第16章蛋白质的生物合成

蛋白质的生物合成

（翻译）

ProteinBiosynthesis，Translation第十四章蛋白质的生物合成，即翻译，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。DNA:ATGCATGCATGCRNA:AUGCAUGCAUGCPROTEIN:aa1aa2aa3aa4什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列呢？如何实现碱基序列到氨基酸序列的转变？（一）

RNA在蛋白质合成中作用20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,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转运RNA）一、翻译模板mRNA及遗传密码mRNA是遗传信息的携带者mRNA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(tripletcoden)。终止密码(terminationcoden):

UAA，UAG，UGA遗传密码表目录1.连续性(commaless)遗传密码的特点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。基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)。2.简并性(degeneracy)指一种氨基酸可由2种或2种以上密码子编码的现象.遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸（AUG）仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。目录丙氨酸:GCUGCCGCAGCG苏氨酸:ACUACCACAACG作用:①它除了能降低突变所造成的损害外，②还可减少所需的tRNA种类。

偏爱性:在不同生物翻译中,对同一氨基酸的几组密码,可表现选择某些密码优先使用的特性3.通用性(universal)蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

4.摆动性(wobble)（变偶性）转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。主要是密码的第三个碱基配对非特异。U摆动配对目录反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。

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,GC,UUG二、tRNA与氨基酸的活化反密码环氨基酸臂tRNA的三级结构示意图氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化第一步反应氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋AMP＋PPi

第二步反应氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E

tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA三、核蛋白体是多肽链合成的装置目录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S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S23S-rRNA18S-rRNA28S-5S-5.8S-rRNA蛋白质rpS21种rpL34种rpS33种rpL49种

不同细胞核蛋白体的组成

核糖体包括如下部位：容纳mRNA的部位结合氨基酰tRNA的部位（A－位点）结合肽酰tRNA的部位（P－位点）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)核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：

1．小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。

2．大亚基：（1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右）——

受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）——给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。（2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。（3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。

（4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。

在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。

多聚核蛋白体(polysome)——使蛋白质合成高速、高效进行。目录电镜下的多聚核蛋白体现象目录蛋白质生物合成过程

TheProcessofProteinBiosynthesis

（二）氨基酸活化与搬运(activation&transport)翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination)整个翻译过程可分为：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。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)一、氨基酸的活化一、肽链合成起始

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(translationalinitiationcomplex)。原核、真核生物各种起始因子的生物功能（一）原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核蛋白体大亚基结合。IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离目录AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合目录S-D序列IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'目录IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'目录IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目录（三）真核生物蛋白质合成起始因子较多，eIF2，eIF3等80S核糖体，(60S，40S）起始氨基酸Met-tRNAmet起始复合物形成过程不同mRNA在核蛋白定位与帽子结构有关真核生物翻译起始复合物形成：1.核蛋白体大小亚基分离2.起始氨基酰tRNA结合3.mRNA在核糖体小亚基上定位

(帽结合因子)4.核蛋白体大亚基结合二、肽链合成延长指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation)延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)

EF-G原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-αEF-Ts调节亚基EF-1-βγEFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子又称注册(registration)（一）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。

目录TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目录（二）成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。（三）转位延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体沿mRNA的移动,从而使下一个密码子暴露。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目录进位转位成肽

三、肽链合成的终止当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，这些过程称为肽链合成终止。

终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA;RF-3有GTP酶活性,能促进RF-1,2与核蛋白体结合.二是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

真核生物释放因子：eRF原核肽链合成终止过程脱落的先后顺序:1.肽链脱落2.tRNA脱落3.mRNA脱落4.大小亚基分离五、蛋白质合成后加工和输送从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。多肽链折叠为天然的三维结构肽链一级结构的修饰高级结构修饰一、多肽链折叠为天然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、蛋白辅助。几种有促进蛋白折叠功能的大分子1.蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)2.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)3.分子伴侣(molecularchaperon)新生肽链的折叠1.热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族2.伴侣素(chaperonins)GroEL和GroES家族分子伴侣分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，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。热休克蛋白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。HSP40结合待折叠多肽片段HSP70-ATP复合物HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物ATP水解GrpEATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程伴侣素的主要作用——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。蛋白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蛋白、膜蛋白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。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。目录肽-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。二、一级结构的修饰（一）肽链N端的修饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰1．N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。①去甲酰化：

脱甲酰化酶甲酰蛋氨酸-肽甲酸+蛋氨酸-肽

②去蛋氨酰基：

蛋氨酸氨基肽酶

蛋氨酰-肽

蛋氨酸

+肽

2．个别氨基酸的共价修饰：

某些蛋白质肽链中存在共价修饰氨基酸,是肽链合成后特异加工产生的。如酪蛋白的某些丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸被磷酸化,某些凝血因子中谷氨酸残基的γ-羧基化等。这些都是由专一性的酶催化进行修饰，包括磷酸化、羟基化、糖基化、甲酰化等。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、高级结构的修饰（一）亚基聚合

（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接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。

四、蛋白质合成后的靶向输送•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，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。信号序列是决定蛋白质靶向输送最重要元件。•信号序列(signalsequence)靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白信号肽内质网腔蛋白信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)线粒体蛋白N端靶向序列（20～35氨基酸残基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T抗原）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（一）分泌蛋白的靶向输送真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。

信号肽(signalpeptide)各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。人生长激素

MATGSRTSLLLAFGLLCLPWLQEGSAPPT人胰岛素原

MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAAFVN牛血清蛋白原

MKWVTFISLLLFSSAYSRGV小鼠抗体H链式反应

MKVLSLLYLLTAIPHIMSDVQ鸡溶菌酶

MKSLLILVLCFLPKLAALGKVF蜂素蛋白

MKFLVNVALVFMVVYISYIYAAPE果蝇胶蛋白

MKLLVVAVIACMLIGFADPASGCKD玉米蛋白19MAAKIFCLIMLLGLSASAATASIF酵母转化酶

MLLOAFLFLLAGFAAKISASMT人流感病毒AMKAKLLVLLYAFVAGDQI切点

一些真核细胞多肽氨基端的信号肽结构信号肽的识别过程（四）蛋白质合成与医学一分子病指蛋白质分子氨基酸序列异常的遗传病。镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val

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C肽链CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亚基N-val

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C肽链CTCGAG基因疯牛病，羊瘙痒病

Kuru，CJD羊瘙痒病Madcow新几内亚Kuru病疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。一、抗生素类(antibiotics)是微生物在代谢过程中产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。抗生素可以通过直接阻断细菌蛋白质的生物合成而起抑菌作用。抗生素作用点作用原理应用四环素族（金霉素新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、氯霉素、林可霉素红霉素梭链孢酸

放线菌酮嘌呤霉素原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体大亚基原核核蛋白体大亚基原核核蛋白体大亚基真核核蛋白体大亚基真核、原核核蛋白体抑制氨基酰-tRNA与小亚基A位结合能和小亚基结合，改变构象引起读码错误、抑制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位与EFG-GTP结合，抑制肽链延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰-tRNA类似物，进位后引起未成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究抗肿瘤药抗生素抑制蛋白质生物合成的原理四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线菌酮目录

嘌呤霉素作用示意图二、毒素类蛋白质合成抑制剂细菌毒素：如白喉毒素，绿脓毒素、志贺氏毒素，多作用于延伸阶段。白喉毒素（diphtheriatoxin)61kD蛋白质，有A、B两个亚基白喉杆菌，侵入呼吸道黏膜，产生毒素，抑制细胞蛋白质合成，引起上皮细胞坏死，纤维蛋白渗出及白细胞侵润。0.05μg足以使一只豚鼠毙命。白喉毒素(diphtheriatoxin)的作用机理白喉毒素++延长因子-2（有活性）延长因子-2（无活性）NAD＋植物毒素蓖麻毒素(ricin)，可与真核生物核糖体60S亚基结合，(催化大亚基中28SrRNA的特异性腺苷酸发生脱嘌呤基反应，引起60S大亚基失活)抑制延伸，从而阻断真核生物蛋白质的合成。毒力为氰化钾的6000倍。极少量约500微克的蓖麻毒素就足以殺死一个成年人。

三、其他干扰蛋白质生物合成的物质干扰素(interferon)：是真核细胞感染病毒后分泌的一种具有抗病毒作用的蛋白质，可以抑制病毒繁殖，保护细胞。分为α-(白细胞)型、β(成纤维细胞)型、γ（淋巴细胞）型三大类。干扰素的作用机理干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA1.干扰素诱导eIF2磷酸化而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）Pi磷酸酶2.干扰素诱导病毒RNA降解（间接活化核酸内切酶使mRNA降解）dsRNA干扰素AAP