生物化学-第十二章 蛋白质生物合成

第十一章

蛋白质的生物合成〔翻译〕

ProteinBiosynthesis,Translation第一节蛋白质生物合成体系第二节蛋白质生物合成过程第三节蛋白质合成后加工和输送

第一节蛋白质生物合成体系

翻译的模板：DNA----原始模板

RNA----直接模板

翻译的场所：核蛋白体〔细胞质〕

翻译过程分为起始、延长、终止三个阶段。概述

翻译〔translation〕：即蛋白质的生物合成，就是将核酸中由4种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一级结构中20种氨基酸的排列顺序。简言之，就是生物体以mRNA为模板合成蛋白质的过程。翻译〔蛋白质的生物合成〕所需物质:以氨基酸为原料以mRNA为模板以tRNA为运载工具以核糖体为合成场所起始、延长、终止各阶段蛋白因子、ATP和GTP、无机离子参与合成后加工成为有活性蛋白质一、遗传密码和mRNA二、tRNA三、核糖体四、辅助因子遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。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)

。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)

。

一、翻译模板mRNA及遗传密码

mRNA是遗传信息的携带者原核细胞mRNA的结构特点5´3´顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序AGGAGGUSD区特点半衰期短许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在AUG作为起始密码；AUG上游7～12个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区，16SrRNA3’-端反向互补而使mRNA与核糖体结合。真核细胞mRNA的结构特点

5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-N-3´p帽子结构功能使mRNA免遭核酸酶的破坏使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。Poly(A)尾巴的功能是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性

AAAAAAA-OH遗传密码:DNA〔或mRNA〕中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。密码子mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个连续的核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为密码子〔codon〕或三联体密码(tripletcoden)。第三个字母UCAG密码子的特点：★★1、连续性编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉，如mRNA链上的碱基发生插入或缺失，可造成框移突变。

开放读码框：

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，称为开放读码框〔openreadingframe,ORF〕

2、密码的简并性：

是指一种氨基酸有２个或２个以上的密码子为之编码的现象。反密码子与密码子之间的碱基配对AUCG反密码子第一位碱基密码子第三位碱基GUCUAGIUCA3、密码的摆动性〔变偶性〕：密码子与反密码子配对出现不严格遵守常见的碱基配对规律的情况，称为摆动配对

密码子与反密码子的摆动配对反密码子与密码子的相互作用

前二对严格碱基配对

第三对摆动配对密码

mRNA5’3’3’5’反密码

tRNAGCUCGICAtRNA的反密码子与mRNA分子上的密码子摆动配对123123人线粒体中变异的密码子UGA终止信号TrpAUAIleMetAGAArg终止信号AGGArg终止信号密码子正常情况下编码线粒体DNA编码4、密码的通用性和变异性

二.氨基酸的“搬运工具〞----tRNA

作用★★是氨基酸的特异“搬运工具〞1A.A----2~6特异tRNA起“接合器〞作用和mRNA摆动配对种类起始tRNA---tRNAimet只能识别翻译起始信号AUG只能结合于核糖体的肽位普通tRNA----tRNAmet在翻译延长中发挥作用只能结合于核糖体的氨基酰位2、起始tRNA与普通tRNA原核生物起始tRNA延长tRNA真核生物起始tRNA延长tRNA起始密码只能识别甲酰甲硫氨酸〔fMet)fMet-tRNAifmet延长识别Met时为Met-tRNAmet起始密码只能识别甲硫氨〔Met)Met-tRNAimet延长识别Met时为Met-tRNAemet三、核糖/蛋白体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-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质rpS21种rpL36种rpS33种rpL49种

原核、真核核蛋白体的组成

★★第二节蛋白质生物合成过程翻译过程分为活化起始、延长终止和释放修饰一、tRNA与氨基酸的活化

〔一〕氨基酰-tRNA合成酶

tRNA的3’末端-CCA-OH是氨基酸的结合位点，tRNA的功能是转运氨基酸。

1.tRNA携带氨基酸的反响如下:〔氨基酸的活化〕

此反响可分为两步完成：

氨基酸+ATP-E→氨基酰-AMP-E+PPi

氨基酰-AMP-E+tRNA→氨基酰-tRNA+AMP+E氨基酸+tRNA氨基酰-tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATPAMP+PPi2.氨基酰-tRNA合成酶的作用特点★★

a.对aa、tRNA两种底物有高度特异性;

b.有校正活性，当发生错配时，可以水解酯键，再重新与正确的底物结合。

3.氨基酰-tRNA的书写

(1)氨基酰-tRNA完整的写法是：

ala-tRNAala；met-tRNAemet；fmet-tRNAfmet等。

(2)各种氨基酰-tRNA的生成反响如下：

gly+tRNAgly+ATP→gly-tRNAgly+AMP+PPi

met+tRNAemet+ATP→met-tRNAemet+AMP+PPi

〔二〕起始肽链合成的氨基酰-tRNA

密码子AUG为甲硫氨酸〔Met〕编码，同时作为起始密码。

与甲硫氨酸结合的tRNA，真核生物中至少有两种：tRNAimet和tRNAemet；原核生物的起始密码只能识别甲酰化的甲硫氨酸，即N-甲酰甲硫氨酸〔fMet〕。

二、肽链合成起始

肽链合成起始阶段，是指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。需要起始因子〔IF或eIF〕和ATP、GTP参与。

〔一〕原核翻译起始复合物形成(图)

1.蛋白体大、小亚基别离。

2.mRNA在小亚基定位结合；

S-D序列：又称核蛋白体结合位点(ribosomalbindingsite,RBS)是mRNA起始密码上游的一段富含嘌呤核苷酸的序列，该序列以…AGGA…为核心。〔图1〕

3.起始氨基酰-tRNA在小亚基上就位；

4.核蛋白体大亚基结合。PuPu〔二〕真核生物翻译起始复合物形成

1.核蛋白质体大小亚基的别离；

2.起始氨基酰-tRNA结合；

3.mRNA在核蛋白质体小亚基确实定;(图)

4.核蛋白质体大亚基结合。〔图〕

eIF2是真核肽链合成调节的关键成分。三、肽链的延长

肽链合成的延长是根据mRNA密码序列的指导,依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链,直到合成终止的过程。由于肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称核蛋白体循环(ribosomalcycle)，每次核蛋白体循环肽链增加一个氨基酸。

需要延长因子、各种酶和GTP参与。

原核生物延长因子：EF-T〔EF-Tu、EF-Ts〕

EF-G

真核生物延长因子：EF-1、EF-2

翻译延长因子核蛋白体循环分三个步骤：★★

1.进位(entrance)

2.成肽(peptidebondformation)

3.转位(translocation)

核蛋白体阅读mRNA密码子的方向是5’→3’，肽链合成从N→C端进行的。需ＥＦ－Ｔ参与。成肽反响在Ａ位上进行。肽键的形成〔三〕转位

延长因子EF-G有转位酶活性，可结合并水解１分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的３’侧移动。四、肽链合成的终止

当核蛋白体Ａ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、小亚基等别离，这些过程称为肽链合成终止〔termination〕。

需要释放因子〔RF〕的参与。

原核生物RF：RF-1、RF-2、RF-3

真核生物RF：eRF

释放因子的功能：

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。IFRF1RF2RF3GTPGDP+PiUCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸

核糖体细胞质中的mRNA

与核糖体结合.细胞质中单击画面继续UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸

tRNA上的反密码子与

mRNA上的密码子互补配对.细胞质中单击画面继续UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸细胞质中

tRNA将氨基酸转运到

mRNA上的相应位置.单击画面继续UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸缩合细胞质中

两个氨基酸分子缩合单击画面继续UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸

核糖体随着

mRNA滑动.另一个

tRNA上的碱基与mRNA上的密码子配对.

细胞质中单击画面继续UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸一个个氨基酸分子缩合成链状结构细胞质中单击画面继续UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸

tRNA离开，再去转运新的氨基酸细胞质中单击画面继续UCAUGAUUAAUG

亮氨酸

天冬氨酸

异亮氨酸以mRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质.细胞质中单击画面继续肽链合成的起始30S亚基•mRNAIF3-IF1复合物30S•mRNA•GTP-fMet–tRNA-IF2-IF1复合物70S起始复合物codonanticodonA位P位

mRNA

+30S亚基-IF3A位IF-35

3

IF2GTPP位IF3IF2IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S亚基IF2+IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始复合物肽链的延长12122323进位肽键形成移位进位(Tu\Ts)GTPGTPN-端235´3´C-端肽键形成15´3´〔EF-G〕肽链合成的终止及释放

〔1〕释放因子RF1或RF2进入核糖体A位。〔2〕多肽链的释放〔3〕70S核糖体解离5

3

UAG30S亚基50S亚基5

3

UAGtRNARF多核糖体在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3’端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合，向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率

第三节蛋白质合成后加工和输送

一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质

二、一级结构的修饰

三、空间结构的修饰

四、蛋白质合成后的靶向输送一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质

几种有促进蛋白折叠功能的大分子：

１、分子伴侣〔molecularchaperon〕

２、蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)

３、肽－脯氨酰顺反异构酶(peptideprolylcis-isomerase,PPI)多肽链的折叠与加工1.氨基末端和羧基末端的修饰2.信号序列的切除3.氨基酸残基的修饰4.糖侧链的连接5.辅基的参加6.蛋白酶的水解7.二硫键的形成8.受抗生素及毒素的抑制分子伴侣：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。

１、热休克蛋白〔heatshockprotein,HSP〕

HSP70、HSP40和GreE家族

２、伴侣素〔chaperonins〕

GroEL和家族GroES

二、一级结构的修饰

〔一〕肽链N-端的修饰

〔二〕个别氨基酸的共价修饰

〔三〕多肽链的水解修饰

三、空间结构的修饰

〔一〕亚基聚合

〔二〕辅基连接

〔三〕疏水脂链的共价修饰

四、蛋白质合成后的靶向输送

蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的目标地点，这一过程称为蛋白质的靶向输送〔proteintargeting〕。

所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号