第十二章蛋白质生物合成

体内蛋白质合成的过程称为蛋白质生物合成。将mRNA分子中核苷酸（或碱基）的顺序转变蛋白质分子中氨基酸残基的顺序的过程称为翻译。相当于，把核酸中的A、G、C、U/T4种碱基组成的遗传信息，破译为蛋白质分子中的20种氨基酸排列顺序。翻译的过程有三个阶段：起始，延长，终止。当前1页，总共59页。第一节

三种RNA在蛋白质生物合成中的作用一、mRNA的模板作用mRNA是蛋白质多肽链合成的直接模板。mRNA将DNA的遗传信息传递给蛋白质，是基因表达时的中介，所以又称信使RNA。每一种mRNA至少能指导合成一条多肽链。当前2页，总共59页。遗传密码（又称密码子，简称密码）：mRNA分子中含有AGCU四种不同的碱基所代表的核苷酸。从5'→3'方向每3个相邻的核苷酸组成一个三联密码即遗传密码。可组成64种不同的密码。包含：20种氨基酸，起始密码，终止密码。当前3页，总共59页。背景环境分析当前4页，总共59页。

蛋白质生物合成体系基本原料：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+背景环境分析当前5页，总共59页。（一）mRNA是遗传信息的携带者mRNA来源、生物遗传信息储存于DNAmRNA分子中的碱基排列序列决定了蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。mRNA中相邻的3个碱基代表一个氨基酸，三个相邻的碱基称为一组密码，或称三联体密码。64组密码组成遗传密码表：起始密码：1组（AUG），兼作Met的密码终止密码：3组（UAA、UGA、UAG）61组密码编码20种α-氨基酸背景环境分析当前6页，总共59页。遗传密码表背景环境分析当前7页，总共59页。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)。背景环境分析当前8页，总共59页。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…背景环境分析当前9页，总共59页。遗传密码的特点：1．连续性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终止密码背景环境分析当前10页，总共59页。基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变。缬脯苏天冬缬丙酪甘缬丙丝精背景环境分析当前11页，总共59页。2.方向性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′读码方向背景环境分析当前12页，总共59页。3．简并性在遗传密码表中，共有64组密码（43）。其中，3组作为翻译的终止密码（UAA、UAG和UGA）；AUG兼作翻译的起始密码（AUG是蛋氨酸的密码），其余61组密码（包括AUG作为亮氨酸的密码）共同编码20种α-氨基酸。因此，必然有一种氨基酸由多组密码编码的现象，称为密码的简并性。实际上，除色氨酸与蛋氨酸（由一个密码编码）外，其余氨基酸均由两个或两个以上的密码编码（2～6个）。背景环境分析当前13页，总共59页。各种氨基酸的密码子数目背景环境分析当前14页，总共59页。4．通用性:

无论原核生物如病毒、细菌等和真核生物包括人类都共用一套遗传密码即三联体密码。只是不同生物对密码子具有偏爱性。背景环境分析当前15页，总共59页。（二）tRNA是搬运氨基酸的工具

1.tRNA的结构

背景环境分析当前16页，总共59页。tRNA分子中与蛋白质合成有关的位点：1）氨基酸结合位点；2）氨酰-tRNA合成酶识别位点；3）核糖体识别位点；4）反密码位点：反密码与密码结合时方向相反。即反密码的第1、2、3位碱基分别与密码的第3、2、1位碱基配对。背景环境分析当前17页，总共59页。当前18页，总共59页。

反密码与密码配对时，反密码的第2、3位碱基分别与密码的第2、1位碱基配对时严格遵循碱基配对规则（即A与U、G与C配对），而反密码的第1位碱基与密码的第3位碱基配对时不严格遵循碱基配对规则，后者成为摆动配对或不稳定配对（wobblebasepair）。当前19页，总共59页。摆动配对情况通过摆动配对，使得携带有同种氨基酸的不同tRNA分子可分别结合在几种同义密码上。如反密码为IGC的丙氨酰-tRNA，可分别结合到同义密码GCU、GCC、GCA上（GCU、GCC、GCA均为编码丙氨酸的密码）。摆动配对的存在对于保持生物物种的稳定具有重要意义。当前20页，总共59页。tRNA是氨基酸与遗传密码间的适配器当前21页，总共59页。2.氨酰-tRNA

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起始者甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAiMet延长甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAeMet当前22页，总共59页。

在生物体内，一种tRNA只能与一种氨基酸结合（即一种tRNA只能搬运一种氨基酸），而一种氨基酸可与一种以上的tRNA分子结合，所以，tRNA的种类(80种以上）比氨基酸（20种）多。当前23页，总共59页。(三)核糖体是蛋白质生物合成的场所核糖体是肽链合成的“装配机”。胞质中核糖体种类：游离的核糖体---合成细胞固有蛋白与粗面内质网结合的核糖体

---合成带有信号肽的分泌性蛋白质核糖体由大、小亚基组成，其组成成份包括rRNA和蛋白质。当前24页，总共59页。

不同细胞核蛋白体的组成当前25页，总共59页。

在核糖体上，与蛋白质生物合成有关的主要结构有：1．有容纳mRNA的部位；2．有结合氨酰-tRNA的部位，称为氨酰基部位，简称A位;有结合肽酰-tRNA的部位，称为肽酰基部位，简称P位；3.有结合蛋白质因子的部位；4．有转肽基酶（transpeptidase）存在，可催化肽键的形成；5.具有延长因子依赖的GTP酶活性。

A位和P位呈紧密相邻，每个部位的宽度正好相当于mRNA上一个遗传密码的宽度。当前26页，总共59页。当前27页，总共59页。当前28页，总共59页。mRNA与核糖体的结合原核生物核糖体的小亚基的rRNA（16S）的3′末端有一富含嘧啶的区段，可与mRNA分子的起始部位的一段富含嘌呤的区段互补结合，使mRNA结合至核糖体上。mRNA分子中的这段富含嘌呤的区段称为S-D序列(通常为GGAGGU)。S-D序列位于mRNA的5′端紧接起始信号的上游。当前29页，总共59页。原核生物mRNA的S-D序列及其与16SrRNA的结合当前30页，总共59页。三、蛋白质生物合成过程蛋白质的生物合成过程包括：①氨基酸的活化与转运②活化氨基酸在核糖体上形成多肽链。后者是蛋白质生物合成的中心环节，又称核糖体循环。③翻译后加工

当前31页，总共59页。第二节蛋白质生物合成的基本过程氨基酸的活化与转运（准备阶段）肽链合成的起始肽链的延长肽链的终止翻译后的加工修饰当前32页，总共59页。

氨基酸与tRNA的结合需要氨酰tRNA合成酶催化，并需要消耗ATP。一、氨基酸的活化与转运氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶

氨基酸的活化是指氨基酸与tRNA结合为氨基酰-tRNA的过程，称为氨基酸的活化。在胞质中进行。当前33页，总共59页。氨基酸＋ATP-E氨基酰-AMP-E＋PPi

第一步反应当前34页，总共59页。第二步反应氨基酰-AMP-E＋tRNA氨基酰-tRNA＋AMP＋E当前35页，总共59页。

氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。绝对专一性：

1个A.A对应1个氨基酰tRNA合成酶催化反应：活化A.A-活化“-COOH”，消耗2个ATP，产物—氨酰tRNA酶的两个位点：结合位点-结合正确的A.A，活化水解位点-保证A.A序列的正确性(校正活性)氨基酰-tRNA合成酶当前36页，总共59页。二、肽链起始阶段

是指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的过程。基本过程：1.核蛋白体大小亚基分离；2.mRNA在小亚基定位结合；3.起始氨基酰-tRNA的结合；4.核蛋白体大亚基结合。当前37页，总共59页。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/注册2.转肽3.移位

三、肽链延长阶段肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，包括以下三步：每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。当前38页，总共59页。1.进位

又称注册，是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核蛋白体A位的过程。当前39页，总共59页。

进位需要延长因子EF-Tu与EF-Ts参与。

当前40页，总共59页。2.转肽

转肽是在转肽酶的催化下，核蛋白体P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA的α-氨基结合形成肽键的过程。当前41页，总共59页。3.移位

转位是在转位酶（延长因子EF-G）的催化下，核蛋白体向mRNA的3´-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程。移位需要延长因子EF-G参与。当前42页，总共59页。进位移位成肽肽链合成延长(核蛋白体循环)过程当前43页，总共59页。四、肽链终止阶段

指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。终止阶段需要释放因子RF-1、RF-2和RF-3参与。当前44页，总共59页。RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性，能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。

释放因子的功能：识别终止密码子RF-1特异识别UAA、UAG；RF-2特异识别UAA、UGA。诱导转肽酶转变为酯酶活性催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。当前45页，总共59页。原核肽链合成终止过程

当前46页，总共59页。五、肽链合成后的加工修饰阶段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。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大的复杂性。当前47页，总共59页。几种加工修饰方法1、水解修饰的作用2、个别氨基酸残基的共价修饰作用3、二硫键的形成4、亚基间的聚合和连接辅基蛋白质生物合成具有重要的意义当前48页，总共59页。第三节蛋白质生物合成的临床应用一、分子病

是由于DNA分子上基因的遗传信息缺陷，引起mRNA分子异常和合成蛋白质异常，是蛋白质分子一级结构发生改变所致的疾病的总称。例如：镰刀形红细胞性贫血（人类发现的第一个）

分子病是一种遗传病当前49页，总共59页。二、干扰素抗病毒感染干扰素(IFN)是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。干扰素分为α-（白细胞）型、β-（成纤维细胞）型和γ-（淋巴细胞）型三大类，每类各有亚型，分别具有其特异作用。当前50页，总共59页。干扰素抑制病毒的作用机制有两方面：一是干扰素在某些病毒双链RNA存在时，能诱导特异的蛋白激酶活化，该活化的蛋白激酶使eIF-2磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质合成；二是干扰素能与双链RNA共同活化特殊的2ˊ-5ˊ寡聚腺苷酸（2ˊ-5ˊA）合成酶，催化ATP聚合，生成单核苷酸间以2ˊ-5ˊ磷酸二酯键连接的2ˊ-5ˊA，经2ˊ-5ˊA活化核酸内切酶RNaseL，后者可降解病毒mRNA，从而阻断病毒蛋白质合成。当前51页，总共59页。干扰素的作用机制:干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA1.干扰素诱导eIF2磷酸化而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）Pi磷酸酶当前52页，