第十章+蛋白质的生物合成

中心法则蛋白质翻译?转录逆转录复制复制DNARNA第十章

蛋白质的生物合成翻译(translation)：以mRNA为模板合成蛋白质的过程。原料：氨基酸涉及到细胞内所有种类的RNA和几十种蛋白质因子能量：ATP和GTP提供。场所：在核糖体中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息,到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译(translation)。第十章

蛋白质的生物合成第一节蛋白质的合成体系第二节蛋白质的生物合成过程第三节肽链合成后的折叠与修饰第四节蛋白质合成后的定向转运

第一节蛋白质的合成体系

蛋白质的合成要求100多种大分子物质参与和相互协作，这些大分子物质包括mRNA、许多tRNA、核糖体、多种活化酶和各种蛋白质因子。mRNA与遗传密码tRNA

核糖体辅助因子

一、mRNA与遗传密码（一）mRNA(messengerRNA)携带DNA的遗传信息，作为模板通过翻译将遗传信息传递给蛋白质，直接决定多肽链中AA的顺序。mRNA分子中四种不同碱基构成特定顺序决定蛋白质分子中20种AA所构成的序列。mRNA是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白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mRNA的碱基序列是如何翻译成蛋白质的氨基酸序列？遗传密码：DNA（或其转录的mRNA）中的碱基序列和蛋白质序列之间的对应关系。（二）

遗传密码（geneticcode）DNA:ATGCATGCATGCRNA:TUCGUACGUACGPROTEIN:aa1aa2aa3aa41954年物理学家G.Gamov首先对遗传密码进行探讨。4种核苷酸构成序列(mRNA)→20种基本aa构成序列(蛋白质)？一对一的对应关系，×42=16，×43=64，足够1961年FrancisCrick及其同事的遗传实验进一步肯定mRNA上相邻三个碱基编码一个氨基酸，此三联体碱基称为密码子（codon）。1954年物理学家G.Gamov首先对遗传密码进行探讨。蛋白质由20种基本aa组成，而mRNA只含有4种核苷酸，由4种核苷酸构成的序列是如何决定多肽链中多至20种氨基酸的序列的呢？显然，在核苷酸和aa之间不能采取简单的一对一的对应关系。2个核苷酸决定一个aa也只能编码42=16种aa，如果3个核苷酸决定一个aa，43=64，就足以编码20种aa了，这说明可能需要3个或更多个核苷酸编码一个aa1961年FrancisCrick及其同事的遗传实验进一步肯定3个碱基编码一个氨基酸，此三联体碱基即称为密码子。遗传密码的发现1961年，M.Nirenberg等人提出。43=64大肠杆菌中，以多聚U做为mRNA，即polyU+20种放射性同位素标记的氨基酸，大肠杆菌合成体系，在外界环境合适下，合成了一条多聚苯丙氨酸（phe）肽链。UUU为phe的三联体密码。确立了polyA为Lys,

polyC为Pro等。发现具有密码子功能的最短链为三个核苷酸，并且含3

-OH和5

-磷酸基的三核苷酸最有效。阅读方向为5

-3

。至1966年，20中氨基酸对应的61个密码子和三个终止密码子全部破译。全部被查清。遗传密码阅读方向为5‘-3’2、遗传密码的特点⑴密码子的方向性

密码子的阅读方向及它们在mRNA由起始信号到终止信号的排列方向均为5

-3′，与mRNA链合成时延伸方向相同。从正确起点开始至终止信号，密码子的排列是连续的。既不存在间隔（无标点），也无重叠。在mRNA分子上插入或删去一个碱基，会使该点以后的读码发生错误，称为移码，由这种情况引起的突变称为移码突变。（RNA的编辑）

（２）密码子的读码连续性（无标点，不重叠）ABCDEFGHIJKL—aa1—aa2—aa3—aa4—密码子的简并性:指大多数氨基酸都是由几个不同的密码子编码的现象．如UCU，UCC，UCA，UCG，AGU及AGC6个密码子都编码丝氨酸。同义密码子（synonymouscodon）：编码相同氨基酸的密码子。只有Met(AUG)和Trp(UGG)仅有一个密码子

。

（3）密码子简并性（degeneracy）一是可以减少有害的突变。假如每种氨基酸只有一个密码子，那么剩下的44个密码子都成了终止密码子，一旦某氨基酸的密码子发生单碱基的点突变，则很可能造成肽链合成的过早终止。二是既使DNA上碱基组成有变化，仍可保持由此DNA编码的多肽链上氨基酸序列不变。如GCN编码Ala，由于简并性的存在，不论第三位的N(A/G/C/U)变成什么，都仍然编码Ala简并性的生物学意义？如丙氨酸：GCU，GCC，GCA，GCG，只第三位不同，显然密码子的专一性基本取决于前两位碱基，第三位碱基有较大灵活性。发现tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定变动，这种现象称为密码的摆动性或变偶性（wobble）。IA、U、C配对。（4）密码子的变偶性（摆动性）反密码子第一位碱基密码子第三位碱基AUCGGUCUAGIUCA(5)起始密码子和终止密码子

64个密码子中，有1个密码子AUG既是甲硫氨酸的密码子，又是肽链合成的起始密码子（initiationcodon）。另外3个密码子UAG，UAA，UGA不编码任何氨基酸，而是多肽合成的终止密码子（terminationcodon）。密码子在高等、低等生物中基本是完全通用的。但有例外情况，如哺乳动物的线粒体中，UGA不再是终止密码子，而编码色氨酸；AGA、AGG为终止密码，而不编码精氨酸。支原体中UGA不作终止密码，而是编码色氨酸。原生动物鞭毛虫把终止密码子UAA和UAG读成谷氨酰胺（6）密码子的基本通用性

二、tRNA（transferRNA）

在蛋白质合成中，氨基酸本身不能识别mRNA上的密码子，它需要由特异的tRNA分子携带到核糖体上并由tRNA上的反密码子去识别在mRNA上的密码子。位于tRNA的反密码子环上，由3个特定的碱基组成，称为反密码子（anticodon）tRNA是多肽链和mRNA之间的接合器。tRNA的两个关键部位一个是氨基酸结合部位：3’端CCAOH另一个是与mRNA的结合部位：

反密码子部位3’5’ICCA-OH5’3’CCA-AAGGCCCG密码子与反密码子的阅读方向均为5‘

3’，两者反向平行配对。tRNA分子的突变与校正基因（RNA再编辑）GAG（Gln)UAGH3NGlnCOO-有活力H3NCOO-无活力基因突变H3NTyrCOO-有活力3’AUGTyrUACAUCtRNA突变氨基酸羧基与tRNA3

末端腺苷的核糖3

-OH连接，形成氨酰-tRNA（由特异的氨酰-tRNA合成酶催化）。同功受体tRNA（isoacceptingtRNA）：携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA（大多数氨基酸都有几种tRNA运载）在书写时，将所运氨基酸写在tRNA的右上角，如tRNAAla及tRNAcys分别表示转运Ala和cys的tRNA一种氨酰-tRNA合成酶可以识别一组同功受体tRNA。3

末端的氨基酸结合部位是蛋白质合成的场所。标记各种aa，注入大鼠体内，在不同时间取出肝脏，匀浆，离心分离各种亚细胞器，分析放射性蛋白的分布，证实蛋白质的合成是在核糖体上进行的。真核生物：游离核糖体或与内质网结合原核生物：游离核糖体或与mRNA结合成串状的多核糖体(提高翻译效率)。三、核糖体核糖体是由核糖核酸（rRNA）和几十种蛋白质分子（核糖体蛋白）组成的一个巨大的复合体。每个核糖体是由大小两个亚基组成，每个亚基都有自己不同的rRNA和蛋白质分子1、核糖体的组成来源核糖体亚基rRNA蛋白质分子数目原核细胞70S50S5S，23S3430S16S21真核细胞80S60S5S，28S～5040S18S～30

大肠杆菌中30S的亚基能单独与mRNA结合成30S核糖体-mRNA复合体，后者与tRNA可以专一性结合(起始AA进入)。50S亚基不能单独与mRNA结合，但可以非专一地与tRNA结合。

核糖体上有两个tRNA结合位点（主要占据大亚基）：氨酰基位点-A；肽酰基位点-P。还有一个GTP结合位点。PA2.E.Coli核糖体存在两个重要的tRNA的结合部位P位和A位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。P：结合起始的氨酰-tRNA和肽基-tRNA，A：结合新掺入的氨酰-tRNA。P位上肽酰-tRNA上的羧基与进入A位的氨酰-tRNA上的氨基形成新的肽键

P位上tRNA卸下肽链成为无负载的tRNA核糖体移动一个密码子的距离，A位上的肽酰-tRNA又回到P位，A位又空，再进行下一次循环。PA5’3’四、辅助因子蛋白质的合成除了需要mRNA、tRNA、核糖体外，在起始、延伸和终止阶段还需要一系列蛋白辅助因子即起始因子（initiationfactor）、延伸因子（elongationfactor）释放因子（releasefactor）等的参与。蛋白质生物合成所需的辅助因子生物种类辅助因子功能原核生物起始因子IF-1IF-2IF-3延伸因子EF-TuEF-TsEF-G释放因子RF-1RF-2RF-3促进IF-2和IF-3的活性促使起始tRNA与30S小亚基结合，需GTP促进核糖体解离成亚基；促使30S小亚基与mRNA起始部位结合促使氨酰-tRNA进入A位与mRNA结合促进EF-Tu·GDP再生为EF-Tu·GTP水解GTP，使核糖体按5

→3方向沿mRNA移动一个密码子的距离识别终止密码子UAA，UAG识别终止密码子UAA，UGA促进RF-1，RF-2的活性真核生物起始因子包括eIF-1，eIF-2，eIF-3，eIF-4等至少9种延伸因子EF-1EF-2释放因子RF参与真核细胞蛋白质合成起始复合物的组装相当于EF-Tu和EF-Ts的功能相当于EF-G的功能识别终止密码子UAA，UAG，UGA第二节

蛋白质的生物合成过程原核生物蛋白质的生物合成过程真核生物蛋白质的生物合成特点蛋白质合成的抑制剂氨基酸的活化多肽链合成的起始多肽链的延伸多肽链合成的终止与释放一、原核生物蛋白质的生物合成过程（大肠杆菌）游离氨基酸掺入多肽链以前必须活化即氨基酸与特异tRNA形成氨酰-tRNA,在胞液中进行。氨基酸的活化由氨酰tRNA合成酶催化。每一种氨酰tRNA合成酶既能识别自己的配体氨基酸，又能识别对应的tRNA。1、氨基酸的活化游离氨基酸掺入多肽链以前必须活化即氨基酸与特异tRNA形成氨酰-tRNA。原因有两个：首先，蛋白质的合成依赖于tRNA的接头作用，以保证正确的氨基酸得到整合，每个氨基酸为了参与蛋白质合成必须共价连接到tRNA分子上。第二，氨基酸与tRNA之间形成的共价键是一个高能键，它使氨基酸和正在延伸的多肽链末端反应形成新的肽键，因此这一氨酰-tRNA的合成过程被称为氨基酸的活化。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攻击位点2-OH连接AA，影响下一步肽键形成氨基酸活化的总反应式是：

氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨酰-tRNA+AMP+PPi20种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰-tRNA合成酶。氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性，它既能识别相应的氨基酸（L-构型），又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA

分子；即使AA识别出现错误，此酶具有水解功能，可以将其水解掉。这种高度的专一性保证了氨基酸与其特定的tRNA准确匹配，从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。氨酰-tRNA合成酶氨酰-tRNA合成酶和之相对应的tRNA分子被称为遗传密码第二tRNA与多肽合成的有关位点3

端-CCA上AA接受位点识别氨酰-tRNA合成酶位点核糖体识别位点反密码子位点（识别mRNA上的密码子）2、肽链合成的起始起始密码子的识别：（30S复合物形成）

起始AUG一般位于距5

端25个核苷酸以后，并在其上游（5

端）约10个核苷酸处有一段富含嘌呤的序列（SD序列），原核生物核糖体30S小亚基上的16SrRNA3’端富含嘧啶的序列能与之互补配对，这样30S亚基能与mRNA结合(IF3参加，识别起始密码子AUG,使上次循环中的大小亚基分离），在IF1＼IF２参与下，30S-mRNA-IF3进一步与fMet-tRNAi、GTP结合，形成30S复合物：30S-mRNA-fMet-tRNAi(tRNAifMet)5

3

AUGAUGAUG真核生物：Met-tRNAMet。真核生物无甲基化过程，起始氨基酸是Met,起始tRNA为Met-tRNAi(tRNAiMet)肽链中间的Met携带者是tRNAm

tRNAMet延长因子识别起始因子识别现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子有两个，即甲硫氨酸的密码子(AUG)和缬氨酸的密码子(GUG)(极少出现)。在大肠杆菌中,起始密码子AUG所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸。fMet-tRNAi的形成Met-tRNAi+N10-甲酰FH4fMet-tRNAi+FH4甲酰化酶原核生物核糖体30S小亚基上的16SrRNA3’端富含嘧啶的序列能与SD序列互补配对，这样30S亚基能与mRNA结合并且在mRNA上结合的位置正使30S亚基上的P位对准起始密码子AUG，以便使fMet-tRNAif

Met进入P位。IF-2促进fMet-tRNAifMet进入P位点与核糖体30S亚基结合，从而形成30S起始复合物，此时起始密码子AUG可与fMet-tRNAifMet上的反密码子配对。GTP水解释放能量促使大亚基结合，形成70S起始复合物，

IF-1、IF-2和IF-3释放。

IF-1起促进IF-2和IF-3的活性的作用30S起始复合物消炎药：链霉素、新霉素、卡那霉素与原核细胞30S核糖体结合，阻止50S核糖体亚基与之结合，从而抑制其蛋白质合成。蛋白质合成抑制剂3、多肽链的延伸分三步进行(1)进位所有氨酰-tRNA必须与EF-Tu-GTP结合才可进入70S核糖体，除了fMet-tRNAi

嘌呤霉素（与AMP相似）与AA反应生成氨酰嘌呤霉素，容易从核糖体上脱落，中断蛋白质的合成反应。在大亚基上肽酰转移酶（23SrRNA）（peptidyltransferase）的作用下，A位点氨基酸的

--NH2亲核攻击P位点氨基酸的-COOH并形成肽键，P位点tRNA卸载，结果A位点tRNA上携带一个二肽。核糖体的自身催化完成了肽键的形成！（2）转肽在EF-G（移位酶或移位因子）的作用下，核糖体沿mRNA5’

3’方向移动一个密码子的距离，使原来在A上的肽酰-tRNA移到了P位点，原来在P位点的无负载的tRNA离开核糖体，同时一个新的密码子进入空的A位，EF-G催化的移位过程需水解GTP提供能量。（3）移位移位进位转肽GTP(Tu\Ts)GTP（EF-G）

三步为一个延伸循环，肽链每掺入一个氨基酸就重复一次延伸循环，消耗2个GTP，肽链合成从N-CGTPGDPPi核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'IF-3IF-1IF-2IF1/IF2/IF3Tu\Ts循环移位进位成肽GTP(Tu\Ts)GTP（EF-G）

三步为一个延伸循环，肽链每掺入一个氨基酸就重复一次延伸循环，肽链合成从N-C每添加一个氨基酸需消耗4个高能键回顾当终止密码子出现在A位时，终止因子结合在A位，肽链合成终止。

终止因子的结合使肽酰转移酶活性变为水解酶活性，肽基不转移给A位tRNA，而转移给H2O，并把已合成的多肽链从核糖体和tRNA上释放出来。4、多肽链合成的终止与释放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整个过程需要消耗GTP蛋白质的合成是一个高耗能过程

AA活化2个高能磷酸键（ATP）

肽链起始1个（70S复合物形成，GTP）进位1个（GTP）

移位1个（GTP）

终止 1个GTP→GDP

第一个氨基酸加入需消耗3个（活化2+起始1）以后每加入一个AA（形成一个肽键）需要消耗4个（活化2+进位1个+移位1个）。终止 GTP→GDP 消耗1个例：合成200个a.a残基的多肽：8+198×4=800

①氨基酸与tRNA的特异性结合依靠氨酰tRNA合成酶的特异识别作用。②密码子与反密码子特异结合，依靠互补碱基配对结合实现，也有赖于核糖体的构象正常而实现正常的装配功能。保证准确翻译的关键是什么？二、真核生物蛋白质的生物合成核糖体更大，80S

40S+60S起始tRNA和氨基酸起始氨基酸为甲硫氨酸，而不是甲酰甲硫氨酸，起始氨酰-tRNA为tRNAiMet起始密码子为AUG，它的上游5‘端无富含嘌呤序列（SD），一般在mRNA5’-末端的AUG为起点。真核生物mRNA通常只有一个AUG密码子，每种mRNA只转译出一种多肽。对抑制剂敏感性不同，如亚胺环己酮只作用于80S核糖体，只抑制真核生物的翻译,白喉毒素与eEF2结合，抑制肽链移位。真核中涉及的蛋白因子较多，有约13种起始因子、两种延伸因子(eEF-l/eEF-2)、一种终止因子——被称为信号释放因子（eRF）。蛋白质激酶参与真核生物蛋白质合成的调节。真核中线粒体、叶绿体能进行蛋白质合成，其抑制剂与原核相似。三、蛋白质合成的抑制剂

原核氯霉素与50S亚基结合，抑制原核肽转移酶四环素与30S亚基结合，干扰氨酰tRNA的结合红霉素抑制肽链延伸链霉素、卡那霉素与原核生物核糖体小亚基结合，改变其构象，阻止大亚基结合.结核杆菌对这两种抗生素特别敏感。真核亚胺环已酮抑制真核肽转移酶活性白喉毒素与eEF2结合，抑制肽链的移位作用。第三节肽链合成后的折叠与修饰一、多肽链的折叠二、多肽链的修饰翻译后的加工使蛋白质组成更加多样化，使得蛋白质在结构上呈现更大的复杂化。

DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译调节mRNA降解调节翻译后加工的调节核细胞质多肽链的折叠新生肽链在细