生物化学：第12章 蛋白质的生物合成

1、DNARNA蛋白质蛋白质复制复制转录转录翻译翻译DNARNA蛋白质蛋白质复制复制复制复制转录转录反转录反转录翻译翻译1958年，年， F. Crick1蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成（翻译）（翻译）第十二章第十二章Protein Biosynthesis (Translation)2蛋白质生物合成蛋白质生物合成(protein biosynthesis) ，是，是细胞内以细胞内以mRNA为模板，按照为模板，按照mRNA分子中核分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。的过程。 其本质是将其本质是将mRNA分子中分子中4种核苷酸种核苷酸序列

2、编码的遗传信息序列编码的遗传信息（核酸语言）（核酸语言），解读为蛋，解读为蛋白质一级结构中白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序种氨基酸的排列顺序（蛋白（蛋白质语言），质语言），也称也称翻译翻译(translation) 。蛋白质生物合成的定义蛋白质生物合成的定义3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 System41. 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：适配器：tRNA4. 装配机：核糖体装配机：核糖体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

3、酶、转位酶、起始、延长、释放因子等转肽酶、转位酶、起始、延长、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+蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系蛋白质合成的三大物质基础蛋白质合成的三大物质基础5蛋白质合成的三大物质基础蛋白质合成的三大物质基础6一、一、mRNAmRNA是蛋白质生物合成的模板是蛋白质生物合成的模板1.1.碱基排列顺序决定了氨基酸的排列顺序碱基排列顺序决定了氨基酸的排列顺序78mRNA的基本结构的基本结构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

4、读框架开放阅读框架 从从mRNA 5 -端的起始密码子端的起始密码子AUG到到3 -端终止密端终止密码子之间的核苷酸序列，称为码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架开放阅读框架(open reading frame, ORF)。为什么会有非翻译区的存在，他们有什么功能？为什么会有非翻译区的存在，他们有什么功能？原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子( (polycistron): ):一条一条mRNA编码几种功能相关的蛋白质编码几种功能相关的蛋白质真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子( (monocistron): ):非编码序列非编码序列核糖体结合位点核糖体结合位点起始密码子起始密码子终止密码

5、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AAA 92. 2. mRNA上存在遗传密码上存在遗传密码在在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，这种三联体种三联体(triplet)形式的核苷酸序列称为形式的核苷酸序列称为密码子密码子。密码子（密码子（codon）10遗遗传传密密码码表表64个个密码子密码子61个个代表代表20种氨基酸种氨基酸3个个不编码任何氨基酸，称不编码任何氨基酸，称终止密码子终止密码子( termination cod

6、on) UAA、UAG、UGAAUG 代表甲硫氨酸和代表甲硫氨酸和起始密码子起始密码子 (initiation codon)11遗传密码的破译遗传密码的破译12归功于三个经典的生物化学实验：归功于三个经典的生物化学实验：体外翻译系统的建立体外翻译系统的建立核苷酸结合技术核苷酸结合技术核酸的人工合成核酸的人工合成1968年诺贝尔生理医学奖年诺贝尔生理医学奖“遗传密码的破译遗传密码的破译”尼伦伯格（尼伦伯格（1927-）Marshall Nirenberg科拉纳（科拉纳（1922-）Har Khorana霍利（霍利（1922-1993）Robert Holley13遗传密码的特点遗传密码的特点14

7、1. 方向性方向性(direction)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，即读码从，即读码从mRNA的起始密码子的起始密码子AUG开始，按开始，按53的方向逐一阅的方向逐一阅读，直至终止密码子。读，直至终止密码子。 NC肽链延伸方向肽链延伸方向53读码方向读码方向氨基酸的排列顺序对应于氨基酸的排列顺序对应于mRNA序列中密码子的排列顺序序列中密码子的排列顺序2. 连续性连续性 (commaless):mRNA序列上的各个密码子及密码子的序列上的各个密码子及密码子的各碱基是连续排列的，之间没有间隔，即具各碱基是连续排列的，之间没有间隔，即具有无标点性。有无标点性。翻译时从

8、翻译时从AUG开始向开始向3-端连端连续读码，每个碱基只读一次，不重叠阅读。续读码，每个碱基只读一次，不重叠阅读。 AlaValHisMet终止密码终止密码15基因损伤引起基因损伤引起mRNA分子中阅读框架内的分子中阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变框移突变(frameshift mutation)，“后果很严重后果很严重”。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16核苷酸插入或缺失导致核苷酸插入或缺失导致框移突变框移突变Excessive bleeding, after a minor accident, develo

9、ped subretinal hemorrhage leading to the loss of an eye. (视网膜下出血视网膜下出血)Hollopeter et al, Nature 2001Nurden et al, J Clin Invest 199517 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，可通过特定碱基的加工的过程，可通过特定碱基的插入、缺失或置插入、缺失或置换换，使，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

10、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、功能不同的蛋白质质。这种基因表达的调节方式称为。这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑编辑（mRNA editing）。）。 183. 简并性简并性(degeneracy)一种氨基酸可具有一种氨基酸可具有2个或个或2个以上的密码子为个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的其编码。这一特性称为遗传密码的简并性简并性。除色氨酸和甲硫氨酸仅有除色氨酸和甲硫氨酸仅有1个密码子外，其个密码子外，其余氨基酸有余氨基酸有2、3、4或或6个密码子为其编码。为同个密码子为其编码。为同一种氨基酸编码的各密码子称为一种氨基酸编码的各密码子称为简并性

11、密码子简并性密码子，也称也称同义密码子同义密码子 。19各种氨基酸的密码子数目各种氨基酸的密码子数目2021How can we take advantage of degeneracy of genetic codon? Insert a restriction enzyme site (site-directed mutagenesis) without changing amino acid sequence. Inactivate restriction enzyme site without changing amino acid sequence to facilitate enz

12、yme digestion.Galpha13pUC92GTCGAC V DSalIVal: GTC GTA GTG GTT4. 通用性通用性(universal) 从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码。传密码。 表明各种生物是从同一祖先进化而来的。表明各种生物是从同一祖先进化而来的。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。胞的叶绿体。例如：线粒体起始密码子为例如：线粒体起始密码子为AUG、AUU；终止密码为；终止密码为AGA，AGC； 而而UGA编码编码色氨酸等。色氨酸等。Expre

13、ssing human proteins in bacteria to:manufacture proteins drugs;characterize human protein structure and function225. 摆动性摆动性(wobble) 反密码子与密码子之间的配对有时并不严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，这种现象称为格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对摆动配对( (wobble base pairing) )。 摆摆动动配配对对233 2 11 2 3/UtRNAtRNA反密码子反密码子第第1 1位碱基位碱基I IU UG GA

14、 AC CmRNAmRNA密码子密码子第第3 3位碱基位碱基U, C, AU, C, AA, GA, GU, CU, CU UG G密码子、反密码子配对的密码子、反密码子配对的摆动摆动现象现象24摆动配对能使摆动配对能使1种种tRNA识别识别mRNA的的1-3种简并性密码子种简并性密码子mRNA的功能：的功能： 蛋白质合成的直接模板，碱基排列顺蛋白质合成的直接模板，碱基排列顺序决定了氨基酸的排列顺序，密码的阅序决定了氨基酸的排列顺序，密码的阅读方向为读方向为5325二、核二、核糖糖体是蛋白质生物合成的场所体是蛋白质生物合成的场所核核糖体糖体的组成的组成核糖体核糖体又称又称核蛋白体核蛋白体，是由

15、是由rRNA和多种蛋白质组和多种蛋白质组成的复合体，成的复合体，是蛋白质生物是蛋白质生物合成的场所。合成的场所。Paul Zamecnik（1913-2009） 26原核生物大亚基大亚基小亚基小亚基1.1.核核糖体糖体组成及结构组成及结构真核生物27rRNA的结构特点的结构特点 修饰碱基较少多为甲基化修饰碱基较少多为甲基化 不同来源的不同来源的rRNArRNA某些区域具有某些区域具有 高度的同源性高度的同源性 含有大量的茎环结构含有大量的茎环结构282.2.原核生物原核生物核糖体核糖体结构模式结构模式（3 3个位点）个位点）29转肽酶转肽酶 核糖体的功能：核糖体的功能： 蛋白质合成的场所，由大

16、小亚基组成，蛋白质合成的场所，由大小亚基组成， 小亚基与小亚基与mRNA结合，核糖体上有结合，核糖体上有P P位位 和和A A位，是形成肽键的中心位，是形成肽键的中心302009年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖“核糖体核糖体(Ribosome)的结构和功能研究的结构和功能研究”万卡特拉曼万卡特拉曼-莱马克里斯南莱马克里斯南（美）（美）托马斯托马斯-施泰茨施泰茨（美）（美）阿达阿达-尤纳斯尤纳斯（以）（以）31三、三、tRNAtRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器生物合成的适配器ntRNA的作用的作用 运载氨基酸：运载氨基酸：氨基酸各由其特异的氨基酸各由其特异的

17、tRNA携带，一种氨基携带，一种氨基酸可有几种对应的酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在，氨基酸结合在tRNA的的3 -CCA的位置，结合需要的位置，结合需要ATP供能；供能； 充当充当“适配器适配器”：每种每种tRNA的反密码子决定了所携带的的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。上对号入座。Mahlon Hoagland (1921- 2009)“发现发现tRNA” Francis Crick （1916-2004） “提出提出tRNA适配器假说适配器假说”32James Watson (1928-)Francis Crick（1916-2004）Na

18、ture ( 1953) 1 page 1 figure提出提出tRNAtRNA应接器假说应接器假说Watson:Ideas are more important than facts.New ideas need new facts.Never be in a room where you are the brightest person.Choose a field ahead of time but expecting to get an answer in reasonable time 33二级结构二级结构三级结构三级结构反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂ntRNA的构象的构象clov

19、erleaf34tRNA的功能：的功能： 通过通过3-CCA-OH将氨基酸带到蛋白质合成场将氨基酸带到蛋白质合成场所，通过反密码子将氨基酸正确就位。所，通过反密码子将氨基酸正确就位。tRNA二级结构与功能的关系？二级结构与功能的关系？35四、蛋白质生物合成需要酶类、四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等蛋白质因子等（一）重要的酶类（一）重要的酶类氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的活化；催化氨基酸的活化；转肽酶转肽酶(peptidase)，催化核糖体，催化核糖体P位上的肽酰基转移位上的肽酰基转移至至A位氨基酰位氨基酰-tRNA的

20、氨基上，使酰基与氨基结合形的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键成肽键; 并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，使酶的水解活性，使P位上的肽链与位上的肽链与tRNA分离；分离；转位酶转位酶(translocase)，催化核糖体向，催化核糖体向mRNA的的3-端移端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。位。 36转肽活性：转肽活性：将将P P位上的肽酰基转给位上的肽酰基转给A A位位上的氨基，生成肽键上的氨基，生成肽键37（二）蛋白质因子（二）蛋白质因子起始因子（起始因子（initiation fa

21、ctor，IF）延长因子（延长因子（elongation factor，EF）释放因子（释放因子（release factor，RF）38参与参与原核生物原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能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

22、亚基调节亚基EF-G有转位酶活性有转位酶活性，促进，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可与核糖体其他部位结合，有可与核糖体其他部位结合，有GTP酶活性，能介酶活性，能介导导RF-1及及RF-2与核糖体的相互作用与核糖体的相互作用39参与参与真核生物真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能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

23、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，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

24、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促进核糖体分离成大小亚基促进核糖体分离成大小亚基延长因子延长因子eEF1-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-TueEF1-调节亚基，相当于调节亚基，相当于EF-TseEF-2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位移至位移至P位，促进位，促进tRNA卸载与释放，卸载与释放，相当于相当于EF-G 释放因子释放因子eRF识别所有终止

25、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40蛋白质生物合成的能源物质为蛋白质生物合成的能源物质为ATP和和GTP;参与蛋白质生物合成的无机离子有参与蛋白质生物合成的无机离子有Mg2+、K+ 等。等。（三）能源物质及离子（三）能源物质及离子41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的过程的过程称为称为氨基酸的活化氨基酸的活化。参与氨基酸的活化的酶：氨基酰参与氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合成酶。合成酶。42氨基酸氨基酸 + tRNA氨基

26、酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶* 活化的部位活化的部位：-COOH* 活化的形式：活化的形式：氨基酰氨基酰-tRNA * 能量能量：-2ATP一、一、 氨基酸活化形成氨基酰氨基酸活化形成氨基酰-tRNA反应过程反应过程43氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi 第一步反应第一步反应44 第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA氨基酰氨基酰-tRNA AMP E45氨基酰氨基酰-tRNA合成酶的合成酶的3个结合位点个结合位点氨基酸和氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷酸形成氨基酰腺苷酸氨基酰转移到氨基酰转移到tRNA上上tRN

27、A负载了氨基酸负载了氨基酸46l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。都有高度特异性。活化：活化：转移：转移：氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶l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。动动力力学学校校对对化化学学校校对对47控制识别正确的控制识别正确的tRNA和氨基酸和氨基酸n氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法的表示方法丙氨酰丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet各种氨基酸和对应的各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的结合后形

28、成的氨基酰氨基酰-tRNA表示为：表示为：氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写 例如：例如：48 tRNAtRNA携带氨基酸的关系：携带氨基酸的关系： 一种一种tRNA-tRNA-只能携带一种氨基酸只能携带一种氨基酸 一种氨基酸一种氨基酸-多种多种tRNAtRNA来携带来携带49二、二、真核生物真核生物起始氨基酰起始氨基酰-tRNA是是Met-tRNAiMet具有起始功能的具有起始功能的tRNAiMet与与甲硫氨酸甲硫氨酸结合结合后形成后形成Met-tRNAiMet，可以在，可以在mRNA的起始密的起始密码子码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物

29、。处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。参与肽链延长的参与肽链延长的tRNAMet和和甲硫氨酸甲硫氨酸结合后结合后生成生成Met-tRNAMet，必要时进入核糖体，为延长，必要时进入核糖体，为延长中的肽链添加甲硫氨酸。中的肽链添加甲硫氨酸。 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-tRNAMet50具有起始功能的具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后，与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸很快被甲硫氨酸很快被甲酰化甲酰化为为N-甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸(N-f

30、ormyl methionine, fMet)，于是形成，于是形成N-甲酰甲硫氨甲酰甲硫氨酰酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在，可以在mRNA的起始密的起始密码子码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认密码子只能辨认fMet-tRNAfMet。 n原核生物原核生物起始氨基酰起始氨基酰-tRNA: fMet-tRNAfMet 51参与肽链延长的甲硫氨酰参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMetfMet-tRNAfMet的生成反应由的生成反应由转甲酰基酶转甲酰基酶催催化，甲酰基从化，甲酰基从N10-甲酰四氢叶酸转

31、移到甲硫氨酸甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的的-氨基上，反应如下：氨基上，反应如下：52肽链的生物合成过程肽链的生物合成过程 The Biosynthesis Process of Peptide Chain第三节第三节 53 肽链的生物合成过程肽链的生物合成过程是翻译的中心环节。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方向逐一读码，直至终止密码子。方向逐一读码，直至终止密码子。于是，合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始，于是，合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始，从从N-端端C-端延长，直至终止密码子前一端延长，直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸

32、位密码子所编码的氨基酸。 54一、原核生物的肽链合成过程一、原核生物的肽链合成过程起始起始(initiation)延长延长(elongation)终止终止(termination )整个过程可分为整个过程可分为 ：55（一）肽链合成起始（一）肽链合成起始 指指mRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA分别与核糖分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物的过程。体结合而形成翻译起始复合物的过程。1. 核糖体大、小亚基分离；核糖体大、小亚基分离；2. mRNA在小亚基上定位结合；在小亚基上定位结合；3. 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； 4. 核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。56IF-

33、3IF-11.1.核糖体大小亚基分离核糖体大小亚基分离57IF-3 、IF-1与小亚基结合，与小亚基结合，促进大、小亚基分离促进大、小亚基分离2.2.mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合( (两种机制）两种机制） mRNA 起始密码子上游起始密码子上游S-D序列序列，与小亚基中的，与小亚基中的16S-rRNA的碱基互补，使的碱基互补，使mRNA与小亚基结合。与小亚基结合。 mRNA上上S-D序列后的小核苷酸序列可被序列后的小核苷酸序列可被小亚基蛋白小亚基蛋白rpS-1识别并结合。识别并结合。A U G53IF-3IF-158通过通过RNA-RNA、RNA-蛋白质相互作用，蛋白质相互作用，m

34、RNA序列上的序列上的起始起始AUG即可在核糖体小亚基上准确定位而形成复合体。即可在核糖体小亚基上准确定位而形成复合体。593.3.起始氨基酰起始氨基酰-tRNA(fMet-tRNA-tRNA(fMet-tRNAfMetfMet ) )结合到小亚基结合到小亚基IF-3IF-1IF-2GTPA U G5360fMet-tRNAfMet与与结合了结合了GTP的的IF-2一起，一起，识别并结合对应于识别并结合对应于P位的位的mRNA序列上的序列上的AUG，促进促进mRNA的准确就位的准确就位4.4.核糖体大亚基结合，起始复合物形成核糖体大亚基结合，起始复合物形成 （核糖体、（核糖体、mRNAmRNA

35、、 fMet-tRNAfMet ）IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiA U G5361结合于结合于IF-2的的GTP被水解，被水解，释放的能量促使释放的能量促使3种种IF释放，释放，同时核糖体大亚基结合同时核糖体大亚基结合,形成起始复合物形成起始复合物起始复合物形成过程起始复合物形成过程IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi62指在指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进入模板的指导下，氨基酸依次进入核糖体并聚合成多肽链的过程。核糖体并聚合成多肽链的过程。1. 进位进位(positioning)/注册注册(registration)2. 成肽成肽(pepti

36、de bond formation)3. 转位转位(translocation) （二）延长（二）延长 肽链延长在核糖体上连续循环式进行，又称肽链延长在核糖体上连续循环式进行，又称为核糖体循环为核糖体循环(ribosomal cycle)，包括以下三，包括以下三步：步： 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。631. 进位进位 又称又称注册注册(registration)，是指一个氨基酰是指一个氨基酰-tRNA按照按照mRNA模板的指令进入并结模板的指令进入并结合到核糖体合到核糖体A位的过程。位的过程。64 进位需要延长因子进位需要延长因子EF-T(Tu+Ts

37、)参与。参与。 氨基酰氨基酰-tRNA先与先与EF-Tu-GTP结合结合,然后以然后以氨基酰氨基酰-tRNA-Tu-GTP活性复合物活性复合物形式进入并结合形式进入并结合A位。位。 6566 进位需要延长因子进位需要延长因子EF-T(Tu+Ts)参与。参与。 氨基酰氨基酰-tRNA先与先与EF-Tu-GTP结合结合, 再以再以氨基酰氨基酰-tRNA-Tu-GTP活性复合物形式进入活性复合物形式进入并结合并结合A位；位； EF-Tu有有GTP酶活性，酶活性，水解水解GTP释能。释能。 Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP进位的反应过程：进位的反应过程：672. 成肽成肽 成肽是在成

38、肽是在转肽酶转肽酶(peptidase)的催化下，核糖的催化下，核糖体体P位上起始氨基酰位上起始氨基酰-tRNA的的N-甲酰甲硫氨酰基甲酰甲硫氨酰基或肽酰或肽酰-tRNA的的肽酰基肽酰基转移到转移到A位并与位并与A位上氨位上氨基酰基酰-tRNA的的-氨基氨基结合形成肽键的过程。结合形成肽键的过程。 68成肽成肽69E位位fMetfMet转肽酶催化的肽键形成的过程转肽酶催化的肽键形成的过程成肽的反应过程成肽的反应过程3. 转位转位 转位是在转位是在转位酶转位酶的催化下，核糖体向的催化下，核糖体向mRNA的的3 -端移动一个密码子的距离，使端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的序列上的下一个密

39、码子进入核糖体的下一个密码子进入核糖体的A位、而占据位、而占据A位的肽位的肽酰酰-tRNA移入移入P位的过程位的过程, 而卸载的而卸载的tRNA则移入则移入E位。位。 延长因子延长因子EF-G有有转位酶（转位酶（translocase）活性。活性。7172转位转位E位位fMetfMet转位的反应过程转位的反应过程E位位fMetfMet转位的反应过程转位的反应过程fMetA U G53fMetTuGTP成肽成肽转位转位下一轮进位下一轮进位75进进位位转转位位成肽成肽肽链合成延长肽链合成延长(核糖体循环核糖体循环)过程过程76（三）终止（三）终止 指核糖体指核糖体A位位出现出现mRNA的的终止密码

40、子终止密码子后，后，多肽链合成停止，肽链从肽酰多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分离的过程。、核糖体大、小亚基等分离的过程。 终止阶段需要释放因子终止阶段需要释放因子RF-1、 RF-2和和 RF-3参与。参与。 77RF-3可结合核糖体其他部位，有可结合核糖体其他部位，有GTP酶活性，能酶活性，能介导介导RF-1、RF-2与核糖体的相互作用。与核糖体的相互作用。 释放因子的功能：释放因子的功能：识别终止密码子识别终止密码子RF-1特异识别特异识别UAA、UAG； RF-2特异识别特异识别UAA、UGA。诱导转肽酶转变为酯酶活性诱导转肽酶转变为酯酶

41、活性催化新生肽链与结合在催化新生肽链与结合在P位的位的tRNA之间之间的酯键水解，使肽链从核糖体上释放。的酯键水解，使肽链从核糖体上释放。78U A G53RFCOO-原核肽链合成终止过程原核肽链合成终止过程 RF结合结合终止密码子终止密码子后核糖体构象改变，后核糖体构象改变，酯酶活性水解酯键，释出合成的肽链酯酶活性水解酯键，释出合成的肽链，并促使并促使mRNA、tRNA及及RF从核糖体脱离从核糖体脱离79原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 80耗能耗能？二、真核生物的肽链合成过程二、真核生物的肽链合成过程（一）起始（一）起始1. 核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；2. 起始氨基酰

42、起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； 3. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；4. 核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。81mRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B, PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物形成过程复合物形成过程82真核生物肽链合成的延长过程与原核生物真核生物肽链合成的延长过程与原核生物基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。另外，真核细胞核糖体没有另外，真核细胞核糖体没有E位，转位时位，转位时卸载

43、的卸载的tRNA直接从直接从P位脱落。位脱落。（二）延长（二）延长83（三）终止（三）终止 真核生物翻译终止过程与原核生物相似，真核生物翻译终止过程与原核生物相似，但只有但只有1个释放因子个释放因子eRF，可识别所有终止密码，可识别所有终止密码子，完成原核生物各类子，完成原核生物各类RF的功能。的功能。 84Movie-02 多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。成以高速度、高效率进行。多聚核糖体多聚核糖体(polysome) 1条条mRNA模板链都可附着模板链都可附着10100个核个核糖体，这些核糖体依次结合起始密码子并沿糖体，这些核糖体

44、依次结合起始密码子并沿53方向读码移动，同时进行肽链合成，这方向读码移动，同时进行肽链合成，这种种mRNA与多个核糖体形成的聚合物称为多与多个核糖体形成的聚合物称为多聚核糖体聚核糖体(polysome) 。 85多聚核糖体多聚核糖体(原核和真核生物原核和真核生物)一条一条mRNAmRNA上同时结合多个核糖体进行蛋白质多肽链合成上同时结合多个核糖体进行蛋白质多肽链合成86电镜下的多聚核糖体电镜下的多聚核糖体87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（编码几种蛋白质（多顺反子多顺反子）

45、一条一条mRNA编码一种蛋白质（编码一种蛋白质（单顺反子单顺反子）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糖体核糖体30S小亚基小亚基50S大亚基大亚基 70S核糖体核糖体40S小亚基小亚基60S大亚基大亚基 80S核糖体核糖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核糖体小亚基先与核糖体小亚基先与mR

46、NA结合结合,再与再与fMet-tRNAfMet结合结合核糖体小亚基先与核糖体小亚基先与Met-tRNAiMet结合，再结合，再与与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

47、RF-1、RF-2和和RF-3释放因子为释放因子为eRF88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 Protein89 新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复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，杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为这一加工过程称为翻译后修饰翻译后修饰(posttranslational modification)。 翻译后修饰包括：翻译后修饰包括：

48、（1）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； （2）对肽链一级结构的修饰；）对肽链一级结构的修饰； （3）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。白质结构上呈现更大的复杂性。翻译后修饰翻译后修饰90一、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 新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链新生肽链N-端在核糖体上一出现，肽链的折叠端在核糖体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折

49、即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序叠，产生正确的二级结构、模序(motif)、结构、结构域域(domain)到形成完整空间构象。到形成完整空间构象。 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。91n几种具有促进蛋白质折叠功能的大分子几种具有促进蛋白质折叠功能的大分子:1. 分子伴侣分子伴侣 (molecul

50、ar chaperon): 热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP)和伴侣蛋白和伴侣蛋白(chaperonin) 2. 蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI)921. 分子伴侣分子伴侣(molecular chaperon):分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正

51、确折叠的保守蛋白质。叠的保守蛋白质。 n分子伴侣的功能：分子伴侣的功能：封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段；封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段；创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰；互不干扰；促进蛋白质折叠和去聚集；促进蛋白质折叠和去聚集；遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。 93 热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP) 热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要

52、折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。 热休克蛋白包括热休克蛋白包括HSP70(Dna K)、HSP40(Dna J)和和GrpE三族。三族。94 它有两个主要功能域：它有两个主要功能域： 一个是存在于一个是存在于N-端的高度保守的端的高度保守的ATP酶结构域酶结构域，能，能结合和水解结合和水解ATP； 另一个是存在于另一个是存在于C-端的端的多肽链结合结构域多肽链结合结构域。蛋白质。蛋白质的折叠需要这两个结构域的相互作用。的折叠需要这两个结构域的相互作用。 大肠杆菌的大肠杆菌的HSP70 (Dna K)ATP酶肽链结合结构域H2NEEVD-COOHG

53、rp E结合部位结合部位DnaJ/HSP40结合部位结合部位95大肠杆菌中的大肠杆菌中的HSP70 反应循环反应循环96DnaJ与未折叠蛋白质结合，与未折叠蛋白质结合，将多肽导向将多肽导向DnaK-ATP复合物，复合物，并与并与DnaK结合结合DnaJ激活激活DnaK的的ATP酶酶, 水解水解ATP生成生成ADP，产生，产生DnaJ-DnaK-ADP-多肽复合物多肽复合物在在Grp E作用下，作用下，ATP与与ADP交换，交换，复合物解离，释放折叠蛋白质复合物解离，释放折叠蛋白质二、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肽键水解和和化学修饰化学修饰 （一）肽链（一）肽链N

54、-端和端和C-端有切除和化学修饰端有切除和化学修饰（二）各种氨基酸残基可进行多种化学修饰（二）各种氨基酸残基可进行多种化学修饰 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97三、空间结构修饰包括三、空间结构修饰包括亚基聚合和亚基聚合和辅基连接辅基连接结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。才能成为具有功能活性的天然蛋白质。 具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体通过非共价键聚合，形成寡聚体(oligo

55、mer)。（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级结形成具有四级结构的蛋白质构的蛋白质（二）辅基连接后形成完整的结合蛋白质（二）辅基连接后形成完整的结合蛋白质98 蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送 (protein targeting) 蛋白质合成后被定向输送到其发挥作蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位点的过程用的靶位点的过程。99合成后蛋白质可被靶向输送至细胞合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位特定部位 蛋白质在核糖体上合成后，定向输送到一个蛋白质在核糖体上合成后，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白

56、质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。 蛋白质合成后的三种去向：蛋白质合成后的三种去向： 保留在胞液，保留在胞液， 进入细胞器，进入细胞器， 分泌到胞外。分泌到胞外。100 所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要是主要是N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这类序列称为转移到细胞的适当靶部位，这类序列称为信号信号序列序列(signal sequence)。 蛋白质肽链的蛋白质肽链的N-端有一长度为端有一长度为13-36个氨基酸残个氨基酸残基的信号序列称为基的信号

57、序列称为信号肽信号肽(signal peptide)。 信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋白质自身的一级结构中。蛋白质自身的一级结构中。 （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101 N-端含端含1个或几个带正电荷的个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基碱性氨基酸残基，如赖，如赖氨酸氨酸K、精氨酸、精氨酸R； 中段为疏水核心区，主要含中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸疏水的中性氨基酸，如，如亮氨酸、异亮氨酸等；亮氨酸、异亮氨酸等；

58、 C-端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是被被信号肽酶信号肽酶(signal peptidase)裂解的位点裂解的位点 。n信号肽信号肽有以下共性：有以下共性：102Gnter Blobel（1936-） 1999年诺贝尔生理医学奖年诺贝尔生理医学奖“信号肽信号肽的发现的发现”103 靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特异靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特异信号序列，称为信号序列，称为核定位序列核定位序列(nuclear localization s

59、equence, NLS) 。 NLS为含为含48个氨基酸残基的短序列，富含带正个氨基酸残基的短序列，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的不同部位，而不只在不同部位，而不只在N末端。末端。 不同的不同的NLS间未发现共有序列；间未发现共有序列； 在蛋白质进核定在蛋白质进核定位后，位后，NLS不被切除。不被切除。 n核定位序列核定位序列104n信号肽引导分泌型蛋白质进入内质网信号肽引导分泌型蛋白质进入内质网105（1）合成蛋白质信号肽）合成蛋白质信号肽（2）核糖体）核糖体-多肽多肽-SRP复合物形成复合物形成（3）结合信号肽识别颗粒）结合信

60、号肽识别颗粒SRP受体受体（4）新生蛋白质信号肽插入内质网膜）新生蛋白质信号肽插入内质网膜（5）转位进入内质网腔，信号肽被酶降解）转位进入内质网腔，信号肽被酶降解（6）多肽链折叠）多肽链折叠106J. Nanosci. Nanotechnol. 2010, 6534NLS107体内肿瘤细胞靶体内肿瘤细胞靶向快速输送抗癌向快速输送抗癌药物及生物成像药物及生物成像试剂的试剂的DNA纳米纳米火车火车Tan et al. PNAs, 2013, in press第五节第五节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Interference and Inhibition of Protein