生物化学：第12章蛋白质生物合成-本科

蛋白质的生物合成（翻译）第12章ProteinBiosynthesis(Translation)

中心法则(thecentraldogma)

——Click，1958

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逆转录翻译的概念蛋白质生物合成也叫翻译，是生物细胞以mRNA为模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。定义第一节

蛋白质生物合成体系ProteinBiosynthesisSystem20种氨基酸（AA）作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括：

三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核糖体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）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5

3

3’-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)。遗传密码在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。密码子（codon）方向性连续性简并性通用性摆动性遗传密码表二级结构三级结构反密码环氨基酸臂tRNA的构象二、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：在tRNA3ˊ-CCA的位置结合氨基酸，结合需要ATP供能；充当“适配器”：通过tRNA的反密码子，氨基酸可以准确地在mRNA上对号入座；三、核糖体是蛋白质生物合成的场所核糖体的组成核糖体又称核蛋白体，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。核糖体的组成（1）A位：即氨基酰位(aminoacylsite)，是结合氨基酰-tRNA的位点。（2）P位：即肽位(peptidylsite)，是结合肽酰-tRNA的位点。（3）E位：排出、卸载tRNA的排出位(exitsite)。

注：原核生物。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)四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等（一）重要的酶类氨基酰-tRNA合成酶：催化氨基酸的活化转肽酶：催化核蛋白体P位上的肽酰基转移至A位氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键;并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，使P位上的肽链与tRNA分离；转位酶：催化核蛋白体向mRNA3’-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位蛋白质因子起始因子（initiationfactor，IF）延长因子（elongationfactor，EF）释放因子（releasefactor，RF）参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类生物学功能起始因子IF-1占据A位防止结合其他tRNAIF-2促进起始tRNA与小亚基结合IF-3促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA的敏感性延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并分解GTPEF-Ts调节亚基EF-G有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促进tRNA卸载与释放释放因子RF-1特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯酶RF-3可与核蛋白体其他部位结合，有GTP酶活性，能介导RF-1及RF-2与核蛋白体的相互作用参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类生物学功能起始因子eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2B,eIF-3最先结合小亚基，促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5´-端的发夹结构，使其与小亚基结合eIF-4B结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合mRNA5´帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和PolyA结合蛋白eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基延长因子eEF1-α促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP，相当于EF-TueEF1-βγ调节亚基，相当于EF-TseEF-2有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促进tRNA卸载与释放，相当于EF-G释放因子eRF识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能第二节

氨基酸的活化ActivationofAminoAcids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1绝对专一性2校正活性氨基酰-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＋E氨基酰-tRNA的表示方法丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：

Met-tRNAMet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：二、起始氨基酰-tRNA起始氨基酰-tRNA:Met-tRNAiMet

参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet真核生物原核生物起始氨基酰-tRNA:fMet-tRNAfMet

N-甲酰甲硫氨酸fMet-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。第三节

肽链的生物合成过程TheBiosynthesisProcessofPeptideChain起始(initiation)延长(elongation)终止(termination)整个过程可分为：一、原核生物的肽链合成过程（一）起始

指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的过程。1.核糖体大小亚基分离；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。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与核糖体小亚基的结合：

1）互补序列指引（S-D序列）（核酸-核酸）

原核生物核蛋白体小亚基上的16S-rRNA近3’-末端处，有一段与S-D序列互补的短序列…UCCUCC…。

2）核酸-蛋白质的辨认

紧接S-D序列之后的一小段核苷酸，又可以被核蛋白体小亚基蛋白(rps-l)辨认结合。S-D序列

在翻译起始密码子AUG的上游，相距约8—13个核苷酸处，有一段由4-6个核苷酸组成的富含嘌呤的序列。这一序列以AGGAGG为核心，因其发现者是Shine-Dalgarno而得名，又称为核糖体结合位点。

小亚基中的16S-rRNA3ˊ-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。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大亚基；小亚基；mRNA；起始氨基酰tRNA；1.进位(positioning)/注册(registration)2.成肽(peptidebondformation)3.转位(translocation)

（二）延长肽链延长在核糖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。1.进位

又称注册(registration)，是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核糖体A位的过程。

进位需要延长因子EF-Tu与EF-Ts参与。2.成肽

成肽是在转肽酶(peptidase)的催化下，核糖体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。成肽的反应过程3.转位

转位是在转位酶的催化下，核糖体向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。转位需要延长因子EF-G参与。EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，释放的能量促进核蛋白体向mRNA的3′侧移动，使起始二肽酰-tRNA-mRNA相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA则移入E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)过程核糖体合成蛋白质过程（三）终止

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。终止相关的蛋白因子称为释放因子（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原核肽链合成终止过程翻译时，从mRNA的起始密码子AUG开始，按5ˊ→3ˊ方向逐一读码，直至终止密码子。于是，合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始，从N-端→C-端延长，直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸。

多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。（四）多聚核蛋白体(polysome)1条mRNA模板链都可附着10～100个核糖体，这些核糖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糖体(polysome)。多聚核糖体电镜下的多聚核蛋白体二、真核生物的肽链合成过程种类生物学功能起始因子eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2B,eIF-3最先结合小亚基，促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5´-端的发夹结构，使其与小亚基结合eIF-4B结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合mRNA5´帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和PolyA结合蛋白eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基延长因子eEF1-α促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP，相当于EF-TueEF1-βγ调节亚基，相当于EF-TseEF-2有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促进tRNA卸载与释放，相当于EF-G释放因子eRF识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类生物学功能起始因子eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2B,eIF-3最先结合小亚基，促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5´-端的发夹结构，使其与小亚基结合eIF-4B结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合mRNA5´帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和PolyA结合蛋白eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基延长因子eEF1-α促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP，相当于EF-TueEF1-βγ调节亚基，相当于EF-TseEF-2有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促进tRNA卸载与释放，相当于EF-G释放因子eRF识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能（一）起始1.核蛋白体大小亚基分离；2.起始氨基酰-tRNA的结合；3.mRNA在小亚基定位结合；4.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,PAPB③MetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程真核生物肽链合成的延长过程与原核生物基本相似，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。（二）延长（三）终止

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第四节蛋白质翻译后修饰和靶向运输翻译后修饰：对新生多肽链进行复杂的加工，使之成为具有天然构象的功能蛋白质，并具备蛋白质生物学活性的过程。多肽链折叠；一级结构的修饰；空间结构的修饰；靶向运输：蛋白质在合成后被定向运输到其发挥作用的靶位点的过程。核质定位；细胞器定位；多肽链的折叠分子伴侣：可以识别肽链的非天然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠的保守蛋白质。

1）封闭疏水区域；2）创建隔离环境；3）促折叠和去聚集；伴侣蛋白化学修饰1）糖基化——Asp，Ser，Thr；2）羟基化——Lys，Pro；3）甲基化——Glu，Arg，Asp，Lys；4）磷酸化——Thr，Ser，Tyr；5）链内二硫键形成——Cys；6）亲脂性修饰；

7）泛素化——Lys；信号肽：为靶向运输到溶酶体、质膜或分泌到细胞外的蛋白质提供分选信号的具有特定序列的肽段。

核定位序列（NLS）：靶向运输到细胞核的蛋白质及其多肽所共有的特异信号序列。靶向运输第五节

蛋白质生物合成的干扰和抑制InterferenceandInhibitionofProteinBiosynthesis