蛋白质生物合成课件

蛋白质的生物合成（翻译）ProteinBiosynthesis(Translation)【掌握】1．mRNA、tRNA，rRNA在翻译过程中的作用和相互配合关系；2．遗传密码的特点；3．密码子和反密码子的关系。【熟悉】1．遗传密码表的用法；2．翻译的起始、肽链的延长、肽链的终止过程；3．翻译后的加工。【了解】1．原核、真核生物翻译起始的异同；2．信号肽的概念；3．蛋白质生物合成的抑制剂。

蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成(proteinbiosynthesis)也称翻译(translation)，是以mRNA为模板指导蛋白的合成，把mRNA分子上4种核苷酸的遗传信息，变成蛋白质多肽链的20种氨基酸排列顺序的过程，类似一种语言翻译成另一种语言的情形，所以也称为翻译。定义基本原料：20种编码氨基酸模板：mRNA适配器：tRNA

装配机：核蛋白体主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等能源物质：ATP、GTP无机离子：Mg2+、K+蛋白质生物合成体系蛋白质合成的三大物质基础（一）mRNA的发现1.1948年有人报道，当噬菌体感染了细菌后会产生一种很不稳定的RNA，且大多数是和核糖体结合在一起的。2.1955年Brachet用洋葱根尖和变形虫进行了实验；若加入RNA酶降解细胞中的RNA，则蛋白质合成就停止，若再加入从酵母中提取的RNA，则又可以重新合成一些蛋白质，这就表明，蛋白质的合成是依赖于RNA。Hall等人将T2噬菌体感染E.coli后立即产生的RNA分离出来，分别与T2和E.coli的DNA进行分子杂交，结果发现这种RNA只能和T2的DNA杂交形成“杂种”链，而不能和E.coli的DNA进行杂交。表明T2产生的这种RNA（即mRNA）至少和T2的DNA中的一条链是互补的。1961年Jacob等人进行了一系列的实验提出了mRNA作为“信使”的证据。因此他们将这种能把遗传信息从DNA传递到蛋白质上的物质称为mRNA（messengerRNA）。

一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板mRNA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)。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顺反子（cistron）。

•原核细胞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）。

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…遗传密码遗传密码（Geneticcode）是DNA上核苷酸与蛋白质中的氨基酸的对应关系。也是mRNA中蕴藏遗传信息的碱基顺序。mRNA中的4种碱基组成的密码子代表了20种氨基酸，同时决定了翻译过程的起始与终止位置。遗传密码的破译1954年物理学家GeorgeGamov提出遗传密码的问题，并根据DNA中有4种核苷酸和蛋白质中20种氨基酸的对应关系，推理认为3个核苷酸为一个氨基酸编码，可编码64种氨基酸（43=64）是最理想的。因为在有四种核苷酸条件下，64是能满足于20种氨基酸编码的最小数。破译遗传密码最简单的方法是将DNA顺序或mRNA顺序和多肽相比较。1961年，Brenner和Crick用T4噬菌体实验证明加入或减少1或2个核苷酸可导致形成不正常的蛋白质，但加入或减少3个核苷酸则生成的蛋白质常具有完全的活性。因此认为遗传密码是由3个核苷酸组成的，这被以后的实验证明。最终于1966年破译了所有氨基酸的密码子。遗传密码表遗传密码的特点1.方向性(directional)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2.连续性(non-punctuated)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。5’…….AUG

GCA

GUA

CAU……UAA3’AlaValHisMet终止密码3.简并性(degenerate)一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并性。除色氨酸和甲硫氨酸仅有1个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子。各种氨基酸的密码子数目4.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。U321123摆动配对二、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器tRNA的作用运载氨基酸：氨基酸各由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在tRNA3ˊ-CCA的位置，结合需要ATP供能；充当“适配器”：每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。（二）蛋白质因子起始因子（initiationfactor，IF）延长因子（elongationfactor，EF）释放因子（releasefactor，RF）氨基酸的活化•

氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。•

参与氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合成酶。反应过程（一）氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酸＋ATP-E氨基酰-AMP-E＋PPi

第一步反应第二步反应氨基酰-AMP-E＋tRNA氨基酰-tRNA＋AMP＋EtRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP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。各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的氨基酰-tRNA表示为：氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写

例如：丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：

Met-tRNAMet特性（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA起始者tRNA(initiator-tRNA)：Met-tRNAiMet肽链延长(elongation)：Met-tRNAeMet真核生物原核生物：

起始密码

fMet-tRNAifMet三、核蛋白体是蛋白质生物合成的场所核蛋白体的组成核蛋白体又称核糖体，是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。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S值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA23S-rRNA5S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5.8S-rRNA5S-rRNA蛋白质rpS21种rpL36种rpS33种rpL49种不同细胞核蛋白体的组成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)目录第二节

蛋白质生物合成过程TheProcessofProteinBiosynthesis

翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。

整个翻译过程可分为：起始(initiation)延长(elongation)终止(termination)一、翻译起始参与翻译起始复合物形成的多种蛋白质因子，称为起始因子（initiationfactor,IF)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(translationalinitiationcomplex)。原核、真核生物各种起始因子的生物功能

（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.核蛋白体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合

mRNA

起始密码子上游S-D序列（核蛋白体结合位点），使mRNA与小亚基结合。mRNA上S-D序列后的小核苷酸序列可被小亚基蛋白rps-1结合。

S-D序列（Shine-Dalgarnosequence）

又称核糖体结合位点（ribosomalbindingsite,RBS）

原核生物mRNA,AUG上游8-13nt部位;

4-9nt的一致序列，富含嘌呤(-AGGAGGU)；

与16s-rRNA的-CCUCCU-互补结合;

指导mRNA正确定位IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)结合到小亚基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始复合物形成过程（二）真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。Met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程真核生物与原核生物翻译起始的差异1.起始Met-tRNAiMet不需甲酰化；2.eIF种类多；3.小亚基先与Met-tRNAiMet结合，再与mRNA结合；5.ATP和GTP供能。4.mRNA与40s亚基的结合依靠帽子结合蛋白（CBP）复合物与mRNA帽子结构识别结合指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。1.进位(positioning)/注册(registration)2.成肽(peptidebondformation)3.转位(translocation)二、翻译延长肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomalcycle)，包括以下三步：每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。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-αEF-Ts调节亚基EF-1-βγEFG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EF-2肽链合成的延长因子

延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)又称注册(registration)（一）进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP进位的反应过程：（二）成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。（三）转位fMetAUG5'3'fMetTuGTP成肽→转位→下一轮进位进位转位成肽肽链合成延长(核蛋白体循环)过程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。（四）真核生物延长过程

三、翻译终止当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。

终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)

•原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3

•真核生物释放因子：eRF释放因子的功能

•

一、识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。

•二、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。终止密码的辨认：RF肽链从肽酰-tRNA水解出：RF诱导转肽酶mRNA、卸载tRNA及RF从核蛋白体脱离大小亚基解聚：IF-1、IF-3解聚后的大、小亚基可再次结合，重新进入肽链合成过程原核生物肽链合成终止过程原核肽链合成终止过程原核肽链合成终止过程：多聚核蛋白体(polysome)

一条mRNA模板链都可附着10～100个核蛋白体，这些核蛋白体依次结合起始密码子并沿5′→3′方向读码移动，同时进行肽链合成，这种mRNA与多个核蛋白体形成的聚合物称为多聚核蛋白体(polysome)。

多聚核蛋白体

(polysome)——使蛋白质合成高速、高效进行。电镜下的多聚核蛋白体真核生物终止过程

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。原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物真核生物mRNA一条mRNA编码几种蛋白质（多顺反子）一条mRNA编码一种蛋白质（单顺反子）转录后很少加工转录后进行首尾修饰及剪接转录、翻译和mRNA的降解可同时发生mRNA在核内合成，加工后进入胞液，再作为模板指导翻译核蛋白体30S小亚基＋50S大亚基↔70S核蛋白体40S小亚基＋60S大亚基↔80S核蛋白体起始阶段起始氨基酰-tRNA为fMet-tRNAfMet起始氨基酰-tRNA为Met-tRNAiMet核蛋白体小亚基先与mRNA结合,再与fMet-tRNAfMet结合核蛋白体小亚基先与Met-tRNAiMet结合，再与mRNA结合mRNA中的S-D序列与16SrRNA3-端的一段序列结合mRNA中的帽子结构与帽子结合蛋白复合物结合有3种IF参与起始复合物的形成有至少10种eIF参与起始复合物的形成延长阶段延长因子为EF-Tu、EF-Ts和EF-G延长因子为eEF-1α、eEF-1βγ和eEF-2终止阶段释放因子为RF-1、RF-2和RF-3释放因子为eRF第三节

蛋白质翻译后修饰和靶向输送PosttranslationalModificationandTargetingTransferofProtein翻译后修饰新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰（posttranslationalmodification）翻译后修饰包括•多肽链折叠为天然的三维结构

•肽链一级结构的修饰

•空间结构修饰翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈现更多的复杂性

一、一级结构的修饰（一）肽链N端的修饰（二）个别氨基酸的共价修饰（三）多肽链的水解修饰肽链N端的修饰翻译过程以fMet-tRNAifMet作为第一个进位的起始物，蛋白质合成过程中，N端氨基酸总是α-氨基甲酰化的甲硫氨酸。天然蛋白质大多数不以甲硫氨酸为N端第一位氨基酸。细胞内脱甲酰基酶或氨基肽酶可以除去N-甲酰基、N-端甲硫氨酸或N端附加序列。这一过程不一定等肽链合成终止才发生，也可在肽链合成中进行。个别氨基酸的修饰某些蛋白质肽链中存在共价修饰氨基酸残基，在肽链合成后特异加工产生，蛋白质正常生物功能依赖于这些翻译后修饰。

如：细胞内信号分子的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基的磷酸化介导细胞信号转导。某些蛋白质分子中特定的酪氨酸残基的磷酸化是正常细胞向恶性细胞转化的重要步骤；胶原蛋白前体的赖氨酸、脯氨酸残基羟基化对成熟胶原形成链间共价交联结构的基础；某些分泌型蛋白质常常形成链内二硫键，以维系和稳定蛋白质的天然构象，从而避免受环境因素影响而变性。多肽链的水解修饰某些无活性的蛋白前体可经蛋白酶水解，生成活性的蛋白质、多肽，如胰岛素原酶解成胰岛素。真核细胞某些大分子多肽前体，经水解生成数种小分子活性肽。例：鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰多肽链的水解修饰二、高级结构的修饰（一）亚基聚合（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接亚基聚合

具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价聚合，形成寡聚体（oligomer）。血红蛋白分子22亚基的聚合。辅基连接蛋白质分为单纯蛋白和结合蛋白两类，各种主要的结合蛋白，合成后需要结合相应辅基，成为功能蛋白质。如：糖蛋白在多种糖基转移酶的催化下添加糖链辅基，在内质网和高尔基体上完成。疏水脂链的共价连接

某些蛋白质，如Ras蛋白、G蛋白翻译后需要在肽链特定位点共价连接一个、多个疏水性强的脂链，这些蛋白质通过脂链嵌入疏水膜脂双层，定位成为特殊质膜内蛋白，才成为具有生物功能的蛋白质。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。三、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质的靶向输送(proteintargeting)新生蛋白质的去向：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(signalsequence)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（20～35氨基酸残基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T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输送过程首先要进入内质网。

信号肽(signalpeptide)各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。

信号肽的一级结构信号肽引导蛋白质进入内质网第四节

蛋白质生物合成的干扰和抑制InterferenceandInhibitionofProteinBiosynthesis一、许多抗生素通过抑制蛋白质生物合成发挥作用抗生素(antibiotics)是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。嘌呤霉素：取代氨基酰-tRNA进入A位，使肽链延长终止四环素、金霉素：与30S小亚基结合，抑制氨基酰-tRNA进位链霉素、新霉素、卡那霉素、庆大霉素：与30S小亚基结合，引起读码错误抑制抑制蛋白质生物合成的抗生素氯霉素：与大亚基结合，抑制转