生物化学 课件 第十一章第三节 蛋白质的生物合成

第十一章基因信息的传递与表达第三节蛋白质的生物合成(翻译)翻译（Translation）：mRNA以分子中4种核苷酸编码的遗传信息指导蛋白质多肽链合成的过程。基因表达（Geneexpression）：基因通过转录、翻译等过程合成具有生物功能活性的蛋白质的过程。一、蛋白质生物合成体系原料：20种编码氨基酸RNAmRNAtRNArRNA有关的酶和某些蛋白质因子无机离子及能源物质ATP、GTP（一）原料20种编码氨基酸(二）三种RNA1.mRNA

作用：mRNA是蛋白质生物合成的直接模板。密码子：mRNA分子上从5′至3′的方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个特定的氨基酸(或蛋白质合成的起始、终止信号)，称为三联体密码，即遗传密码，也称密码子（codon）。起始密码：AUG不仅代表甲硫氨酸（蛋氨酸），同时还代表蛋白质生物合成的起始终止密码：UAA、UAG、UGA三种密码是蛋白质生物合成的三个终止信号。遗传密码表

密码子的第一个字母密码子的第二个字母遗传密码的特点：（1）方向性（2）连续性（3）简并性（4）通用性（5）摆动性（1）方向性密码子及组成密码子的各核苷酸在mRNA序列中的排列具有方向性，翻译时的阅读方向只能是5ˊ→3ˊ。这种方向性决定了蛋白质的生物合成时多肽链从N端到C端的氨基酸顺序。（2）连续性mRNA序列上的各个密码子及密码子的各核苷酸是连续排列的，密码子及密码子的各个核苷酸之间没有间隔，每个核苷酸只读一次，不重叠阅读，直至遇到终止密码为止。（3）简并性一种氨基酸可具有两个或两个以上的密码子为其编码。（4）通用性生物界的所有生物，几乎都通用这一套密码表。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。但在1979年发现线粒体的遗传密码与通用密码表有区别，1980年又发现不同生物的线粒体密码也不尽相同。可见遗传密码并非绝对通用。（5）摆动性tRNA上反密码子的第1位核苷酸上的碱基与mRNA密码子的第3位核苷酸上的碱基配对时，可以在一定范围内变动，这种并不严格遵循碱基配对规律的现象称为摆动性。密码子与反密码子的摆动配对关系反密码的第一位碱基IUGAC密码的第三位碱基U、C、AA、GU、CUG摆动配对U2.tRNA

作用：tRNA是转运氨基酸的工具。两个关键部位：

3′端-CCA-OH：与特定的氨基酸结合，在氨基酰-tRNA合成酶的作用下，生成氨基酰-tRNA。反密码：通过碱基互补配对原则与mRNA上的密码配对结合，达到相互识别的目的。密码子与反密码的配对

3.rRNA

作用：蛋白质生物合成的场所

（三）参与蛋白质生物合成的重要酶类氨基酰-tRNA合成酶转肽酶转位酶（四）辅助因子

起始因子：IF-1：防止tRNA过早地结合到A位。IF-2：促进fMet-tRNAfMet（原核生物起始tRNA携带N-甲酰甲硫氨酸）结合到小亚基。IF-3：结合小亚基，防止它过早地与大亚基结合，并提高P位对fMet-tRNAfMet的专一性。2.延伸因子：EF-Tu:促进氨基酰-tRNA进入核糖体的“A位”，结合并分解GTP。EF-Ts:调节亚基。EF-G:催化tRNA的移位和多肽延伸的每个循环后期mRNA从核糖体上掉下来。3.释放因子：RF-1：能识别终止密码子UAA和UAG，并诱导转肽酶为酯酶活性，使肽链从核糖体上释放出来。RF-2：能识别终止密码子UAA和UGA，并诱导转肽酶为酯酶活性，使肽链从核糖体上释放出来。RF-3：当终止蛋白质合成时，它使得因子RF-1和RF-2从核糖体上释放。二、蛋白质生物合成的基本过程（一）氨基酸的活化与转运（二）肽链合成的起始（三）肽链合成的延长（四）肽链合成的终止（一）氨基酸的活化与转运分散在胞液中的各种氨基酸化学性质比较稳定，需要活化并由tRNA转运至核糖体才能参与蛋白质的生物合成。由氨基酸的α-羧基与tRNA的3’-羟基形成酯键。（二）肽链合成的起始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AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'3.起始氨基酰tRNA与小亚基结合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5'3'4.核蛋白体大亚基结合IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi（三）肽链合成的延长指按照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。肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：进位成肽转位

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。

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP2.转肽在转肽酶催化下，形成肽键的过程。

3.移位在Mg2+、EF-G和GTP参与下，核糖体沿模板mRNA的5′→3′方向移动一个遗传密码的距离，于是A位上的二肽酰-tRNA从A位移到P位，A位空出，下一个氨基酰-tRNA通过碱基互补配对再次进入A位。

fMetAUG5'3'fMetTuGTP进位转位成肽

每进行一次核糖体循环（进位、转肽、移位），可形成一个肽键，肽链中就增加一个氨基酸残基。如此反复进行，肽链就会按mRNA密码顺序不断延长。

（四）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。

原核肽链合成终止过程

UAG5'3'RFCOO-蛋白质生物合成是一个耗能过程。若从氨基酸活化算起，肽链每增加一个氨基酸单位就要消耗4个高能磷酯键。

活化消耗2个高能磷酸键（ATP水解成为AMP），进位和移位各消耗1个GTP。临床上，对于蛋白质合成旺盛的人如婴幼儿和恢复期的病人，应供给足够的能量，才有利于体内蛋白质的合成。三、翻译后的加工修饰新生肽链的折叠肽链N端的修饰个别氨基酸的修饰多肽链的水解修饰亚基的聚合辅基连接疏水脂链的共价连接1.新生肽链的折叠新合成的多肽链经过折叠形成一定的空间结构才能有生物学活性。肽链的折叠是在折叠酶(foldase)或分子伴侣(molecularchaperone)的参与下完成。分子伴侣是一个结构上互不相同的蛋白质家族，它们能识别肽链的非天然构象，促进蛋白质正确折叠。折叠酶包括蛋白质二硫键异构酶和肽酰脯氨酰顺反异构酶。蛋白质二硫键异构酶可促进天然二硫键的形成。肽酰脯氨酰顺反异构酶可促进顺反两种异构体之间的转换，使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确的折叠。2.肽链N端的修饰

在蛋白质合成的起始阶段，由于mRNA起始密码的指导，肽链N端氨基酸总是甲酰化的甲硫氨酸，但天然蛋白质N端很少以甲硫氨酸为第一位氨基酸。因此，通过细胞内脱甲酰基酶或氨基肽酶的作用，切除N端甲酰基、甲硫氨酸或在N端附加序列。3.个别氨基酸的修饰某些蛋白质肽链中存在共价修饰的氨基酸残基，是肽链合成后特异加工产生的，蛋白质的正常生物学功能依赖于这些翻译后修饰。例如，某些氨基酸残基上发生磷酸化、羟基化、甲基化等。4.多肽链的水解修饰

有些多肽链需经水解后才有活性。例如，前胰岛素原（100肽），先水解生成胰岛素原(86肽)，再水解掉30多个氨基酸残基构成的C肽后，才形成有活性的胰岛素；256个氨基酸残基的鸦片促黑皮质激素，经水解修饰后能生成促肾上腺皮质激素（39肽）、β-促黑激素（18肽）、β-内啡肽（11肽）、β-脂酸释放激素（91肽）等活性物质。5.亚基的聚合寡聚蛋白常由多个亚基构成，每个亚基在折叠成三级结构后，通过非共价键缔合形成具有四级结构的蛋白质。6.辅基连接结合蛋白质的辅基也是翻译后加上去的。例如，血红蛋白4条多肽链各自与1分子血红素辅基结合后才形成有活性的血红蛋白。7.疏水脂链的共价连接某些蛋白质，如Ras蛋白、G蛋白等，合成后需要在肽链特定位点共价连接一个或多个疏水性强的脂链，才能成为具有生物功能的蛋白质。四、蛋白质合成与医学的关系

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。它们主要是通过阻断真核、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。（一）蛋白质生物合成的阻断剂1.抗生素类阻断剂2.毒素类阻断剂（二）干扰素抗病毒感染1.抗生素类阻断剂常见抗生素抑制翻译过程的原理与应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）原核小亚基抑制氨基酰-tRNA与小亚基结合抗菌药链霉素、卡那霉素原核小亚基改变构象引起读码错误、抑制起始抗菌药氯霉素、林可霉素原核大亚基抑制转肽酶、阻断延长抗菌药红霉素原核大亚基抑制转肽酶、妨碍转位抗菌药梭链孢酸原核大亚基与EFG-GTP结合，抑制肽链延长抗菌药放线菌素原核大亚基抑制转肽酶、阻断延长医学研究嘌呤霉素真核、原核核糖体氨基酰-tRNA类似物，进位后引起未成熟肽链脱落抗肿瘤药伊短菌素、螺旋霉素真核、原核核糖体引起mRNA在核糖体上的错位，阻断翻译起始复合物的合成抗菌药2.毒素类阻断剂

抑制人体蛋白质合成的毒素常见有细菌毒素与植物毒素。典型细菌毒素有白喉棒状杆菌所产生的。白喉毒素对真核生物的延长因子-2（eEF-2）起共价修饰作用，生成eEF-2腺苷二磷酸核糖衍生物，从而使eEF-2失活。白喉毒素毒性极强，只需微量就能有效地抑制细胞整个蛋白质合成，而导致细胞死亡。常见植物毒素有红豆中含的红豆碱（abrin）和蓖麻籽所含的蓖麻蛋白（ricin）。它们都可与真核生物核糖体结合，抑制肽链延长，从而抑制人体蛋白质的合成。