生物化学第15章蛋白质的生物合成及合成后修饰

蛋白质的生物合成及

合成后的修饰

ProteinSynthesis，FoldingandProcessing1954年，PaulZamecnik及其同事实验证明体内蛋白质是由氨基酸合成的。1956年，他们发现了氨基酰-tRNA合成酶。1958年，M.B.Hoagland和Zamecnik又发现蛋白质生物合成需要可溶性RNA为中介。1961年，HowardDintzis证明血红蛋白肽链合成方向是从N-末端向C-末端进行。1961~1966年间，Nirenberg、Matthaei和Khorana先后确定了64个遗传密码。1973~1976年，麦胚无细胞体系、兔网织无细胞体系分别建立，蛋白质合成的具体过程终于揭晓。蛋白质的生物合成，即翻译（translation）翻译的过程就是将核酸中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分子中20种氨基酸的排列顺序。蛋白质生物合成体系的组成

ComponentsRequiredforProteinBiosynthesis第一节参与蛋白质生物合成的三种RNA：mRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核糖核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）一、mRNA是蛋白质合成的模板mRNA含有从DNA转录的遗传信息，是蛋白质合成的模板。mRNA包括5-非翻译区(5-untranslatedregion,5-UTR)开放阅读框架区(openreadingframe,ORF)

3-非翻译区(3-untranslatedregion,3-UTR)原核生物mRNA真核生物mRNA非翻译区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AAA目录（一）mRNA含有64个遗传密码子mRNA分子上每3个核苷酸构建一个密码子，编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(tripletcodon)，也称遗传密码子(geneticcodon)。起始密码(initiationcodon):AUG终止密码(terminationcodon):UAA，UAG，UGA遗传密码表目录从原核生物到人类都使用同一套遗传密码（二）遗传密码具有的特点即通用性(universal)已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。mRNA密码子的排列具有方向性方向性(direction)mRNA分子上由起始密码AUG开始，从5→3方向阅读密码子，直至终止密码。3.三联体密码具有连续性三联体密码连续性(commales)表现为中间无标点，连续阅读。

mRNA开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入或缺失，可引起移码突变(frameshiftmutation)。4.遗传密码具有简并性简并性(degeneracy)，即有多个密码子特异地破译同一个氨基酸．遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅对应一个密码子外，其余氨基酸均有一个以上密码子为其编码。目录简并性(degeneracy)目录5.反密码子与密码子配对有摆动性转运氨基酸的tRNA的反密码子需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码子反向配对结合，但反密码子与密码子间会出现不遵守碱基配对规律的情况，称为摆动性(wobble)

。U摆动配对目录密码子、反密码子配对的摆动性tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG二、tRNA是氨基酸的转运工具反密码环氨基酸臂tRNA的三级结构示意图三、核糖体RNA是蛋白质合成场所目录核糖体的组成原核生物核糖体70SMt2.7×106

真核生物核糖体80SMt4.2×106目录核糖体在蛋白质合成中有主要作用：①核糖体通过将mRNA、氨基酰-tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的合成。②核糖体的成分可催化翻译过程的一部分化学反应。20种氨基酸（AA）酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成酶、起始因子(initiationfactor，IF)

、延长因子（elongationfactor，EF）、释放因子（releasefactor，RF）。

ATP、GTP无机离子四、蛋白质合成体系组成还需要其他成分蛋白质生物合成分5个阶段进行

ProteinSynthesisTakesPlaceinFiveStages

第二节氨基酸的活化肽链合成的起始(initiation)肽链的延长(elongation)肽链合成的终止(termination)及释放翻译后蛋白质的折叠及加工整个翻译过程可分为5个阶段：翻译过程从开放阅读框架的5-AUG开始向3阅读，按mRNA上三联体密码的顺序指导蛋白质从N端向C端合成，直至终止密码。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸与tRNA的连接一、氨基酸活化成氨基酰-tRNA氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA

synthetase)第一步反应:氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋

PPi

目录第二步反应:氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E目录（Ⅱ型）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(editingactivity)，即酯酶的活性。氨基酰-tRNA的表示方法：Ser-tRNASerMet-tRNAMet

（二）氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性二、起始阶段形成翻译起始复合物指在起始因子的作用下，mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)。原核生物：fMet-tRNAifMet真核生物：Met-tRNAiMet肽链合成的起始氨基酰-tRNA:（一）原核生物及真核生物翻译起始需要起始因子原核生物中有3种起始因子(initiationfactor，IF)

：IF-1IF-2IF-3真核生物起始因子被称作eIF(eukaryoticinitiationfactor)（二）起始过程形成翻译起始复合物IF-3、IF-1结合解聚的核糖体30S小亚基；mRNA结合核糖体30S小亚基；fMet-tRNA结合mRNA的起始密码子；50S核糖体大亚基参入复合物。1．原核生物翻译起始形成70S起始复合物IF-3IF-1（1）IF-3、IF-1结合解聚的30S核糖体小亚基目录AUG5'3'IF-3IF-1（2）mRNA结合核糖体30S小亚基目录S-D序列（Shine-Dalgarnosequence）又称核糖体结合位点（ribosomalbindingsite,RBS）

IF-3IF-1IF-2GTP（3）fMet-tRNA结合mRNA的起始密码子AUG5'3'目录IF-3IF-1IF-2GTP(4)50S核糖体大亚基参入复合物AUG5'3'目录IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2目录2．真核生物的翻译起始机制与原核不完全相同真核生物起始复合物的形成可分为3个步骤：43S前起始复合物形成48S前起始复合物形成80S起始复合物形成

真核生物翻译起始复合物形成过程Met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-3①elF-2-GTP②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet43S前起始复合物48S前起始复合物80S翻译起始复合物三、肽链延长阶段形成肽键（一）合成肽链延长的核糖体循环分为3步反应肽链延长在核糖体上连续、循环式进行，又称为核糖体循环(ribosomalcycle)，每循环一次肽链延长一个氨基酸残基，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation)延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)。原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2AUG5'3'翻译起始复合物A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)目录又称注册(registration)（二）第一步反应是进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位。

目录延长因子EF-T催化进位（原核生物）

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目录（三）第二步反应是成肽由肽基转移酶催化肽键形成。（四）第三步反应是转位在原核生物，转位依赖延长因子EF-G；在真核生物，则依赖GTP和EF-G的相应蛋白质——EF-2。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目录进位转位成肽

（五）核糖体具有校读作用核糖体的校读功能建立在正确的密码子与反密码子相互作用的基础上。四、肽链合成终止阶段释放新生的肽链肽链合成的终止包括终止密码的识别，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体的分离等。

终止过程需要的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)。1、识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。2、帮助肽链从核糖体上释放。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

原核生物肽链合成终止过程UAG5'3'RFCOO-目录多聚核蛋白体(polysome)：mRNA与多个核糖体的聚合物——使蛋白质合成高速、高效进行。目录电镜下的多聚核糖体现象目录翻译后的折叠和加工修饰FoldingandPosttranslational

Processing第三节从核糖体释放出的新生多肽链不一定是具备生物活性的成熟蛋白质，必需经过各种翻译后修饰、加工过程才转变为有活性的成熟蛋白。主要包括：蛋白质折叠（proteinfolding）翻译后加工（post-translationprocessing）

一、新生肽链经历翻译后修饰（一）肽链N端和C端的切除和/或化学修饰细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以去除N-甲酰基、N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽链。在真核细胞，50%的蛋白质在翻译后，氨基末端的氨基发生乙酰化。有些情况下，羧基末端的残基也可被酶切除。（二）水解加工包括多蛋白水解加工和内含肽的剪接1．多蛋白水解加工可产生多种肽链一些蛋白质在合成之初是含有一系列头尾相连的蛋白质的长多肽链。多肽链的水解将裂解释放出各种蛋白质，释放出的蛋白质可能具有完全不同的功能，这些蛋白质称为多蛋白。阿皮素原(POMC)的水解加工：NC信号肽KRKR103肽ACTH-LT-MSH-MSHEndophin2．内含肽切除导致外显肽连接内含肽是蛋白质的内部片段，翻译后很快被剪切，两个外显肽连接到一起。内含肽的长度一般在300~600个氨基酸之间。剪接是由内含肽自我催化的。个别氨基酸可进行甲基化和乙酰化修饰蛋白质糖基化（glycosylation）修饰某些蛋白质加入异戊二烯基团结合蛋白质加入辅基大多数蛋白质有二硫键的形成（三）氨基酸残基的化学修饰有多种形式二、折叠是肽链高级结构形成的过程第一种模式：新生肽链随着序列的不断延伸按等级逐步折叠，产生正确的二级结构、模序直至形成结构域和多肽链。第二种模式：多肽链自动折叠成

“熔球（moltenglobule)”的紧密结构。细胞内大多数天然蛋白质折叠需要一些辅助性蛋白。（一）多肽链通过分步反应快速地进行折叠（二）分子伴侣参与蛋白质折叠封闭待折叠蛋白暴露的疏水区段；创建一个隔离的环境，蛋白质可互不干扰在此折叠；促进折叠和去聚合；遇到应激，使已折叠的蛋白质去折叠。细胞内分子伴侣完成以下功能：三、亚单位聚合形成多亚基蛋白质由一条以上肽链构成的蛋白质和带有辅基的结合蛋白质，肽链之间或多肽链与辅基之间需要聚合，方可成为活性蛋白质。蛋白质生物合成与医学的关系ClinicalRelativesinProteinSynthesis第四节一、许多病毒利用宿主蛋白质合成机器某些病毒mRNA比宿主细胞mRNA具更强的竞争优势；某些病毒还可阻止mRNA与40S核糖体结合，从而抑制宿主细胞的蛋白质合成。