第十二章蛋白质合成

1、 中心法则蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制dnadnarnarna第十二章 蛋白质的生物合成翻译(translation)：以mrna为模板合成蛋白质的过程。原料是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由atp和gtp提供。场所是在核糖体第一节 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n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、mr

2、na与遗传密码（一）（一）mrna (messenger rna)原核生物和真核生物原核生物和真核生物mrna的比较的比较l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。原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列ppp5 3 蛋白质蛋白质pppmg -5 3 蛋白质蛋白质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（

3、genetic code）dna: atgcatgcatgcrna: augcaugcaugc protein: aa1 aa2 aa3 aa4n 1954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n 1961年francis crick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)。n64种密码子和20种氨基酸之间的相互关系是什么？n1961年美国科学家nirenberg等用大肠杆菌无细胞体系，外加20种氨基酸

4、的混合物（其中有一种氨基酸被同位素标记）及poly u，经保温反应后，得到了被标记的苯丙氨酸的多聚体，证明uuu是编码phe。同样证明ccc编码pro ，aaa编码lys 。这三个密码子最早被解译出来。nnirenberg和ochoa等又进一步用两种核苷酸或三种核苷酸的共聚物作模板，重复上述实验。n到1966年就全部破译了64组密码子1、 遗传密码的破译 遗传密码字典第一位碱第一位碱基基(5 端端)第二位碱基第二位碱基(中间中间)第三位碱基第三位碱基(3 端端)ucaguphepheleuleusersersersertyrtyr终止终止终止终止cyscys终止终止trpucagcleuleu

5、leuleuproproproprohishisglnglnargargargargucagaileileilemetthrthrthrthrasnasnlyslysserserargargucaggvalvalvalvalalaalaalaalaaspaspglugluglyglyglyglyucag密码的无标点性：指两个密码子之间没有任何核苷酸加以隔开。若插入或删去一个碱基，就会使这以后的读码发生错误，这种突变称移码突变（frame-shift mutation）。（1）无标点性 2、遗传密码的特点（2）遗传密码的不重叠性遗传密码的不重叠性：指每三个碱基编码一个氨基酸，碱基不重复使用。 a

6、 b c d e f g h i j k laa1 aa2 aa3 aa4但是在少数大肠杆菌噬菌体，如r17，q等的rna基因组中，部分基因的遗传密码是重叠的 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，如ucu，ucc，uca，ucg，agu及agc 6个密码子都编码丝氨酸。同义密码子（synonymous codon）：编码相同氨基酸的密码子。 只有met和trp仅有一个密码子 。 （3）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

7、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gun编码ala，由于简并性的存在，不论第三位的u变成什么，都仍然编码ala。简并性的生物学意义？u密码子的专一性主要取决于前两位碱基，第三位碱基的重要性不大 u如丙氨酸由三联体gcu，gcc，gca和gcg编码（4） 密码子的第三个碱基的专一性较第一、二个碱基低 (5)起始密码子和终止密码子 n64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（initiation codon）。n另外3个密码子uag，uaa，uga不编码任何氨基酸，而是多肽合成终止密码子（termin

8、ation codon）。 u密码子在高等、低等生物中基本是完全通用的。u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）遗传密码的基本通用性 二、二、trna trna （t transfer rna） n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去识别在mrna上的密码子。trna是多肽链和mrna之间的接合器。trna的两个关键部位n一个是氨基酸结合部位n

9、另一个是与mrna的结合部位n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（isoaccepting trna）：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与mrna的结合部位n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）反密码子按碱基配对原则反向识

10、别mrna链上的密码子，而把所带的氨基酸送到肽链的一定位置上。 trna5 3 5 mrna3 反密码子第一位碱基密码子第三位碱基aucggucuagiuca“摆动假说（wobble hypothesis）认为反密码子与密码子配对时，密码子的第一、第二位碱基严格配对，第三位碱基可以有一定的变动因此一种trna分子往往能够识别一种以上的同义密码子 。 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。游离核糖体：合成细胞质蛋白。 内质网核糖体：合成分泌蛋白和细胞器蛋白。三、 核糖体不论原核细

11、胞还是真核细胞，一条不论原核细胞还是真核细胞，一条mrna可以被同时可以被同时几个核糖体阅读，把同时结合并翻译同一条几个核糖体阅读，把同时结合并翻译同一条mrna的多的多个核糖体称为个核糖体称为多核糖体多核糖体。 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、核糖体的组成来源来源 核糖体核糖体亚基亚基rrna蛋白质分子蛋白质分子数目数目原核细胞原核细胞70s50s5s，23s3430s16s21真核细胞真核细胞80s60s5s，28s5040s18s30rrnarrnaur

12、rna有大量的茎环（发夹）结构，形成核糖体的刚性骨架。u功能：（1）蛋白质合成的施工平台（骨架）（2）16s rrna在识别mrna上的多肽合成起始位点中起重要作用。 头头基基2、大肠杆菌核糖体的结构模型 大肠杆菌70s核糖体为一椭圆形球体，30s亚基比较扁平，分成头部与基部两部分，基部一侧伸出一个平台，平台与头部间有一个裂口。50s亚基象一个半球，平面侧伸出3个突起。当30s亚基与50s亚基结合成70s核糖体时，两个亚基接合面上留有相当大的空隙，蛋白质的合成可能就在这个空隙中进行。核糖体上两个重要的trna结合位点a位点：接受新掺入的氨酰-trna，主要位于50s大亚基上；p位点：为延伸中肽

13、酰-trna的结合位点，主要位于30s小亚基上，a位点和p位点相邻。 p位和a位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。四、辅助因子 n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（initiation factor）、延伸因子（elongation factor）、释放因子（release factor）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

14、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-tugdp再生为ef-tugtp水解gtp，使核糖体按53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 u原核生物蛋白质的生物合成过程

15、u真核生物蛋白质的生物合成特点u蛋白质合成的抑制剂u氨基酸的活化u多肽链合成的起始u多肽链的延伸 u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、氨基酸的活化活化反应氨基酰氨基酰-amp-e氨基酰氨基酰-trnaileile- trnaileile异亮氨酰异亮氨酰-trna氨酰trna合成酶对应于20种氨基酸的每一种，大多数细胞都只含有一种与之对应的氨酰-trna合成酶，却有多种trna负责携带。

16、每一种氨酰-trna合成酶既能识别相应的氨基酸，又能识别与此氨基酸相对应的一组同功受体trna 具有高度的专一性氨酰-trna合成酶的校对功能ile- trnaileval trnaile由于一些氨基酸结构差别不大，氨酰-trna合成酶有时也会辨别失误。val有时会被异亮氨酰-trna合成酶识别,但一旦出现val -trnaile ，合成酶即发挥校正功能，迅速将val -trnaile水解，从而避免其错误地参入到蛋白质中。可使翻译错误频率低于万分之一。 2、多肽链合成的起始(1) 起始氨基酸及起始trna 起始密码子aug编码met,因此所有蛋白质的翻译起始于met。细胞内有两种携带甲硫氨酸的

17、trna: trnaimet参与肽链合成的起始met-trnai mettrnamet携带内部的甲硫氨酸met-trna met原核生物中，有一种特异的甲酰化酶，在参与起始前使 met-trnai met的氨基发生甲酰化。met-trnai met + n10-甲酰fh4 fmet-trnai fmet+ fh4甲酰化酶甲酰化酶只能催化met-trnai met ，而不能催化游离的met或met-trnamet甲酰化。(1) the 30s ribosomal subunit, (2) the mrna coding for the polypeptide to be made, (3) th

18、e initiating fmet-trnafmet, (4) a set of three proteins called initiation factors (if-1, if-2, and if-3),(5) gtp, (6) the 50s ribosomal subunit, (7) mg2+.（2）多肽链合成的起始形成70s起始复合物细菌多肽链合成的起始要求：首先起始因子if-3， if-1与核糖体的30s亚基结合（if-3促进30s亚基与50s亚基的分开）。然后30s亚基与mrna起始部位结合。mrna上的密码子aug既可作为起始密码子，编码起始met，也可编码多肽链内部的me

19、t残基，核糖体是如何识别起始密码子呢？ if-1起促进if-2和if-3的活性的作用 起始aug上游（5端）约10个核苷酸处有一段富含嘌呤的序列（sd序列）可被核糖体识别53起始密码子aug的识别n原核生物核糖体30s小亚基上的16s rrna3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n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

20、。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 3、多肽链的延伸分三步进行分三步进行 (1) 进位 新氨新氨在大亚基上肽酰转移酶（peptidyl transferase）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。（2）转肽 在在ef-gef-g（移位酶）的作用下，核糖体沿（移位酶）的作用下，核糖体沿mrna5mrna533方向移方向移动动一个密码子的距离一个密码子的距离，使原来在，使原来在a a上的肽酰上的肽酰-

21、trna-trna移到了移到了p p位位点，原来在点，原来在p p位点的无负载的位点的无负载的trnatrna离开核糖体，同时一个新离开核糖体，同时一个新的密码子进入空的的密码子进入空的a a位，位， ef-g ef-g 催化的催化的移位过程需水解移位过程需水解gtpgtp提提供能量。供能量。（3）移位移移位位进进位位转肽转肽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个肽链合成从n-c 当终止密码子uaa，uag， uga中任何一个出现在核糖体的a位点，没有相应的氨酰-trna能识别，这时 释 放 因 子 便 识 别 并 结 合 上 去 （rf-1, rf-2, rf-

22、3）。 rf1识别uaa和uag，rf2识别uaa与uga，rf3可能刺激rf1与rf2的活性 。 4、多肽链合成的终止与释放vrf的识别过程需要gtp，它的结合改变了核糖体的构象，使肽酰转移酶的功能发生瞬时变化，转变成酯酶功能，并将连接肽链与p位点trna的肽酰酯键水解开，肽链从核糖体上释放，trna、 mrna也从核糖体上释放，70s70s核糖体解体。gtpgdpv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gtpgdp 第一个氨基酸加入需消耗3个（活化2+起始1 ）以后

23、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 gtpgdp消耗1个例：合成200个aa残基的多肽： 8+1984=800 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。 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 生物合成特点 (1) 核糖体比原核细胞更大(2)起始trna：起始氨基酸为甲硫氨酸，而不是n-甲酰甲硫氨酸。起始trna为met-trnamet。此trna分子不含tc序列，这在trna家族中是十分特殊的。f(3) 80s

24、起始复合物:其形成过程涉及至少9种起始因子。起始密码子aug的上游5端不富含嘌吟序列。通常，在mrna5-末端的aug密码子所在的部位也就是多肽合成的起点。(4)肽链延伸、终止与释放：延伸因子有两种，其中eef-l的两个亚基担当原核细胞中的ef-tu和ef-ts的功能, eef-2以类似于原核ef-g的方式行使功能。释放因子erf只有一种，负责识别3种终止密码子。 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蛋白体小亚基结合，改变其构象，引起读码错误，结核杆菌对这两种抗生素特别敏感

25、。真核亚胺环已酮抑制真核肽转移酶活性第三节 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 v多肽链的折叠是指从多肽链氨基酸序列形成正确的三维结构的过程。v肽链的折叠从核糖体出现新生的多肽链即可开始。至少有两类因子参与折叠：酶： 二硫键异构酶加速蛋白质正确二硫键的形成 肽基脯氨酸异构酶 加速脯氨酸亚氨基肽键的顺-反异构化 分子伴侣(molecular chapeones)一、多肽链的折叠分子伴侣：通过抑制新生肽链不恰当的聚集并排除与其它蛋白质不合理的结合，协助多肽链的正确折叠。目前被确认的分子伴侣有热休克蛋白（heat shock protein）60、70等。二、多肽链的修饰n多肽

26、链的修饰可以在肽链折叠前、折叠期间或折叠后进行，也可以在肽链延伸期间或终止后进行。n有些修饰对多肽链的正确折叠是重要的，有些修饰与蛋白质在细胞内的转移或分泌有关。(1) 末端氨基的去甲酰化和n-甲硫氨酸的切除 n原核细胞多肽n-末端的fmet的甲酰基可在去甲酰酶的催化下被除去。在原核和真核细胞中多肽n-末端的met（有时与少数几个氨基酸一起）均可被氨肽酶除去。(2) 一些氨基酸残基侧链被修饰n有些氨基酸没有相应的遗传密码，而是在肽链从核糖体释放后经化学修饰形成的。如胶原蛋白中含有大量的羟脯氨酸和羟赖氨酸n有些蛋白质中的asn、ser和thr发生糖基化形成糖蛋白， ser、thr、tyr磷酸化。

27、(3) 二硫键的形成 n多肽链的cys残基可在蛋白质二硫键异构酶的作用下形成二硫键，肽链内或肽链间都可形成二硫键。(4) 多肽链的水解断裂n许多具有一定功能的蛋白质如酶、激素蛋白，在体内常以无活性的前体肽的形式产生，这些前体在一定情况下经体内蛋白酶的水解切去部分肽段，才能变成有活性的蛋白质，如胰岛素原变成胰岛素，胰蛋白酶原变为胰蛋白酶等。胰岛素原的加工胰岛素原的加工a链区链区b链区链区间插序列（间插序列（c肽区）肽区）hsshshshhshs信号肽信号肽nc核糖体上合成出无规核糖体上合成出无规则卷曲的则卷曲的前胰岛素原前胰岛素原切除切除c肽后，形成肽后，形成成熟的胰岛素分子成熟的胰岛素分子切除信号肽后切除信号肽后折叠成稳定构折叠成稳定构象的胰岛素原象的胰岛素原ssssnncca链链b链链胰岛素胰岛素cnssss胰岛素原胰岛素原ss第四节第四节 蛋白质定位蛋白质定位翻译转运同步机制-分泌蛋白 信号肽假说 分泌蛋白质的合成和胞吐作用翻译后转运机制-线粒体与叶绿体蛋白 蛋白质向线粒体的定位机制第四节 蛋白质合成后的定向转运分泌蛋白、质膜蛋白、溶酶体蛋白、内质网和高尔基体滞留蛋白等。首先在游离核糖体上合成含信号肽的部分肽段后就结合到内质网上，然后边合成边进入内质网腔，经初步加工和修饰后，部