大学生物化学课件蛋白质的生物合成

第十二章

蛋白质的生物合成（翻译）

ProteinBiosythesis,translation

蛋白质生物合成：

把mRNA中碱基顺序转变为蛋白质中AA排列顺序的过程。翻译是蛋白质生物合成的同义词主要内容：蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成过程蛋白质合成后的加工和输送蛋白质生物合成的干扰和抑制第一节

蛋白质生物合成的体系

参与蛋白质生物合成的物质：20种氨基酸（AA）作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF

ATP、GTP、无机离子核糖体是蛋白质装配的场所三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）rRNA一、翻译模板mRNA及遗传密码mRNA是遗传信息的携带者

开放阅读框架（openreadingframe,ORF）:从5’端起始密码子到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肽链，称为开放阅读框架。mRNA分子编码区（开放阅读框）中的核苷酸序列作为遗传密码（geneticcode）mRNA上存在遗传密码密码子*(codon)：

存在于mRNA的开放阅读框架区,以每相邻的三个核苷酸为一组，编码一种氨基酸，的三联体形式的核苷酸序列称为密码子。（三联体密码tripletcode）起始密码子和终止密码子

起始密码：AUG（又是Met密码）（原核生物还可用GUG、UUG作起始密码）终止密码（不编码任何氨基酸）：UAA，UGA，UAG

其余61个Codon,代表不同的AA

1、方向性：翻译时阅读方向5’→3’

决定多肽链N端→C端的AA顺序2、连续性

没有间隔核苷酸

没有间断，没有停顿，没有重叠遗传密码的特点：框移突变（移码突变）：mRNA上碱基插入或缺失，造成框移，使以后的读码发生错误，下游翻译出的氨基酸完全改变。

3个或3n个的核苷酸插入或缺失不一定能引起框移突变.

框移突变（移码突变）错义突变：改变一个codon，导致相应AA的改变。

无义突变：一个点突变造成一个终止密码子，引起

Pr合成提前结束。

3、简并性

degeneracy

一种AA具有2个或2个以上codon的现象。一般三联体上1.2位碱基相同，第3位碱基不同遗传密码表4、摆动性

（Wobble）AUC摆动配对Codon中第三个碱基与tRNA反密码子第一个碱基的配对可以不遵从碱基配对规律，称摆动性。密码子、反密码子配对的摆动现象反密码子第一位碱基密码子第三位碱基I

UCA,C,U

A,GC,G,UI：次黄嘌呤核苷5、通用性（Universal）

从病毒直到人类，各种生物都使用同一套遗传密码，指导的蛋白质合成。

三、氨基酰-tRNA通过反密码子与mRNA中对应的密码子互补结合

（一）tRNA与功能相适应的结构特点

1、3’端CCA-OH是氨基酸的结合位点

2、

一个氨基酸与2-6个tRNA结合

3、一个tRNA只能结合一个氨基酸

4、反密码子位点，识别

mRNA上Codon.

ACC

tRNA是特定AA的搬运工具，能识别mRNA上的密码，又能作特定AA搬运工具。每种AA能与2-6种tRNA特异结合，与密码子的兼并性相适应。（二）反密码子与密码子的识别

mRNA:5’→3’tRNA：3’→5’（三）tRNA转运氨基酸----氨基酸的活化（Activationofaminoacid）

1.氨基酰tRNA合成酶----活化反应，高度专一

AA+tRNA+ATP

*

E

氨基酰–tRNA+AMP+PPi*E:氨基酰tRNA合成酶——

绝对专一性

校正活性

识别并结合AA（高度特异）

2个识别位点

识别并结合tRNA（高度特异）第一步反应:第二步反应:2、氨基酰t-RNA的表示方法与起始密码结合的氨基酰-tRNA

：原核生物：fMet-tRNAfMet（甲酰甲硫氨酸tRNA-真核生物：met-tRNAiMet（起始甲硫氨酸tRNA）

met-tRNAMet（携带延长中的甲硫氨酸的tRNA）

书写方式：如，Arg-tRNAArg三、核蛋白体是肽链合成的场所

真核生物核蛋白体：80S(40S+60S)

原核生物核蛋白体：70S(30S+50S)特点：

1、有大小两亚基，并构成mRNA通道。

2、沿着mRNA5’-3’方向移动。3、

原核生物核糖体上有A位，P位，和E位。A位：结合氨酰-tRNA；P位：结合肽酰-tRNA；E位:出口位。4、有转肽酶，催化肽键形成（大亚基）

5、有各种pr因子和酶的结合位点。

Aminoacylsite（ASite）Peptidylsite（PSite）mRNAE位肽链合成需要酶类和蛋白质因子蛋白质因子：（1）起始因子原核生物IF；真核生物eIF（2）延长因子原核生物EF；真核生物eEF（3）释放因子原核生物RF；真核生物eRF第二节

蛋白质生物合成的过程

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。整个翻译过程可分为三个阶段：

起始(initiation）延长（elongation)

终止(termination)一、肽键合成的起始（Initiation）

起始氨基酰tRNA与mRNA结合到核蛋白体上，生成

翻译起始复合物

（translationalinitiationcomplex）的过程

参与这一过程的多种蛋白质因子---

称起始因子（initiationfactor,IF)（一）原核生物翻译的起始起始因子IF3,IF1结合到核糖体(70S)的小亚基上，使大亚基(50S)与小亚基(30S)解离；2.mRNA结合到小亚基上；

(靠mRNA上的SD序列与16S-rRNA、rpS与其识别序列的辨认结合)S-D序列（核蛋白体结合位点,RBS）原核生物mRNA的碱基序列，在起始密码AUG上游8-13个核苷酸处，存在4-9个核苷酸组成的富含嘌呤的保守序列，如…AGGAGG…，称为（Shine-Dalgarno）S-D序列。S-D序列与核蛋白体小亚基上16S-rRNA近3’末端短序列3’…UCCUCC…5’互补，故S-D序列又称核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite,RBS）。紧接AGGA的小段核苷酸，可以被核蛋白体小亚基蛋白（rpS-1）辨认结合。IF3IF1S-D3.*起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)结合到小亚基上IF-1占据A位，

fMet-tRNAfMet与结合了GTP的IF-2一起，识别并结合对应P位的起始密码子4.核糖体大亚基结合（50S结合）(各种IF脱落，GTP水解)形成翻译起始复合物IF-1翻译起始复合物（二）真核生物翻译的起始1.首先，起始因子eIF-2B,eIF3结合到核糖体（80S）的小亚基（40S）上，在eIF-6参与下，使大亚基（60S）与小亚基解离40S60SeIF640S60SeIF2BeIF32.起始的氨基酰tRNA（Met-tRNAimet

）结合于小亚基的P位：40SmetelF3，elF4CMet-tRNA-GTP-elF23.mRNA在小亚基上就位4.核蛋白体大亚基结合：形成翻译启始复合物起始因子离开在eIF-4A,eIF-4B的配合下，起始AUG与Met-tRNAimet的反密码子配对结合eIF-4F复合物帮助识别起始密码子elF3，elF4Cmet-GTP-elF2met40S60SATPADP+PielF4A,4B,4E,4G,PABGDP+Pi各种elF释放elF5metmet40S60SeIF2BelF3,eIF6mRNA二、在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链（Elongation）延伸的过程就是核糖体循环*（RibosomalCycle）每次循环包括（真核生物和原核生物过程一致，以原核为例）

进位（Registration）成肽（Peptidebondformation）转位（Translocation）每循环一次，肽链延长一个AA，如此重复，直至肽链终止。延伸过程所需蛋白因子是延长因子（elongationfactor,EF）1、进位：部位：A位。一个氨基酰－tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到A位的过程。（原核生物需要：EF-G：Tu，Ts)（真核生物需要:eEF-1a,eEF-b

GTP）

反应结果：

P位：fMet–tRNAA位：AA2-tRNAucuAGAAGAAGAUCU消耗GTP2、成肽部位：A位酶：肽基转移酶（核蛋白体大亚基，原核生物23rRNA,真核生物28SrRNA）反应特点：fMet与AA2的氨基形成肽键（二肽）结果：

P位：空载tRNAA位：NH2-fMet-AA2·tRNA（二肽）由转肽酶催化核糖体向mRNA的3’端移动一个密码子的距离，mRNA序列的下一个密码子进入A位，肽酰-tRNA进入P位。需要：转位酶（原核生物中是EFG，真核生物中是eEF-2），GTP结果：空载的tRNA从核糖体直接脱落

P位：NH2-fMet-AA2·tRNA（二肽）

A位：空出3、转位

耗能和转位酶

小结：1、进位-成肽-转位，不断循环，每一次循环，增加1个AA，消耗4个高能键2、mRNA阅读方向：5’→3’

肽链合成方向：N→C端三、终止（termination)

当核蛋白体A位出现mRNA的终止密码后，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。（一）释放因子（releasefacgtor,RF，）

RF作用：辨认终止密码子，进入A位，促进肽链水解脱落原核生物RF分类：RF-1识别UAA，UAG;诱导转肽酶改变为酯酶活性

RF-2识别UAA，UGA;诱导转肽酶改变为酯酶活性

RF-3GTP酶活性真核生物RF只有一种eRF多聚核糖体

（Polyribosome）

不论真核生物还是原核生物一条mRNA分子上有一组10-100个核糖体，依次结合起始密码并沿5’-3’方向读码移动，同时进行Pr的合成，这种mRNA和多个核糖体聚合物称为多聚核糖体。

高速、高效第三节

翻译后修饰和靶向输送

翻译后修饰

（Posttranslationalprocessing）--------肽链从核蛋白体释放后，经过细胞内各种修饰处理，成为有活性的具有天然构象的成熟蛋白质的过程。包括：核蛋白体合成的各种蛋白质，还需要靶向输送到特定细胞部位发挥生物作用。

多肽链折叠为天然的三维构象；对肽链一级结构的修饰；空间结构的修饰等。一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质多肽链合成后需要逐步折叠成天然空间构象才成为有功能的蛋白质。时间：新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始，折叠在肽链合成中、合成后完成。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、蛋白质辅助：分子伴侣

蛋白二硫键异构酶肽-脯氨酰顺反异构酶1．分子伴侣*（molecularchaperon）是细胞中一类保守蛋白质，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。核糖体结合的分子伴侣非核糖体结合性分子伴侣—

热休克蛋白伴侣蛋白(1)热休克蛋白（heatshockprotein,HSP)：属于应激反应性蛋白，高温应激可诱导该蛋白合成增加。在大肠杆菌中包括HSP70,HSP40和GrpE三族HSP促进蛋白质折叠的基本作用：结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠，形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。71HSP70：一类约70kD的高度保守的ATP酶，广泛存在原、真核细胞中。由两个功能不同的结构域组成：

N端的ATP酶结构域和C端的多肽链结合结构域。ATP酶结构域：能结合和水解ATP.多肽链结合结构域：可识别由4-5个疏水AA残基为核心组成的7肽片段，帮助折叠。

(2）伴侣蛋白（chaperonins)：是分子伴侣的另一家族如E.coli的GroEL和GroES

真核细胞中同源物为HSP60和HSP10等家族。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。-ATPHsp40ADPCrpE

2．蛋白二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase,PDI）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．部位：主要在细胞内质网进行。原因：多肽链的几个半胱氨酸间可能出现错配二硫键，影响蛋白质正确折叠。解决：ＰＤＩ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。3.肽一脯氨酰顺反异构酶（peptideprolylcis-transisomerase,PPI）脯氨酸为亚氨基酸，多肽链中肽酰一脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。ＰＰＩ可促进上述顺反两种异构体之间的转换。天然蛋白肽链中肽酰一脯氨酸间肽键绝大部分是反式构型，仅6％为顺式构型。在肽链合成需形成顺式构型时，ＰＰＩ可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。一级结构的修饰（一）去除N-甲酰基或N-甲硫氨酸

酶：氨基肽酶，脱甲酰基酶结果：切除N-甲酰基，N-末端Met或N-末端一段AA（二）个别氨基酸的修饰

1.糖基化

2.羟基化

3.甲基化

4.磷酸化

5.二硫键形成

6.亲脂性修饰二、肽链的水解生成活性蛋白质（一）合成后肽链的末端被水解加工脱甲酰基酶脱去甲酰基；氨基肽酶水解去除N-甲酰甲硫氨酸；真核生物切除信号肽（二）水解修饰无活性的蛋白质前体→活性的蛋白质或多肽真核细胞大分子多肽前体→数种小分子活性肽类鸦片促黑皮质素原（POMC）的水解修饰NC信号肽PMOCKRKR103肽

(？)ACTH

-LT-MSH

-MSHEndophin三、空间结构的修饰（一）亚基聚合形成功能性蛋白复合物具有四级结构的蛋白质由两条以上肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体。如：血红蛋白α2β2（二）辅基连接结合蛋白中非蛋白质部分（辅基）通过共价键方式与蛋白质部分相连。各种主要的结合蛋白（如糖蛋白、脂蛋白等），合成后都需要结合相应辅基，成为天然功能蛋白质．五、

蛋白质合成后的靶向输送

蛋白质合成后的去向：

1、保留在胞浆

2、进入细胞核、线粒体等细胞器

3、分泌到体液，再输送到靶器官、靶细胞

靶向输送*（proteintargeting)：蛋白质合成后，定向到达其执行功能的目标地点。信号序列（signalsequence）：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，这类序列称信号序列。合成肽链先由信号序列引导进入内质网（ER)，蛋白质再分别被包装进分泌小泡转移、融合到其他部位或分泌出细胞。蛋白质的靶向输送与修饰反应过程同步完成．分泌性蛋白质*：穿过合成所在的细胞到其他组织细胞去的蛋白质。特点：1、信号肽signalpeptide（Ｎ末端特异ＡＡ序列）

2、多数有一种蛋白质的前身。3、蛋白质的合成和转运同时发生。一、分泌蛋白的靶向输送１.信号肽：未成熟蛋白质的Ｎ端，可被细胞转运系统识别的

特征性氨基酸序列。组成-----约13-36个AA碱性N端、疏水核心区、C端（加工区，临近信号肽酶裂解的部位）

可以被细胞质中的信号识别颗粒(signalrecognitionparticleSRP)识别。信号肽机制:

信号肽识别粒子(signalrecognitionparticles,

SRP）

ER膜上有一种膜蛋白－SRP受体，又称SRP对接蛋白(dockingprotein,DP）1.SRP识别、结合信号肽；2.将正在合成蛋白质的核蛋白体引导到ER膜的胞浆面并与SRP受体结合．

89（二）定位于内质网的蛋白质的C端有滞留信号于内质网上定位的蛋白质肽链的C端含有滞留信号，在高尔基复合体上的内质网蛋白，通过滞留信号序列与内质网上的受体结合，回到内质网。（三）线粒体蛋白的靶向输送

90％以上线粒体蛋白前体在胞液合成后输入线粒体

其中：大部分定位基质N端都有相应其他定位内、外膜或膜间隙信号序列

如前导肽------线粒体基质蛋白前体的N端保守的20－35残基信号序列，富含丝、苏及碱性氨基酸残基。线粒体基质蛋白靶向输送过程如下：①胞液新合成的线粒体蛋白与分子伴侣HSP70或线粒体输入刺激因子（MSF)结合②蛋白质先通过信号序列识别、结合线粒体外膜的受体复合物。③再转运、穿过由线粒体外膜转运体（Tom）和内膜转运体(Tim）共同组成的跨内、外膜蛋白通道。以未折叠形式进入线粒体基质。基质HSP70水解ATP释能及利用跨内膜电化学梯度，为肽链进入线粒体提供动力。④蛋白质前体信号序列被蛋白酶切除，在上述的分子伴侣作用下折叠成有功能的蛋白质．

93（四）质膜蛋白由囊泡靶向转运至细胞膜质膜蛋白通过锚定在内质网膜上，通过内质网膜出芽形成囊泡。囊泡经过高尔基体加工，最终与细胞膜融合形成新的质膜。（五）细胞核蛋白的靶向输送

多种细胞核蛋白在胞液合成后输入核内核定位序列＊（nuclearlocalizationsequence,NLS)所有靶向输送的胞核蛋白多肽链内含有的特异信号序列特点：

4一8ＡＡ残基的短序列，富含带正电的赖、精氨酸及脯氨酸可位于肽链不同部位，而不只在N末端。不同NLS间未发现共有序列。蛋白质进核定位后不被切除。

96第五节

蛋白质生物合成

的干扰和抑制抗生素（antibiotics）是微生物产生的能杀灭细菌或抑制细菌的药物，通过直接阻断细菌蛋白质的合成而起抑菌作用。某些毒素也作用于基因信息传递过程。一、抗生素（作用于翻译的过程）（1）四环素族：抑制AA-tRNA与核糖体结合，真核生物细胞膜对此无通透性。（2）氯霉素及林可霉素：与核蛋白体大亚基结合，影响转肽酶活性，阻止肽链合成。高浓度抑制真核生物线粒体内蛋白质合成。（3）链霉素、卡那霉素：与核蛋白体小亚基结合，改变其构象引起读码错误，合成错误Pr.（4）嘌呤霉素：与Tyr-tRNAtyr相似，进入A位，转肽时易脱落，终止肽链合成，对原核，真核均抑制。用于抗肿瘤（5）放线菌酮：抑制真核生物转肽酶活性。抗生素影响翻译过程的作用点四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线菌酮二、其他干扰蛋白质生物合成的物质

毒素—肽链延长阶段阻断蛋白质合成而

引起毒性；如白喉毒素

干扰素—真核细胞感染病毒后能分泌一类有

抗病毒作用的蛋白质。

可抑制病毒繁殖。

*白喉毒素的作用白喉毒素++延长因子-2（有活性）延长因子-2（无活性）修饰酶，对真核生物EF-2（转位酶）起共价修饰，使其失活。NAD+*干扰素的作用干扰素诱导的蛋白激酶ATPeIF2ADPeIF2-PdsRNAPi1.干扰素诱导eIF2磷酸化磷酸酶2.干扰素诱导病毒RNA降解dsRNA干扰素AAPAPPPP2

5

2

5

5

2

-5

A(2

-5

聚腺苷酸

)RNaseLRNaseL降解病毒mRNA2’-5’A合成酶APPPATP练习题1．蛋白质生物合成的方向是()。

①从C→N端

②定点双向进行

③从N端、C端同时进行

④从N→C端

1．④

7．tRNA的作用是()。

①将一个氨基酸连接到另一个氨基酸上

②把氨基酸带到mRNA位置上

③将mRNA接到核糖体上

④增加氨基酸的有效浓度

7．②

8．关于核糖体的移位，叙述正确的是()

①空载tRNA的脱落发生在“A”位上

②核糖体沿mRNA的3’→5’方向相对移动

③核糖体沿mRNA的5’→3’方向相对移动

④核糖体在mRNA上一次移动的距离相当于二个核苷酸的长度8．③9．在蛋白质合成中，下列哪一步不需要消耗高能磷酸键()。①肽基转移酶形成肽键

②氨酰一tRNA与核糖体的“A，’位点结合③核糖体沿mRNA移动④fMet—tRNAf与mRNA的起始密码子结合以及与大、小亚基的结合9．①18.Shine-Dalgarno顺序(SD-顺序)是指:()①在mRNA分子的起始码上游8-13个核苷酸处的顺序

②在DNA分子上转录起始点前8-13个核苷酸处的顺序

③16srRNA3'端富含嘧啶的互补顺序

④启动基因的顺序特征

⑤以上都正确18.①19.在研究蛋白合成中,可利用嘌呤霉素,这是因为它:()①使大小亚基解聚

②使肽链提前释放

③抑制氨基酰-tRNA合成酶活性

④防止多核糖体形成

⑤以上都正确19.②20.氨基酰tRNA合成酶：()①活化氨基酸的氨基

②利用GTP作为活化氨基酸的能量来源③催化在tRNA的5’磷酸与相应氨基酸间形成酯键④每一种酶特异地作用于一种氨基酸及相应的tRNA⑤以上都不正确20.④是非题2．密码子在mRNA上的阅读方向为5’→3’。()2．√3．每—种氨基酸都有两种以上密码子。()3．×6．大肠杆菌的核糖体的小亚基必须在大亚基存在时，才能与mRNA结合。()6．×7．大肠杆菌的核糖体的大亚基必须在小亚存在时，才能与mRNA结合。()7．√12．AUG既可作为fMet-tRNAf和Met-tRNAi的密码子，又可作为肽链内部Met的密码子。()12．√13．构成密码子和反密码子的碱基都只是A、U、