遗传信息传递-蛋白质的生物合成（生物化学课件）

氨基酸的活化分散在胞液中的各种氨基酸，需经特异的氨基酰-tRNA合成酶催化，ATP供能，并需Mg2＋或Mn2＋参与，在氨基酸的羧基上进行活化，生成中间复合物；后者再与相应的tRNA作用，将氨基酰转移到tRNA分子的氨基酸臂上，即3′末端腺苷酸中核糖的3′（或2′）羟基以酯键相结合形成氨基酰-tRNA。第一步反应氨基酸＋ATP＋E—→氨基酰-AMP-E＋AMP＋PPi

第二步反应氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E

氨基酰-tRNA合成酶对氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proof-readingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

氨基酸的活化形式：氨基酰－tRNA

氨基酸的活化部位：α－羧基

氨基酸与tRNA连接方式：酯键

氨基酸活化耗能：2个~P真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA

fMet-tRNAifMet的生成：

蛋白质合成体系ProteinBiosynthesisSystem

20种氨基酸作为原料酶及蛋白因子，如IF、eIF等

ATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括：

三种RNAmRNArRNAtRNA

1961年，Nirenberg证明了mRNA的模板作用。

一、翻译模板mRNA及遗传密码

细菌＋矾土颗粒轻轻研磨细菌液离心，去除细胞壁和膜提取液（DNA、mRNA、tRNA、核糖体、酶、离子）DNA水解酶，20种氨基酸等蛋白质

DNase蛋白质合成量时间

mRNA是遗传信息的携带者遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子（polycistron）。真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（singlecistron）。

mRNA结构简图mRNA上存在遗传密码mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码（tripletcodon）。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，各个三联体密码连续排列编码一条多肽链，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。

保温蛋白质合成停止polyU，ATP，GTP，氨基酸多聚苯丙氨酸（UUU是Phe的密码子）同样方法证明了CCC是Pro的密码子，AAA是Lys的密码子。提取液（DNA、mRNA、tRNA、核糖体、酶、离子）遗传密码的破译遗传密码表密码子的第一个字母密码子的第二个字母遗传密码的特点1.连续性（commaless）编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间隔也无重叠。

重叠密码非重叠连续的密码不连续的密码基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)。由于对mRNA外显子的加工，造成mRNA与其DNA模板序列之间不匹配，使同一mRNA前体翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑（mRNAediting)。mRNA编辑2.简并性（degeneracy）遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2~4个或多至6个密码子为之编码。遗传密码的简并性

密码子简并性的生物学意义：减少有害突变。

遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。

GCU

ACU

GCC

ACC

GCA

ACA

GCG

ACG

AlaThr3.通用性（universal）蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。有少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。4.摆动性（wobble）

tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为摆动性。摆动配对U

一、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物

(translationalinitiationcomplex)。参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiationfactor，IF）。参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiationfactor，IF）。原核生物起始因子有三种：IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。IF-2：促进起始tRNA与小亚基结合。IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性。（一）原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核蛋白体大亚基结合。IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合

S-D序列：

在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在4~9个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS)

S-D序列IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'3.起始氨基酰tRNA与小亚基结合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5'3'4.核蛋白体大亚基结合IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始过程消耗1个GTP。（二）真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。真核生物翻译起始因子

起始因子生物功能eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2B,eIF-3促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结合小亚基eIF-4B促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合mRNA5’帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PABeIF-5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MetMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6

①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③真核生物翻译起始复合物形成过程Met-tRNAiMet-elF-2

-GTPMet60S

真核生物翻译起始的特点核蛋白体是80S；起始因子种类多；起始tRNA的Met不需甲酰化；mRNA的5’帽子和3’polyA尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关；起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA二、肽链的延长指按照mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环（ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：进位（entrance）成肽（peptidebondformation）转位（translocation）

原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-αEF-Ts调节亚基EF-1-βγEFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子（一）进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

延长因子EF-T催化进位（原核生物）

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP（二）成肽是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。（三）转位延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3’侧移动。

fMetAUG5'3'fMetTuGTP进位转位成肽真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。（四）真核生物延长过程

三、肽链合成的终止当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。

终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。释放因子的功能原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物释放因子：eRF原核肽链合成终止过程UAG5'3'RFCOO-

原核生物蛋白质合成的能量计算 氨基酸活化：2个~P ATP

起始： 1个 GTP

延长： 2个 GTP

终止： 1个 GTP

结论：每合成一个肽键至少消耗4个~P。

多聚核蛋白体

（polysome)

一个mRNA分子可同时有多个核蛋白体在进行同一种蛋白质的合成，这种mRNA和多个核蛋白体的聚合物称为多聚核蛋白体。蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。抗生素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。一、抗生素类四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线菌酮抗生素作用点作用原理应用四环素族（金霉素新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素氯霉素、林可霉素红霉素梭链孢酸

放线菌酮嘌呤霉素原核小亚基原核小亚基原核大亚基原核大亚基原核大亚基真核大亚基真核、原核核蛋白体抑制氨基酰-tRNA与小亚基结合改变构象引起读码错误、抑制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位与EFG-GTP结合，抑制肽链延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰-tRNA类似物，进位后引起未成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究抗肿瘤药抗生素抑制蛋白质生物合成的原理

嘌呤霉素作用示意图二、其他干扰蛋白质生物合成的物质毒素(toxin)干扰素(interferon)

白喉毒素(diphtheriatoxin)的作用机理

干扰素的作用机理

蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。四、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质的靶向输送（proteintargeting）所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N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，这一序列称为信号序列。•信号序列(signalsequence)靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白信号肽内质网腔蛋白信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)线粒体蛋白N端靶向序列（20～35氨基酸残基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T抗原）过氧化体蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶体蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向输送蛋白的信号序列或成分（一）分泌蛋白的靶向输送真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网，再分别被包装成分泌小泡而分泌出细胞。

信号肽(signalpeptide)各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。信号肽的一级结构N端侧碱性区疏水核心区C端加工区信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网

（二）线粒体蛋白的靶向输送

（三）细胞核蛋白的靶向输送

从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。主要包括多肽链折叠为天然的三维结构肽链一级结构的修饰高级结构修饰一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后进行，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模体、结构域到形成完整的空间构象。大多数天然蛋白质折叠都需要其他酶和蛋白质的辅助。几种有促进蛋白折叠功能的大分子1.分子伴侣(molecularchaperon)2.蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)（1）热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族（2）伴侣素(chaperon