蛋白质的生物合成翻译4

第一节参与翻译过程的物质与功能

一、mRNA的结构与功能（一）mRNA的结构特点参与翻译过程的物质共包括：mRNA、tRNA、ribosome、氨基酸（AA）、氨酰基-tRNA合成酶以及各种翻译因子等。mRNAFigure.AribosomeassemblesfromitssubunitsonmRNA,translatesthenucleotidetripletsintoprotein,andthendissociatesfromthemRNA.当前第1页\共有73页\编于星期六\11点（二）遗传密码当前第2页\共有73页\编于星期六\11点（三）

密码子的特性三联体，连续性，不重叠，通用性，兼并性，兼职等。但存在例外。1.密码子的兼并性（degeneracy）：多种密码子负责编码一种氨基酸。2.密码子的例外:1）在支原体：UGATrp(色)；2）在纤毛虫：UAA和UAGGlu（谷）；3）在人的线粒体：①UGA（终止密码子）Trp(色)；②AGA，AGG（精）终止密码子。另加UAA、UAG，线粒体共有4个终止密码子；③内部蛋氨酸的密码子有2个：AUG和AUA，起始密码子有4个：AUN；4）在酵母线粒体：除上述3点外，还有CUA亮Thr(苏)。当前第3页\共有73页\编于星期六\11点（四）遗传密码的破译理论推算阶段：1954年科普作家G.Gamow首先对遗传密码进行了理论推测：41=4；42=16；43=64；44=256。AA=20。（4=A、T、C、G）；所以，密码子是三联体。后来的实验证实是对的。实验证实阶段：实验一：1961年，Nirenberg的无细胞翻译系统研究。无细胞翻译系统的建立方法：破碎大肠杆菌（E.Coli），用DNA酶（DNase）处理，使模板DNA降解，不能再行转录生成新的mRNA，原有的mRNA因其寿命较短而消失。在该体系中存在除模板和各种氨基酸以外的蛋白质合成所需全部成分。这就是无细胞翻译系统。在该系统中分别加入人工合成的polyU、polyA、polyC或polyG，结果发现，系统中分别产生了poly(Phe)、poly(Lys)、poly(Pro)或poly(Gly)。这说明Phe、Lys、Pro和Gly的密码子分别为UUU、AAA、CCC和GGG。当前第4页\共有73页\编于星期六\11点在上述实验的基础上，将两种碱基按不同比例混合，如：U:G=5:1，合成模板mRNA，其三联体的种类共8种：UUU、UUG、UGU、GUU、GGG、GGU、GUG、UGG根据概率推算，上述8种三联体在模板中出现的机率为125:25:25:25:1:5:5:5。利用这种mRNA模板在无细胞翻译系统中合成多肽，经氨基酸种类和含量测定发现，Phe:Cys=5:1；Phe:Val=5:1；Phe:Gly=25:1。由于苯丙氨酸的密码子为UUU，故可以推知，半胱氨酸和缬氨酸的密码子由2个U和1个G组成，而苷氨酸的密码子由1个U和2个G组成。应用类似的方法，测定了其他氨基酸的密码子碱基组成。当前第5页\共有73页\编于星期六\11点实验二：三联体结合实验---Nirenberg（1964年）。破译了全部密码子，但没有解决密码子的阅读方向问题。为了解决上述无细胞翻译系统测定密码子的不足，Nirenberg等人又设计进行了三联体结合实验。该实验是在以下2个事实的基础上进行的：1）

tRNA、氨基酸和三联体的结合是特异的；2）由tRNA、氨基酸和三联体三者构成的复合体大分子不能通过硝酸纤维素滤膜，而由tRNA和氨基酸二者组成的复合体可以通过此膜。在无细胞翻译系统中加入已知序列的三联体如ACA和一种用14C标记的氨基酸如丝氨酸（Ser），ACA进入核糖体后，如果携带标记Ser的tRNA能够与其结合，则不能透过硝酸纤维素滤膜，证明ACA就是Ser的密码子。反之，ACA不是Ser的密码子，再更换其他的三联体，直至找到Ser的密码子。通过本实验，Nirenberg等人成功地破译了20种氨基酸的全部遗传密码。当前第6页\共有73页\编于星期六\11点实验三：重复共聚物体外翻译实验---Khorana（1965年）密码子全部被破译。表.重复多聚核苷酸的不同设计方式及无细胞翻译实验结果重复序列可组成的三联体密码合成多肽的氨基酸组成(UC)nUCUCUCSer-Leu(UUC)nUUCUCUCUUPhe-Ser-Leu(UUAC)nUUACUUACUUACLeu-Leu-Thr-Tyr

至此，密码子全部被破译成功。正是由于Nirenberg和Khorana二人的创造性成果，他们于1968年共同获得了诺贝尔化学奖。当前第7页\共有73页\编于星期六\11点二、

tRNA的结构与功能（一）tRNA的二级结构Theacceptorarmconsistsofabase-pairedstemthatendsinanunpairedsequencewhosefree2′-or3′-OHgroupcanbelinkedtoanaminoacid.TheTΨCarmisnamedforthepresenceofthistripletsequence.(Ψstandsforpseudouridine,amodifiedbase.)Theanticodonarmalwayscontainstheanticodontripletinthecenteroftheloop.TheDarmisnamedforitscontentofthebasedihydrouridine(anotherofthemodifiedbasesintRNA).TheextraarmliesbetweentheTΨCandanticodonarmsandvariesfrom3~21bases.

当前第8页\共有73页\编于星期六\11点（二）tRNA的三级结构

所有的tRNA的三级结构经X-ray衍射发现，都呈L形，见下图。

AmolecularmodelofthestructureofyeasttRNAPheisshowninFigure5.5.当前第9页\共有73页\编于星期六\11点（三）tRNA的功能AA+ATP＝AA-AMP+PPi(氨基酸活化)AA-AMP+tRNA＝氨酰基-tRNA+AMP同功tRNA(isoacceptingtRNA)：识别并携带同一种氨基酸的不同tRNA。tRNA正确识别和荷载氨基酸的原因：首先与氨酰基-tRNA合成酶的结构有关；其次与反密码子有关；副密码子的作用非常重要。副密码子（paracodon）：（四）tRNA的丰富度与密码子的使用频率

密码子优化当前第10页\共有73页\编于星期六\11点（五）摇摆假说（wobblehypothesis）：当前第11页\共有73页\编于星期六\11点当前第12页\共有73页\编于星期六\11点三、

核糖体的结构与功能（一）核糖体的组成与结构RNA的特异序列和功能

含CGAAC与GTψCG互补

CCUCCU与SD序列互补

有GAUC和TψCG互补

和Capm7G结合当前第13页\共有73页\编于星期六\11点ElectronmicrographsofsubunitsandcompletebacterialribosomesareshowninFigure6.2.Togetherwithmodelsinthecorrespondingorientation.Thecomplete70Sribosomehasanasymmetricconstruction.Thepartitionbetweentheheadandbodyofthesmallsubunitisalignedwiththenotchofthelargesubunit,sothattheplatformofthesmallsubunitfitsintothelargesubunit.Thereisacavitybetweenthesubunitswhichcontainssomeoftheimportantsites.当前第14页\共有73页\编于星期六\11点当前第15页\共有73页\编于星期六\11点（二）核糖体的活性位点当前第16页\共有73页\编于星期六\11点1）mRNA结合位点：位于30S亚基，由S1/S18/S21蛋白及16SrRNA组成。2）P位点：大部分位于50S，小部分位于30S，能与起始tRNA结合，涉及16SrRNA3’-端区域；涉及L2、L14、L18、L24、L27、L33。3）A位点：主要位于50S亚基，涉及16SrRNA及L1、L5、L7、L12、L20、L30、L33。4）肽酰基转移酶活性位点：位于P和A位点的连接处,靠近tRNA的接受臂。涉及23SrRNA、L2、L3、L4、L15、L16。5）5SrRNA位点：在50S上，靠近肽酰基转移酶活性位点，涉及L5、L8、L25。与23SrRNA结合。6）EF-Tu位点：位于50S亚基，靠近30S，涉及L5、L1、L20。7）EF-G结合位点：在50S亚基，靠近30S界面处，L7/L12附近。8）E位点：在50S亚基的头部。P位点的脱酰基tRNA由此脱离核糖体。当前第17页\共有73页\编于星期六\11点第二节肽链合成的起始、延伸和终止回顾：mRNA、tRNA、Ribosome等的结构与功能。mRNA:蛋白质合成的模板；tRNA:氨基酸的携带者；Ribosome:蛋白质合成的场所。蛋白质合成的原料是细胞中的20种氨基酸，反应所需的能量由ATP与GTP提供。蛋白质的生物合成过程主要包括：合成的起始；肽链的延伸；合成的终止与多肽链释放。当前第18页\共有73页\编于星期六\11点

一、氨基酸的激活与氨酰基-tRNA的合成1.氨基酸的激活与氨酰基-tRNA的合成过程氨基酸不能直接与模板相结合，必须首先与相应的tRNA结合，形成氨酰基‐tRNA。这一过程就是氨基酸的激活。将氨基酸接合于tRNA以形成氨酰基‐tRNA的激活反应是在氨酰基‐tRNA合成酶的催化作用下进行的，需要ATP提供能量。这个反应是不可逆转的。AA+ATP＝AA-AMP+PPi(氨基酸活化)AA-AMP+tRNA＝氨酰基-tRNA+AMP氨酰基-tRNA是蛋白质合成过程中的一个关键性物质，它们的合成不仅仅是一个携带氨基酸的过程。因为：（1）它为肽键的形成提供能量；（2）tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子识别，执行遗传信息的解读过程。当前第19页\共有73页\编于星期六\11点2.氨酰基-tRNA合成过程中的校正（proofreading）机制如何保证翻译的正确性？（1）氨酰基-tRNA合成酶能够正确识别其底物氨基酸的侧链。有些是高度专一的，有些则专一性不高。（2）对专一性不高的氨酰基‐tRNA合成酶的校正。（3）氨酰基-tRNA合成酶也必须识别正确的tRNA。另外，还与tRNA的反密码子有关；副密码子的作用也非常重要。当前第20页\共有73页\编于星期六\11点二、原核生物蛋白质翻译过程（一）翻译的起始1.30S起始复合物的形成30S起始复合物包括fMet-tRNA、mRNA与30S小亚基结合。这一过程是在起始因子和GTP参与下完成的。原核起始因子有3种：IF1，IF2和IF3。IF1：IF1是一个小的碱性蛋白，它能增加IF2和IF3的活性。IF1与16SrRNA的结合位点在A位点

。另外，IF1具有活化GTP酶的作用。IF2：具有很强的GTP酶活性，在肽链合成起始时催化GTP水解。功能是生成IF2•GTP•fMet-tRNA三元复合物，在IF3存在下，使起始tRNA与核糖体小亚基结合。IF3：IF3与16SrRNA相互作用位点在P位点附近。IF3能通过促使mRNA的S-D序列与16SrRNA的3’-端碱基配对，让核糖体识别mRNA上的特异启动信号，又能刺激fMet-tRNAf与核糖体结合在AUG上。当前第21页\共有73页\编于星期六\11点mRNA和fMet-tRNA

结合于IF·30S·GTP聚合体上。在结

合时，fMet-tRNA与IF2-GTP复合物紧密接触。

在核糖体小亚基上的16SrRNA3’-端有一段顺序：5’-PyACCUCCUA-3’。其中Py可以是任何嘧啶核苷酸。它可与

mRNA中的AUG上游约10个碱基处有一段富含嘌呤的序列

AGGA或GAGG（Shine-Dalgarno顺序）互补。正是由这样的

配对将AUG（或GUG，UUG）密码子带到核糖体的起始位置

上。fMet-tRNA

与小亚基上的A位点结合。

2.70S起始复合物的形成30S起始复合物一旦完全形成后，IF3即释放出来。50S大亚基参加进来，并引起GTP水解和释放其它两个起始因子，最后的复合物称为70S起始复合物。当前第22页\共有73页\编于星期六\11点IF1：IF1是一个小的碱性蛋白，它能增加IF2和IF3的活性。IF1与16SrRNA的结合位点在A位点

。另外，IF1具有活化GTP酶的作用。IF3：与16SrRNA相互作用位点在P位点附近。IF3能通过促使mRNA的S-D序列与16SrRNA的3’-端碱基配对，让核糖体识别mRNA上的特异启动信号，又能刺激fMet-tRNA与核糖体结合在AUG上。IF2：具有很强的GTP酶活性，在肽链合成起始时催化GTP水解。功能是生成IF2•GTP•fMet-tRNAMetf三元复合物。在IF3存在下，使起始tRNA与核糖体小亚基结合。当前第23页\共有73页\编于星期六\11点（二）多肽链的延伸、移位循环在起始阶段形成的起始复合物可以接受第二个氨酰基-tRNA，以形成蛋白质第一个肽键。在第二个氨酰基-tRNA进入A位点之后，便形成一个肽键，并产生出一个连接于第二个氨基酸的tRNA上的二肽。然后便发生移位，肽酰-tRNA和与之结合的mRNA密码子协同转移至P位点。这个氨基酸加成过程一再重复，每次加上一个氨基酸，直至形成一条完整的多肽链。肽链的延伸要求有延伸因子EF‐TU和EF‐TS参与。当前第24页\共有73页\编于星期六\11点Figure6.20EF-Tu-GTPplacesaminoacyl-tRNAontheribosomeandthenisreleasedasEF-Tu-GDP.EF-TsisrequiredtomediatethereplacementofGDPbyGTP.ThereactionconsumesGTPandreleasesGDP.Theonlyaminoacyl-tRNAthatcannotberecognizedbyEF-Tu-GTPisfMet-tRNAf,whosefailuretobindpreventsitfromrespondingtointernalAUGorGUGcodons.当前第25页\共有73页\编于星期六\11点Figure6.21Peptidebondformationtakesplacebyreactionbetweenthepolypeptideofpeptidyl-tRNAinthePsiteandtheaminoacidofaminoacyl-tRNAintheAsite.Peptidyltransferase

istheactivityoftheribosomal50Ssubunitthatsynthesizesapeptidebondwhenanaminoacidisaddedtoagrowingpolypeptidechain.TheactualcatalyticactivityisaproperyoftherRNA.当前第26页\共有73页\编于星期六\11点（三）多肽链合成的终止Figure6.27MolecularmimicryenablestheelongationfactorTu-tRNAcomplex,thetranslocationfactorEF-G,andthereleasefactorsRF1/2-RF3tobindtothesameribosomalsite.当前第27页\共有73页\编于星期六\11点当前第28页\共有73页\编于星期六\11点Figure6.8Initiationrequiresfreeribosomesubunits.Whenribosomesarereleasedattermination,theydissociatetogeneratefreesubunits.Initiationfactorsarepresentonlyondissociated30Ssubunits.Whensubunitsreaassociatetogiveafunctionalribosomeatinitiation,theyreleasethefactors.当前第29页\共有73页\编于星期六\11点Initiationinvolvesthereactionsthatprecedeformationofthepeptidebondbetweenthefirsttwoaminoacidsoftheprotein.ItrequirestheribosometobindtothemRNA,forminganinitiationcomplexthatcontainsthefirstaminoacyl-tRNA.Thisisarelativelyslowstepinproteinsynthesis,andusuallydeterminestherateatwhichanmRNAistranslated.

Elongationincludesallthereactionsfromsynthesisofthefirstpeptidebondtoadditionofthelastaminoacid.Aminoacidsareaddedtothechainoneatatime;theadditionofanaminoacidisthemostrapidstepinproteinsynthesis.

Terminationencompassesthestepsthatareneededtoreleasethecompletedpolypeptidechain;atthesametime,theribosomedissociatesfromthemRNA.当前第30页\共有73页\编于星期六\11点当前第31页\共有73页\编于星期六\11点Figure6.23Modelsfortranslocationinvolvetwostages.First,atpeptidebondformationtheaminoacylendofthetRNAintheAsitebecomeslocatedinthePsite.Second,theanticodonendofthetRNAbecomeslocatedinthePsite.当前第32页\共有73页\编于星期六\11点表.大肠杆菌起始因子、延伸因子和终止因子的特性与功能因子分子量（kD）特性和功能起始因子IF19促进核糖体的解离和IF2活性IF2100由一个要求GTP的反应使fMet-tRNA结合于核糖体的P位点IF322将mRNA结合于核糖体小亚基，可促进前导序列与16SrRNA3ˊ端碱基配对延伸因子EF-TU43将氨酰-tRNA结合于核糖体A位点EF-TS30重新生成EF-TU-GTPEF-G77肽基-tRNA密码子和A位点移至P位点，此过程GTP参与。释放因子RF136水解肽基-tRNA，要求UAA或UAG密码子RF238水解肽基-tRNA，要求UAA或UGA密码子RF346促进RF1，RF2活性当前第33页\共有73页\编于星期六\11点三、真核生物蛋白质的生物合成

真核生物蛋白质合成与原核生物两者相比，密码相同，各种组分相似，亦有核糖体、tRNA及各种蛋白质因子。总的合成途径也相似，有起始、延伸及终止阶段，但也有不同之处。（一）真核生物蛋白质合成的起始真核生物的起始氨基酸是蛋氨酸。参与翻译起始反应的起始因子已发现有10几种。这个过程可分为3个步骤：1.43S前起始复合物的形成起始因子eIF-2与GTP形成稳定复合物，后者与MettRNAMetI形成三元复合物，再与40S亚基形成43S前起始复合物。2.48S前起始复合物的形成在起始因子eIF-4A，eIF-4B，eIF-4E和ATP的参与下，43S前起始复合物与mRNA结合。eIF-4A有使mRNA二级结构解旋的作用。eIF-4B则有结合mRNA并识别起始密码子AUG的作用。形成48S前起始复合物。当前第34页\共有73页\编于星期六\11点据Kozak等的研究，大多数起始密码子的上游存在CCACC（称为Kozak序列）AUGG。在43S前起始复合物沿mRNA向3ˊ端方向移动时，遇到CCACC序列时，即停止移动。起始密码子AUG的识别可能是通过与tRNA上的反密码子的作用。eIF-2也参与了这个识别过程。3.80S起始复合物的形成48S前起始复合物与核糖体60S大亚基结合，便形成了80S起始复合物。这一过程由GTP水解提供能量。各种起始因子释放出来，参与下一轮的起始复合物形成。当前第35页\共有73页\编于星期六\11点Figure6.18Ineukaryoticinitiation,eIF-2formsaternarycomplexwithMet-tRNAf.Theternarycomplexbindstofree40Ssubunits,whichattachtothe5endofmRNA.Laterinthereaction,GTPishydrolyzedwheneIF-2isreleasedintheformofeIF2-GDP.eIF-2Bregeneratestheactiveform.当前第36页\共有73页\编于星期六\11点Figure6.19SeveraleukaryoticinitiationfactorsarerequiredtounwindmRNA,bindthesubunitinitiationcomplex,andsupportjoiningwiththelargesubunit.当前第37页\共有73页\编于星期六\11点1.肽链的延伸真核生物的肽链延伸与原核相似，只是延伸因子EF-TU和EF-TS被eEF-1取代，而EF-G则被eEF-2取代。在真菌中，还要求第三种因子，即eEF-3的参与，以维持其翻译的准确性。2.肽链的终止真核生物的肽链合成的终止仅涉及一个释放因子eRF。eRF分子量约为115kD。它可识别3种终止密码子：UAA，UAG，UGA。eRF在活化了肽酰转移酶释放新生的肽链后，即从核糖体上解离。解离要求GTP的水解。故肽链合成的终止需要消耗能量。（二）肽链的延伸与终止当前第38页\共有73页\编于星期六\11点四、原核生物与真核生物翻译的比较⑴原核生物的翻译与转录偶联在一起，即边转录边翻译；而真核生物的翻译与转录不偶联。真核mRNA前体需经加工修饰成为成熟mRNA后，从核内输入细胞质，然后进行翻译。⑵真核生物蛋白质合成机构比原核生物复杂，起始步骤涉及起始因子众多，过程复杂。如起始氨基酸；核糖体组成；起始因子的种类等等。⑶真核生物蛋白质合成的调控复杂。⑷真核生物与原核生物的蛋白质合成可为不同的抑制剂所抑制。当前第39页\共有73页\编于星期六\11点Conclusion:RibosomesareribonucleoproteinparticlesinwhichamajorityofthemassisprovidedbyrRNA.Theshapesofallribosomesaregenerallysimilar,butonlythoseofbacteria(70S)havebeencharacterizedindetail.Thesmall(30S)subunithasasquashedshape,witha"body"containingabouttwo-thirdsofthemassdividedfromthe"head"byacleft.Thelarge(50S)subunitismorespherical,withaprominent"stalk"ontherightanda"centralprotuberance."Locationsofallproteinsareknownapproximatelyinthesmallsubunit.

EachsubunitcontainsasinglemajorrRNA,16Sand23Sinprokaryotes,18Sand28Sineukaryoticcytosol.TherearealsominorrRNAs,mostnotably5SrRNAinthelargesubunit.BothmajorrRNAshaveextensivebasepairing,mostlyintheformofshort,imperfectlypairedduplexstemswithsingle-strandedloops.ConservedfeaturesintherRNAcanbeidentifiedbycomparingsequencesandthesecondarystructuresthatcanbedrawnforrRNAofavarietyoforganisms.The16SrRNAhasfourdistinctdomains;thethreemajordomainshavebeenmappedintoregionsofthesmallsubunit.Eukaryotic18SrRNAhasadditionaldomains.Oneendofthe30SsubunitmayconsistlargelyorentirelyofrRNA.

当前第40页\共有73页\编于星期六\11点Eachsubunithasseveralactivecenters,concentratedinthetranslationaldomainoftheribosomewhereproteinsaresynthesized.Proteinsleavetheribosomethroughtheexitdomain,whichcanassociatewithamembrane.ThemajoractivesitesarethePandAsites,theEsite,theEF-TuandEF-Gbindingsites,peptidyltransferase,andmRNA-bindingsite.Ribosomalproteinsrequiredforthefunctionofsomeofthesesiteshavebeenidentified,butthesiteshaveyettobemappedintermsofthree-dimensionalribosomestructure.Ribosomeconformationmaychangeatstagesduringproteinsynthesis;differencesintheaccessibilityofparticularregionsofthemajorrRNAshavebeendetected.

ThemajorrRNAscontainregionsthatarelocalizedatsomeofthesesites,mostnotablythemRNA-bindingsiteandPsiteonthe30Ssubunit.The3′terminalregionoftherRNAseemstobeofparticularimportance.FunctionalinvolvementoftherRNAinribosomalsitesisbestestablishedforthemRNA-bindingsite,wheremutationsin16SrRNAaffecttheinitiationreaction.RibosomalRNAisalsothetargetforsomeantibioticsorotheragentsthatinhibitproteinsynthesis.23SrRNAappearstopossesstheessentialcatalyticactivityofpeptidyltransferase.当前第41页\共有73页\编于星期六\11点AcodoninmRNAisrecognizedbyanaminoacyl-tRNA,whichhasananticodoncomplementarytothecodonandcarriestheaminoacidcorrespondingtothecodon.AspecialinitiatortRNA(fMet-tRNAfinprokaryotesorMet-tRNAiineukaryotes)recognizestheAUGcodon,whichisusedtostartallcodingsequences.Inprokaryotes,GUGisalsoused.Onlythetermination(nonsense)codonsUAA,UAG,andUGAarenotrecognizedbyaminoacyl-tRNAs.

Ribosomesarereleasedfromproteinsynthesistoenterapooloffreeribosomesthatareinequilibriumwithseparatesmallandlargesubunits.SmallsubunitsbindtomRNAandthenarejoinedbylargesubunitstogenerateanintactribosomethatundertakesproteinsynthesis.Recognitionofaprokaryoticinitiationsiteinvolvesbindingofasequenceat

the3′endofrRNAtotheShine-DalgarnomotifwhichprecedestheAUG(orGUG)codoninthemRNA.RecognitionofaeukaryoticmRNAinvolvesbindingtothe5′cap;thesmallsubunitthenmigratestotheinitiationsitebyscanningforAUGcodons.WhenitrecognizesanappropriateAUGcodon(usuallybutnotalwaysthefirstitencounters)itisjoinedbyalargesubunit.

当前第42页\共有73页\编于星期六\11点Aribosomecancarrytwoaminoacyl-tRNAssimultaneously:itsPsiteisoccupiedbyapolypeptidyl-tRNA,whichcarriesthepolypeptidechainsynthesizedsofar,whiletheAsiteisusedforentrybyanaminoacyl-tRNAcarryingthenextaminoacidtobeaddedtothechain.ThepolypeptidechaininthePsiteistransferredtotheaminoacyl-tRNAintheAsiteandthentheribosometranslocatesonecodonalongthemRNA.TranslocationandseveralotherstagesofribosomefunctionrequirehydrolysisofGTP.

Proteinsynthesisisanexpensiveprocess.ATPisusedtoprovideenergyatseveralstages,includingthechargingoftRNAwithitsaminoacid,andtheunwindingofmRNA.Ithasbeenestimatedthatupto90%ofalltheATPmoleculessynthesizedinarapidlygrowingbacteriumareconsumedinassemblingaminoacidsintoprotein!

当前第43页\共有73页\编于星期六\11点Additionalfactorsarerequiredateachstageofproteinsynthesis.Theyaredefinedbytheircyclicassociationwith,anddissociationfrom,theribosome.IFfactorsareinvolvedinprokaryoticinitiation.IF-3isneededfor30SsubunitstobindtomRNAandalsoisresponsibleformaintainingthe30Ssubunitinafreeform.IF-2isneededforfMet-tRNAftobindtothe30Ssubunitandisresponsibleforexcludingotheraminoacyl-tRNAsfromtheinitiationreaction.GTPishydrolyzedaftertheinitiatortRNAhasbeenboundtotheinitiationcomplex.Theinitiationfactorsmustbereleasedinordertoallowalargesubunittojointheinitiationcomplex.

ProkaryoticEFfactorsareinvolvedinelongation.EF-Tubindsaminoacyl-tRNAtothe70Sribosome.GTPishydrolyzedwhenEF-Tuisreleased,andEF-TsisrequiredtoregeneratetheactiveformofEF-Tu.EF-Gisrequiredfortranslocation.BindingoftheEF-TuandEF-Gfactorstoribosomesismutuallyexclusive,whichensuresthateachstepmustbecompletedbeforethenextcanbestarted.RFfactorsarerequiredfortermination.Proteinsynthesisineukaryotesisgenerallysimilartotheprocessinprokaryotes,butinvolvesamorecomplexsetofaccessoryfactors.

当前第44页\共有73页\编于星期六\11点什么是蛋白质？

第三节蛋白质翻译后的加工由一定数量和种类的氨基酸通过羧基与氨基缩合形成的肽键连接在一起，并经进一步折叠、盘曲、缠绕而形成的具有一定空间结构和生物功能的生物大分子。当前第45页\共有73页\编于星期六\11点蛋白质的结构层次：一级二级三级四级结构当前第46页\共有73页\编于星期六\11点蛋白质的结构层次：一级结构或氨基酸序列二级结构Motif立体结构空间结构domain高级结构三级结构

四级结构当前第47页\共有73页\编于星期六\11点蛋白质一级结构是指多肽链中的氨基酸的排列顺序。一级结构是蛋白质结构层次体系的基础，它是决定更高层次结构的主要因素，也就是一级结构决定高级结构。这是蛋白质结构组织的基本原理。蛋白质结构组织的基本原理：

当前第48页\共有73页\编于星期六\11点蛋白质变性：天然态（折叠态）变性态（伸展态）体外蛋白质的复性：UIN（一）体外蛋白质折叠的机制

体外蛋白质的折叠可能是始于疏水坍塌（hydrophobiccollapse），或始于转角（turn），或始于共价键相互作用（如二硫键的形成）。在折叠早期，可能这三种方式联合起作用。之后，可能沿着有限的多途径形成中间态（熔球态）。这个过程是快速的。最后再由中间态进入天然态，此过程比较慢，是折叠反应的限速步骤。变性因素快慢一、蛋白质的折叠当前第49页\共有73页\编于星期六\11点溶剂中的水分子对蛋白质空间结构具有重要的作用：1）结合在蛋白质分子表面的水分子，具有稳定表面侧链的构象和表面二级结构片段的作用；2）结合在蛋白质分子内部的少量水分子，不仅有助于局部结构的稳定，还可直接参与蛋白质的功能作用；3）环境中的水有助于蛋白质的折叠和三维结构的形成。当前第50页\共有73页\编于星期六\11点（二）体内蛋白质的折叠体内环境复杂；需要助折叠蛋白（foldinghelper）的参与，从而降低了折叠的错误，提高了效率；在翻译结束之前即开始（邹氏学说）。助折叠蛋白：1.酶：蛋白质二硫键异构酶；肽酰脯氨酰顺反异构酶。与新生肽链的折叠密切相关，加速蛋白质折叠过程。2.分子伴侣：细胞内帮助新生肽链正确组装，成为成熟蛋白质，而本身却不是最终功能蛋白质分子的组成成分的分子，都称为分子伴侣（molecularchaperone）。当前第51页\共有73页\编于星期六\11点Figure8.5Chaperonefamilieshaveeukaryoticandbacterialcounterparts(namedinparentheses).胁迫-70（stress-70）家族：分子伴侣蛋白：胁迫‐70（stress‐70）家族；分子伴侣（chaperonin）家族。广泛存在于原核和真核生物细胞中。当前第52页\共有73页\编于星期六\11点Figure8.6DnaJassiststhebindingofDnaK(Hsp70),whichassiststhefoldingofnascentproteins.ATPhydrolysisdrivesconformationalchange.GrpEdisplacestheADP;thiscausesthechaperonestobereleased.Multiplecyclesofassociationanddissociationmayoccurduringthefoldingofasubstrateprotein。当前第53页\共有73页\编于星期六\11点分子伴侣（chaperonin）家族：Figure8.8GroELformsanoligomeroftworings,eachcomprisingahollowcylindermadeof7subunits.当前第54页\共有73页\编于星期六\11点Figure8.9TworingsofGroELassociatebacktobacktoformahollowcylinder.GroESformsadomethatcoversthecentralcavityononeside.Proteinsubstratesbindtothecavityinthedistalring.当前第55页\共有73页\编于星期六\11点二、蛋白质的修饰（一）末端氨基的脱甲酰化和N端蛋氨酸的切除对起始氨基酸的修饰。（二）多肽链的水解断裂:胰岛素的修饰过程。Prepro-insulinPro-insulininsulinPre-peptideC-peptide当前第56页\共有73页\编于星期六\11点图5.人胰岛素原的分子结构模式图Fig.5SketchoftheStructureofHumanProinsulin图6.由胰岛素原转变为胰岛素的产物Fig.6ProinsulinChangingintoInsulin当前第57页\共有73页\编于星期六\11点（三）氨基酸侧链的修饰二硫键的形成；羟化作用；氨基酸残基的交联；羧化作用；甲基化等。详细内容参见下表。（四）糖基化生成糖蛋白，膜蛋白和分泌蛋白多为糖蛋白。（五）脂类对蛋白质的共价修饰(1)在翻译后，脂肪酸与半胱氨酸、丝氨酸或苏氨酸侧链酯化，以脂酰-CoA为供体；(2)在翻译中，连接肉豆寇酸于N-端甘氨酸；(3)在翻译后，通过乙醇胺将糖基-磷脂酰基肌醇（GPI）连接于多肽前体的接近C端的氨基酸残基上，生成与膜结合的GPI-锚定蛋白（GPI-anchoredprotein）。

当前第58页\共有73页\编于星期六\11点表.蛋白质生物合成中氨基酸残基的修饰氨基酸修饰方式精氨酸ADP‐核糖基化；氨基未端甲基化天冬酰胺ADP‐核糖基化；糖基化；氨基未端甲基化；β‐羟化作用天冬氨酸在GPI‐锚锭蛋白中以酰胺连接于乙醇胺；β‐羟化作用半胱氨酸二硫键形成；脂肪酰化作用谷氨酸Υ‐羟基化作用；甲基化作用谷氨酰胺赖氨酸氨基交联；氨基末端甲基化；内部环化成氨基末端焦谷氨酸甘氨酸转变成羟基未端酰胺；氨基未端的肉豆寇酰化组氨酸形成白喉酰胺（dipbthamide），ADP‐核糖基化；氨基末端甲基化赖氨酸羟化作用后5‐羟赖氨酸糖基化；交联形成；乙酰化作用甲硫氨酸氨基未端甲酰基团脱甲酰化作用；氨基未端甲基化苯丙氨酸氨基未端甲基化脯氨酸羟化作用形成3‐或4‐羟脯氨酸；氨基未端甲基化丝氨酸磷酸化；糖基化；脂肪酰化；在tRNA水平上硒代半胱氨酸的形成苏氨酸磷酸化作用；糖基化作用；脂肪酰化作用酪氨酸磷酸化作用；哺乳动物α‐微管蛋白中羟基未端残基的交换当前第59页\共有73页\编于星期六\11点（六）

ADP‐核糖基化：细胞核内组蛋白。（七）乙酰化

乙酰化普遍存在于原核和真核生物中。有二种:(1)由结合于核糖体的乙酰基转移酶催化，将乙酰‐CoA的乙酰基转移至正在合成的多肽链上；（2）翻译后由细胞质的酶催化发生乙酰化。（八）磷酸化酶、受体、介质及调节因子等蛋白质的普遍修饰方式。在细胞生长和代谢调节中有重要功能。发生在翻译后，由各种蛋白激酶催化进行。（九）C端酰胺基的引入（十）酪氨基的硫酸化真核生物蛋白质的酪氨酸硫酸化。

当前第60页\共有73页\编于星期六\11点第四节蛋白质的跨膜运输与定位一、蛋白质转位的途径1.

共翻译（cotranslation）转位ProteinsthatarelocalizedcotranslationallyassociatewiththeERmembraneduringsynthesis,sotheirribosomesare"membrane-bound".Theproteinspassintotheendoplasmicreticulum,alongtotheGolgi,andthenthroughtheplasmamembrane,unlesstheyhavesignalsthatcauseretentionatoneofthestepsonthepathway.Theymayalsobedirectedtootherorganelles,suchasendosomesorlysosomes.2.翻译后转位Proteinsthatarelocalizedpost-translationallyarereleasedintothecytosolaftersynthesisonfreeribosomes.Somehavesignalsfortargetingtoorganellessuchasthenucleusormitochondria.当前第61页\共有73页\编于星期六\11点Figure8.1Proteinsthatarelocalizedpost-translationallyarereleasedintothecytosolaftersynthesisonfreeribosomes.ProteinsthatarelocalizedcotranslationallyassociatewiththeERmembraneduringsynthesis.当前第62页\共有73页\编于星期六\11点（一）

共翻译（co-translation）转位Figure8.3Membrane-boundribosomeshaveproteinswithN-terminalsequencesthatentertheERduringsynthesis.Theproteinsmayflowthroughtotheplasmamembraneormay