生物化学教学课件：第17章 蛋白质生物合成

蛋白质的生物合成（翻译）第17章ProteinBiosynthesis(Translation)翻译的概念翻译(translation)，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肽链（蛋白质）的过程。核苷酸语言氨基酸语言定义（1）氨基酸的活化（2）肽链的生物合成（翻译）（3）肽链形成后的加工和靶向输送蛋白质生物合成过程第一节

蛋白质生物合成体系ProteinBiosynthesisSystem参与蛋白质生物合成的基本物质20种aamRNAtRNA核糖体氨酰tRNA合成酶肽酰转移酶

转位酶各种因子ATP、GTPK+、Mg2+一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板mRNA的结构特点种类繁多大小不一：500～6000个碱基半衰期短：原核生物1～3分钟，真核生物数小时或几天占细胞总RNA：1%～2%真核mRNA的5´端有“帽子”结构；3´端有多聚腺苷酸（PolyA）的“尾巴”结构

*（组蛋白除外）6.原核mRNA5´端有PPP-G---mRNA上有“读码框架”StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻译区5

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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)。原核生物是多顺反子；真核生物是单顺反子顺反子=读码框架mRNA上有遗传密码在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。起始密码子(initiationcodon)：AUG终止密码子(terminationcodon)：UAA、UAG、UGA密码子（codon）起始密码子和终止密码子：遗传密码表二、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50SPA50SE转肽酶核糖体上的主要功能部位肽酰位(P)：结合肽酰-tRNA氨酰位(A)：结合氨酰-tRNA催化肽键生成，兼有酯酶活性空载tRNA排除位（真核无E位）5′3′mRNA翻译中的核糖体（原核）三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器tRNA的结构特点1.分子量小：60～90个碱基2.含有较多的稀有碱基3.5´端大多为pG,3´端均为-CCA4.反密码子的第一位碱基常出现次黄嘌呤（I）5.细菌中有30～40种tRNA；真核细胞中有62种tRNA。二级结构三级结构反密码环氨基酸臂tRNA的构象氨基酸臂：与氨基酸结合TψC环（臂）：与核蛋白体rRNA结合反密码子：识别并结合mRNA密码子D臂：氨酰-tRNA合成识别位点■tRNA功能区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。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合成酶转肽酶(peptidase)（成肽酶、肽酰转移酶）转位酶(translocase)

（延长因子G/延长因子2）转肽酶(peptidase)（核酶）

-催化肽键生成，兼有酯酶活性

-原核23SrRNA；真核28SrRNA

-肽链合成方向：N→CAUGGGC5′3′mRNAUACCCGHNH—CH2—CO~~转位酶（translocase）

-原核生物由延长因子G(80kD)催化

-真核生物由延长因子2（100kD）起作用AUGGGC5′3′mRNAUACCCGHNH—CH2—CO~~（二）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eIF1-α促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP，相当于EF-TueIF1-βγ调节亚基，相当于EF-TseIF-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的功能蛋白质生物合成的能源物质为ATP和GTP;参与蛋白质生物合成的无机离子有Mg2+、K+

等。（三）能源物质及离子第二节

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合成酶结构氨基酰－tRNA合成酶的3个结合位点氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷氨基酰转移到tRNA上tRNA负载了氨基酸氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。特性tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。动力学校对化学校对特性氨基酰-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-tRNAtRNAiMet与甲硫氨酸结合后形成Met-tRNAiMet，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。tRNAMet和甲硫氨酸结合后生成Met-tRNAMet，需要时进入核蛋白体，为延长中的肽链添加甲硫氨酸。起始氨基酰-tRNA:Met-tRNAiMet

参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet真核生物具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸很快被甲酰化为N-甲酰甲硫氨酸(N-formylmethionine,fMet)，于是形成N-甲酰甲硫氨酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认fMet-tRNAfMet。原核生物起始氨基酰-tRNA:fMet-tRNAfMet

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肽链的生物合成过程就是翻译。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。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分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。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。1.核蛋白体大小亚基分离50SIF-1IF-1促进大小亚基分离防止氨酰tRNA过早进位IF-3IF-3可防止核糖体的亚基过早聚合50SE2.mRNA在小亚基上定位结合☆mRNA定位基础是S-D序列S-D序列是指位于mRNA起始密码（AUG）的上游约8～13核苷酸部位存在有4～9个核苷酸组成的一致序列，如AGGAGG。小亚基上16SrRNA的3´端存在有与S-D序列互补的序列UCCUCC☆mRNA序列上紧接S-D序列后的小核苷酸序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1识别并结合。IF-1IF-33'5'16SrRNAmRNA在小亚基上定位结合IF3IF-3促进mRNA在小亚基定位结合AUG5´3´IF-1IF-3AUG5´3´3.fMet-tRNAifMet结合到小亚基IF-2GTPIF-2促进fMet-tRNAifMet与小亚基结合同时tRNA的反密码子与mRNA的密码子配对结合4.核蛋白体大亚基的结合IF2自复合物解离的同时发生GTP水解（消耗一个高能磷酸键），大亚基随之与小亚基结合，并释放各种起始因子，形成70S起始复合物，为延伸作好了准备。IF-1IF-350SAUG5´3´IF-2GTPGDP+PiGTP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）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。进位：氨基酰-tRNA进到核糖体的A位原核延长因子EF-T主要是促进氨基酰-tRNA进到A位（消耗一个高能磷酸键）。包括Tu（40kD）和Ts(28kD）两个亚基。50SAAAAUG5´3´aa2UUU50SAAAAUG5´3´成肽：肽酰转移酶催化肽键的生成原核生物的肽酰转移酶为核糖体大亚基的23SrRNAaa2UUUfMetfMet每次移动一个遗传密码的距离，转位耗能（消耗GTP的一个高能磷酸键）。原核生物由转位酶是EF-G(80kD)，真核为延长因子2转位：核糖体与mRNA相对移动

同时有肽酰-tRNA由A位移向P位50SEaa2UUUfMetAAAAUG5´3´进位转位成肽肽链合成延长(核蛋白体循环)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。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。50SEPAUGUAA5´3´RF-1RF-1：辨认UAA、UAGRF-2：辨认UAA、UGA激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键RF-3RF-3：促进RF-1或RF-2进入A位，具GTP酶活性，帮助肽链的释放fMetaa2aa3aa4aa5aa

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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)。多聚核蛋白体电镜下的多聚核蛋白体二、真核生物的肽链合成过程（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。40S50S40S1.核蛋白体大小亚基分离60SEeIF-3eIF-2B促进核糖体的大、小亚基分离eIF-640SeIF-3eIF-2B2.Met-tRNAiMet结合到小亚基eIF-2GTP3.mRNA在小亚基上定位结合eIF-3eIF-2BUAC~eIF-2GTPAAAAUGUCA4.核蛋白体大亚基的结合AAAeIF-3eIF-2BAUGUCA60SE60sUAC~eIF-2GTP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60SUCAAUG5´3´40SMet进位：氨基酰-tRNA进到核糖体的A位aa2AGU50SUAAAUG5´3´Met40S成肽：肽酰转移酶催化肽键的生成真核生物的肽酰转移酶为核糖体大亚基的为28SrRNAaa2AGUMetMet50SE40S每次移动一个遗传密码的距离，转位耗能（消耗GTP的一个高能磷酸键）。原核生物由转位酶是EF-G(80kD)，真核为延长因子2转位：核糖体与mRNA相对移动

同时有肽酰-tRNA由A位移向P位aa2AGUMetUCAAUG5´3´（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。50SEP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。终止过程需要eRF参加。终止过程需消耗GTP。AUGUAA5´3´eRFfMetaa2aa3aa4aa5aa

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aan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第四节

蛋白质翻译后修饰和靶向输送PosttranslationalModificationandTargetingTransferofProtein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构象及对肽链一级结构的修饰、空间结构的修饰等。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。蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位点的过程称为蛋白质的靶向输送(proteintargeting)。一、多肽链折叠为功能构象的蛋白质新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。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。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。几种有促进蛋白质折叠功能的大分子:分子伴侣(molecularchaperon)蛋白质二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolyl-cis-transisomerase,PPI)1.分子伴侣:分子伴侣是细胞内一类可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。分子伴侣有以下功能：①封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段；②创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰；③促进蛋白质折叠和去聚集；④遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。(1)热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)(2)伴侣蛋白(chaperonin)分子伴侣主要有：(1)热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。热休克蛋白包括HSP70、HSP40和GrpE三族。它有两个主要功能域：一个是存在于N-端的高度保守的ATP酶结构域，能结合和水解ATP；另一个是存在于C-端的多肽链结合结构域。蛋白质的折叠需要这两个结构域的相互作用。大肠杆菌的HSP70(DnaK)ATP酶肽链结合结构域H2NEEVD-COOHGrpE结合部位DnaJ/HSP40结合部位大肠杆菌的HSP40(DnaJ)可激活DnaK中的ATP酶，生成稳定的DnaJ-DnaK-ADP-被折叠蛋白质复合物，以利于DnaK发挥分子伴侣作用。在ATP存在的情况下，DnaJ和DnaK的相互作用能抑制蛋白质的聚集。GrpE，核苷酸交换因子，与DnaK的ATP酶结构域结合，使DnaK的构象发生改变、ADP从复合物中释放出来并由ATP代替ADP，从而控制DnaK的ATP酶活性。在蛋白质的折叠过程中，HSP70还需2个辅助因子HSP40和GrpE。大肠杆菌中的HSP70反应循环人类细胞中HSP蛋白质家族可存在于胞浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位，涉及多种细胞保护功能：如使线粒体和内质网蛋白质保持未折叠状态而转运、跨膜，再折叠成功能构象；通过类似上述机制，避免或消除蛋白质变性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，以利于清除变性或错误折叠的多肽中间物等。(2)伴侣蛋白(chaperonin)伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌的GroEL和GroES（真核细胞中同源物为HSP60和HSP10）等家族。其主要作用是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。当待折叠肽链进入GroEL的桶状空腔后，GroES可作为“盖子”瞬时封闭GroEL空腔出口。封闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。GroEL-GroES复合物GroEL-GroES反应循环2.蛋白质二硫键异构酶多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌型蛋白质、膜蛋白质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，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶：催化错配二硫键的断裂并形成正确的二硫键3.肽-脯氨酰顺反异构酶多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象有明显差别。肽酰-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。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。肽-脯氨酰顺反异构酶肽-脯氨酰顺反异构酶催化肽-脯氨酰顺反异构体间的转变二、一级结构的修饰（一）一级结构的加工修饰1.切除N-甲酰基或蛋氨酸或切除信号肽（1）脱甲酰基酶：去除甲酰基（2）氨基肽酶：去除蛋氨酸（3）信号肽酶：去除信号肽~aa2aa3aa4aa5aa6aa7aa8aa9aa10aan（二）肽链中个别氨基酸残基的共价修饰1.糖基化：糖蛋白分子中天冬酰胺残基，丝氨酸残基或苏氨酸残基的糖基化。HMGCoA还原酶无糖链时，活性下降90%。2.羟基化：胶原蛋白分子中的羟赖氨酸残基和羟脯氨酸残基是由于赖氨酸残基和脯氨酸残基的羟基化。3.甲基化：组蛋白分子中精氨酸的甲基化4.磷酸化：蛋白质分子中丝氨酸残基、苏氨酸残基或酪氨酸残基的磷酸化（三）多肽链的水解加工胰岛素原的水解修饰阿片促黑皮质素原（POMC）水解剪裁前清蛋白原的水解剪裁酶原的激活胰蛋白酶三、空间结构的修饰（一）亚基的聚合（二）辅基的连接βααβ四、合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位

蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要是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，这类序列称为信号序