生物化学第十一章蛋白质的生物合成

生物化学第十一章蛋白质的生物合成第1页，共67页，2023年，2月20日，星期一第一节蛋白质合成体系

ProteinBiosynthesisSystem20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、无机离子

三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）是目前已知的最复杂的合成过程，涉及300多种分子第2页，共67页，2023年，2月20日，星期一一、翻译模板mRNA及遗传密码

二、核蛋白体是多肽链合成的装置

三、tRNA与氨基酸的活化第一节蛋白质合成体系

第3页，共67页，2023年，2月20日，星期一一、翻译模板mRNA及遗传密码（一）mRNA是遗传信息的携带者1.顺反子(cistron):将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子。2.开放阅读框架(openreadingframe,ORF):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。

P602第4页，共67页，2023年，2月20日，星期一原核生物的多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蛋白质真核生物的单顺反子PPPmG-53蛋白质目录mRNA的结构ORFORFORF第5页，共67页，2023年，2月20日，星期一（二）遗传密码密码子：mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(tripletcoden)。遗传密码（geneticcode)-共64个遗传密码子遗传密码：指核苷酸序列与氨基酸种类的对应关系P5011954年物理学家伽莫夫（大爆炸理论）提出了三联体密码子假说第6页，共67页，2023年，2月20日，星期一EstablishedthechemicalstructureoftRNAEstablishedtheinvitrosystemforrevealingthegeneticcodesDevisedmethodstosynthesizeRNAswithdefinedsequences遗传密码的破译具有里程碑式的意义P501第7页，共67页，2023年，2月20日，星期一P5012.Nirenberg等，两种或三种核苷酸的共聚物，重复上述实验，根据加入核苷酸的比例计算各种密码出现的概率，与翻译产物中氨基酸的掺入比例一致。Nirenberg等,均聚核苷酸，经无细胞蛋白质合成系统翻译polyU，产物只有多聚Phe3.Nirenberg等，核糖体结合技术（三核苷酸与对应的氨酰tRNA结合在核糖体上）4.Khorana等，合成有重复序列的多聚核苷酸。

如poly(UG)UGU或GUG产物中只有Cys和Val。第8页，共67页，2023年，2月20日，星期一遗传密码表目录第9页，共67页，2023年，2月20日，星期一1.连续性(commaless)（或无标点）（三）遗传密码的特点

连续阅读从mRNA5’3’

肽链合成N端C端第10页，共67页，2023年，2月20日，星期一

重叠密码非重叠连续的密码不连续的密码少数病毒第11页，共67页，2023年，2月20日，星期一基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)，蛋白功能丧失。mRNA编辑第12页，共67页，2023年，2月20日，星期一2.简并性(degeneracy)与兼职除Trp、Met（还有硒代半胱氨酸、吡咯赖氨酸）仅有一个密码子外，简并性：多个密码子编码同一氨基酸的现象。可降低突变伤害同义密码子起始密码(initiationcoden):AUGGUGUUG终止密码(terminationcoden):第13页，共67页，2023年，2月20日，星期一3.通用性(universal)和变异性蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

但已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。第14页，共67页，2023年，2月20日，星期一ArgIleP506第15页，共67页，2023年，2月20日，星期一4.摆动性(wobble)或变偶性61个编码氨基酸的密码子需要多少个tRNA来与其相互识别？aa第16页，共67页，2023年，2月20日，星期一密码子

mRNA5’3’3’5’反密码子

tRNAGCUCGICA123123摆动配对：tRNA的反密码子通过碱基互补与mRNA上的密码子反向配对结合，但反密码与密码子间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。第17页，共67页，2023年，2月20日，星期一摆动配对规则tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG摆动的大小由tRNA反密码子第1位碱基的种类决定。由于摆动配对识别64个密码子只需要32种ｔＲＮＡ摆动配对规则不适用于线粒体翻译系统，因为只有21种tRNA却要识别60多种密码子，因此遵守规则更为宽松的超摆动规则。第18页，共67页，2023年，2月20日，星期一不重叠

同一个开放性阅读框架中，前后两个密码子不共用核苷酸。

6.同义密码子使用频率不同

大肠杆菌编码Thr的密码子

ACU36次，ACC26次，ACA3次，ACG0次第19页，共67页，2023年，2月20日，星期一二、tRNA与氨基酸的活化反密码子环氨基酸臂（一）tRNA1.接头分子2.同工受体tRNA：携带同一氨基酸的不同tRNA分子P600第20页，共67页，2023年，2月20日，星期一氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（二）氨基酸的活化氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase，AARS)：具有高度特异性，只催化一种AA的所有同工受体与AA结合，并具有校正活性。这也决定了翻译的忠实性。如何识别？大肠杆菌21种AARS（Lys有2种）第21页，共67页，2023年，2月20日，星期一tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP第22页，共67页，2023年，2月20日，星期一1.起始tRNA真核生物：tRNAiMet原核生物：tRNAfMet2.tmRNA（兼有mRNA功能）3.校正tRNA（保持忠实性）（三）特殊的tRNA真核生物延伸过程中：tRNAeMet第23页，共67页，2023年，2月20日，星期一三、核蛋白体是多肽链合成的装置P597第24页，共67页，2023年，2月20日，星期一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70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNAPrrpS21种rpL34种rpS34种rpL50种

（一）不同生物细胞核蛋白体的组成第25页，共67页，2023年，2月20日，星期一（二）原核生物翻译过程中核蛋白体功能部位（P599）2.A位：氨酰基部位(aminoacylsite)1.P位：肽酰基部位(peptidylsite)3.E位：排出位(exitsite)目录4.肽基转移酶：23SrRNA5.mRNA结合部位：30S亚基上16SrRNA3´端富含嘧啶的序列（与mRNA上的SD序列互补）还有一些Pr因子的结合部位第26页，共67页，2023年，2月20日，星期一多聚核糖体多肽多肽第27页，共67页，2023年，2月20日，星期一第二节蛋白质生物合成过程

TheProcessofProteinBiosynthesis

翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination)整个翻译过程可分为：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。第28页，共67页，2023年，2月20日，星期一一、肽链合成起始指mRNA和起始氨酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物

(translationalinitiationcomplex)。第29页，共67页，2023年，2月20日，星期一原核、真核生物各种起始因子的生物功能第30页，共67页，2023年，2月20日，星期一（一）原核生物翻译起始复合物形成（P606）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。第31页，共67页，2023年，2月20日，星期一IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离IF1：与A位结合防止其它tRNA进入;协助IF3IF3：促进亚基解离、小亚基与mRNA的结合第32页，共67页，2023年，2月20日，星期一AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合目录（如何实现）第33页，共67页，2023年，2月20日，星期一mRNA的S-D序列在起始密码子上游约10个核苷酸处通常有一段富含Pu的序列”AGGAGG”。这一序列最初由Shine—Dalgaino首先发现的，因此称为SD序列。SD序列可以与小亚基16SrRNA3’末端的序列互补（反SD序列），使二者结合形成mRNA•核糖体，使mRNA正确定位。P602第34页，共67页，2023年，2月20日，星期一IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAf)结合到小亚基AUG5'3'目录IF2：小分子G蛋白，与GTP结合，促进fMet-tRNAfMet进入P位第35页，共67页，2023年，2月20日，星期一IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'目录第36页，共67页，2023年，2月20日，星期一IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目录原核生物蛋白质合成起始过程第37页，共67页，2023年，2月20日，星期一（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。P606第38页，共67页，2023年，2月20日，星期一二、肽链合成延伸指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation)第39页，共67页，2023年，2月20日，星期一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-AEF-Ts再生EF-TueEF-1-BEFG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-2第40页，共67页，2023年，2月20日，星期一又称注册(registration)（一）进位（P607609）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。

EF-Tu：促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并分解GTP，确保准确性三元复合物第41页，共67页，2023年，2月20日，星期一延长因子EF-T催化进位（原核生物）

EF-Ts：再生EF-Tu-GTP第42页，共67页，2023年，2月20日，星期一（二）成肽（P609）由转肽酶(transpeptidase)（23SrRNA）催化肽键形成过程。空载肽链的延伸方向是N端向C端第43页，共67页，2023年，2月20日，星期一

嘌呤霉素作用示意图试用于肿瘤的治疗它有与tRNA分子末端AMP类似的结构,能够同氨基酸结合，代替氨酰化的tRNA与A位点结合，第44页，共67页，2023年，2月20日，星期一（三）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。第45页，共67页，2023年，2月20日，星期一fMetAUG5'3'fMetTuGTP第46页，共67页，2023年，2月20日，星期一进位转位成肽第47页，共67页，2023年，2月20日，星期一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）真核生物延长过程第48页，共67页，2023年，2月20日，星期一

三、肽链合成的终止和释放当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：eRFP610第49页，共67页，2023年，2月20日，星期一RF3：小分子GTP结合蛋白（水解GTP），促进RF1和RF2的脱落。（一）识别终止密码RF-1、RF-2三级结构与tRNA类似。RF-1特异识别UAA、UAG；RF-2可识别UAA、UGA。（二）活化肽基转移酶活性，诱导转肽酶改变为酯酶活性，将肽基转到水分子上。核糖体与tRNA和mRNA的解离还需要核糖体再循环因子（RRF）等，水解1GTP。第50页，共67页，2023年，2月20日，星期一UAG5'3'RFCOO-目录第51页，共67页，2023年，2月20日，星期一氨基酸的活化-2ATP起始阶段-GTP延伸阶段（进位、移位）-2GTP终止阶段-GTP核糖体、tRNA、mRNA的解离-GTP每合成一个肽键至少消耗4个~P蛋白质生物合成是高耗能过程第52页，共67页，2023年，2月20日，星期一第三节蛋白质合成后加工和输送一、蛋白质合成后加工二、蛋白质合成后的靶向输送第53页，共67页，2023年，2月20日，星期一从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。主要包括多肽链折叠为天然的三维结构肽链一级结构的修饰高级结构修饰一、蛋白质合成后加工第54页，共67页，2023年，2月20日，星期一（一）新生多肽链的折叠一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成。并需要不断调整其已折叠的结构，直至产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。细胞中环境复杂，多肽链的折叠易受到干扰而产生非天然构象。因此大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。P610第55页，共67页，2023年，2月20日，星期一几种有促进蛋白折叠功能的大分子2.蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)热休克蛋白(heatshockprotein,HSP):HSP70、HSP40和GreE族伴侣素(chaperonins):GroEL和GroES家族1.分子伴侣(molecularchaperon)分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，防止蛋白质的错误折叠。第56页，共67页，2023年，2月20日，星期一伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程伴侣素的主要作用——为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。P611第57页，共67页，2023年，2月20日，星期一（二）一级结构的修饰1.肽链末端的修饰（主要是剪切）P612信号肽的切除、原核生物N端fMet的切除。第58页，共67页，2023年，2月20日，星期一2.个别氨基酸的共价修饰酪蛋白(Ser、Thr、Tyr)的磷酸化凝血因子中Glu羧基化胶原蛋白原Lys、Pro羟基化甲基化、乙酰化、糖基化4.多肽链的水解修饰蛋白前体蛋白质蛋白酶水解（无活性）（有活性）3.蛋白质的剪接第59页，共67页，2023年，2月20日，星期一（三）高级结构的修饰1.亚基聚合

2.添加辅因子3.疏水脂链等的共价连接如Ras、G蛋白需连接一个或多个脂链，包括脂肪酸链、多异戊二烯链第60页，共67页，2023年，2月20日，星期一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。

二、蛋白质合成后的靶向输送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)P614第61页，共67页，2023年，2月20日，星期一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-