第12章蛋白质生物合成

1、蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成（翻译）（翻译）第第12章章Protein Biosynthesis (Translation)西医综合考试大纲西医综合考试大纲1. 蛋白质生物合成体系。遗传密码。蛋白质生物合成体系。遗传密码。2. 蛋白质生物合成过程。蛋白质生物合成过程。3. 翻译后加工。翻译后加工。4. 蛋白质生物合成的干扰和抑制。蛋白质生物合成的干扰和抑制。 蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称也称翻译翻译(translation)，是生物细胞以，是生物细胞以mRNA为模板，为模板，按照按照mRNA分子中核苷酸

2、的排列顺序所组成的分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。密码信息合成蛋白质的过程。 n定义定义（1）氨基酸的活化）氨基酸的活化（2）肽链的生物合成）肽链的生物合成（3）肽链形成后的加工和靶向输送）肽链形成后的加工和靶向输送n反应过程反应过程（1）维持多种生命活动）维持多种生命活动（2）适应环境的变化）适应环境的变化（3）参与组织的更新和修复）参与组织的更新和修复n生物学意义生物学意义第一节第一节蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系Protein Biosynthesis System1. 基本原料：基本原料：20种编码氨基酸种编码氨基酸2. 模板：模板：mRNA3. 适配器：

3、适配器：tRNA4. 装配机：核蛋白体装配机：核蛋白体5. 主要酶和蛋白质因子：氨基酰主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等6. 能源物质：能源物质：ATP、GTP7. 无机离子：无机离子：Mg2+、 K+一、蛋白质生物合成体系一、蛋白质生物合成体系二、遗传密码及其特点二、遗传密码及其特点在在mRNA的开放阅读框架区，以每的开放阅读框架区，以每3个相邻的个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息或其他信息)，这，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。种三联体形式的核苷酸序

4、列称为密码子。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：遗传密码的特点遗传密码的特点方向性方向性(directional)连续性连续性(non-punctuated)简并性简并性(degenerate)通用性通用性(universal)摆动性摆动性(wobble)n遗传密码的特点遗传密码的特点1. 方向性方向性(directional)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mR

5、NA的起始密码子的起始密码子AUG开始，按开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。的方向逐一阅读，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2. 连续性连续性(non-punctuated)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。既无间隔也无交叉。 AlaValHisMet终止密码终止密码基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致生插入或缺失，可能导致框移突变框移突变(frameshift muta

6、tion)。缬缬 脯脯 苏苏 天冬天冬缬缬 丙丙 酪酪 甘甘缬缬 丙丙 丝丝 精精许多真核生物基因转录后有一个对许多真核生物基因转录后有一个对mRNA外显子外显子加工的过程，可通过特定碱基的插入、缺失或置加工的过程，可通过特定碱基的插入、缺失或置换，使换，使mRNA序列中出现移码突变、错义突变或序列中出现移码突变、错义突变或无义突变，导致无义突变，导致mRNA与其与其DNA模板序列不匹配，模板序列不匹配，使同一前体使同一前体mRNA翻译出序列、功能不同的蛋白翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为质。这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑编辑（mRNA editing）。 3.

7、 简并性简并性(degenerate)一种氨基酸可具有一种氨基酸可具有2个或个或2个以上的密码个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并性。性。除除色氨酸色氨酸和和甲硫氨酸甲硫氨酸仅有仅有1个密码子个密码子外外，其余氨基酸有其余氨基酸有2、3、4个或多至个或多至6个三联体为个三联体为其编码。为同一种氨基酸编码的各密码子称其编码。为同一种氨基酸编码的各密码子称为为简并性密码子简并性密码子，也称同义密码子也称同义密码子 。4. 通用性通用性(universal)从简单的病毒到高等的人类，几乎使用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

8、传密码表中的这同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套套“通用密码通用密码”基本上适用于生物界的所有基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。物种，具有通用性。密码的通用性进一步证明各种生物进化密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。自同一祖先。5. 摆动性摆动性(wobble) 反密码子与密码子之间的配对有时并不反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对为摆动配对( (wobble base pairing) )。 tRNA反密码子反密码子第第1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子密码子第第3位碱基位碱基U,

9、 C, AA, GU, CUGU3 2 11 2 3摆摆动动配配对对第二节第二节氨基酸的活化氨基酸的活化Activation of Amino Acids氨基酸与特异的氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰结合形成氨基酰-tRNA的的过程称为氨基酸的活化。过程称为氨基酸的活化。参与氨基酸的活化的酶：参与氨基酸的活化的酶：氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶。n反应过程反应过程一、一、 氨基酸活化形成氨基酰氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶n氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 结构结构l 氨基酰氨基酰

10、tRNA合成酶有合成酶有3个结合位点：个结合位点： tRNA结合位点、氨基酸结合位点、结合位点、氨基酸结合位点、ATP结合位点结合位点l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对合成酶对2个底物个底物氨基酸和氨基酸和tRNA都有都有高度特异性高度特异性。 特性特性l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有合成酶具有校正活性校正活性。二、真核生物起始氨基酰二、真核生物起始氨基酰-tRNA是是Met-tRNAiMet起始氨基酰起始氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet 参与肽链延长的甲硫氨酰参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMetn真核生物真核生物n原核生物原核生物起始氨基酰起始氨基酰-tRNA

11、: fMet-tRNAfMet 参与肽链延长的甲硫氨酰参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet第三节第三节肽链的生物合成过程肽链的生物合成过程The Biosynthesis Process of Peptide Chain肽链的生物合成过程是翻译的中心环节。肽链的生物合成过程是翻译的中心环节。翻译时，从翻译时，从mRNA的起始密码子的起始密码子AUG开始，开始，按按53方向方向逐一逐一读码读码，直至终止密码子。，直至终止密码子。合成中的肽链从起始合成中的肽链从起始甲硫氨酸甲硫氨酸开始，从开始，从N-端端C-端延长端延长，直至终止密码子前一位密码子，直至终止密码子前一位密码子所

12、编码的氨基酸。所编码的氨基酸。 原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物原核生物真核生物真核生物mRNA一条一条mRNA编码几种蛋白质（多顺反子）编码几种蛋白质（多顺反子） 一条一条mRNA编码一种蛋白质（单顺反子）编码一种蛋白质（单顺反子）转录后很少加工转录后很少加工转录后进行首尾修饰及剪接转录后进行首尾修饰及剪接转录、翻译和转录、翻译和mRNA的降解可同时发生的降解可同时发生mRNA在核内合成，加工后进入胞液，再在核内合成，加工后进入胞液，再作为模板指导翻译作为模板指导翻译核蛋白体核蛋白体30S小亚基小亚基50S大亚基大亚基 70S核蛋白体核

13、蛋白体40S小亚基小亚基60S大亚基大亚基 80S核蛋白体核蛋白体起始阶段起始阶段起始氨基酰起始氨基酰-tRNA为为fMet-tRNAfMet起始氨基酰起始氨基酰-tRNA为为Met-tRNAiMet核蛋白体小亚基先与核蛋白体小亚基先与mRNA结合结合,再与再与fMet-tRNAfMet结合结合核蛋白体小亚基先与核蛋白体小亚基先与Met-tRNAiMet结合，结合，再与再与mRNA结合结合mRNA中的中的S-D序列与序列与16S rRNA 3 -端的端的一段序列结合一段序列结合mRNA中的帽子结构与帽子结合蛋白复合中的帽子结构与帽子结合蛋白复合物结合物结合有有3种种IF参与起始复合物的形成参与

14、起始复合物的形成有至少有至少10种种eIF参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成延长阶段延长阶段延长因子为延长因子为EF-Tu、EF-Ts和和EF-G延长因子为延长因子为eEF-1、eEF-1和和eEF-2终止阶段终止阶段释放因子为释放因子为RF-1、RF-2和和RF-3释放因子为释放因子为eRF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

15、位对结合起始位对结合起始tRNA的的敏感性敏感性延长因子延长因子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，能酶活性，能介导介导RF-1及及

16、RF-2与核蛋白体的相互作用与核蛋白体的相互作用参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与真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eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2B, eIF-3最先结合小亚基，促进大小亚基分离最先结合小亚基，促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除解螺旋酶活性，能解除mRNA5 -端的发夹结构，使其与小亚基结合端的发夹结构，使其与小亚基结合eIF-4B结合结合mRNA，

17、促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA 5 帽子帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和和PolyA 结合蛋白结合蛋白eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基延长因子延长因子eIF1-促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合分解位，结合分解GTP，相当于，相当于EF-TueIF1-调节亚基，相当于调节亚基，相当于EF-TseIF-2有转位酶活性，促进

18、有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位移至位移至P位，促进位，促进tRNA卸载与释放，相当于卸载与释放，相当于EF-G 释放因子释放因子eRF识别所有终止密码子，具有原核生物各类识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能的功能第四节第四节蛋白质翻译后修饰和靶向输送蛋白质翻译后修饰和靶向输送Posttranslational Modification and Targeting Transfer of Protein 新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过

19、程称为程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻翻译后修饰译后修饰(posttranslational modification)。 翻译后修饰包括：翻译后修饰包括：多肽链折叠为天然的三维构象；多肽链折叠为天然的三维构象；对肽链一级结构的修饰、对肽链一级结构的修饰、空间结构的修饰等。空间结构的修饰等。 翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。现更大的复杂性。蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位点的过程称为靶位点的过程称为蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送(

20、protein targeting)。 一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白一般认为，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。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，细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。而需要其他酶和蛋白质辅助。1. 分子伴侣分子伴侣2. 蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶3. 肽肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶二、蛋白质一级结构修饰主要是二、蛋白质一级结构修饰主要是肽键水解和化学修饰肽键水解和

21、化学修饰 （一）肽链末端的修饰（一）肽链末端的修饰（二）个别氨基酸的共价修饰（二）个别氨基酸的共价修饰 1糖基化糖基化 2羟基化羟基化 3甲基化甲基化 4磷酸化磷酸化 5二硫键形成二硫键形成 6亲脂性修饰亲脂性修饰三、空间结构的修饰三、空间结构的修饰（一）通过（一）通过非共价键亚基聚合非共价键亚基聚合形成具有四形成具有四级结构的蛋白质级结构的蛋白质（二）（二）辅基连接辅基连接后形成完整的结合蛋白质后形成完整的结合蛋白质四、合成后蛋白质可被靶向输送四、合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位至细胞特定部位（一）靶向输送的蛋白质（一）靶向输送的蛋白质N-端存在信号序列端存在信号序列（二）分泌型蛋白质

22、由分泌小泡靶向输送至胞外（二）分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外（三）蛋白质（三）蛋白质6-磷酸甘露糖基化是靶向输送至溶酶体的信号磷酸甘露糖基化是靶向输送至溶酶体的信号（四）靶向输送至内质网的蛋白质（四）靶向输送至内质网的蛋白质C-C-端含有滞留信号序列端含有滞留信号序列（五）质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜（五）质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜（六）线粒体蛋白质以其前体形式在胞液合成后靶向输入线（六）线粒体蛋白质以其前体形式在胞液合成后靶向输入线粒体粒体（七）细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔靶向输送入核（七）细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔靶向输送入核第五节第五节蛋白质生物合成

23、的干扰和抑制蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference and Inhibition of Protein Biosynthesis一、许多抗生素通过抑制蛋白质一、许多抗生素通过抑制蛋白质生物合成发挥作用生物合成发挥作用抗生素抗生素(antibiotics)是一类由某些真菌、是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力，对宿主无物生长或杀死其他微生物的能力，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。植物的感染性疾病。干扰进位的抗生素干扰进位的抗生素引

24、起读码错误的抗生素引起读码错误的抗生素 影响肽键形成的抗生素影响肽键形成的抗生素 影响转位的抗生素影响转位的抗生素 引起引起mRNA在核糖体在核糖体上错位上错位抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA与与小亚基结合小亚基结合 影响翻译起始的抗生素影响翻译起始的抗生素影响翻译延长的抗生素影响翻译延长的抗生素抗生素抗生素 作用位点作用位点 作用原理作用原理应用应用 伊短菌素伊短菌素 原核、真核核蛋白体原核、真核核蛋白体小亚基小亚基 阻碍翻译起始复合物的形成阻碍翻译起始复合物的形成抗肿瘤药抗肿瘤药四环素、土霉素四环素、土霉素 原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体小亚基 抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA与小亚基与小亚基

25、结合结合 抗菌药抗菌药链霉素、新霉素、链霉素、新霉素、巴龙霉素巴龙霉素 原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体小亚基 改变构象引起读码错误、抑改变构象引起读码错误、抑制起始制起始抗菌药抗菌药氯霉素、林可霉氯霉素、林可霉素、红霉素素、红霉素 原核核蛋白体大亚基原核核蛋白体大亚基抑制转肽酶、阻断肽链延长抑制转肽酶、阻断肽链延长抗菌药抗菌药嘌呤霉素嘌呤霉素 原核、真核核蛋白体原核、真核核蛋白体 使肽酰基转移到它的氨基上使肽酰基转移到它的氨基上后脱落后脱落抗肿瘤药抗肿瘤药放线菌酮放线菌酮 真核核蛋白体大亚基真核核蛋白体大亚基 抑制转肽酶、阻断肽链延长抑制转肽酶、阻断肽链延长医学研究医学研究 夫西地酸、细球夫西

26、地酸、细球菌素菌素EF-G 抑制抑制EF-G、阻止转位、阻止转位抗菌药抗菌药壮观霉素壮观霉素原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体小亚基 阻止转位阻止转位抗菌药抗菌药常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用二、其他干扰蛋白质生物合成的物质二、其他干扰蛋白质生物合成的物质某些毒素能在肽链延长阶段阻断蛋白质合成某些毒素能在肽链延长阶段阻断蛋白质合成而呈现毒性，如白喉毒素是真核细胞蛋白质而呈现毒性，如白喉毒素是真核细胞蛋白质合成的抑制剂，它作为一种合成的抑制剂，它作为一种修饰酶修饰酶，可使，可使eEF-2发生发生ADP糖基化共价修饰，生成糖基化共价修饰，生成eEF-2

27、腺苷二磷酸核糖衍生物，腺苷二磷酸核糖衍生物，使使eEF-2失活失活。（一）毒素（一）毒素1白喉毒素白喉毒素(diphtheria toxin) n白喉毒素的作用机理：白喉毒素的作用机理：NCONH2N+OCH2OOHOHADPCONH2白白喉喉毒毒素素延长因子延长因子-2（有活性有活性）OCH2OOHOHADP延长因子延长因子-2（无活性无活性）2蓖麻蛋白蓖麻蛋白(ricin) 蓖麻蛋白是蓖麻籽中所含的植物糖蛋白，由蓖麻蛋白是蓖麻籽中所含的植物糖蛋白，由A、B两条多肽链组成。两条多肽链组成。A链是一种链是一种蛋白酶蛋白酶，可作用于真核生物核蛋白，可作用于真核生物核蛋白体大亚基的体大亚基的28S rRNA，催化其中特异腺苷酸，催化其中特异腺苷酸发生脱嘌呤基