第38章蛋白质合成及转运

1、第第3838章章 蛋白质合成及转运蛋白质合成及转运 蛋白质合成的分子基础蛋白质合成的分子基础 翻译的步骤翻译的步骤 蛋白质的运输及翻译后修饰蛋白质的运输及翻译后修饰*翻译（翻译（translation）指以新生的）指以新生的mRNA为模板，为模板，把核酸中把核酸中由由A、G、C、U四种符号组成的遗传信息，破译为蛋白质四种符号组成的遗传信息，破译为蛋白质分子中分子中20种氨基酸排列顺序。种氨基酸排列顺序。 模板模板：mRNA 原料原料：20种编码氨基酸种编码氨基酸 氨基酸运载体氨基酸运载体：tRNA 场所场所：核蛋白体：核蛋白体 酶酶：氨基酰：氨基酰-tRNA合成酶合成酶、转、转肽酶肽酶 蛋白质

2、因子蛋白质因子：IF、EF、RF 能量能量（ATP、GTP）（一）（一）mRNA是是蛋白质合成的模板蛋白质合成的模板Start of genetic messageCapEndTail5 -端非翻译区端非翻译区 5 3 3 -端非翻译区端非翻译区 开放阅读框架开放阅读框架 从从mRNA 5 -端起始密码子端起始密码子AUG到到3 -端终止密端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。一、蛋白质合成的分子基础一、蛋白质合成的分子基础遗传密码遗传密码开放阅读框架内每开放阅读框架内每3个碱基组成的三联体，决个

3、碱基组成的三联体，决定一个氨基酸，称为遗传密码。定一个氨基酸，称为遗传密码。起始密码子起始密码子(initiation codon)：AUG终止密码子终止密码子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA密码子（密码子（codon）起始密码子和终止密码子：起始密码子和终止密码子：遗传密码的破译遗传密码的破译 1954年年Gamov对遗传密码进行探讨，提出三联体对遗传密码进行探讨，提出三联体(triplet) 1961年年Francis H. C. Crick的实验结果表明三联体密码学的实验结果表明三联体密码学说正确，说正确，提出遗传信息在核酸分子上以非重叠、无标点、提出遗传

4、信息在核酸分子上以非重叠、无标点、三联体的方式编码三联体的方式编码 同年，同年，Franois Jacob和和Jacques Monod证明了证明了mRNA的的存在存在 Nirenberg等人工合成等人工合成mRNA并寻找氨基酸和三连密码子并寻找氨基酸和三连密码子的关系的关系 Nirenberg用用均聚核糖核苷酸作模板指导多聚氨基酸合成，均聚核糖核苷酸作模板指导多聚氨基酸合成，破译破译Poly U、poly A、poly C是最早破译的密码子是最早破译的密码子 Khorana等用化学合成结合酶促反应合成含二三四核苷等用化学合成结合酶促反应合成含二三四核苷酸重复序列的多聚核苷酸作模板找出氨基酸的

5、密码子酸重复序列的多聚核苷酸作模板找出氨基酸的密码子 1966年完全确定编码年完全确定编码20种氨基酸的密码子（全部种氨基酸的密码子（全部64个密个密码子）码子）1961-1966：破译遗传密码：破译遗传密码Nobel Prize in 1968Robert W. HolleyHar Gobind KhoranaMarshall Nirenberg利用重复共聚物破译密码利用重复共聚物破译密码20种氨基酸种氨基酸的遗传密码字典的遗传密码字典 密码的基本单位密码的基本单位密码的简并性密码的简并性（degeneracy）密码的变偶性密码的变偶性/摆动性（摆动性（wobble）密码的通用性密码的通用性

6、（universal）遗传密码的基本特性遗传密码的基本特性密码密码的的基本单位基本单位 密码的阅读方向是密码的阅读方向是5 3 密码为不重叠，无标点的三联体密码密码为不重叠，无标点的三联体密码 翻译时许从起始密码翻译时许从起始密码AUG开始确定阅读开始确定阅读框架（框架（reading frame） 移码突变是非常严重的突变移码突变是非常严重的突变翻译时遗传密码的阅读方向是翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读即读码从码从mRNA的起始密码子的起始密码子AUG开始，按开始，按53的的方向逐一阅读，直至终止密码子。方向逐一阅读，直至终止密码子。 NC肽链延伸方向肽链延伸方向53读码方向读码方向基因

7、损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变或缺失，可能导致框移突变(fram-shift mutation)。缬缬 脯脯 苏苏 天冬天冬缬缬 丙丙 酪酪 甘甘缬缬 丙丙 丝丝 精精密码的密码的简并性简并性（degeneracy） 一一个氨基酸可具有多个密码子个氨基酸可具有多个密码子 氨基酸氨基酸密码子密码子 数目与该氨基酸残基数目与该氨基酸残基在蛋白质中的使用频率有关，频率在蛋白质中的使用频率有关，频率越大密码子数越多越大密码子数越多密码的变偶密码的变偶性性（wobble） 密码子专一性取决于前两个密码子，第三个密码子作用有限，密码子专

8、一性取决于前两个密码子，第三个密码子作用有限，tRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNA密码子配对时前两位碱基配对严格密码子配对时前两位碱基配对严格第三位碱基可有一定变动这个现象称第三位碱基可有一定变动这个现象称变偶性变偶性。即一个。即一个tRNA反密反密码子可识别多个码子可识别多个简并密码子。简并密码子。 在在tRNA反密码子中除反密码子中除A、U、G、C四种碱基外，经常出现次黄四种碱基外，经常出现次黄嘌呤（嘌呤（I）。可与）。可与U、A、C配对，使次黄嘌呤反密码子可识别更配对，使次黄嘌呤反密码子可识别更多的多的反密码子。反密码子。 实验证明，酵母丙氨酸反密码子实验证明，酵母丙氨酸反密码子

9、IGC可阅读可阅读GCU、GCC、GCA。U3 2 11 2 3摆摆动动配配对对变偶性变偶性反密码子反密码子第一位碱基第一位碱基密码子密码子第三位碱基第三位碱基AUCGGU、CUA、GIU、C、A反密码子与密码子之间反密码子与密码子之间的碱基配对的碱基配对密码子数密码子数1086421 2 3 4 5 6 蛋白质中残基的百分数蛋白质中残基的百分数密码的密码的通用性通用性（universal）和变异性（和变异性（variability） 从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套因此，遗传密码表中的这套“通用密码通

10、用密码”基本上适用于生物基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。界的所有物种，具有通用性。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。 线粒体以及少数生物体的密码子有变异。线粒体以及少数生物体的密码子有变异。已知的线粒体变异密码子已知的线粒体变异密码子密码防错系统密码防错系统 密码密码编排方式使得密码子中一个碱基被置换结果编排方式使得密码子中一个碱基被置换结果常是编码相同的氨基酸或以物理化学性质相近的氨基常是编码相同的氨基酸或以物理化学性质相近的氨基酸取代。使基因突变造成的伤害降到最低酸取代。使基因突变造成的伤害降到最低限度。限度。防错系统防

11、错系统原核生物和原核生物和真核生物真核生物mRNA的比较的比较起始密码的选择起始密码的选择原核原核mRNA是蛋白质合成的是蛋白质合成的模板模板 辨认起始密码子是翻译起始的必须步骤：辨认起始密码子是翻译起始的必须步骤：确定阅读框架确定阅读框架 按照不重叠三联体密码子翻译产生对应的氨基酸并形成按照不重叠三联体密码子翻译产生对应的氨基酸并形成肽键肽键 当到达终止密码时，合成结束，当到达终止密码时，合成结束，肽链释放肽链释放 通常终止密码不止一个，而是连续出现通常终止密码不止一个，而是连续出现2-3个终止密码个终止密码 对于某些病毒，如果中间有起始密码，则一条对于某些病毒，如果中间有起始密码，则一条m

12、RNA可可产生产生2条或多条肽链条或多条肽链阅读框架阅读框架反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂（二）（二）tRNA转运活化的氨基酸至转运活化的氨基酸至mRNA模板上模板上tRNA的接头的接头（adaptor）作用作用 3 -端上的氨基端上的氨基酸接受位点酸接受位点 识别氨酰识别氨酰-tRNA合成酶的位点合成酶的位点 核糖体识别位点核糖体识别位点 反密码子位点反密码子位点密码子密码子-反密码子的识别反密码子的识别 tRNA凭借自身的反密码子与凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。密码子与反密码子的阅读密码

13、子与反密码子的阅读方向均为方向均为5 3 ，两者两者反向平行配对。反向平行配对。基基因因间间的的校校正正突突变变3 -A-U-C- 5 5 -U-A-G- 3 突变突变tRNA Tyr 的反密码子（正常时应为的反密码子（正常时应为3 -A-U-G- 5 ）此终止密码被读作此终止密码被读作TyrGluH2NCOOH第一个突变：由于第一个突变：由于DNA突变使突变使mRNA分子分子中中GAG变为变为UAGGAG(Glu) UAG（终止密码）（终止密码）H2NCOOHTyrH2NCOOH第二个突变：第二个突变： tRNA Tyr的的反密码子反密码子GUA突变成突变成CUA突变突变tRNATyr可以将

14、终止密可以将终止密码码 UAG读作读作Tyr 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有绝对专一性，对氨基酸、合成酶具有绝对专一性，对氨基酸、tRNA两种底物都能高度特异性地识别。两种底物都能高度特异性地识别。 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。合成酶具有校正活性。氨基酸氨基酸+ATP+tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA+AMP+ppi Mg2+氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶氨基酸氨基酸活化形成氨基酰活化形成氨基酰-tRNA氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法：的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 真核生物：真核生物： Met-tRNAiMet原核生物：

15、原核生物： fMet-tRNAifMet起始肽链合成的氨基酰起始肽链合成的氨基酰-tRNAtRNA 3末端末端N-甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸(fmet)的合成的合成（三）核蛋白体（核糖体）是（三）核蛋白体（核糖体）是肽链合成的场所肽链合成的场所 30S60S40S50S70S80S原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)核糖体结构与功能核糖体结构与功能A位点位点（氨酰基位点）（氨酰基位点）结合结合氨酰氨酰-tRNA

16、的位点的位点P位点位点（肽酰基位点）（肽酰基位点）结合结合肽酰肽酰-tRNA的位点的位点分为分为三个阶段三个阶段 翻译翻译的起始的起始 翻译翻译的延长的延长 翻译翻译的终止的终止以以原核生物为例原核生物为例 二、翻译的步骤二、翻译的步骤参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类种类生物学功能生物学功能起始因子起始因子IF-1占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-2促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合IF-3促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA的敏感性的敏感性延长因子延长因子

17、EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合并分解位，结合并分解GTPEF-Ts调节亚基调节亚基EF-G有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位移位移至至P位，促进位，促进tRNA卸载与释放卸载与释放释放因子释放因子RF-1特异识别特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶，诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异识别特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯酶，诱导转肽酶转变为酯酶RF-3可与核蛋白体其他部位结合，有可与核蛋白体其他部位结合，有GTP酶活性，酶活性，能介导能介导RF-1及及RF-2与核蛋白体的相互作用与核蛋白体的相互作用翻译翻译的起始的

18、起始 翻译起始是把带有甲酰甲硫氨酸的起始翻译起始是把带有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA连同连同mRNA结合到核蛋白体上，生成翻译起始复合物结合到核蛋白体上，生成翻译起始复合物（translational initiation complex），此），此过程需要多种起过程需要多种起始因子的参与。始因子的参与。 识别识别mRNA的起始密码子为的起始密码子为AUG，AUG对应的氨基酸为对应的氨基酸为Met。 有两种甲硫氨酸专一性的有两种甲硫氨酸专一性的tRNA： tRNAiMet只与起始密码子结合只与起始密码子结合 tRNAMet只与肽链内部的只与肽链内部的AUG有关有关 在原核生物中，多肽链起始的氨基

19、酸均为在原核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸。 4. 核蛋白体大亚基结合核蛋白体大亚基结合原核生物起始复合物的生成原核生物起始复合物的生成1. 核蛋白体亚基的分离核蛋白体亚基的分离2. mRNA在核蛋白体小亚基上就位在核蛋白体小亚基上就位3. fmet-tRNAf的结合的结合70S70S起始复合物起始复合物 (70S initiation complex) 30S亚基亚基-mRNA-50S亚基亚基-fMet-tRNAMet复合物。此复合物。此时时fMet-tRNAMet占据占据着着P位，而位，而A位暂位暂为为空位，等待能与空位，等待能与第二个密码子匹配的氨酰第二个密码子匹

20、配的氨酰-tRNA进位。进位。SD序列：序列：大肠杆菌大肠杆菌mRNA起始密码起始密码AUG的上游的上游813个核苷酸处，有个核苷酸处，有46个核个核苷酸苷酸 组成的富含嘌呤的序列。这一序列以组成的富含嘌呤的序列。这一序列以AGGA为核心，称之为为核心，称之为SD序列。该序列。该序列与序列与30s小亚基上小亚基上16srRNA 3-端富含嘧啶序列结合，稳固了端富含嘧啶序列结合，稳固了mRNA与小亚与小亚基的结合。因此又称为基的结合。因此又称为核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS）。）。核蛋白体小亚基蛋白核蛋白体小亚基蛋白SD序列序列IF-3IF

21、-1核蛋白体核蛋白体大小亚基分离大小亚基分离A U G53IF-3IF-1mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合IF-3IF-1IF-2GTP起始起始氨基酰氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合结合到小亚基到小亚基A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi核蛋白体核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成大亚基结合，起始复合物形成A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi肽链肽链的延长的延长翻译过程的肽链翻译过程的肽链延长有延长有3个重复的延伸反应。个重复的延伸反应。 进位进位/注册（注册（registration） 转肽（转肽（t

22、ranspeptidation） 移移位位（translocation）进位进位 指氨基酰指氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，进入核根据遗传密码的指引，进入核蛋白体的蛋白体的A位。需位。需EF-T的协助。的协助。P A延长因子延长因子EF-T催化进位催化进位（原核生物）（原核生物）Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP转转肽肽A、P位的氨基酸形成肽键位的氨基酸形成肽键P AP AP位上位上tRNAimet所携带的甲所携带的甲酰甲硫氨酰（酰甲硫氨酰（fmet）转移到）转移到A位，与位，与A位上的氨基酸形位上的氨基酸形成成肽键肽键生成的二肽酰生成的二肽酰-tRNA在在A位位P位上无负

23、载的位上无负载的tRNA移移位位延长因子延长因子EF-G有转位酶有转位酶( translocase )活活性，可结合并水解性，可结合并水解1分子分子GTP，促进核蛋白体，促进核蛋白体向向mRNA的的3侧移动。侧移动。fMetA U G53fMetTuGTP进进位位转转位位成肽成肽*肽链延伸方向：肽链延伸方向：N端端 C端端肽链延长肽链延长 通过以上三步，完成了氨基酸的一轮添加。每延伸一个通过以上三步，完成了氨基酸的一轮添加。每延伸一个氨基酸，需要消耗氨基酸，需要消耗2分子分子GTPGDP。(进位和移位进位和移位) 随着核糖体在随着核糖体在mRNA上从上从53方向滑动，新生链从方向滑动，新生链从

24、 N端端C端端延伸。延伸。mRNA上的核苷酸序列被上的核苷酸序列被“翻译翻译”成多肽链成多肽链上的氨基酸序列上的氨基酸序列 每添加每添加1个氨基酸需要消耗个氨基酸需要消耗4个高能键个高能键原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF) 一是识别终止一是识别终止密码；密码；二是诱导转肽酶改变为酯酶活性二是诱导转肽酶改变为酯酶活性 释放因子的功能释放因子的功能原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 U A G53RFCOO-多聚核蛋白体多聚核蛋白体(polysome)使蛋白质

25、合成高速、使蛋白质合成高速、高效进行。高效进行。四四环环素素族族氯霉素氯霉素链霉素和卡那霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素嘌呤霉素放线菌酮放线菌酮蛋白质合成的抑制剂蛋白质合成的抑制剂蛋白质生物合成的抑制剂蛋白质生物合成的抑制剂嘌呤霉素嘌呤霉素puromycin结构类似氨基酰结构类似氨基酰-tRNA，与后者竞争，形成，与后者竞争，形成转肽反应中氨基酰异常复合体转肽反应中氨基酰异常复合体链霉素链霉素streptomycin能与能与30S-亚基结合亚基结合四环素四环素tetracyclines能阻断氨基酰能阻断氨基酰-tRNA进入进入A位点位点氯霉素氯霉素chloramphenicol能阻断能阻断70S核

26、糖体中的核糖体中的50S大亚基的肽酰转移大亚基的肽酰转移酶的活性酶的活性放线菌酮放线菌酮cycloheximide被认为与氯霉素的作用类似，但它主要作用被认为与氯霉素的作用类似，但它主要作用于真核生物的于真核生物的80S核糖体中的核糖体中的60S亚基亚基红霉素红霉素erythromycin与与50S大亚基结合，并阻断移位作用，将肽大亚基结合，并阻断移位作用，将肽酰酰-tRNA冻结冻结在在A位点上位点上真核生物多肽链的合成真核生物多肽链的合成 真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂 起始氨基酸为起始氨基酸为Met，不是，不是fMet 肽链合成的起始：由肽

27、链合成的起始：由40S核糖体亚基首核糖体亚基首 先识别先识别mRNA的的5端端-帽帽子，然后沿子，然后沿mRNA移动寻找移动寻找AUG 起始因子有起始因子有12种，但只有种，但只有2种延长因子和种延长因子和1种终止因子种终止因子 真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞过程都类似于原核细胞三、蛋白质的运输及翻译后修饰三、蛋白质的运输及翻译后修饰 新生的蛋白质要被准确地运送到细胞的各个新生的蛋白质要被准确地运送到细胞的各个部分，如溶酶体、线粒体、叶绿体、细胞质和细部分，如溶酶体、线粒体、叶绿体、细胞质和细胞核等，以更新其结构组成和维持其功能。胞核等，以更新其结构组成和维持其功能。信号肽信号肽（single peptide ）：未成熟分泌性蛋白质中可被）：未成熟分泌性蛋白质中可被细胞转运系统识别的特征性氨基酸序列。富含疏水性氨基细胞转运系统识别的特征性氨基酸序列。富含疏水性氨基酸。有碱性酸。有碱性N-末端、疏水核心区和加工区三个区段。末端、疏水核心区和加