起始始AUGeI F- - 4BeI F- 4F复复合合物物成成分分，有有解解螺螺旋旋酶酶活活性性，促促进进mRNA结结合合小小亚亚基基I F- 4A最最先先结结合合小小亚亚基基促促进进大大小小亚亚基基分分离离eI F- 2B，eI F- 3促促进进起起始始t RNA与与小小亚亚基基结结合合eI F- 2真真核核生生物物促促

12、进进大大小小亚亚基基分分离离，提提高高P位位对对结结合合起起始始t RNA敏敏感感性性EI F- 3促促进进起起始始t RNA与与小小亚亚基基结结合合EI F- 2占占据据A位位防防止止结结合合其其他他t RNAI F- 1原原核核生生物物生生物物功功能能起起始始因因子子促促进进核核蛋蛋白白体体分分离离成成大大小小亚亚基基eI F- 6促促进进各各种种起起始始因因子子从从小小亚亚基基解解离离，进进而而结结合合大大亚亚基基eI F- 5eI F- 4F复复合合物物成成分分，结结合合eI F- 4E和和PABeI F- 4GeI F- 4F复复合合物物成成分分，结结合合mRNA5帽帽子子eI F-

13、 4E结结合合mRNA，促促进进mRNA扫扫描描定定位位起起始始AUGeI F- - 4BeI F- 4F复复合合物物成成分分，有有解解螺螺旋旋酶酶活活性性，促促进进mRNA结结合合小小亚亚基基I F- 4A最最先先结结合合小小亚亚基基促促进进大大小小亚亚基基分分离离eI F- 2B，eI F- 3促促进进起起始始t RNA与与小小亚亚基基结结合合eI F- 2真真核核生生物物促促进进大大小小亚亚基基分分离离，提提高高P位位对对结结合合起起始始t RNA敏敏感感性性EI F- 3促促进进起起始始t RNA与与小小亚亚基基结结合合EI F- 2占占据据A位位防防止止结结合合其其他他t RNAI

14、F- 1原原核核生生物物生生物物功功能能起起始始因因子子协助协助IF3，占据，占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAl核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；lmRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；l起始氨基酰起始氨基酰- -tRNA的结合；的结合； l核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。IF-3IF-11. 核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离目目 录录A U G53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合目目 录录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 G5

15、3目目 录录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目目 录录IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目目 录录l参与的起始因子（参与的起始因子（eIFeIF）较多，起始复合物的）较多，起始复合物的形成较复杂；形成较复杂；l形成起始复合物的氨基酸是甲硫氨酸，不是形成起始复合物的氨基酸是甲硫氨酸，不是甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸指根据指根据mRNA密码序列的指导，依次添加密码序列的指导，依次添加氨基酸从氨基酸从N端向端向C端延伸肽链，直到合成终止端延伸肽链，直到合成终止的过程。的过程

16、。 l肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为称为核蛋白体循环核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位进位(entrance) 成肽成肽(peptide bond formation) 转位转位(translocation)l延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF)原核生物：原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：真核生物：EF-1 、EF-2 原核延长原核延长因子

17、因子生物功能生物功能对应真核延对应真核延长因子长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，位，结合分解结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EFG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，位，促进卸载促进卸载tRNA释放释放EF-2肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 （一）进位（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。目目 录录延长因子延长因子EF-T催化催化进位（原核生物）进位（原核生物）目目 录录Tu Ts

18、GTPGDPA U G53TuTsGTP目目 录录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。延长因子延长因子EF-G有转位酶有转位酶( ( translocase ) )活性，可结合并水解活性，可结合并水解1 1分子分子GTP，促进核蛋，促进核蛋白体向白体向mRNA的的3 3侧移动侧移动 。fMetA U G53fMetTuGTP目目 录录进进位位转转位位成肽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

19、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（四）真核生物延长过程当当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

20、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 原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 U A G53COO-目目 录录使蛋白质合成高使蛋白质合成高速、高效进行。速、高效进行。目目 录录电镜下的多聚核蛋白体现象电镜下的多聚核蛋白体现象目目 录录第第 三三 节节从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋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

21、过不同的翻译后复杂加白质生物活性，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。工过程才转变为天然构象的功能蛋白。l多肽链折叠为天然的三维结构多肽链折叠为天然的三维结构 l肽链一级结构的修饰肽链一级结构的修饰l高级结构修饰高级结构修饰 l新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即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折叠，开始。可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、结构域到形成完整产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。空间

22、构象。 l一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质一般认为，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。折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。l细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，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、蛋白辅助。而需要其他酶、蛋白辅助。 1. 分子伴侣分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase

23、, 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，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

24、合、解离和多肽片段依次结合、解离的循环。的循环。 HSP40结合待结合待折叠多肽片段折叠多肽片段 HSP70-ATP复合物复合物 HSP40- HSP70-ADP-多肽复合物多肽复合物 ATP水解水解GrpE ATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠 伴侣素伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程系统促进蛋白质折叠过程 伴侣素的主要作用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

25、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。肽肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 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

26、构象明显差别。 肽酰肽酰- -脯氨酰顺反异构酶可促进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，通过改变脯氨酸的构型，可使多肽成的限速酶，通过改变脯氨酸的构型，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。 （一）肽链（一）肽链N端的修饰端的修饰（二）个别氨基酸的共价修饰（二）个别氨基酸的共价修饰（三）多肽链的水解修饰（三）多肽链的水解修饰（一）亚基聚合（一）亚基聚合 （二）辅基连接（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接（三）疏水脂链的共价

27、连接 蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输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。程称为蛋白质的靶向输送。 蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送(protein targeting)信号学说的主要内容是各种蛋白质在细胞中信号学说的主要内容是各种蛋白质在细胞中最终定位是由蛋白质本身所具有的特定氨基酸序最终定位是由蛋白质本身所具有的特定氨基酸序列决定的。这些特殊的氨基酸序列起着一种信号列决定的。这些特殊的氨基酸序列起着一种信号的作用，因此被称为信号序列。信号序列能够被的作用，因此被称为信号序列。信号序列

28、能够被细胞中的特殊成分识别，由此启动定向运输过程。细胞中的特殊成分识别，由此启动定向运输过程。 信号学说和信号学说和信号序列信号序列(signal sequence)蛋白质的不同分拣路径蛋白质的不同分拣路径细胞核细胞核真核细胞细胞膜蛋白、分泌蛋白和溶真核细胞细胞膜蛋白、分泌蛋白和溶酶体蛋白等前体合成后靶向输送过程首先酶体蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。要进入内质网。 内质网信号序列内质网信号序列 存在于大多数膜蛋白和分泌蛋白的存在于大多数膜蛋白和分泌蛋白的N端，一般由端，一般由20个氨基酸残基组成。个氨基酸残基组成。lSRP是一种特是一种特殊的核糖核酸殊的核糖核酸蛋白颗粒，能蛋白

29、颗粒，能与信号肽序列与信号肽序列结合，由一分结合，由一分子子RNA和六种和六种多肽组成的超多肽组成的超分子复合物。分子复合物。信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网 蛋白质从内质网蛋白质从内质网高尔基体高尔基体溶酶体或细胞膜（外）的小泡转运溶酶体或细胞膜（外）的小泡转运l定位于线粒体、叶绿体、细胞核和过氧定位于线粒体、叶绿体、细胞核和过氧化物酶体的蛋白质基本上都是在细胞质化物酶体的蛋白质基本上都是在细胞质中游离的核糖体上完成合成以后才开始中游离的核糖体上完成合成以后才开始定向运输，因此属于翻译后定向运输。定向运输，因此属于翻译后定向运输。目目 录录目目 录录第第 四四

30、 节节l蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的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。物合成过程而起作用的。 l可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究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。

31、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。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原核核蛋白体小亚基体小亚基原核核蛋白原核核蛋白体小亚基体小亚基原核核蛋白原核核蛋白体大亚基体大亚基原核核蛋