动物生物化学：蛋白质的生物合成

蛋白质的生物合成

（翻译）

ProteinBiosynthesis，Translation

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。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,核糖体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）一、翻译模板mRNA及遗传密码mRNA是遗传信息的携带者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)

。

原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核糖体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP5

3

蛋白质PPPmG-5

3

蛋白质目录遗传密码的破译遗传密码：DNA或mRNA中的核苷酸序列与多肽链中的氨基酸序列之间的对应关系。指DNA或由其转录的mRNA中决定其编码的蛋白质氨基酸排列顺序的核苷酸排列信息。

1968年生理学或医学奖mRNA上存在遗传密码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)。起始密码(initiationcoden):AUG

终止密码(terminationcoden):UAA，UAG，UGA

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)。

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。2.偏爱性(preference)

3.简并性(degeneracy)遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。4.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。

二、核糖体是多肽链合成的装置原核生物真核生物核糖体小亚基大亚基核糖体小亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质rpS21种rpL34种rpS33种rpL49种

不同细胞核糖体的组成核糖体的组成目录原核生物翻译过程中核糖体结构模式:A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)目录

三、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

摆动性(wobble)转运氨基酸的tRNA的反密码子需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码子与密码子间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。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

＋PPi

目录第二步反应氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E目录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，直至终止密码子出现。四、蛋白质生物合成过程(一）肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)。原核生物翻译起始复合物形成核糖体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核糖体大亚基结合。S-D序列

IF-3IF-11.核糖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.核糖体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'目录IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目录真核生物翻译起始复合物形成核糖体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核糖体小亚基就位；核糖体大亚基结合。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程（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。肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，又称为核糖体循环(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真核生物：EF-1、EF-2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-βγEF-G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进入核糖体A位。

目录延长因子EF-T催化进位（原核生物）

目录TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目录2成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。

3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，促进核糖体向mRNA的3'侧移动。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目录进位转位成肽真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。另外，真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。真核生物延长过程（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、核糖体等分离，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)识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。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

UAG5'3'RFCOO-目录多聚核糖体(polysome)——使蛋白质合成高速、高效进行。目录电镜下的多聚核糖体现象目录（四）蛋白质的加工1蛋白质折叠新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核糖体上一出现，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、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.分子伴侣(molecularchaperon)

热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族伴侣素(chaperonins)GroEL和GroES家族2.酶类蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)

肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)蛋白质的修饰1）肽链N端的修饰2）氨基酸侧链的修饰3）多肽链的水解修饰4）糖基化修饰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)(首先要进入内质网)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)各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。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信号肽的一级结构信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网

目录抗生素作用点作用原理应用四环素族（金霉素、土霉素）氨基糖苷类（链霉素卡那、新霉素）氯霉素、林可霉素大环内酯类(红霉素）梭链孢酸

放线菌酮嘌呤霉素原核30S原核30S原核50S原核50S原核50S真核60S真核、原核核糖体抑制氨基酰-tRNA与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红霉素目录

嘌呤霉素作用示意图1喹诺酮类（诺氟沙星、氧氟沙星、环丙沙星、氧氟沙星、沙拉沙星）：作用于拓扑异构酶2的A亚基，抑制其切口和封口功能，阻碍细菌蛋白质的合成2嘌呤和嘧啶的类似物（6-巯基嘌呤、5-F尿嘧啶、5-Br尿嘧啶）：抑制RNA或DNA的合成3DNA模板的抑制剂：

1）烷化剂（氮芥、磺酸酯）：鸟嘌呤的N7上

2）放线菌素D：与模板DNA非共价结合

3）嵌入染料（吖啶橙、吖啶黄、原黄素）：4RNA聚合酶抑制剂

1）利福霉素、利福平：原核生物

2）a-鹅膏蕈碱：真核生物其他抑菌物质：原核生物基因的表达调控－操纵子模型所谓操纵子（operon）是指原核生物基因表达的调节序列或功能单位，有共同的控制区（controlregion）和调节系统（regulationsystem）。操纵子包括在功能上彼此相关的结构基因及在结构基因前面的控制部位，控制部位由调节基因（regulatorygene）、启动子（promoter,P）和操纵基因（operator,O）组成。一个操纵子的全部基因都排列在一起，其中调节基因可远离结构基因，控制部位可接受调解基因产物的调节。乳糖操纵子的结构大肠杆菌乳糖操纵子（lacoperon）是第一个被发现的操纵子，它由依次排列的调节基因、启动子、操纵基因和3个相连的编码利用乳糖的酶的结构基因组成。结构基因lacZ编码分解乳糖的ß-半乳糖苷酶，lacY编码吸收乳糖的ß-半乳糖苷透性酶，lacA编码ß-半乳糖苷乙酰基转移酶。三个结构基因组成的转录单位转录出一条mRNA，指导三种酶的合成。乳糖操纵子学说（LacOperonTheory）

一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因组成一个操纵子。调节基因编码调节蛋白，调节蛋白与操纵基因结合，从而调控结构基因的表达。乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性的调节蛋白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，解除对β-半乳糖苷酶基因（结构基因）的抑制，开始表达。如果去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因DNA结合，将β-半乳糖苷酶基因关闭。但这种关闭或开启并不是100%。乳糖、异乳糖及半乳糖苷化合物如异丙基硫代-β-D-半乳糖苷（isopropylthio-β-D-galactoside，IPTG）都可作为乳糖操纵子的诱导物。IPTG是常用的一种诱导剂，不是乳糖的代谢产物。分解代谢产物激活蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP），现在称为cAMP受体蛋白（cAMPreceptorprotein，CRP）

琼脂糖是从琼脂中提纯出来的，主要是由D－半乳糖和3,6脱水L－半乳糖连接而成的一种线性多糖。琼脂糖凝胶的制作是将干的琼脂糖悬浮于缓冲液中，通常使用的浓度是1％－3％，加热煮沸至溶液变为澄清，注入模板后室温下冷却凝聚即成琼脂糖凝胶。在pH值为8.0~8.3时，核酸分子碱基几乎不解离，磷酸全部解离，核酸分子带负电，在电泳时向正极移动。采用适当浓度的凝胶介质作为电泳支持物，在分子筛的作用下，使分子大小和构象不同的核酸分子泳动率出现较大的差异，从而达到分离核酸片段检测其大小的目的。琼脂糖凝胶电泳原理

核酸分子中嵌入荧光染料（如EB）后，在紫外灯下可观察到核酸片段所在的位置。琼脂糖主要在DNA制备电泳中作为