第十八蛋白质的合成与加工

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。本文档共88页；当前第1页；编辑于星期三\14点26分蛋白质合成体系的组成

ComponentsRequiredforProteinBiosynthesis第一节本文档共88页；当前第2页；编辑于星期三\14点26分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）辅助因子包括:起始因子(initiationfactor,IF)延长因子(elongationfactor,EF)释放因子（终止因子）(releasefactor,RF)等氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

本文档共88页；当前第3页；编辑于星期三\14点26分一、mRNA是蛋白质/多肽链合成的模板在遗传信息传递过程中，DNA转录生成mRNA，mRNA作为蛋白质合成的直接模板，指导蛋白质多肽链的合成。

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)本文档共88页；当前第4页；编辑于星期三\14点26分原核生物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目录本文档共88页；当前第5页；编辑于星期三\14点26分（一）mRNA含有64种密码子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本文档共88页；当前第6页；编辑于星期三\14点26分遗传密码表目录本文档共88页；当前第7页；编辑于星期三\14点26分遗传密码具有通用性

(universal)

（二）遗传密码具有几个特性从原核生物生物（包括病毒、细菌等）、真核生物以及人类都共同使用同一套遗传密码。

已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。

密码子具有方向性(direction)起始密码子总是位于mRNA开放阅读框架的5ˊ末端，终止密码子位于3ˊ末端。

翻译的方向是从5ˊ到3ˊ末端。

本文档共88页；当前第8页；编辑于星期三\14点26分3.遗传密码具有连续性(commaless)

密码子按5′→3′方向每3个一组阅读框架顺序翻译，无标点、不重叠，即连续性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)。翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。

本文档共88页；当前第9页；编辑于星期三\14点26分4.遗传密码具有简并性(degeneracy)目录简并性，即同一种氨基酸具有多个密码子，或者多个密码子代表一种氨基酸的现象。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。本文档共88页；当前第10页；编辑于星期三\14点26分简并性(degeneracy)目录本文档共88页；当前第11页；编辑于星期三\14点26分5.遗传密码具有摆动性（wobble）编码同一氨基酸的不同密码子互称同义密码子；同义密码子之间的差异通常只在第3位碱基上，密码子第3位碱基与tRNA反密码子不严格遵守碱基配对规律，而是摆动碱基配对。本文档共88页；当前第12页；编辑于星期三\14点26分U摆动配对目录本文档共88页；当前第13页；编辑于星期三\14点26分密码子、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本文档共88页；当前第14页；编辑于星期三\14点26分二、一种tRNA只能转运一种氨基酸但一种氨基酸可由几种tRNA转运反密码环氨基酸臂本文档共88页；当前第15页；编辑于星期三\14点26分tRNA的三级结构示意图本文档共88页；当前第16页；编辑于星期三\14点26分三、rRNA与蛋白质组成核糖体

——

目录

蛋白质合成场所本文档共88页；当前第17页；编辑于星期三\14点26分核糖体的组成目录原核生物核糖体70SMt2.7×106

真核生物核糖体80SMt4.2×106本文档共88页；当前第18页；编辑于星期三\14点26分核糖体在蛋白质合成中有主要作用：

核糖体两亚基上具有结合mRNA的位点，还有与起始因子、延长因子、释放因子及各种酶的结合位点；并且具有两个tRNA结合的位点；A位点是氨基酰tRNA结合位点，P位点是肽酰tRNA结合位点。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。核糖体是合成蛋白质的场所。本文档共88页；当前第19页；编辑于星期三\14点26分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、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子本文档共88页；当前第20页；编辑于星期三\14点26分大肠杆菌蛋白质合成的5个阶段所需化合物1．氨基酸的活化20种氨基酸20种氨基酰-tRNA合成酶32种（或多于32种）tRNAATP、Mg2+2．起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAfmermRNA上的起始密码子（AUG）30S核糖体亚基50S核糖体亚基起始因子（IF-1,IF-2,IF-3）GTP、Mg2+3．延长具有功能的70S核糖体（起始复合物）密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子（EF-Tu,EF-Ts,EF-G）GTP、Mg2+4．终止与释放mRNA上的终止密码释放因子（RF-1,RF-2,RF-3）5．折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅基结合到蛋白质上阶段必需化合物1．氨基酸的活化20种氨基酸20种氨基酰-tRNA合成酶32种（或多于32种）tRNAATP、Mg2+2．起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAmRNA上的起始密码子（AUG）30S核糖体亚基50S核糖体亚基起始因子（IF-1,IF-2,IF-3）GTP、Mg2+3．延长具有功能的70S核糖体（起始复合物）密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子（EF-Tu,EF-Ts,EF-G）GTP、Mg2+4．终止与释放mRNA上的终止密码释放因子（RF-1,RF-2,RF-3）5．折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅基结合到蛋白质上阶段必需化合物本文档共88页；当前第21页；编辑于星期三\14点26分蛋白质的合成过程

ProteinSynthesisProcess

第二节本文档共88页；当前第22页；编辑于星期三\14点26分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)及释放整个翻译过程可分为4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。本文档共88页；当前第23页；编辑于星期三\14点26分氨基酸+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-tRNAsynthetase)本文档共88页；当前第24页；编辑于星期三\14点26分第一步反应:氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋

PPi

目录本文档共88页；当前第25页；编辑于星期三\14点26分第二步反应:氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E目录（Ⅱ型）本文档共88页；当前第26页；编辑于星期三\14点26分氨基酰-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合成酶具有校读作用本文档共88页；当前第27页；编辑于星期三\14点26分二、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)。本文档共88页；当前第28页；编辑于星期三\14点26分原核生物中有3种起始因子(initiationfactor，IF)：IF-1、IF-2、IF-3真核生物起始因子被称作eIF(eukaryoticinitiationfactor)eIF-1、-2、-3、-4、-5和-6本文档共88页；当前第29页；编辑于星期三\14点26分翻译的起始因子真核起始因子功能eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合eIF-2B又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDP交换成GTPeIF-3首先与40S小亚基结合的因子，并能加速后续步骤eIF-4A具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA5´端的发夹结构，使其与40S小亚基结合。是eIF-4F的组成成分eIF-4B与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E结合mRNA的帽子结构，是eIF4F的组成成分eIF-4G一种接头蛋白，能与eIF-4E、eIF-3和polyA结合蛋白结合将40S的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是eIF4F的组成成分eIF-5促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60S大亚基结合形成80S起始复合物eIF-6促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基原核起始因子功能IF-1防止tRNA过早地结合到A位IF-2促进fMet-tRNAfMet结合到30S小亚基IF-3结合30S小亚基，防止它过早地与50S大亚基结合，并提高P位对fMet-tRNAfMet的特异性真核起始因子功能eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合eIF-2B又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDPGTPeIF-3首先与40S小亚基结合的因子，并能加速后续步骤eIF-4A具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA5´端的发夹结构，使其与40S小亚基结合。是的组成成分eIF-4B与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E结合mRNA的帽子结构，是的组成成分eIF-4G一种接头蛋白，能与、eIF-3和polyA结合蛋白结合将40S的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是eIF4F的组成成分eIF-5促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60S大亚基结合形成80S起始复合物eIF-6促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基原核起始因子功能IF-1防止tRNA过早地结合到A位IF-2促进fMet-tRNAfMet结合到30S小亚基IF-3结合30S小亚基，防止它过早地与50S大亚基结合，并提高P位对fMet-tRNAfMet的特异性本文档共88页；当前第30页；编辑于星期三\14点26分（一）原核生物在起始因子参与下组装翻译起始复合物

1．原核生物翻译起始形成70S起始复合物IF-1、IF-3结合解聚的核糖体30S小亚基；mRNA结合核糖体30S小亚基；在IF-1的作用下，

fMet-tRNA结合mRNA的起始密码子；50S核糖体大亚基参入复合物。本文档共88页；当前第31页；编辑于星期三\14点26分原核生物：fMet-tRNAifMet真核生物：Met-tRNAiMet肽链合成的起始氨基酰-tRNA:本文档共88页；当前第32页；编辑于星期三\14点26分IF-3IF-1（1）IF-3、IF-1结合解聚的30S核糖体小亚基目录本文档共88页；当前第33页；编辑于星期三\14点26分AUG5'3'IF-3IF-1（2）mRNA结合核糖体30S小亚基目录本文档共88页；当前第34页；编辑于星期三\14点26分S-D序列（Shine-Dalgarnosequence）又称核糖体结合位点（ribosomalbindingsite,RBS）

本文档共88页；当前第35页；编辑于星期三\14点26分IF-3IF-1IF-2GTP（3）在IF-1的作用下，

fMet-tRNA结合mRNA的起始密码子AUG5'3'目录本文档共88页；当前第36页；编辑于星期三\14点26分IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi(4)利用IF-2具有GTP酶的活性，催化GTP水解，起始因子释放，50S大亚基与30S小亚基结合，形成70S起始复合物，fMet-tRNAfMet位于核糖体上的P（peptidyl）位。AUG5'3'目录本文档共88页；当前第37页；编辑于星期三\14点26分IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目录本文档共88页；当前第38页；编辑于星期三\14点26分（二）真核细胞蛋白质合成起始机制与

原核相似但更复杂

真核细胞的蛋白质合成过程中需要更多的蛋白质因子，步骤更为复杂，但基本过程与原核细胞中相似。本文档共88页；当前第39页；编辑于星期三\14点26分1.真核生物的核糖体为80S2.真核生物的起始氨基酸是甲硫氨酸，而不是N-甲酰甲硫氨酸。3.AUG是真核生物中起始密码子，mRNA

的5ˊ末端AUG一般就是起始位点4.真核较原核有更多的起始因子（用elf表示），而且相互作用更复杂本文档共88页；当前第40页；编辑于星期三\14点26分真核生物翻译起始复合物形成过程本文档共88页；当前第41页；编辑于星期三\14点26分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翻译起始复合物本文档共88页；当前第42页；编辑于星期三\14点26分三、新生肽链通过核糖体循环而延长

肽链延长在核糖体上连续、循环式进行，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)本文档共88页；当前第43页；编辑于星期三\14点26分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本文档共88页；当前第44页；编辑于星期三\14点26分AUG5'3'翻译起始复合物A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)目录本文档共88页；当前第45页；编辑于星期三\14点26分又称注册(registration)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（一）氨基酰-tRNA在EF-Tu-GTP协助下进入A位（即进位）本文档共88页；当前第46页；编辑于星期三\14点26分延长因子EF-T催化进位（原核生物）

第二个氨基酰-tRNA在EF-Tu-GTP引导下进入核糖体的A位，伴随GTP水解、Tu-GDP脱离tRNA,而结合Ts和GTP，引导下一个氨基酰-tRNA进位。本文档共88页；当前第47页；编辑于星期三\14点26分本文档共88页；当前第48页；编辑于星期三\14点26分TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目录本文档共88页；当前第49页；编辑于星期三\14点26分由肽基转移酶催化肽键形成（二）P位氨基酰基/肽酰基与A位氨基酰-tRNA氨基形成肽键（即成肽）本文档共88页；当前第50页；编辑于星期三\14点26分（三）在延长因子EF-G和GTP参与下促进

核糖体沿mRNA移动/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。本文档共88页；当前第51页；编辑于星期三\14点26分本文档共88页；当前第52页；编辑于星期三\14点26分fMetAUG5'3'fMetTuGTP目录本文档共88页；当前第53页；编辑于星期三\14点26分进位转位成肽本文档共88页；当前第54页；编辑于星期三\14点26分

（四）核糖体在肽链延长阶段有校读作用

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。本文档共88页；当前第55页；编辑于星期三\14点26分四、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，从核糖体分离出mRNA和大、小亚基拆开。

本文档共88页；当前第56页；编辑于星期三\14点26分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.帮助完成合成的多肽从P位点的tRNA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本文档共88页；当前第57页；编辑于星期三\14点26分原核生物肽链合成终止过程本文档共88页；当前第58页；编辑于星期三\14点26分UAG5'3'RFCOO-目录本文档共88页；当前第59页；编辑于星期三\14点26分多聚核蛋白体(polysome)：mRNA与多个核糖体的聚合物——使蛋白质合成以高速度、高效率进行。目录本文档共88页；当前第60页；编辑于星期三\14点26分电镜下的多聚核糖体现象目录本文档共88页；当前第61页；编辑于星期三\14点26分翻译后的折叠和加工修饰FoldingandPosttranslational

Processing第三节本文档共88页；当前第62页；编辑于星期三\14点26分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）

本文档共88页；当前第63页；编辑于星期三\14点26分一、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。本文档共88页；当前第64页；编辑于星期三\14点26分（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。本文档共88页；当前第65页；编辑于星期三\14点26分阿皮素原(POMC)的水解加工：NC信号肽KRKR103肽ACTH-LT-MSH-MSHEndophin本文档共88页；当前第66页；编辑于星期三\14点26分2．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。本文档共88页；当前第67页；编辑于星期三\14点26分1.个别氨基酸可进行甲基化和乙酰化修饰2.蛋白质糖基化（glycosylation）修饰是一种复杂的化学修饰3.某些蛋白质加入异戊二烯基团4.结合蛋白质加入辅基5.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本文档共88页；当前第68页；编辑于星期三\14点26分二、折叠是肽链高级结构形成的过程第一种模式认为是按等级进行的

：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：多肽链通过非极性残基间疏水作用介导,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本文档共88页；当前第69页；编辑于星期三\14点26分核糖体结合的分子伴侣：触发因子（triggerfactor，TF）新生链相关复合物（nascentchain-associatedcomplex，NAC）非核糖体结合的分子伴侣：

70kD/40kD热休克蛋白（heatshockprotein,Hsp）家族

60kD/10kD热休克蛋白家族蛋白质二硫键异构酶肽酰脯氨酸异构酶1．分子伴侣有核糖体结合和非核糖体结合两类（二）分子伴侣参与蛋白质折叠本文档共88页；当前第70页；编辑于星期三\14点26分细胞内分子伴侣完成以下功能：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。本文档共88页；当前第71页；编辑于星期三\14点26分（1）热休克蛋白70(Hsp70)的两个主要功能域为折叠所必需还需要辅助因子Hsp40和GrpE非核糖体结合的分子伴侣本文档共88页；当前第72页；编辑于星期三\14点26分Hsp70反应循环本文档共88页；当前第73页；编辑于星期三\14点26分（2）大肠杆菌的GroEL属于热休克蛋白60（Hsp60）家族需要辅分子伴素10(cochaperonin10)——GroES的帮助本文档共88页；当前第74页；编辑于星期三\14点26分（3）二硫键异构酶催化链内或链间二硫键形成多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可加速形成正确配对的二硫键，从而促进蛋白质折叠的全过程。本文档共88页；当前第75页；编辑于星期三\14点26分（4）脯氨酰顺-反异构酶催化顺反异构加速折叠多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象差别明显。脯氨酰顺-反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。脯氨酰顺-反异构酶催化这种异构化的过程，可加速蛋白质的折叠。本文档共88页；当前第76页；编辑于星期三\14点26分2.目前对大肠杆菌的蛋白质折叠过程了解较多（1）折叠过程首先经历Hsp70反应循环本文档共88页；当前第77页；编辑于星期三\14点26分Hsp40结合未折叠蛋白Hsp70-ATP复合物Hsp70-ADP-未折叠蛋白复合物GrpE

ADP释放ATP结合Hsp70，释出完成部分折叠的蛋白质Hsp40-Hsp70-ATP-未折叠蛋白复合物ATPADP本文档共88页；当前第78页；编辑于星期三\14点26分（2）部分折叠的蛋白质尚需经历GroE－GroES反应循环本文档共88页；当前第7