分子生物学：蛋白质的生物合成-翻译

蛋白质的生物合成

------翻译

第一节蛋白质合成体系第二节蛋白质的合成过程第三节蛋白质定位一、概述

参与蛋白质合成的物质原料：20种氨基酸模板：mRNA（messengerRNA,信使RNA）运载体：tRNA（transferRNA,转移RNA）场所：核蛋白体（rRNA与蛋白质构成)

（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）

其他：蛋白质因子、酶类、ATP、GTP、无机离子等合成方向：N→C端第一节蛋白质合成体系的重要组分一、mRNA和遗传密码二、tRNA三、rRNA和核糖体一、mRNA和遗传密码mRNA由DNA经转录合成，携带着DNA的遗传信息，是遗传信息的传递者。mRNA分子中四种不同碱基(A、G、C和U)构成特定顺序决定蛋白质分子中20种AA所构成的序列。mRNA只占细胞RNA的5%,种类多,寿命短,更新快.大量实验证明mRNA上相邻三个碱基编码一种AA，因而被称为碱基三联体或密码子(tripletcoden)。1.信使RNAmRNA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。起始密码(initiationcoden):AUG终止密码(terminationcoden):UAA，UAG，UGA

数量：64（43）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，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。AUG，AUA，AUU真核生物的线粒体中的起始密码子PPPmG-5

3

ORF起始密码子起始密码子

原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)

。PPP5

3

蛋白质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原核细胞mRNA的结构特点ORFORFORF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PPPmG-5

3

蛋白质

真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)

。

真核细胞mRNA的结构特点原核生物和真核生物mRNA的结构

⑴密码子的方向性(Direction)

密码子的阅读方向及它们在mRNA由起始信号到终止信号的排列方向均为5

-3’，与mRNA链合成时延伸方向相同。

2.密码子的特点(2)密码子的基本通用性(universal)

对于高等、低等生物都适用，但陆续在动物和酵母的线粒体以及草履虫、腺病毒中发现例外：如在人线粒体中AUA、AUU不在编码Ile，而是翻译起始信号；AGA、AGG不再编码Arg，而成为终止信号；密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。(3)密码子的简并性(degeneracy)

仅甲硫氨酸、色氨酸只有一个密码子。其余氨基酸有2、3、4个，甚至多至6个三联体为其编码。一个氨基酸可以有几个不同的密码子，编码同一个氨基酸的一组密码子称为同义密码子。这种现象称为密码子的简并性。(4)密码子的连续性

从正确起点开始至终止信号，密码子的排列是连续的。既不存在间隔（无标点），也无重叠。⑸密码子的摆动性（wobble）如丙氨酸：GCU，GCC，GCA，GCG，只第三位不同，显然密码子的专一性基本取决于前两位碱基，第三位碱基有较大灵活性。这种现象称为密码的摆动性或变偶性。摆动配对密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG次黄嘌呤核苷酸

在蛋白质合成中，起着运载氨基酸的作用，按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。

同功受体tRNA:

一种氨基酸可以有一种以上tRNA作为运载工具。把携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同功受体tRNA.反密码子

tRNA分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于反密码子环上。二、tRNA结构及功能:*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。tRNA与多肽合成的有关位点

3’端-CCA上AA接受位点识别氨酰-tRNA合成酶位点

(倒L中部的DHU臂和反密码环氨基酸臂参与这一作用)核糖体识别位点

(倒L中部的TΨC环与此有关)反密码子位点（识别mRNA上的密码子）氨基酰-tRNA的表示法：氨基酸名称-运载特异的氨基酸具体作用i起始e延长tRNA丙氨酰tRNA：ala-tRNAala精氨酰tRNA：arg-tRNAarg甲硫氨酰tRNA：met-tRNAmet起始密码子AUG编码的met由tRNAimet(真核)

tRNAemet表示肽链延长中加入的甲硫氨酸

⑵与mRNA结合部位—反密码子部位(tRNA的接头作用)3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG密码子与反密码子的阅读方向均为5‘

3’，两者反向平行配对。tRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。

⑴3’端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。tRNA有两个关键部位

核糖体是由几十种蛋白质和几种rRNA组成的亚细胞颗粒。核糖体是蛋白质合成的场所。核糖体的存在形态有三种：单核糖体、多核糖体和核糖体亚基。

真核生物：游离核糖体或与内质网结合原核生物：游离核糖体或与mRNA结合成串状的多核糖体(提高翻译效率)。核糖体亚基的聚合与解聚与Mg2+浓度有关三、rRNA及核糖体1、核糖体的组成细菌核糖体真核生物核糖体P位和A位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。P位：结合起始的氨酰-tRNA和肽基-tRNAA位：结合新掺入的氨酰-tRNA。PA5’3’2.核糖体存在两个重要的tRNA的结合部位（大肠杆菌）P位上肽酰-tRNA上的羧基与进入A位的氨酰-tRNA上的氨基形成新的肽键

P位上tRNA成为无负载的tRNA

核糖体移动一个密码子的距离，A位上的肽酰-tRNA又回到P位，A位又空，再进行下一次循环。

大肠杆菌由一定数目的单个核糖体与一个mRNA分子结合而成的念珠状结构。每个核糖体可独立完成一条肽链的合成，所以在多核糖体上可以同时进行多条肽链的合成，提高了翻译的效率。3.多核糖体除了以上提到的氨酰-tRNA合成酶外，重要的酶还有转肽酶、转位酶等；在肽链合成的起始、延伸和终止过程有许多蛋白因子参与。四有关的酶和蛋白因子起始因子(initiationfactors，IF)，包括IF1、IF2、IF3；延伸因子(elongationfactors，EF)，有EF-T(

EF-Ts,EF-Tu)，EF-G；释放因子(releasefactors，RF)，包括RF1、RF2。

第二节蛋白质的合成过程（以E.coli为例）

一、氨基酸的活化

二、肽链合成的起始

三、肽链的延伸

四、肽链合成的终止与释放

五、真核细胞蛋白质生物合成

六、肽链合成后加工和折叠一、氨基酸的活化氨基酸在掺入肽链前必须活化，在胞液中进行。氨基酸的活化是指各种参加蛋白质合成的AA与携带它的相应的tRNA结合成氨酰-tRNA的过程。活化反应在氨酰-tRNA合成酶的催化下进行。氨基酰-tRNA合成酶ATPPPiMg2+－O~AMP·酶tRNA-OHAMP＋酶

氨基酸的活化形式 氨基酰－tRNA

氨基酸的活化部位

α－羧基

连接方式 酯键

活化耗能

2个~P氨基酸活化的总反应式是：氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨酰-tRNA+AMP+PPi氨酰-tRNA合成酶20种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰-tRNA合成酶。氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性，它既能识别相应的氨基酸，又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA分子；即使AA识别出现错误，此酶具有水解功能，可以将其水解掉。这种高度的专一性保证了氨基酸与其特定的tRNA准确匹配，从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。SD序列(Shine-Dalgarnosequence)

原核生物mRNA起始密码子AUG上游约8-13个核苷酸处，有4-9个核苷酸组成的富含嘌呤的一致序列，以…AGGA…为核心，也叫做核糖体结合位点(ribosomalbindingsite,RBS)二、肽链合成的起始

SD序列1起始密码子的识别多肽合成起始信号的密码子为甲硫氨酸的密码子(AUG)，而在大肠杆菌中,起始密码子AUG所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸。fMet-tRNAf的形成Met-tRNAf+N10-甲酰FH4fMet-tRNAf+FH4甲酰化酶真核生物：Met-tRNAMet。真核生物无甲基化过程，起始氨基酸是Met,起始tRNA为Met-tRNAMetfMet-tRNAifMetIF-3mRNA在小亚基定位结合AUG5'3'mRNAmRNA与小亚基的结合依赖于：

SD序列与16SrRNA3’端部分序列的互补2蛋白质翻译起始复合物的形成IF-2GTPfMet-tRNAifmet

结合到小亚基IF-3AUG5'3'核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成50SIF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-3IF-1AUG5'3'GDP＋PiIF-2mRNA50S在肽链合成起始时，首先是核糖体小亚基与mRNA上的核糖体结合位点识别结合，然后，fMet-tRNAifmet

结合到小亚基，其次，大亚基与小亚基结合，形成完整的核糖体(70S起始复合物)。

新的氨酰-tRNA进入A位。需要消耗GTP，并需EF-Tu(热不稳定),EF-Ts(热稳定)两种延伸因子。

EF-Tu-GTP+下一个要进入的氨酰-tRNA

形成复合物，将这个氨酰-tRNA送入核糖体A位，同时GTP

GDP+Pi，

EF-Tu-GDP+EF-TsEF-Tu-Ts+GDPEF-Tu-Ts+GTPEF-Tu-GTP+EF-Ts重新参与下一轮循环促进氨酰-tRNA进入A位与mRNA结合所有氨酰-tRNA必须与EF-Tu-GTP结合才可进入70S核糖体，除了fMet-tRNAf

。三、肽链的延伸分为三步：1、进位指根据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。

进位2、转肽

在肽酰转移酶的作用下P位点上fMet-tRNAf的甲酰甲硫氨酸从相应的tRNA上解离下来，其-COOH(高能酯键)与刚进入A位的氨酰-tRNA上的-NH2形成肽键，空载的tRNA留在P位，此时A位点携带一个二肽。5’3’PAAA-fMetAAAPfMet5’3’肽酰转移酶肽链合成延长阶段的肽键形成过程转肽肽酰转移酶PA5’3’3、移位在EF-G(移位酶)的作用下，核糖体沿mRNA5’

3’方向移动，每次移动一个密码子的距离，结果使原来在A上的肽酰-tRNA移到了P位点，原来在P位点的空载的tRNA离开核糖体，同时一个新的密码子进入空的A位，EF-G催化的移位过程需水解GTP提供能量。肽链合成从N-C。PA5’3’PAPPAAEF-GGTP移位EF-G(移位酶)转位进位转肽进位、转肽、转位三步为一个延伸循环，肽链每掺入一个氨基酸就重复一次延伸循环。肽链合成从N-C。

四、肽链合成的终止与释放当终止密码子出现在A位时，终止因子结合在A位，肽链合成终止。RF1：识别终止密码子UAA和UAGRF2：识别终止密码子UAA和UGARF3：具GTP酶活性，激活RF1和RF2活性，协助肽链的释放终止因子的结合使肽酰转移酶活性变为水解酶活性，肽基不转移给A位tRNA，而转移给H2O，并把已合成的多肽链从核糖体和tRNA上释放出来，空载的tRNA随机从核糖体脱落，该核糖体立即离开mRNA，在RF3存在下,消耗GTP而解离为30S和50S非功能性亚基。再重复下一轮过程。

蛋白质的合成是一个高耗能过程

AA活化2个高能磷酸键（ATP）肽链起始1个（70S复合物形成，GTP）进位1个（GTP）移位1个（GTP）

第一个氨基酸参入需消耗3个(活化2+起始1)以后每掺入一个AA需要消耗4个(活化2+进位1个+移位1个)。蛋白质的合成是一个高耗能过程，936个碱基的mRNA翻译过程需要消耗多少ATP？消耗多少GTP？练习题936个碱基的mRNA，编码的氨基酸个数了936/3=312，第一个氨基酸参入需消耗3个高能磷酸键：氨基酸活化消耗1个ATP的2个高能磷酸键，翻译起始需要消耗1个GTP。以后每掺入一个AA需要消耗4个高能磷酸键：氨基酸活化消耗1个ATP的2个高能磷酸键，进位消耗1个GTP，移位消耗1个GTP。共消耗：3+4×311=1247个高能磷酸键核糖体为80S，由60S的大亚基和40S的小亚基组成起始tRNA和氨基酸起始氨基酸为甲硫氨酸，起始tRNA表示为tRNAMet.起始复合物（eIF4A.eIF4E.P220复合物称为帽子结构结合蛋白复合物(CBPC)）结合在mRNA5’端AUG上游的帽子结构。真核生物每种mRNA只转译出一种多肽。。真核中涉及的蛋白因子较多已发现的真核起始因子有近12种，两种延伸因子、一种终止因子-被称为信号释放因子(eRF)。五、真核生物蛋白质的生物合成对抑制剂敏感性不同，如亚胺环己酮只作用于80S核糖体，只抑制真核生物的翻译,白喉毒素与EF-2结合，抑制肽链移位。蛋白质激酶参与真核生物蛋白质合成的调节。真核中线粒体、叶绿体能进行蛋白质合成，其抑制剂与原核相似。1蛋白质修饰(1)N末端的(甲酰)甲硫氨酸的切除.在去甲酰酶催化下将肽链合成的起始氨基酸-甲酰甲硫氨酸水解脱掉甲酰基，以便肽链形成所需的构象.在氨肽酶催化下切去N末端一个或几个氨基酸。多肽链还未释放时，上两个过程已发生。而真核生物合成15-30氨基酸时，就已开始上过程。（2）多肽链的水解断裂如动物体中蛋白酶形成的是无活性的酶原，到消化道后，水解切下一部分肽链，使酶原变成有活性的酶。六、肽链合成后的加工和折叠（3）氨基酸侧链的修饰氨基酸侧链的修饰包括羧化、羟化，甲基化及二硫键的形成等。脯氨酸、赖氨酸侧链发生羟基化作用。苏氨酸、丝氨酸、酪氨酸羟基磷酸化。如糖原磷酸化酶（4）糖基化作用

使蛋白质多肽链转变成糖蛋白（N-糖苷键和O-糖苷键）。是在翻译后的肽链上以共价键与单糖或寡糖连接而成的。（5）加辅基结合上辅基（酶）才具生物活性，如乙酰辅酶A羧化酶与生物素的结合。2.蛋白质的折叠新生肽链在细胞内特定的部位，在多种蛋白质的帮助下卷曲成正确构象，大多数蛋白质的折叠是边翻译边折叠的，至少有两类因子参与了折叠过程：酶：二硫键异构酶、脯氨酰顺反异构酶分子伴侣：分子伴侣是细胞内一类保守蛋白质，可识别多肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠，不构成这些蛋白质在执行功能时的结构组分。分子伴侣第三节蛋白质定位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或蛋白质定位。•蛋白质定位(proteintargeting)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)靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白N端信号肽内质网腔蛋白N端信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)线粒体蛋白N端信号序列（20～35氨基酸残基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-）过氧化体蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶体蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向输送蛋白的信号序列或成分

细胞中蛋白质的合成都起始于细胞质基质中“游离”的核糖体，一些蛋白起始合成不久便转移到内质网上继续合成，另一些则停留在胞质核糖体上合成。决定转移的因素是什么？

1975年，G.Blobel依据实验提出了分泌蛋白的信号假说理论：分泌蛋白的N端序列是信号序列(肽)，指导分泌蛋白到内质网上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。一分泌蛋白的靶向输送１.信号假说的组成成分信号肽(signalpeptide)；

位于分泌蛋白N端，由15~35个氨基酸组成，分为N端、疏水核心区及Ｃ端。信号识别颗粒(SRP)：

能识别信号肽的蛋白，由６条多肽和一个7SRNA组成的复合物。信号识别蛋白受体(SRP受体或停泊蛋白DP)：

为SRP受体，位于内质网膜上。信号肽的结构信号肽的一级序列信号肽一级序列由疏水核心(h)、C端(c)和N端(n)三个区域构成。15~35个氨基酸残基组成碱性N端：带正电荷的碱性氨基酸疏水核心区：疏