蛋白质的生物合成

第十章蛋白质的生物合成当前1页，总共100页。中心法则(CentralDogma)贮存遗传信息直接模板有功能的产物复制—以原来的DNA分子为模板，合成出相同分子的过程。转录—在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程。翻译—在RNA的控制下，根据核酸链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。当前2页，总共100页。翻译（translation）：核酸的碱基序列所决定的遗传信息被表达为蛋白质或多肽链中的氨基酸顺序的过程。核酸语言蛋白质语言4种碱基20种氨基酸当前3页，总共100页。蛋白质生物合成过程当前4页，总共100页。氨基酸蛋白质mRNA

tRNA核糖体酶、蛋白质因子、ATP、GTP、无机离子

模板

转换器

装配器参与蛋白质合成的物质当前5页，总共100页。一、RNA在蛋白质生物合成中的作用1、mRNA2、tRNA3、rRNA当前6页，总共100页。CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU5’3’-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-CAACTGCAGACATATATGATACAATTTGATCAGTAT5’3’GTTGACGTCTGTATATACTATGTTAAACTAGTCATA3’5’NC转录翻译DNA模板链一、mRNA是翻译的模板mRNA蛋白质mRNA带有由DNA转录来的遗传信息，是蛋白质合成的模板。当前7页，总共100页。开放阅读框

(openreadingframe，ORF)从mRNA5’端起始密码子（AUG）到3’端终止密码子之间的核苷酸序列。也就是编码蛋白质一级结构的核苷酸序列。与蛋白质合成的正确起始有关。避免mRNA被核酸酶降解，增强其稳定性。含量少，占总RNA的5%，容易降解。

开放阅读框当前8页，总共100页。

终止密码子

UAA、UGA、UAG

同义密码子（简并密码子）起始密码子

AUG、GUG

通用性（universality）方向性（directionality）连续性（commalessness）简并性（degeneracy）摆动性（wobble）遗传密码子（geneticcodon）mRNA分子中，从5’-3’每三个相邻的核苷酸组成的三联体，代表某个氨基酸或其它信息，称为遗传密码子，也称三联体密码子。当前9页，总共100页。

通用性从最简单的生物到人都使用同一套遗传密码。例外：线粒体、叶绿体。方向性起始密码子总是位于5’端，终止密码子总是位于3’端，沿mRNA5’3方向连续阅读。当前10页，总共100页。

一个开放阅读框中的各密码子连续阅读，中间无间断和重叠。碱基的插入和缺失可导致框移突变（frameshift）连续性插入C当前11页，总共100页。一种以上密码子（2-6个）编码同一个氨基酸苯丙氨酸：UUU,UUC“三中读二”同义密码子：编码相同氨基酸的密码子。同义密码子的偏好性：在不同种族或同一个体的不同组织间使用频率不同。简并性（degeneracy）当前12页，总共100页。mRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUGtRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA上的密码子与tRNA上的反密码子配对时，有时不严格遵守碱基互补配对的规律，这种现象称为遗传密码的摆动。摆动性当前13页，总共100页。2.tRNA的功能tRNA起运输氨基酸的作用

反密码子（anticodon）：tRNA识别mRNA上的密码子的机构，可根据碱基配对规律识别相应的密码子。当前14页，总共100页。三、tRNA结构当前15页，总共100页。3.rRNA与核糖体

rRNA与多种蛋白质组成核糖体，核糖体是蛋白质合成的加工厂。当前16页，总共100页。3.rRNA与核糖体的组装当前17页，总共100页。

表14-7原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基rRNAs蛋白RNA的特异顺序和功能

细菌

70S50S23S=2904b31种(L1-L31）含CGAAC和GTψCG互补2.5×106D5S=120b66%RNA30S16S=1542b21种(S1-S21)16SRNA(CCUCCU)和S-D

顺序(AGGAGG)互补

哺乳动物

80S60S28S=4718b49种有GAUC和tRNAfMat的TψCG互补4.2×106D5S=120b60%RNA5.8S=160b

40S18S=1874b33种和Capm7G结合

当前18页，总共100页。二、蛋白质生物合成过程蛋白质的合成需要近200种生物大分子参与，由ATP、GTP提供能量。蛋白质生物合成方向：由多肽链的氨基端开始，向羧基端方向逐步延伸。当前19页，总共100页。合成过程分为：氨基酸的活化与转移——准备阶段肽链合成的起始肽链的延长肽链的终止mRNA中碱基的排列顺序

5’3’蛋白质中氨基酸的排列顺序

NC翻译起始延长终止进位成肽转位当前20页，总共100页。一、翻译的起始阶段翻译起始复合物起始因子核糖体大、小亚基mRNA起始氨基酰-tRNA完成三项工作：1.合成氨基酰-tRNA2.核糖体解离成大、小两个亚基3.形成翻译起始复合物当前21页，总共100页。（1）氨基酸的活化与转运AA+tRNA+ATP↓氨酰-tRNA+AMP+PPi细胞质中进行氨酰-tRNA合成酶有两个识别部位：识别特定的氨基酸；识别专一的tRNA，并将特定的氨基酸转移给特定的tRNA当前22页，总共100页。氨基酰tRNA合成酶（aminoacyl-tRNAsynthetase）当前23页，总共100页。当前24页，总共100页。携带Met的tRNA有两种：甲硫氨酸tRNAm：tRNAmMet甲酰甲硫氨酸tRNAf：tRNAfMet甲酰甲硫氨酰tRNAf甲酰FH4甲酰基转移酶

蛋白质生物合成：原核细胞以fMet-tRNAf为起点；真核细胞以Met-tRNAm为起点当前25页，总共100页。1核糖体大小亚基分离

2mRNA在核糖体小亚基定位结合

3起始氨基酰-tRNA与起始密码子结合

4核糖体大亚基结合，形成70S起始复合物P位：结合肽酰-tRNA的部位A位：结合氨基酰-tRNA的部位（2）起始当前26页，总共100页。1.mRNA与核糖体小亚基定位结合SDSD序列（Shine-Dalgarnosequence）：原核生物起始密码子上游约8-13个核苷酸处有一段富含嘌呤的序列（AGGAGGU)，与核糖体小亚基16SrRNA3’端富含嘧啶的序列互补，并把mRNA结合到核糖体小亚基上，又称核糖体结合位点（RBS）。当前27页，总共100页。2.起始氨基酰-tRNA与起始密码子结合fmet-tRNAfmet–IF-2-GTP通过其反密码与mRNA上的起始密码AUG相配对，30S起始复合物形成。IF-2：与GTP结合，促进fmet-tRNAfmet结合到30S小亚基。当前28页，总共100页。3.核糖体大亚基结合GTP水解的同时,IF解离，大亚基结合，形成70S翻译起始复合物（mRNA，fmet-tRNAfmet

，核糖体大小亚基）。当前29页，总共100页。起始因子：IF（initiationfactors)mRNA-30S-IF1-IF3复合物↓30S起始复合物（30S-mRNA-fMet-tRNAf-GTP-IF1-IF2-IF3）↓70S起始复合物（70S-mRNA-fMet-tRNAf）当前30页，总共100页。（二）延长核糖体循环（ribosomalcycle）：肽链在核糖体上连续、循环地进行延长，每个循环合成一个肽键，延长一个氨基酸，包括三步反应：进位:氨基酰-tRNA占据A位成肽:肽酰转移酶催化形成肽键转位:肽酰-tRNA由A位移到P位当前31页，总共100页。肽链合成的延长因子（elongationfactor,EF）真核生物延长因子EF-Tu

促进氨基酰－tRNA进入eEF-1αA位，结合分解GTPEF-Ts

调节亚基eEF-1β、eEF-1γEF-G

有转位酶活性，促进eEF-2

肽酰－tRNA由A位前移到P位，有

GTPase活性，促进卸载tRNA释放生物功能原核生物延长因子当前32页，总共100页。1.进位氨基酰－tRNA进入核糖体A位当前33页，总共100页。延长因子EF-T催化进位（原核生物）当前34页，总共100页。2.成肽在肽酰转移酶的作用下生成肽键当前35页，总共100页。酶肽键位置肽酰转移酶（大亚基上），本质为核酶给位：f-met-（肽酰）的α-COO-+受位：氨基酰的α-NH3+

形成肽键受位：反应进行部位（生成的二肽在A位上）给位上的f-met移至A位

给位：无负载的tRNA当前36页，总共100页。3.转位在A位的二肽链连同mRNA从A位进入P位当前37页，总共100页。延长因子位置方向EF-G，有GTP酶活性，协助mRNA前移,并促使游离tRNA释放（真核生物为eEF-2）

A位：空留,下一个待AA进入

mRNA：从5’3’

移动肽链合成：从N端C端延长当前38页，总共100页。进位成肽转位当前39页，总共100页。4.肽链合成的终止释放因子：RF1：识别UAA、UAGRF2：识别UAA、UGARF3：促进RF1及RF2的活性，协助肽链释放mRNA从核糖体中分离及大小亚基的解聚IF3结合30小亚基当前40页，总共100页。一条mRNA链上结合多个甚至几百个核糖体。每个核糖体独立合成一条多肽链。多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，提高了翻译效率。5.多聚核糖体当前41页，总共100页。当前42页，总共100页。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）转位1个（GTP）

第一个氨基酸参入需消耗3个（活化2个+起始1个），以后每掺入一个AA需要消耗4个（活化2个+进位1个+移位1个）。当前43页，总共100页。真核生物与原核生物蛋白质合成的不同当前44页，总共100页。原核生物与真核生物蛋白质合成过程的不同

原核生物真核生物模板：mRNA不需要加工，半衰期短，mRNA需要加工，半衰期长

1-3分钟数小时-十几小时转录与翻译：偶联不偶联翻译过程：起始密码：AUG、GUG、UUGAUG

起始：SD序列,fMet-tRNAifmet

5’-帽子，Met-tRNAiMet,

IF

eIF

小亚基先和mRNA结合氨基酰-tRNA先和小亚基结合

延长：EF

eEF

终止：RFs

eRF翻译产物：由多顺反子mRNA翻译成多个由单顺反子mRNA翻译成一

多肽链条多肽链当前45页，总共100页。4.细菌蛋白质合成过程当前46页，总共100页。多肽链合成后的加工处理从核糖体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过：1）翻译后一系列加工修饰过程才转变为天然构象的功能蛋白。如：高级结构的形成、氨基酸残基的修饰、二硫键的形成等。2）靶向运输许多蛋白合成后经靶向运送到其相应功能部位，才能发挥作用,称为蛋白质的靶向运输(targetedtransport)或蛋白分送(proteinsorting)。

当前47页，总共100页。翻译后加工去除N-端甲酰基或N-端甲硫氨酸二硫键的形成氨基酸侧链的修饰连接辅基水解修剪亚基聚合当前48页，总共100页。

细菌蛋白质氨基端的甲酰基能被脱甲酰化酶水解，不管是原核生物还是真核生物，N端的甲硫氨酸往往在多肽链合成完毕之前就被切除。50%的真核蛋白中，成熟蛋白N端残基会被N-乙基化。1）N端fMet或Met的切除一.肽链合成后的加工1.肽链的剪接当前49页，总共100页。2）

信号序列的切除需要靶项运输到各细胞器及细胞外的蛋白质N-端一般有一段信号序列，用于指导蛋白质的运输，这一信号序列会在完成任务后被相应的蛋白水解酶切除。当前50页，总共100页。3）切除新生肽链中非功能片段

如新合成的胰岛素前体是前胰岛素原，必须先切去信号肽变成胰岛素原，再切去C-肽，才变成有活性的胰岛素。有些动物病毒如脊髓灰质炎病毒的mRNA可翻译成很长的多肽链，含多种病毒蛋白，经蛋白酶在特定位置上水解后得到几个有功能的蛋白质分子。不少多肽类激素和酶的前体也要经过加工才能变为活性分子，如血纤维蛋白原、胰蛋白酶原经过加工切去部分肽段才能成为有活性的血纤维蛋白、胰蛋白酶。当前51页，总共100页。胰岛素原的C肽切除胰岛素的水解加工过程-非功能片段的切除当前52页，总共100页。4）

蛋白质的剪接蛋白质剪接是蛋白质内含肽介导的,一种在蛋白质水平上翻译后的加工过程,它由一系列分子内的剪切—连接反应组成。内含肽（intein）：前体蛋白的肽链切除的一些氨基酸序列。外显肽（extein）：内含肽两侧的氨基酸序列，在内含肽切除后重新连接起来成为成熟的蛋白质产物。内含肽与外显肽基因进行同步转录和翻译，当翻译形成蛋白质前体后，内含肽具有自我催化功能，可从蛋白质中自体切除，形成成熟的具有活性的蛋白。内含肽剪接是自我催化，机制不详。当前53页，总共100页。2．二硫键的形成

mRNA中没有胱氨酸的密码子，而不少蛋白质都含有二硫键，这是蛋白质合成后通过两个半胱氨酸的氧化作用生成的。胰岛素当前54页，总共100页。3．特定氨基酸的修饰氨基酸侧链的修饰作用包括泛素化、磷酸化（如核糖体蛋白质）、糖基化（如各种糖蛋白）、甲基化（如组蛋白、肌肉蛋白质）、乙基化（如组蛋白）、羟基化（如胶原蛋白）和羧基化等，是生物体内最普通发生修饰作用的氨基酸残基及其修饰产物。糖蛋白主要是通过蛋白质侧链上的天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基加上糖基形成的，胶原蛋白上的脯氨酸和赖氨酸多数是羟基化的。实验证明，内质网可能是蛋白质N-糖基化的主要场所。当前55页，总共100页。1）泛素化—泛素降解ATP-依赖的蛋白质水解体系，在胞质中进行，主要降解异常蛋白和短寿命蛋白，此途径在不含溶酶体的红细胞中尤为重要。泛素由76个AA组成，高度保守，普遍存在于真核细胞中，故称泛素（ubiquitin)当前56页，总共100页。E1：泛素激活酶E2：泛素结合酶E3：泛素-蛋白质连接酶泛素降解蛋白质途径当前57页，总共100页。2）磷酸化磷酸化是在蛋白激酶的催化作用下，将ATP的r-磷酸基转移到蛋白特定位点上的过程，磷酸化的作用位点为蛋白上的Ser、Thr、Tyr。当前58页，总共100页。3）糖基化蛋白质的特定氨基酸残基(天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基)加入糖基复合物(2-60单糖)通常为跨膜蛋白重要的识别标志当前59页，总共100页。N-连接糖蛋白的形成当前60页，总共100页。两种类型

N-linked

O-linkedN-乙酰葡萄糖氨连接到天冬胺酸残基上N-乙酰葡萄糖氨连接到丝胺酸残基上当前61页，总共100页。

O型A型B型

糖链与ABO血型

GlcNAc：■Gal：●Glc：▲GalNAc：□Fuc：△当前62页，总共100页。N-连接糖链

IgG分子铰链区糖链的空间结构当前63页，总共100页。免疫球蛋白分子IgG的糖链结构

正常糖链IgG异常糖链IgG1异常糖链IgG0当前64页，总共100页。（一）亚基聚合

具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽键通过非共价键聚合形成寡聚体。（二）辅基连接

结合蛋白质中蛋白质部分与其辅基相共价连接，如：金属离子、维生素、核酸、多糖和脂质等。三、空间结构的修饰当前65页，总共100页。PrimarySecondaryTertiaryQuaternaryStructurebasis

Higherstructure(conformation)

PrimarystructureSpatialstructureBiologicalfunctionGeneralinformationLevels当前66页，总共100页。Molecularstructureofhemoglobulin当前67页，总共100页。*模体（motif）在许多蛋白质的分子中，几个（多为23个）具有二级结构的肽段相互靠近，形成具有特定功能的空间构象，称为模体。模体是一种超二级结构。

形式：螺旋-转角-螺旋（HTH）锌指结构亮氨酸拉链

当前68页，总共100页。

锌指模体

(zincfingermotif）Zn组氨酸残基半胱氨酸残基-折叠-折叠-螺旋ZnYKCGERSFVEKSALSRHQRVHKNCLZn当前69页，总共100页。Spatialstructure当前70页，总共100页。

疯牛病和“克雅氏症

1986,England首次发现。朊病毒蛋白（prionrelativeprotein,PrPc）是存在于神经原、神经胶质细胞等多种细胞的细胞膜上的糖蛋白。

Chr20，3335kD。3.PrPc的空间构象异常改变当前71页，总共100页。

正常

异常

朊病毒蛋白结构的差异NormalPrPc，40%-helix,no-folding,sensitivetoproteaseAbnormalPrPSc,30%-helix,45%-folding，notsensitiveprotease当前72页，总共100页。（一）肽链折叠-蛋白质天然构象的形成

新生肽链的合成未完成时，肽链的折叠就开始。随序列的延伸逐步折叠，最后形成正确的空间构象。蛋白质一级结构是空间构象的基础，氨基酸序列储存着折叠的信息。细胞中大多数天然蛋白质的折叠都不是自动完成的，而是需要一些酶和蛋白质的辅助。

参与折叠的辅助性蛋白质和酶：分子伴侣（molecularchaperon）二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase,PDI）脯氨酰顺反异构酶（peptideprolylcis-transisomerase,PPI）当前73页，总共100页。（一）分子伴侣

是细胞中的一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各种功能域和整体蛋白质的正确折叠。1.热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)Hsp70家族,Hsp90,小分子Hsp等2.伴侣蛋白(chaperonins)：GroEL,GroES当前74页，总共100页。伴侣蛋白：GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠的过程当前75页，总共100页。（二）二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase,PDI）

在氧化条件下，多肽链内或多肽链间可形成二硫键,其作用是稳定二级和三级结构。（三）脯氨酰顺反异构酶（peptideprolylcis-transisomerase,PPI）

在新合成的多肽中，X-脯氨酸肽键的构型是反式的，而成熟蛋白质中该肽键的构型有10%以上是顺式的。脯氨酰顺反异构酶催化这种异构化的过程，也可以加速蛋白质的折叠。当前76页，总共100页。蛋白质的靶向转运（proteintargeting）蛋白质合成后，定向输送到最终发挥生物功能的细胞部位，这一过程称为蛋白质的靶向转运。蛋白质合成后的去向：留在胞浆进入各细胞器分泌至胞外二、肽链合成后的定向运输当前77页，总共100页。一般说来，蛋白质运转可分为两大类：１．翻译运转同步机制:蛋白质的合成和运转同时发生的２．翻译后运转机制：蛋白质从核糖体上释放后才发生运转。

下表列举了跨膜运输和镶入膜内的几种主要蛋白质蛋白性质运

转

机

制主

要

类

型分泌蛋白质在结合核糖体上合成，

并以翻译运转同步机制运输

免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等细胞器发育

蛋白质在游离核糖体上合成，以翻译后运转机制运输

核、叶绿体、线粒体、乙醛酸循环体、过氧化物酶体等细胞器中的蛋白质膜的形成

两种机制兼有质膜、内质网、类囊体中的蛋白质当前78页，总共100页。

当前79页，总共100页。1

翻译-运转同步机制（分泌蛋白）

信号肽假说：蛋白质跨膜运转信号是由mRNA编码的。在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域，称为信号序列，编码出的蛋白叫信号肽。信号肽在合成后便与内质网膜上特定受体相互作用，产生通道，允许这段多肽在延长的同时穿过内质网膜，即：边翻译边跨膜运转。微生物-囊泡当前80页，总共100页。信号肽(signalpeptide)

靶向输送的蛋白质中存在分选信号，主要为N端的特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号肽。

mRNA在多聚核糖体翻译的同时，蛋白质就插入到内质网膜，共翻译插入（cotranslationalinsertion）。当前81页，总共100页。信号肽的性质：由12～35个氨基酸组成，进入内质网膜后被信号肽酶水解；分三个区段；

N端附近有带正电荷的氨基酸，称为碱性氨基末端；中间为中性氨基酸组成的疏水核心区；

C端通常为极性氨基酸（丙氨酸或甘氨酸），可被信号肽酶裂解，称为加工区。信号肽没有严格的专一性；可能是一种环状结构通过内质网双层膜：N端先与脂膜相结合，随后疏水的残基与脂双层以疏水作用逐渐插入形成环状的跨膜结构。当前82页，总共100页。signalrecognitionparticle,SRP：信号肽识别颗粒SRPreceptor/dockingprotein:SRP受体，锚定蛋白，也叫船坞蛋白当前83页，总共100页。SRP能识别信号肽，与正在合成需要通过内质网膜进行运转的新生肽和结合核糖体形成“SRP-信号肽-核糖体复合物”，该复合物被引向内质网膜并与SRP的受体—DP（锚定蛋白，船坞蛋白，停泊蛋白）相结合。只有当SRP与DP相结合时，多肽合成才恢复进行，信号肽部分通过膜上的核糖体受体及蛋白运转复合物跨膜进入内质网内腔，新生肽链重新开始延伸。当前84页，总共10