北京大学生物化学课件 蛋白质生物合成

第十四章蛋白质的生物合成

CHAPTER14PROTEINBIOSYNTHESIS

1第十四章蛋白质的生物合成

CHAPTER14PROTE本章主要内容蛋白质合成体系mRNA与遗传密码tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”rRNA(核糖体)是肽链合成的“装配机”蛋白质的合成过程氨基酸的活化与转运肽链合成的起动、延长、终止真核生物蛋白质合成的特点翻译后加工与蛋白质合成后分泌肽链合成后的加工与修饰复合蛋白质的形成和亚单位的聚合分泌蛋白的合成与分泌蛋白质合成与某些医学问题分子病以及蛋白质生物合成的阻断剂2本章主要内容蛋白质合成体系2蛋白质是生命活动的物质基础蛋白质具有高度种属特异性蛋白质由生物体自行合成3蛋白质是生命活动的物质基础蛋白质具有高度种属特异性蛋白质由生

反转录DNA复制RNA复制DNARNA

蛋白质转录翻译4反转录DNA复制RNA复制DNA翻译（translation）蛋白质生物合成即翻译过程，是以mRNA为模板、由氨基酸通过肽键结合，形成特定多肽链的过程。这样，mRNA分子中的遗传信息被具体地翻译成为蛋白质的氨基酸排列顺序5翻译（translation）蛋白质生物合成即翻译过程，是以第一节蛋白质合成体系

Section1THEMACHINERYOF

PROTEINSYNTHESIS三种RNA：

mRNA－模板

tRNA－特异的“搬运工具”rRNA－“装配机”20种α氨基酸－原料酶与蛋白质因子：如IF／eIF、EF、RF无机离子及能量：ATP、GTP6第一节蛋白质合成体系

Section1THEM一蛋白质合成机制研究的三大成就20世纪50年代初，Zamecnik证明核糖体是蛋白质合成的场所ThreeAdvancesforDeducingProteinSynthesis同位素标记氨基酸大鼠数小时或数天数分钟肝细胞各细胞器均有标记蛋白质肝细胞核糖体有标记蛋白质7一蛋白质合成机制研究的三大成就20世纪50年代初，ZameHoagland和Zamecnik发现了“活化”的氨基酸－氨基酰tRNAs(1955)20世纪60年代确定RNA在蛋白质合成中的信息转换作用DNAmRNAProteintRNAadaptor8Hoagland和Zamecnik发现了“活化”的氨基酸－氨1949ColdSpringHarborSymposium.ThemanbusytakingnotesisPaulZamecnik.AlsoinpictureJ.S.Fruton(L),K.Linderstrom-Lang(R).1966ColdSpringHarborSymposium.MahlonHoagland(R)indiscussionwithErnestBorek(L).91949ColdSpringHarborSymposPaulZamecnikinhisofficeatMassachusettsGeneralHospital,1999.MahlonHoaglandathishomeinVermont,1999.10PaulZamecnikinhisofficeat二mRNA与遗传密码

mRNAandGeneticCode遗传密码mRNA的作用：翻译的直接模板

mRNA碱基语言(4字符)

蛋白质氨基酸语言(20字符)?11二mRNA与遗传密码

mRNAandGenet在mRNA分子上，从5’端→3’端，每相邻的3个核苷酸组成一组，在蛋白质合成时，对应某一种氨基酸，这就是遗传密码（GeneticCode）相邻的三个核苷酸称为密码子(codon)或三联体密码(triplet)

遗传密码

——mRNA上的密码语言12在mRNA分子上，从5’端→3’端，每相邻的3个核苷酸组成一遗传密码表P35513遗传密码表P35513简并性

(Degeneracy)起始密码和终止密码

(Initiationcodon&Terminationcodons)方向性与无间隔性

(Polarity&Commaless)通用性

(Universal)遗传密码的特点：14遗传密码的特点：14(一)简并性（Degeneracy）一种氨基酸对应多个密码子的现象称为简并A,G,C,U共可组成64（43）种密码子

61种密码子：代表不同的氨基酸

3种密码子：代表终止密码子组成人体蛋白质的氨基酸：20种15(一)简并性（Degeneracy）一种氨基酸对应多个密码遗传密码举例：UUAUUGCUUCUCCUACUG亮氨酸(Leu)AUG蛋氨酸(Met)UUUUUC苯丙氨酸(Phe)ACUACCACAACG苏氨酸(Thr)16遗传密码举例：UUA亮氨酸(Leu)AUG蛋氨酸(二)起始密码与终止密码(initiationcodon&terminationcodons)

起动信号起动信号位于mRNA5’端附近起动信号最适上下文序列为：

CC－CCAUGGAGAUG蛋氨酸／甲硫氨酸(Met)initiationcodonUAAUAGUGA

终止信号terminationcodons终止信号不代表任何氨基酸密码子17(二)起始密码与终止密码(initiationcodon(三)方向性与无间隔性

方向性：

密码子的排列是从mRNA5’→3’端起动信号位于5’端；终止信号位于3’端

无间隔性：

密码子在mRNA上是连续的相邻密码子之间既无间断也无交叉重叠如插入或缺失碱基可导致移码突变(Polarity&Commaless)(frameshiftmutation)18(三)方向性与无间隔性方向性：无间隔性：(PoproteinAUGGGCUCCAUCGGCGCAUAAmRNAstartcodonmethionineglycineserineisoleucineglycinealanine

stopcodoncodon2codon3codon4codon5codon6codon7codon15’3’密码子的方向性和无间隔性从mRNA5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联密码子连续排列编码一个蛋白质多肽链开放阅读框(openreadingframe,ORF)19proteinAUGGGCUCCAUCGGCGCAUAAmR密码子阅读框即无间隔也不重叠蛋氨酸天冬酰胺精氨酸谷氨酸甘氨酸AUGAAUAGAGAAGGCCG……一个碱基突变,会如何？碱基丢失赖氨酸丙氨酸后续全变－移码突变酪氨酸UU一个碱基突变一个氨基酸改变第三个碱基改变

氨基酸有可能不变C20密码子阅读框即无间隔也不重叠蛋氨酸天冬酰胺精氨酸谷氨酸甘氨酸(四)通用性（Universal）从病毒、细菌到人，所有生物均使用同一套密码子说明各种生物在进化上具有同源性通用性是相对的线粒体中：UAG不代表终止信号而是代表色氨酸

AGA、AGG：终止密码子

AUA：起始密码子；蛋氨酸某些细菌：GUG也可作启动信号21(四)通用性（Universal）从病毒、细菌到人，所有tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”tRNA,theadaptorofanaminoacidtoitscodon22tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”tRNA,thtRNA转运特点tRNA转运氨基酸具有特异性

一种tRNA对应一种氨基酸一种氨基酸可由多种tRNA转运

tRNA上的反密码子识别mRNA上的密码子,使所携带的氨基酸准确对号入座氨基酸结合于tRNA的3’末端(CCA-OH)而活化如丙氨酰tRNA(Ala-tRNAAla)

蛋氨酰tRNA(Met-tRNAmet)

起动蛋氨酰tRNA(fMet-tRNAfMet/Met-tRNAiMet)

甲酰蛋氨酰tRNA(原核)／蛋氨酰tRNA(真核)23tRNA转运特点tRNA转运氨基酸具有特异性tR5’3’mRNAtRNA3’5’3’5’3’5’反密码子与密码子的配对：（1）反向（2）不稳定（摆动性）wobble245’3’mRNAtRNA3’5’3’5’3’5’反密码子与密密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U

CAA

GU

CUG反密码子的第1、2、3个核苷酸与密码子的第3、2、1个核苷酸配对25密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子IUGACmR

ExampleofBase-pairingWobble26ExampleofBase-pairingWobb四核糖体是肽链合成的“装配机”

Ribosome，theMachineryforSynthesisofPeptideChain27四核糖体是肽链合成的“装配机”

Ribosome，the

核糖体组成

大、小两个亚基主要成分是多种蛋白质＋rRNA28核糖体组成28核糖体的组成5S,5.8S,28S-rRNA21种原核真核小亚基rRNA蛋白质rRNA蛋白质大亚基16S-rRNA18S-rRNA33种5S,23S-rRNA49种34种大小30S40S大小50S60S核糖体大小70S80S29核糖体的组成5S,5.8S,28S-rRNA21种原核真核小核糖体功能区：

受位(氨基酰位,A位)

acceptorsite

(aminoacylsite)给位(肽位,P位):donorsite(peptidylsite)排出位（E位,原核）exitsite30核糖体功能区：受位(氨基酰位,A位)30mRNA

2tRNA停靠位点A结合AA-tRNAP结合肽酰-tRNA和起始Met-tRNA真核生物核糖体结构模式31mRNA2tRNA停靠位点A结合AA-tRNAP结合肽酰-蛋白质合成的高效性－多核糖体（polysome）（真核）32蛋白质合成的高效性－多核糖体（polysome）（真核）32蛋白质合成的高效性－多核糖体（polysome）（原核）33蛋白质合成的高效性－多核糖体（polysome）（原核）33第二节蛋白质的合成过程

Section2PROCESSOFPROTEINSYNTHESIS氨基酸的活化活化氨基酸的转运活化氨基酸在核糖体上的缩合（核糖体循环）

肽链合成启动（initiation）

肽链延长（elongation）

肽链合成的终止（termination）

34第二节蛋白质的合成过程

Section2PROCES

一氨基酸的活化与转运ActivationandTransferofAminoAcids（一）氨基酸的活化与转运是酶促需能反应tRNA氨基酰-tRNAMg2+Mn2+AminoacidAminoacidATP+aminoacyl-tRNAsynthetase3’5’氨基酰-tRNA合成酶35一氨基酸的活化与转运（一）氨基酸的活化与转运是酶促需能反氨基酰-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

(二)氨基酰-tRNA合成酶保证翻译的忠实性

(aminoacyl-tRNAsynthetase)(proofreadingactivity)

36氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性(二肽链合成的起动（原核生物）InitiationinRibosomeCycle需要因子：Mg2＋、GTP、ATP、起动因子(IF)模板mRNA核糖体大小亚基组成起动复合体fMet-tRNAfMet37二肽链合成的起动（原核生物）需要因子：Mg2＋、GTP、A原核起动因子(initiationfactor,IF)：

IF2:促进小亚基与fmet-tRNAfmet结合;

GTP酶活性（GTP→GDP+Pi）

IF3:抑制大、小亚基过早聚合;

促进小亚基与mRNA结合

IF1:辅助IF2、IF338原核起动因子(initiationfactor,IF)：起动复合体形成过程核糖体大小亚基分离mRNA在小亚基定位结合起始氨基酰-tRNA的结合（30S起始复合物形成）核糖体大亚基结合（70S起始复合物形成）39起动复合体形成过程核糖体大小亚基分离39IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离40IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离40AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合41AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合S-D序列

(Shine-Dalgarnosequence)42S-D序列(Shine-DalgarnosequenceIF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)结合到小亚基,30S起动复合体形成AUG5'3'43IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(f4.核糖体大亚基结合,70S起动复合体形成IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5'3'444.核糖体大亚基结合,70S起动复合体形成IF-3IF-起动复合体形成过程IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTP-GTPGDPPi45起动复合体形成过程IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GT三肽链延长（原核生物）

ElongationinRibosomeCycle即核糖体自mRNA5’端向3’端推进翻译过程，需延长因子(EF)、GTP和无机离子循环进行肽链延长肽链延长过程：1.进位(entrance)2.成肽(peptidebondformation)3.转位(translocation)46三肽链延长（原核生物）

Elongation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GTPeEF-1-αEF-Ts调节亚基,促进EF-Tu再利用eEF-1-βγ有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放eEF-2肽链合成的延长因子

(elongationfactor,EF)EF-G47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-t又称注册(registration)1.进位(entrance)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48又称注册(registration)1.进位(entran延长因子EF-Tu促进氨基酰tRNA与核糖体A位结合延长因子EF-Ts促进EF-Tu的再利用49延长因子EF-Tu492.成肽

(peptidebondformation)由转肽酶催化的肽键形成过程502.成肽(peptidebondformation)3.转位(Translocation)延长因子EF-G有转位酶活性，可结合并水解1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3'侧移动513.转位(Translocation)延长因子EF-G有转进位转位成肽52进位转位成肽52每一循环生成一个肽键每生成一个肽键消耗4个高能磷酸键（活化:2；进位:1；转位:1）密码子阅读方向：5’

3’多肽链延长方向：N端C端肽链延长过程特点：53每一循环生成一个肽键肽链延长过程特点：53

四肽链合成的终止

TerminationinRibosomeCycle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、核糖体等分离，这些过程称为肽链合成的终止

54四肽链合成的终止

TerminationinRib终止因子辨认终止密码子（UAA、UGA、UAG）转肽酶转变为水解酶肽链释放mRNA释放大小亚基分离终止因子（或称释放因子,releasefactor,RF）

辨认终止密码，使转肽酶变为水解酶，水解肽链与tRNA的连接，促进肽链从核蛋白体释放。终止过程：RF1,RF2,RF355终止因子辨认终止密码子（UAA、UGA、UAG）终止因子（或原核肽链合成终止过程

56原核肽链合成终止过程56

核糖体循环

RibosomeCycle

蛋白质翻译过程中，核糖体大小亚基聚合完成肽链起始、延长及终止过程后解离，它们还可以再聚合成完整的核糖体，开始新的肽链合成，循环往复。57核糖体循环

RibosomeCycle真核与原核生物蛋白质合成的异同：

相同点：遗传密码相同；组分相似：核糖体，tRNA，各种蛋白质因子合成途径相似

不同点：（见下表）五真核生物蛋白质合成的特点CharacteristicsofProteinSynthesisinEukaryotes58真核与原核生物蛋白质合成的异同：相同点：不同

原核

真核

mRNA多顺反子(polycistron)单顺反子(monocistron)无“帽、尾”结构，有“帽、尾”结构5’起动信号上游有SD序列无SD序列

核蛋白体30S+50S=70S40S+60S=80S起始AAfMet-tRNAfMetMet-tRNAiMetIF、EFIF3种eIF10多种及RFEF-Tu、EF-Ts、EF-GeEF1、eEF2RF1、RF2、RF3eRF转录与翻译转录翻译偶联不偶联（分隔进行）的关系（几乎同时进行）抑制剂抗生素白喉毒素、植物毒素等59原核真核生物线粒体存在独立的蛋白质合成体系，与真核细胞质合成体系不同，与原核体系类似。

抗生素有一定的副作用

60真核生物线粒体存在独立的蛋白质合成体系，与真核第三节翻译后加工与蛋白质合成后分泌

Section3POSTTRANSLATIONALPROCESSING

ANDSECRETORYPROTEINS肽链合成后的加工和修饰结合蛋白质的形成和亚单位的聚合分泌蛋白的合成与分泌从核糖体释放出的新生多肽链需经过各种翻译后加工过程才转变为天然构象的功能蛋白主要包括：61第三节翻译后加工与蛋白质合成后分泌

Section3一肽链合成后的加工与修饰Post-translationalProcessingandModification(一)二硫键的形成－S－S－多肽链内或链间由两个半胱氨酸残基形成二硫键二硫键对稳定蛋白质的天然构象十分重要这一过程主要在细胞内质网进行62一肽链合成后的加工与修饰(一)二硫键的形成胰岛素(insulin)核糖核酸酶(ribonuclease)63胰岛素(insulin)核糖核酸酶(ribonuclease(二)个别氨基酸残基的化学修饰有些肽链中的氨基酸残基需经一定的化学修饰才能使蛋白质具有活性，参与正常的生理活动例如：磷酸化(Phosphorylation)：Ser、Thr、Tyr残基等乙酰化(Acetylation)：组蛋白甲基化(Methylation)

：Lys残基羟化(Hydroxylation)64(二)个别氨基酸残基的化学修饰有些肽链中的氨基酸残基需经一磷酸化丝氨酸磷酸化苏氨酸磷酸化酪氨酸OHProtein

PProteinProteinKinaseATPADPPhosphatasesPi65磷酸化丝氨酸磷酸化苏氨酸磷酸化酪氨酸OHProtein例：

ATP

ADP磷酸化酶b激酶

磷酸化酶b

磷酸化酶a

（无活性）磷蛋白磷酸酶（有活性）

Pi

H2OP糖原分解

ATP

ADP糖原合成酶激酶糖原合成酶

糖原合成酶

（有活性）磷蛋白磷酸酶（无活性）

Pi

H2OP糖原合成66例：ATP(三)蛋白质前体中肽段的切除在核糖体合成的肽链大多数是蛋白质前体(precursor)，需水解切除部分肽段，才能形成有活性的蛋白质胰岛素的加工67(三)蛋白质前体中肽段的切除在核糖体合成的肽链大多二结合蛋白质的形成和亚单位的聚合FormationOfComplexProteinsorMulti-subunitProteins肽链空间折叠、亚基聚合、辅基结合68二结合蛋白质的形成和亚单位的聚合肽链空间折叠、亚基聚合、（一）蛋白质空间构象折叠细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶或蛋白蛋白因子的辅助。分子伴侣

(molecularchaperone)

是细胞内一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠

热休克蛋白

(heatshockprotein,HSP)

伴侣素

(chaperonins)

69（一）蛋白质空间构象折叠细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动伴侣素作用示意图70伴侣素作用示意图70（二）亚单位的聚合α链β链Hb含多个亚基的蛋白质聚合成有生物活性的蛋白质（三）结合蛋白质的合成结合蛋白质如糖蛋白、脂蛋白、色素蛋白分别需加糖、加脂、加辅基等才成为活性蛋白质71（二）亚单位的聚合α链β链Hb含多个亚基的蛋白质聚合成有生物三分泌蛋白的合成与分泌SynthesisandSecretionofSecretoryProtein信号肽(signalpeptide)位于分泌蛋白N端作用：输送肽链进入粗面内质网腔序列保守分泌蛋白在合成时均有信号肽序列72三分泌蛋白的合成与分泌信号肽(signalpepti信号肽的一级结构碱性氨基末端（精、赖）疏水核心区（亮、异亮）加工区（甘、丙、丝）73信号肽的一级结构碱性氨基末端疏水核心区加工区73信号肽识别颗粒（SignalRecognitionParticles，SRP）作用由6种蛋白质与7S-RNA组成的复合体既与分泌蛋白的信号肽结合，又与内质网上的SRP受体结合，有助于信号肽找到粗面内质网74信号肽识别颗粒作用由6种蛋白质与7S-RNA组成的复合体既与分泌蛋白质的合成75分泌蛋白质的合成75分泌型蛋白质合成后输送至细胞外粗面内质网滑面内质网高尔基体分泌液泡76分泌型蛋白质合成后输送至细胞外粗面内质网滑面内质网高尔基体分复制、转录和翻译的比较复制转录翻译原料dNTPNTP20种氨基酸主要酶和因子DNA聚合酶、拓扑异构酶、引物酶、解链酶、DNA连接酶、DNA结合蛋白RNA聚合酶

ρ因子等氨基酰tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子等模板DNADNAmRNA链延长方向5’→3’5’→3’N端→C端方式半保留复制不对称转录核蛋白体循环配对方式A=TG=CA=U，T-AG=C三联体密码子－相应氨基酸产物DNARNA蛋白质加工过程一般不需复制后加工转录后加工分别形成mRNA、tRNA和rRNA翻译后加工生成具有生物活性成熟蛋白质77复制、转录和翻译的比较复制转录翻译原料dNTPNTP20种第四节蛋白质合成与某些医学问题

Section4PROTEINSYSTHESISIN

BIOMEDICALIMPORTANCE一分子病

MolecularDiseases由于DNA分子上的基因缺陷，使RNA和蛋白质合成异常，导致机体某些结构与功能的障碍而造成的疾病。此病可随个体繁殖而传给后代例：镰刀形红细胞贫血（Hbβ链N端第6位aa突变）78第四节蛋白质合成与某些医学问题

Section4PCTCGAGGTGCACHbA基因肽链N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu---C1234567…..

镰刀型红细胞贫血HbSN-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu---C1234567……

正常成人红细胞79CTCGAGGTGCACHbA基因肽链N-Val-H二蛋白质合成的阻断剂InhibitorsofProteinBiosynthesis

作用于不同环节：复制过程：多数抗肿瘤药物转录过程：利福平等翻译过程：多数抗生素

作用于不同生物：原核生物：抗生素真核生物：毒素80二蛋白质合成的阻断剂InhibitorsofProt（一）抗生素类阻断剂与核糖体结合，直接作用于翻译过程抗生素作用点作用原理四环素族（金霉素、新霉素、土霉素）核糖体小亚基（30S、40S）阻碍氨基酰tRNA与小亚基结合。易透入菌体，但不易透入哺乳类动物细胞链霉素、卡那霉素30S亚基抑制启动，造成误译氯霉素、林可霉素

红霉素50S亚基50S亚基抑制转肽酶，干扰mRNA与核糖体结合抑制转肽酶，妨碍移位等嘌呤霉素50S、60S亚基使核糖体上肽链过早脱落81（一）抗生素类阻断剂抗生素作用点作用原理四环素族（金霉素、新

（二）作为蛋白质合成阻断剂的毒素

42抑制蛋白质合成的天然蛋白质蓖麻蛋白：与真核60S大亚基结合，抑制肽链延伸作用于哺乳动物细菌毒素：白喉毒素：作用于eEF2，使之失活植物毒蛋白：红豆碱82（二）作为蛋白质合成阻断剂的毒素42（三）其他蛋白质类阻断剂

干扰素interferon由真核细胞感染病毒后分泌，具有抗病毒作用活化一种蛋白激酶，使哺乳类动物的启动因子eIF2磷酸化，由此抑制蛋白质生物合成宿主细胞蛋白质合成受限，抑制病毒繁殖作用机制：活化2’5’-A合成酶，形成2’5’-A，使mRNA降解83（三）其他蛋白质类阻断剂干扰素interferon活本章重点三类RNA在蛋白质合成中的作用遗传密码

概念、特点蛋白质合成过程

氨基酸的活化与转运

核糖体循环真核与原核合成过程的异同蛋白质合成后加工复制、转录、翻译的异同84本章重点三类RNA在蛋白质合成中的作用84第十四章蛋白质的生物合成

CHAPTER14PROTEINBIOSYNTHESIS

85第十四章蛋白质的生物合成

CHAPTER14PROTE本章主要内容蛋白质合成体系mRNA与遗传密码tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”rRNA(核糖体)是肽链合成的“装配机”蛋白质的合成过程氨基酸的活化与转运肽链合成的起动、延长、终止真核生物蛋白质合成的特点翻译后加工与蛋白质合成后分泌肽链合成后的加工与修饰复合蛋白质的形成和亚单位的聚合分泌蛋白的合成与分泌蛋白质合成与某些医学问题分子病以及蛋白质生物合成的阻断剂86本章主要内容蛋白质合成体系2蛋白质是生命活动的物质基础蛋白质具有高度种属特异性蛋白质由生物体自行合成87蛋白质是生命活动的物质基础蛋白质具有高度种属特异性蛋白质由生

反转录DNA复制RNA复制DNARNA

蛋白质转录翻译88反转录DNA复制RNA复制DNA翻译（translation）蛋白质生物合成即翻译过程，是以mRNA为模板、由氨基酸通过肽键结合，形成特定多肽链的过程。这样，mRNA分子中的遗传信息被具体地翻译成为蛋白质的氨基酸排列顺序89翻译（translation）蛋白质生物合成即翻译过程，是以第一节蛋白质合成体系

Section1THEMACHINERYOF

PROTEINSYNTHESIS三种RNA：

mRNA－模板

tRNA－特异的“搬运工具”rRNA－“装配机”20种α氨基酸－原料酶与蛋白质因子：如IF／eIF、EF、RF无机离子及能量：ATP、GTP90第一节蛋白质合成体系

Section1THEM一蛋白质合成机制研究的三大成就20世纪50年代初，Zamecnik证明核糖体是蛋白质合成的场所ThreeAdvancesforDeducingProteinSynthesis同位素标记氨基酸大鼠数小时或数天数分钟肝细胞各细胞器均有标记蛋白质肝细胞核糖体有标记蛋白质91一蛋白质合成机制研究的三大成就20世纪50年代初，ZameHoagland和Zamecnik发现了“活化”的氨基酸－氨基酰tRNAs(1955)20世纪60年代确定RNA在蛋白质合成中的信息转换作用DNAmRNAProteintRNAadaptor92Hoagland和Zamecnik发现了“活化”的氨基酸－氨1949ColdSpringHarborSymposium.ThemanbusytakingnotesisPaulZamecnik.AlsoinpictureJ.S.Fruton(L),K.Linderstrom-Lang(R).1966ColdSpringHarborSymposium.MahlonHoagland(R)indiscussionwithErnestBorek(L).931949ColdSpringHarborSymposPaulZamecnikinhisofficeatMassachusettsGeneralHospital,1999.MahlonHoaglandathishomeinVermont,1999.94PaulZamecnikinhisofficeat二mRNA与遗传密码

mRNAandGeneticCode遗传密码mRNA的作用：翻译的直接模板

mRNA碱基语言(4字符)

蛋白质氨基酸语言(20字符)?95二mRNA与遗传密码

mRNAandGenet在mRNA分子上，从5’端→3’端，每相邻的3个核苷酸组成一组，在蛋白质合成时，对应某一种氨基酸，这就是遗传密码（GeneticCode）相邻的三个核苷酸称为密码子(codon)或三联体密码(triplet)

遗传密码

——mRNA上的密码语言96在mRNA分子上，从5’端→3’端，每相邻的3个核苷酸组成一遗传密码表P35597遗传密码表P35513简并性

(Degeneracy)起始密码和终止密码

(Initiationcodon&Terminationcodons)方向性与无间隔性

(Polarity&Commaless)通用性

(Universal)遗传密码的特点：98遗传密码的特点：14(一)简并性（Degeneracy）一种氨基酸对应多个密码子的现象称为简并A,G,C,U共可组成64（43）种密码子

61种密码子：代表不同的氨基酸

3种密码子：代表终止密码子组成人体蛋白质的氨基酸：20种99(一)简并性（Degeneracy）一种氨基酸对应多个密码遗传密码举例：UUAUUGCUUCUCCUACUG亮氨酸(Leu)AUG蛋氨酸(Met)UUUUUC苯丙氨酸(Phe)ACUACCACAACG苏氨酸(Thr)100遗传密码举例：UUA亮氨酸(Leu)AUG蛋氨酸(二)起始密码与终止密码(initiationcodon&terminationcodons)

起动信号起动信号位于mRNA5’端附近起动信号最适上下文序列为：

CC－CCAUGGAGAUG蛋氨酸／甲硫氨酸(Met)initiationcodonUAAUAGUGA

终止信号terminationcodons终止信号不代表任何氨基酸密码子101(二)起始密码与终止密码(initiationcodon(三)方向性与无间隔性

方向性：

密码子的排列是从mRNA5’→3’端起动信号位于5’端；终止信号位于3’端

无间隔性：

密码子在mRNA上是连续的相邻密码子之间既无间断也无交叉重叠如插入或缺失碱基可导致移码突变(Polarity&Commaless)(frameshiftmutation)102(三)方向性与无间隔性方向性：无间隔性：(PoproteinAUGGGCUCCAUCGGCGCAUAAmRNAstartcodonmethionineglycineserineisoleucineglycinealanine

stopcodoncodon2codon3codon4codon5codon6codon7codon15’3’密码子的方向性和无间隔性从mRNA5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联密码子连续排列编码一个蛋白质多肽链开放阅读框(openreadingframe,ORF)103proteinAUGGGCUCCAUCGGCGCAUAAmR密码子阅读框即无间隔也不重叠蛋氨酸天冬酰胺精氨酸谷氨酸甘氨酸AUGAAUAGAGAAGGCCG……一个碱基突变,会如何？碱基丢失赖氨酸丙氨酸后续全变－移码突变酪氨酸UU一个碱基突变一个氨基酸改变第三个碱基改变

氨基酸有可能不变C104密码子阅读框即无间隔也不重叠蛋氨酸天冬酰胺精氨酸谷氨酸甘氨酸(四)通用性（Universal）从病毒、细菌到人，所有生物均使用同一套密码子说明各种生物在进化上具有同源性通用性是相对的线粒体中：UAG不代表终止信号而是代表色氨酸

AGA、AGG：终止密码子

AUA：起始密码子；蛋氨酸某些细菌：GUG也可作启动信号105(四)通用性（Universal）从病毒、细菌到人，所有tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”tRNA,theadaptorofanaminoacidtoitscodon106tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”tRNA,thtRNA转运特点tRNA转运氨基酸具有特异性

一种tRNA对应一种氨基酸一种氨基酸可由多种tRNA转运

tRNA上的反密码子识别mRNA上的密码子,使所携带的氨基酸准确对号入座氨基酸结合于tRNA的3’末端(CCA-OH)而活化如丙氨酰tRNA(Ala-tRNAAla)

蛋氨酰tRNA(Met-tRNAmet)

起动蛋氨酰tRNA(fMet-tRNAfMet/Met-tRNAiMet)

甲酰蛋氨酰tRNA(原核)／蛋氨酰tRNA(真核)107tRNA转运特点tRNA转运氨基酸具有特异性tR5’3’mRNAtRNA3’5’3’5’3’5’反密码子与密码子的配对：（1）反向（2）不稳定（摆动性）wobble1085’3’mRNAtRNA3’5’3’5’3’5’反密码子与密密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U

CAA

GU

CUG反密码子的第1、2、3个核苷酸与密码子的第3、2、1个核苷酸配对109密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子IUGACmR

ExampleofBase-pairingWobble110ExampleofBase-pairingWobb四核糖体是肽链合成的“装配机”

Ribosome，theMachineryforSynthesisofPeptideChain111四核糖体是肽链合成的“装配机”

Ribosome，the

核糖体组成

大、小两个亚基主要成分是多种蛋白质＋rRNA112核糖体组成28核糖体的组成5S,5.8S,28S-rRNA21种原核真核小亚基rRNA蛋白质rRNA蛋白质大亚基16S-rRNA18S-rRNA33种5S,23S-rRNA49种34种大小30S40S大小50S60S核糖体大小70S80S113核糖体的组成5S,5.8S,28S-rRNA21种原核真核小核糖体功能区：

受位(氨基酰位,A位)

acceptorsite

(aminoacylsite)给位(肽位,P位):donorsite(peptidylsite)排出位（E位,原核）exitsite114核糖体功能区：受位(氨基酰位,A位)30mRNA

2tRNA停靠位点A结合AA-tRNAP结合肽酰-tRNA和起始Met-tRNA真核生物核糖体结构模式115mRNA2tRNA停靠位点A结合AA-tRNAP结合肽酰-蛋白质合成的高效性－多核糖体（polysome）（真核）116蛋白质合成的高效性－多核糖体（polysome）（真核）32蛋白质合成的高效性－多核糖体（polysome）（原核）117蛋白质合成的高效性－多核糖体（polysome）（原核）33第二节蛋白质的合成过程

Section2PROCESSOFPROTEINSYNTHESIS氨基酸的活化活化氨基酸的转运活化氨基酸在核糖体上的缩合（核糖体循环）

肽链合成启动（initiation）

肽链延长（elongation）

肽链合成的终止（termination）

118第二节蛋白质的合成过程

Section2PROCES

一氨基酸的活化与转运ActivationandTransferofAminoAcids（一）氨基酸的活化与转运是酶促需能反应tRNA氨基酰-tRNAMg2+Mn2+AminoacidAminoacidATP+aminoacyl-tRNAsynthetase3’5’氨基酰-tRNA合成酶119一氨基酸的活化与转运（一）氨基酸的活化与转运是酶促需能反氨基酰-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

(二)氨基酰-tRNA合成酶保证翻译的忠实性

(aminoacyl-tRNAsynthetase)(proofreadingactivity)

120氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性(二肽链合成的起动（原核生物）InitiationinRibosomeCycle需要因子：Mg2＋、GTP、ATP、起动因子(IF)模板mRNA核糖体大小亚基组成起动复合体fMet-tRNAfMet121二肽链合成的起动（原核生物）需要因子：Mg2＋、GTP、A原核起动因子(initiationfactor,IF)：

IF2:促进小亚基与fmet-tRNAfmet结合;

GTP酶活性（GTP→GDP+Pi）

IF3:抑制大、小亚基过早聚合;

促进小亚基与mRNA结合

IF1:辅助IF2、IF3122原核起动因子(initiationfactor,IF)：起动复合体形成过程核糖体大小亚基分离mRNA在小亚基定位结合起始氨基酰-tRNA的结合（30S起始复合物形成）核糖体大亚基结合（70S起始复合物形成）123起动复合体形成过程核糖体大小亚基分离39IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离124IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离40AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合125AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合S-D序列

(Shine-Dalgarnosequence)126S-D序列(Shine-DalgarnosequenceIF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)结合到小亚基,30S起动复合体形成AUG5'3'127IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(f4.核糖体大亚基结合,70S起动复合体形成IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5'3'1284.核糖体大亚基结合,70S起动复合体形成IF-3IF-起动复合体形成过程IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTP-GTPGDPPi129起动复合体形成过程IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GT三肽链延长（原核生物）

ElongationinRibosomeCycle即核糖体自mRNA5’端向3’端推进翻译过程，需延长因子(EF)、GTP和无机离子循环进行肽链延长肽链延长过程：1.进位(entrance)2.成肽(peptidebondformation)3.转位(translocation)130三肽链延长（原核生物）

Elongation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GTPeEF-1-αEF-Ts调节亚基,促进EF-Tu再利用eEF-1-βγ有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放eEF-2肽链合成的延长因子

(elongationfactor,EF)EF-G131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-t又称注册(registration)1.进位(entrance)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132又称注册(registration)1.进位(entran延长因子EF-Tu促进氨基酰tRNA与核糖体A位结合延长因子EF-Ts促进EF-Tu的再利用133延长因子EF-Tu492.成肽

(peptidebondformation)由转肽酶催化的肽键形成过程1342.成肽(peptidebondformation)3.转位(Translocation)延长因子EF-G有转位酶活性，可结合并水解1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3'侧移动1353.转位(Translocation)延长因子EF-G有转进位转位成肽136进位转位成肽52每一循环生成一个肽键每生成一个肽键消耗4个高能磷酸键（活化:2；进位:1；转位:1）密码子阅读方向：5’

3’多肽链延长方向：N端C端肽链延长过程特点：137每一循环生成一个肽键肽链延长过程特点：53

四肽链合成的终止

TerminationinRibosomeCycle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、核糖体等分离，这些过程称为肽链合成的终止

138四肽链合成的终止

TerminationinRib终止因子辨认终止密码子（UAA、UGA、UAG）转肽酶转变为水解酶肽链释放mRNA释放大小亚基分离终止因子（或称释放因子,releasefactor,RF）

辨认终止密码，使转肽酶变为水解酶，水解肽链与tRNA的连接，促进肽链从核蛋白体释放。终止过程：RF1,RF2,RF3139终止因子辨认终止密码子（UAA、UGA、UAG）终止因子（或原核肽链合成终止过程

140原核肽链合成终止过程56

核糖体循环

RibosomeCycle

蛋白质翻译过程中，核糖体大小亚基聚合完成肽链起始、延长及终止过程后解离，它们还可以再聚合成完整的核糖体，开始新的肽链合成，循环往复。141核糖体循环

RibosomeCycle真核与原核生物蛋白质合成的异同：

相同点：遗传密码相同；组分相似：核糖体，tRNA，各种蛋白质因子合成途径相似

不同点：（见下表）五真核生物蛋白质合成的特点CharacteristicsofProteinSynthesisinEukaryotes142真核与原核生物蛋白质合成的异同：相同点：不同

原核

真核

mRNA多顺反子(polycistron)单顺反子(monocistron)无“帽、尾”结构，有“帽、尾”结构5’起动信号上游有SD序列无SD序列

核蛋白体30S+50S=70S40S+60S=80S起始AAfMet-tRNAfMetMet-tRNAiMetIF、EFIF3种eIF10多种及RFEF-Tu、EF-Ts、EF-GeEF1、eEF2RF1、RF2、RF3eRF转录与翻译转录翻译偶联不偶联（分隔进行）的关系（几乎同时进行）抑制剂抗生素白喉毒素、植物毒素等143原核真核生物线粒体存在独立的蛋白质合成体系，与真核细胞质合成体系不同，与原核体系类似。

抗生素有一定的副作用

144真核生物线粒体存在独立的蛋白质合成体系，与真核第三节翻译后加工与蛋白质合成后分泌

Section3POSTTRANSLATIONALPROCESSING

ANDSECRETORYPROTEINS肽链合成后的加工和修饰结合蛋白质的形成和亚单位的聚合分泌蛋白的合成与分泌从核糖体释放出的新生多肽链需经过各种翻译后加工过程才转变为天然构象的功能蛋白主要包括：145第三节翻译后加工与蛋白质合成后分泌

Section3一肽链合成后的加工与修饰Post-translationalProcessingandModification(一)二硫键的形成－S－S－多肽链内或链间由两个半胱氨酸残基形成二硫键二硫键对稳定蛋白质的天然构象十分重要这一过程主要在细胞内质网进行146一肽链合成后的加工与修饰(一)二硫键的形成胰岛素(insulin)核糖核酸酶(ribonuclease)147胰岛素(insulin)核糖核酸酶(ribonuclease(二)个别氨基酸残基的化学修饰有些肽链中的氨基酸残基需经一定的化学修饰才能使蛋白质具有活性，参与正常的生理活动例如：磷酸化(Phosphorylation)：Ser、Thr、Tyr残基等乙酰化(Acetylation)：组蛋白甲基化(Methylation)

：Lys残基羟化(Hydroxylation)148(二)个别氨基酸残基的化学修饰有些肽链中的氨基酸残基需经一磷酸化丝氨酸磷酸化苏氨酸磷酸化酪氨酸OHProtein

PProteinProteinKinaseATPADPPhosphatasesPi149磷酸化丝氨酸磷酸化苏氨酸磷酸化酪氨酸OHProtein例：

ATP

ADP磷酸化酶b激酶

磷酸化酶b

磷酸化酶a

（无活性）磷蛋白磷酸酶（有活性）

Pi

H2OP糖原分解

ATP

ADP糖原合成酶激酶糖原合成酶

糖原合成酶

（有活性）磷蛋白磷酸酶（无活性）

Pi

H2OP糖原合成150例：ATP(三)蛋白质前体中肽段的切除在核糖体合成的肽链大多数是蛋白质前体(precursor)，需水解切除部分肽段，才能形成有活性的蛋白质胰岛素的加工151(三)蛋白质前体中肽段的切除在核糖体合成的肽链大多二结合蛋白质的形成和亚单位的聚合FormationOfComplexProteinsorMulti-subunitProteins肽链空间折叠、亚基聚合、辅基结合152二结合蛋白质的形成和亚单位的聚合肽链空间折叠、亚基聚合