分子生物学 第38章蛋白质合成及转运

第38章蛋白质合成及转运

Proteinbiosynthesis生化教研室

11.掌握三种RNA（tRNA、rRNA、mRNA）在蛋白质生物合成中的作用。2.掌握氨基酰-tRNA合成酶的性质及反应机理。3.熟悉原核生物翻译起始、延长和终止;了解真核生物翻译过程4.了解蛋白质合成的抑制剂。5.了解蛋白质的运输及翻译后修饰。目的要求2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。3一、蛋白质合成的分子基础

mRNA----模板

tRNA----搬运工具rRNA----构成核糖体作为蛋白质合成场所氨基酸----原料蛋白质因子

酶无机离子----Mg2+ATP、GTP

45多聚核蛋白体(polysome)—使蛋白质合成高速、高效进行。mRNA与多个核糖体形成的聚合物称为多聚核蛋白体6电镜下的多聚核蛋白体现象目录原核转录、翻译和降解同步进行7粗面内质网真核8

(一)mRNA是蛋白质合成的模板1、模板是mRNA含有密码子阅读方向5’到3’起始密码和终止密码3’端：真核生物有PolyA尾巴5’端：决定起始密码的选择9mRNA的基本结构StartofgeneticmessageCapEndTail5-端非翻译区533-端非翻译区开放阅读框架从mRNA5-端起始密码子AUG到3-端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。10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(polycistron)

。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)

。

11原核生物的多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PPP53蛋白质PPPmG-53蛋白质AAA…12原核生物mRNA5’端的SD序列——识别16SrRNA核糖体结合位点序列13(二)tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上tRNA

在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上。14TranslationtemplatemRNAandgeneticcodemRNAisthecarrierofgeneticinformationhereditaryunitcodingapolypeptideingeneticsiscalled

cistron.Severalstructuregenesinprokaryoticcellisusuallyintandemasatranscriptionunit.ThetranscribedmRNAcanencodeseveralfunctionalcorrelationproteins,whichiscalledpolycistron.Ineukaryote,amRNAonlyencodeoneprotein.Itiscalledmonocistron..

1515ProcaryoticpolycistronnoncodingsequenceRibosomebindingsite

startcodonstopcodoncodingsequencePPP53proteinEukaryoticmonocistron

PPPmG-53protein16161717Aa（20种）tRNA（40～50种）18tRNA分子具有：3’CCA-OH氨基酸接受位点识别氨酰-tRNA合成酶位点核糖体识别位点反密码子位点19氨基酰tRNA的表示方法丙氨基酰tRNA：Ala-tRNAAla精氨基酰tRNA：Arg-tRNAarg大肠杆菌起始密码子编码的met须甲酰化真核细胞起始密码子编码的met不须甲酰化AUG表示甲硫氨酸，又是起始密码

真核生物有两种，tRNAimet,tRNAemet

原核为甲酰化的甲硫氨酸，用tRNAfmet表示20分类：真核：一类附着于粗面内质网参与分泌蛋白的合成；另一类游离于胞质，参与细胞固有蛋白质的合成原核：游离功能：核糖体相当于装配机，大亚基有转肽酶活性，促进氨基酸合成肽(三)核糖体是蛋白质合成的工厂21

核蛋白体的组成核蛋白体原核生物真核生物蛋白质S值rRNA蛋白质S值rRNA小亚基21种30S16S33种40S18S大亚基34种50S23S5S49种60S28S5.8S5S核蛋白体70S80S22是由多种rRNA与蛋白质组装形成的复合体。23原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)与模板mRNA和起始tRNA结合位点：主要与小亚基有关A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。24真核细胞多聚核糖体的结构25smallsubunit:bindingwithmRNAbindingwithsmallsubunitRibosomeAsite:foraminoacyl-tRNAlargesubunit

Psite:forpeptidyl-tRNA

Transpeptidase:catalyzingtheformationofpeptidebondmRNAPeptidechain262627二、翻译的步骤翻译时遗传密码的阅读方向是5’→3’，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按5’→3’的方向逐一阅读，直至终止密码子。NC肽链延伸方向5′3′读码方向TheProcessofProteinBiosynthesis2828（一）氨酰tRNA合成酶（aaRS）帮助使氨基酸结合到特定的tRNA29意义：AA活化tRNA携带AA到指定位点氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶30氨基酸＋ATP-E

氨基酰-AMP-E

＋PPi

第一步反应31第二步反应氨基酰-AMP-E＋tRNA氨基酰-tRNA＋AMP＋E3233氨基酸＋ATP-E→氨基酰-AMP-E＋PPi

氨基酰-AMP-E＋tRNA→氨基酰-tRNA＋AMP＋E（二）氨酰tRNA合成酶可识别一个特定的AA和此AA对应的tRNA的特定部位至少三个位点识别：AA、tRNA

、ATPⅠ型和Ⅱ型酶34（三）氨酰tRNA合成酶能校正酰化的错误

——水解非正确组合的AA和tRNA35氨基酰tRNA合成酶还有校对活性（proofreadingactivity），能将错误结合的氨基酸水解释放，即将任何错误的氨基酰-AMP-E复合物或氨基酰-tRNA的酯键水解，再换上与密码子相对应的氨基酸，改正反应的任一步骤中出现的错配，保证氨基酸和tRNA结合反应的误差小于10-4。特性36异亮氨酰–tRNAIle缬氨酰–tRNAVal缬氨酰

–tRNAIle则被水解：缬氨酸+tRNAIle氨基酸与tRNA分子的正确结合，是维持遗传信息准确翻译成蛋白质过程保真性关键步骤之一，氨基酰－tRNA合成酶在其中起主要作用。37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(proofreadingactivity)。氨基酸与tRNA的正确结合是维持遗传信息准确翻译为蛋白质过程的保真性的关键步骤之一。38

氨基酸，氨基酰tRNA合成酶，tRNA及mRNA上的密码子是一对一的关系，从而保证了遗传信息从mRNA准确地传递到蛋白质上。39（四）一个特殊的tRNA启动蛋白的合成翻译起始于Met的参与

tRNAMet：携带Met掺入蛋白内部

tRNAiMet：起始Met掺入

——由同一种tRNA合成酶合成起始因子识别tRNAiMet

延伸因子识别tRNAMet40tRNAiMet与甲硫氨酸结合后形成Met-tRNAiMet，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。tRNAMet和甲硫氨酸结合后生成Met-tRNAMet，必要时进入核蛋白体，为延长中的肽链添加甲硫氨酸。起始氨基酰-tRNA:Met-tRNAiMet

参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet真核生物41具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸很快被甲酰化为N-甲酰甲硫氨酸(N-formylmethionine,fMet)，于是形成N-甲酰甲硫氨酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认fMet-tRNAfMet。原核生物起始氨基酰-tRNA:fMet-tRNAfMet

42fMet-tRNAfMet的生成是一碳化合物转移和利用的过程之一，反应由转甲酰基酶催化，甲酰基从N10-甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的α-氨基上。43大肠杆菌起始密码子编码的met须甲酰化CH3SCH2CH2CHH2NCOOtRNAfMet转甲酰基酶N10-CHO-FH4CH3SCH2CH2CHH-C-HNCOOtRNAfMetO真核细胞起始密码子编码的met不须甲酰化44原核生物中的甲酰Met

fMet-tRNAifMet4546（五）翻译起始于mRNA与核糖体的结合原核生物借助SD序列原核生物mRNA在核糖体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制在各种mRNA起始AUG上游约8～13核苷酸部位，存在一段由4～9个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为Shine-Dalgarno序列(S-D序列)，又称核糖体结合位点(ribosomalbindingsite,RBS)。一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG。47S-D序列小亚基中的16S-rRNA3-端有一富含嘧啶碱基的短序列，如-UCCUCC-，通过与S-D序列碱基互补而使mRNA与小亚基结合。48mRNA上邻近RBS下游，还有一段短核苷酸序列，可被小亚基蛋白rpS-1识别并结合。通过上述RNA-RNA、RNA-蛋白质相互作用，小亚基可以准确定位mRNA上的起始AUG。49一个多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG50辅助蛋白因子蛋白质合成的每一步都需要一些特殊的可溶性的蛋白质因子的参与，包括起始因子（IF）、延伸因子（EF）、释放因子（RF）和核糖体循环因子（RRF），它们分别参与肽链合成的起始、延伸、肽链释放和核糖体循环。其中的某些蛋白质因子为小分子G蛋白，（六）蛋白因子帮助合成的起始5152包括以下几个步骤：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。

原核生物翻译起始复合物形成53与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因子（initiationfactor，IF）。原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。IF的作用主要是促进核蛋白体小亚基与起始tRNA及模板mRNA结合。

起始因子（IF）原核、真核生物各种起始因子的生物功能54起始因子IF-1占据核糖体A位，防止A位结合其他tRNAIF-2促进fMet-tRNAfMet与小亚基结合IF-3促进大、小亚基分离；提高P位对结合fMet-tRNAfMet的敏感性55IF-3IF-11）核蛋白体大、小亚基分离：IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核蛋白体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。56原核生物AUG5'3'IF-3IF-12）mRNA在小亚基的精确定位结合：机制：保证了mRNA在小亚基上的精确定位——SD序列57S-D序列

定位机制：rRNA(RNA-RNA)58IF-2GTP3）起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAifmet)结合到小亚基IF-3IF-1AUG5'3'起始fMet-tRNAimet以及IF2-GTP一起，识别结合对应小亚基P位的mRNA的起始密码AUG。59IF-3IF-1IF-2-GTP-GDPPi4）核蛋白体大亚基结合，起始复合体形成：AUG5'3'IF2结合的GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAifMet构成起始复合体。60IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-3IF-1IF-2-GTP-GDPPiAUG5'3'6162真核生物翻译起始复合体的形成过程与原核生物类似，但参与的蛋白因子更多。包括：1）核蛋白体大小亚基分离；

2）起始氨基酰-tRNA结合；

3）mRNA在核蛋白体小亚基就位；

4）核蛋白体大亚基结合。真核生物翻译起始过程活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环（ribosomalcycle）。每次循环增加一个氨基酸。该循环包括三步反应：从N端向C端延伸（七）在氨基酸的掺人过程中有3个重复的延伸反应（肽链的延长）进位、转肽、移位63与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子（elongationfactor，EF）。原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG）。EF的作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受位，并可促进移位过程。延长因子（EF）64原核生物为例多肽链合成的延长因子EF-T651、进位（entrance）：又称注册(registra-tion)，即与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的A位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF-T参与。66延长因子EF-T催化进位（原核生物）

目录①EF-Tu:促进氨基酰-tRNA进入A位。②EF-Ts:调节亚基67TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目录68肽酰转移酶：催化的肽键形成过程。在A位上成肽2.转肽：69Mg2+，

K+:703.移位：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'侧移动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从A位移到P位。此步骤需GTP和Mg2+参与。此时，A位留空，已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白体E位上脱落。71移位反应过程72移位的结果是：①成肽后位于P位的tRNA所携带的氨基酸或肽在反应中交给了A位上的氨基酸，空载的tRNA从核糖体直接脱落；②成肽后位于A位的带有合成中的肽链的tRNA（肽酰-tRNA）转到了P位上；③A位得以空出，且准确定位在mRNA的下一个密码子，以接受一个新的对应的氨基酰tRNA进位。

73转位反应过程74进位转位成肽核蛋白体循环的反应过程75每合成一个肽键，消耗4个高能磷酸键活化：2个ATP进位：1个GTP移位：1个GTP76fMetAUG5'3'fMetTuGTP目录771.GTP结合延长因子2.GTP水解为GDP，可引起因子构象改变78（八）核糖体反应中GTP的作用（九）翻译的终止需要释放因子和终止密码子的参加(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。

79终止相关的蛋白因子称为释放因子

(releasefactor,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还需要核糖体释放因子（RRF）

80原核生物有3种RFRF1识别UAA或UAG，RF2识别UAA或UGA，RF3则与GTP结合并使其水解，协助RF1与RF2与核糖体结合。真核生物仅有eRF一种释放因子，所有3种终止密码子均可被eRF识别。真核生物中肽链合成完成后的水解释放过程尚未完全了解。81原核肽链合成终止过程

1．识别：RF识别终止密码2．水解：RF使转肽酶变为酯酶3.脱离：82多肽链合成终止演示UAG5'3'RFCOO-8384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。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。

真核生物翻译终止过程与原核生物相似，但只有1（？）个释放因子eRF，可识别所有终止密码子，完成原核生物各类RF的功能。

85真核86原核多核糖体（polysome）87遗传密码转录与翻译起始因子mRNA原核生物相同偶联少无需加工多顺反子5’端：SD序列真核生物相同

不偶联，mRNA的前体要加工多、起始复杂5’端：帽子3’端：尾巴单顺反子88核糖体起始tRNA合成过程线粒体原核生物简单fmet-tRNAfmet需GTPIF1、IF2、IF3EF-TU、EF-TS、EFGRF1、RF2、RF3

真核生物大而复杂

Met-tRNAimet需ATP、GTP起始因子多延长因子少（EF-1、EF-2）一种释放因子独立的蛋白质合成系统89蛋白质合成过程小结肽链合成方向NC（同位素证明）以mRNA的5’-3’方向阅读遗传密码该合成过程是一个耗能过程

蛋白质合成能量消耗情况1.氨基酸活化：2个ATP2.翻译起始：原核生物1个GTP

真核生物1个GTP，

1个ATP3.翻译延长：每形成一个肽键需2个GTP4.翻译终止：1个GTPATP总消耗数：2n+2(n-1)+2(3)n为多肽链氨基酸残基的数目90（十）核糖体在翻译中能跳跃式读码1.读码框架发生改变2.跳跃约50个碱基继续翻译91（十一）蛋白质合成的抑制剂抗菌素（antibiotics）毒素抗代谢物干扰素92抗菌素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。1.、抗菌素类93影响翻译起始的抗生素影响翻译延长的抗生素干扰进位的抗生素引起读码错误的抗生素

影响肽键形成的抗生素

影响转位的抗生素

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