医学分子生物学：蛋白质的生物合成-翻译

蛋白质的生物合成-翻译2

分子生物学的中心法则(centraldogma)

DNARNA蛋白质

复制转录翻译逆转录RNA复制3翻译（蛋白质的生物合成）蛋白质生物合成体系以氨基酸为原料20种氨基酸以mRNA为模板mRNA以tRNA为运载工具tRNA以核糖体为合成场所核糖体起始、延长、终止各阶段蛋白因子参与合成后加工成为有活性蛋白质酶及蛋白质因子ATP、GTP第一节蛋白质合成中三类RNA的作用StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻译区5

3

3’-端非翻译区开放阅读框架从mRNA5-端起始密码子AUG到3-端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。mRNA的基本结构1、蛋白质合成的模板-mRNA原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP5

3

蛋白质PPPmG-5

3

蛋白质7编码比例

3:164个遗传密码由3个碱基组成的三联体三联体=一个密码子一个氨基酸起始密码：AUG终止密码：UAA、UGA、UAG一些原核生物中的起始密码：GUG/UUG人类线粒体特有的密码子密码子标准编码线粒体编码密码子标准编码线粒体编码UGA终止色氨酸AGA精氨酸终止AUA异亮氨酸甲硫氨酸AGG精氨酸终止10Selenocysteine硒代半胱氨酸Sec

第21个氨基酸氧化-还原反应Oxidation-reductionreactions甲酸脱氢酶formatedehydrogenaseinbacteria谷胱甘肽过氧化物酶Glutathioneperoxidaseinmammals这些酶的活性中心需要Sec残基不是在翻译后加工过程进行修饰而是在形成氨基酰-tRNA,识别UGAUGA位于SECIS中(selenocystieneinsertionsequence)SelC--serine-chargedtRNA

识别UGASelA--催化Ser-tRNAser转变为Sec-tRNAsecSelB--延长因子,识别mRNA发夹结构,把Sec装配到蛋白质中硒代半胱氨酸12非重叠性和重叠性非重叠性（nonoverlapping)模板上的碱基三联体在翻译中运用不发生重叠特点：读码框架固定，翻译成一种肽例如：AUACGAUCU

异亮-精-丝重叠性(overlapping)读码框架移动1～2个碱基同一序列的模板具有不同氨基酸序列的多肽病毒、噬菌体13简并性61个密码子编码20个氨基酸一个A.A有多个密码密码第1、2位上碱基不变，第3位碱基可改变如：ACUACCACAACG

都编码苏氨酸阅读无间隔连续阅读从mRNA5’3’肽链合成N端C端框移突变(frameshiftmutation)14mRNA编辑（mRNAediting）许多真核生物基因转录后有一个对mRNA外显子加工的过程，可通过特定碱基的插入、缺失或置换，使mRNA序列中出现移码突变、错义突变或无义突变，导致mRNA与其DNA模板序列不匹配，使同一前体mRNA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）。16衔接子(adaptermolecules)携带特异的氨基酸特异识别模板上的遗传密码氨基酸的特异“搬运工具”1A.A----2～6特异tRNA2、蛋白质合成的“衔接子”-tRNA二级结构三级结构反密码环氨基酸臂tRNA的构象18摆动假设(wobblehypothesis)密码子与反密码子的相互作用前二对严格碱基配对

第三对摆动配对摆动配对的意义适应遗传密码的简并性使蛋白质合成的准确性和速度达到平衡19密码

mRNA5’3’3’5’反密码

tRNAGCUCGICAtRNA的反密码子与mRNA分子上的密码子摆动配对123123自由度的大小由tRNA反密码子第一位碱基的种类决定3、蛋白质合成的场所和装配机—核糖体23功能蛋白质合成的场所分子结构核糖体组成原核生物真核生物核糖体(rRNA+rP)70S(质量:2.5MDa,66%RNA)（30S小亚基）（50S大亚基）80S(质量:4.2MDa,60%RNA)（40S小亚基）（60S大亚基）rRNArPrRNArP大亚基5S=120bp23S=2904bp31种5S=120bp5.8S=160bp28S=4718bp49种小亚基16S=1542bp21种18S=1874bp33种26第二节蛋白质合成的过程原核生物氨基酸的活化与转运肽链合成的起始肽链的延长“核糖体循环”

肽链合成的终止蛋白质的加工、修饰28氨基酰tRNA氨基酰tRNA合成酶

氨基酰tRNA合成酶A.A+特异tRNA

氨基酰tRNAATPAMP+PPi催化反应氨基酸+ATP-E氨基酰-AMP-E+PPi氨基酰-AMP-E+tRNA

氨基酰-tRNA+AMP+E(-COOH)(3’-CCA-OH)一、氨基酸的活化与特异tRNA的连接

1、氨基酰tRNA合成酶29氨基酰tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性具有校正活性酶的两个位点结合位点结合正确的A.A活化水解位点保证A.A序列的正确性催化反应活化1个氨基酸消耗2个ATP氨基酸+ATP-E氨基酰-AMP-E+PPi氨基酰-AMP-E+tRNA

氨基酰-tRNA+AMP+E(-COOH)(3’-CCA-OH)2、氨基酰tRNA合成酶

的高度专一性

ActivatedaminoacidAla-tRNAAlaSer-tRNASerMet-tRNAMet

Activationofaminoacid

34第二遗传密码子氨基酰tRNA合成酶识别同类tRNA同类tRNA

氨基酸的特异“搬运工具”

1A.A----2～6特异tRNA

和mRNA摆动配对tRNA具有同一性

tRNA具有同一元件35所需的条件游离的核糖体大小亚基三种可溶性起始因子(IF)mRNA5’端的起始信号起始tRNA--tRNAifmetGTP二、核糖体循环

（一）肽链合成的起始36三种起始因子IF1辅助IF3IF2有GTP酶活性特异识别fmet-tRNAifmet形成fmet-tRNAifmet-IF2-GTPIF3促进30S小亚基结合mRNA抗连接因子:

终止时促使核糖体解离,稳定游离的30S

一个IF3分子结合一个30S亚基37SD序列(shine-Dalgarno序列):---原核生物特有1.位于起始密码上游25个核苷酸，2.序列富含嘌呤(如AGGA/GAGG）的一段序列。3.能和原核生物16srRNA相应的富含嘧啶序列互补。4.在IF3、IF1促进下和30S亚基结合。mRNA5’端的起始信号40起始tRNAfmet-tRNAifmet生成生成普通的met-tRNAimet甲酰化以锁定游离的氨基基团

(不参与延伸,但不影响其始)识别起始AUGGUG(起始时甲酰甲硫氨酸,

延长时Val),起始效率下降一半UUG:起始效率再下降一半识别起始的结构甲酰化是结合tRNA起始子的IF2因子进行识别的一个特征氨基酸臂末端的几个碱基不配对反密码环臂存在一系列3个G-C,

直接插入P位必需结构43肽链合成的起始30s起始复合物形成1.核糖体亚基的拆离2.mRNA在小亚基上就位起始序列（SD序列）30S小亚基与mRNA识别、结合IF1、IF3协助3.fmet-tRNAfmet的结合fmet-tRNAifmet-IF2-GTP通过其反密码与mRNA上的起始密码

AUG相配对4470s起始复合物形成70s起始复合物形成70s起始复合物组成1.IF3脱落1.大小亚基2.50S大亚基结合2.mRNA3.GTPGDP+Pi3.fmet-tRNAifmet

（结合于核糖体的P位)4.IF2、IF1脱落47（二）肽链的延长（进位、成肽、移位）所需的条件70S起始复合物延长tRNA转运氨基酸延长因子(EF)GTP481、进位

氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，在延长因子的作用下，进入核糖体的A位。参与的延长因子EF-Tu协助AA-tRNA进入A位具有GTP酶活性EF-Ts促进EF-Tu的再利用522、转肽酶转肽酶（大亚基）催化形成肽键转肽酶：23srRNA/L2/L16/L23肽键P位：f-met-（肽酰）的α-COO-+A位：氨基酰的α-NH4+

形成肽键位置A位：反应在此位上进行（P位上的f-met退至P位）生成的二肽在A位上。P位：无负载tRNA543、移位

在A位的二肽链连同mRNA从A位进入P位酶转位酶----EFG有GTP酶活性协助mRNA前移,游离tRNA释放（E位）位置P位：肽-tRNA-mRNAA位：空留,下一个AA进入E位：P位上无负载的tRNA在肽键形成前释放方向mRNA：从5’3’

移动1个带有肽链的tRNA：从A位P位肽链合成：从N端C端延长56延长的特点“摇摆前进”保证蛋白质合成的连续性防止肽酰tRNA脱落形成无活性的未成熟蛋白质延长时的能量

每合成一个肽键，消耗4个高能磷酸键活化：2个ATP进位：1个GTP移位：1个GTP57（三）肽链合成的终止终止密码的辨认UAA、UAG、UGA蛋白质因子的参与RF1：作用于UAA、UAGRF2：作用于UGA、UAARF3：促进释放结合GTP/GTP酶活性肽链从肽酰-tRNA水解出GTPGDP+PimRNA从核糖体中分离及大小亚基的拆开IF3结合30小亚基RRF=ribosomerecyclingfactoraproteinwithathree–dimensionalshapeverysimilartothatoatRNA61（四）真核生物翻译的一些特点肽链合成起始翻译起始复合物mRNA-起始氨基酰-tRNA-核蛋白体原核生物翻译起始复合物形成真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离IF3、IF1与小亚基结合核蛋白体大小亚基分离eIF-2B/eIF-3与小亚基结合eIF-6促进核蛋白体分离mRNA在小亚基定位结合mRNA5’端起始信号SD序列起始氨基酰-tRNA结合小亚基Met-tRNAiMet-elF2

-GTP起始氨基酰-tRNA结合mRNA(fMet-tRNAimet)-IF2(GTP)mRNA在核蛋白体小亚基就位elF4E/elF4G/elF4A/elF4B/PAB核蛋白体大亚基结合IF2(GTP)促进三种IF释放核蛋白体大亚基结合elF-5/GTP促进各种elF释放62met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程63识别特征标志5’端的甲基化帽子真核生物的起始区Kozak共有核苷酸序列CCRCCAUGG(R=AorG)与18srRNA识别结合40S亚基结合到mRNA起始因子+识别帽子结构的蛋白质（消除mRNA的任何二级结构）eIF2是调控的目标

起始位点识别的特点真核生物发现错误mRNA的机制机制ItmRNA---457ntRNA,又称SsrA、10sRNA，结构和功能上具有tRNA和mRNA的特点机制Ⅱ截短体蛋白质没有终止信号，被翻译成了带多聚赖氨酸的尾巴外来体Ski7：类似eRF3机制Ⅲ1、如果核糖体在EJC的上游遇到了未成熟终止密码,2、Upf1和

Upf2蛋白招募去帽酶和5’3’内切酶启动mRNA的降解76肽链合成延长核蛋白体循环进位、成肽、转位每次循环增加一个氨基酸原核生物真核生物进位EF-Tu结合分解GTP，促进氨基酰-tRNA进入A位EF-Ts调节亚基进位EF-1-αEF-1-βγ成肽转肽酶催化的肽键形成(23srRNA)成肽转肽酶催化的肽键形成(28srRNA)转位EFG有转位酶活性(GTP酶活性)促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移到P位，促进tRNA从E位释放转位EF-2转位时卸载的tRNA直接从P位脱落（没有E位）每合成一个肽键，消耗4个高能磷酸键活化:2个ATP/进位:1个GTP/转位:1个GTP77肽链合成终止mRNA上终止密码出现，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离原核生物核蛋白体循环真核生物核蛋白体循环终止密码的辨认RF-1识别UAA、UAGRF-2识别UAA、UGA终止密码的辨认肽链从肽酰-tRNA水解出

eRF1，eRF3肽链从肽酰-tRNA水解出RF3：促进释放结合GTP/GTP酶活性79可溶性蛋白质因子原核生物真核生物起始因子IF-1、IF-2、IF-39种eIF延长因子EF-Tu、EF-Ts、EFGeEF1-αeEF1-βγeEF-2释放因子RF-1、RF-2、RF-3eRF1，eRF381第三节翻译后的加工多肽链折叠为天然的三维结构促进蛋白折叠功能的大分子分子伴侣

（热休克蛋白/伴侣素）蛋白二硫键异构酶肽-脯氨酰顺反异构酶肽链一级结构的修饰肽链N端的修饰个别氨基酸的修饰多肽链的水解修饰高级结构修饰亚基聚合辅基连接疏水脂链的共价连接蛋白质合成后的靶向输送保留在细胞液进入细胞器分泌到细胞外82多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质一级结构是空间构象的基础新生肽链的正确折叠可产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象蛋白质折叠需要其他酶、蛋白辅助完成

83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

(peptideprolyl-cis-transisomerase,PPI)871、分子伴侣分子伴侣是细胞内一类保守蛋白质，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叠。分子伴侣的功能：①封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段②创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰③促进蛋白质折叠和去聚集④遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠

88

分子伴侣的种类：热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)大肠杆菌:HSP70/HSP40/GrpE家族属于应激反应性蛋白质高温应激可诱导该蛋白质合成折叠功能：促进多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质保护功能：使线粒体和内质网蛋白质保持未折叠状态而转运、跨膜，再折叠成功能构象，利于清除变性或错误折叠的多肽中间物伴侣蛋白(chaperonin)大肠杆菌:GroEL和GroES家族为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境89热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70（DnaK）功能域一：存在于N-端高度保守的ATP酶结构域能结合和水解ATP功能域二：存在于C-端多肽链结合结构域ATP酶肽链结合结构域H2NEEVD-COOHGrpE结合部位DnaJ/HSP40结合部位90HSP70的2个辅助因子HSP40和GrpEHSP40（DnaJ）激活DnaK中的ATP酶生成稳定的DnaJ-DnaK-ADP-被折叠蛋白质复合物，利于DnaK发挥分子伴侣作用在ATP存在的情况下，DnaJ和DnaK的相互作用能抑制蛋白质的聚集GrpE(核苷酸交换因子)

与DnaK的ATP酶结构域结合

DnaK-ADPDnaK-ATP

GrpE热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本过程---大肠杆菌中的HSP70反应循环92大肠杆菌中的HSP70反应循环HSP40结合待折叠多肽片段HSP70-ATP复合物HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物ATP水解GrpEATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠93(2)伴侣蛋白(chaperonin)伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌的GroEL和GroES（真核细胞中同源物为HSP60和HSP10）等家族。其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。当待折叠肽链进入GroEL的桶状空腔后，GroES可作为“盖子”瞬时封闭GroEL空腔出口。封闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。GroEL-GroES复合物GroEL-GroES反应循环96

内质网中未折叠蛋白引起的生理反应翻译减弱与UPRUPR靶标基因的诱导在UPR诱导过程中细胞周期停止在内质网胁迫作出的凋亡反应未折叠蛋白质反应（unfoldedproteinresponse,UPR)

细胞通过在转录水平上调节内质网中催化分泌蛋白折叠、装配和修饰酶对其内错误折叠蛋白发生的积累而作出的反应982、蛋白质二硫键异构酶内质网多肽链内、链间二硫键的正确形成3、肽-脯氨酰顺反异构酶催化多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体是蛋白质三维构象形成的限速酶肽链合成形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠100

一级结构的修饰N-端Met(fMet)去除二硫键的形成个别氨基酸的修饰羟化作用:羟脯氨酸羟赖氨酸酶活性中心的磷酸化切除某些肽段，成为具有活性的蛋白质胰岛素的成熟多蛋白的加工一条合成后的多肽链经加工产生多种不同活性的蛋白质/多肽101蛋白修饰与蛋白质的功能种类--两百多种类型功能泛素化糖基化磷酸化甲基化乙酰化SUMO化甲酰化十四烷基化异戊二烯基化氨基化–去氨基化二硫键的形成亚硝基化

蛋白活性的调节蛋白的相互作用亚细胞水平定位胰岛素的加工过程鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰104高级结构的修饰亚基的聚合HbA亚单位聚合结合蛋白质的合成糖蛋白的合成辅基连接辅基(辅酶)与肽链的结合亚基的聚合106蛋白质在核糖体上合成后，必须分选出来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能,这一过程称为蛋白质的靶向输送。

蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。蛋白质合成后的靶向输送蛋白质的靶向输送(proteintargeting)108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蛋白质自身的一级结构中。

信号序列(signalsequence)109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内质网滞留信号C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)线粒体蛋白线粒体导肽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）溶酶体蛋白溶酶体靶向信号Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向输送蛋白的信号序列或成分111分泌蛋白的靶向输送真核细胞分泌蛋白等前体合成后的靶向输送过程：内质网高尔基体细胞膜细胞外

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。113N-端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等C-端为一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸，如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸紧接着是被信号肽酶(signalpeptidase)裂解的位点信号肽有以下共性：信号肽的一级结构115信号肽颗粒识别、结合胞浆

带有信号肽的分泌蛋白粗面内质网通道识别信号肽酶切除信号肽/肽链折叠肽链合并高尔基体进一步加工分泌出胞外带有信号肽的分泌性蛋白的加工、分泌的过程118蛋白质6-磷酸甘露糖基化

是靶向输送至溶酶体的信号溶酶体蛋白质被6-磷酸甘露糖糖基化120信号肽颗粒识别、结合胞浆带有信号肽\滞留信号的内质网驻留蛋白粗面内质网通道识别信号肽酶切除信号肽/肽链折叠肽链合并/进一步加工高尔基体内质网驻留蛋白的滞留信号与受体结合靶向输送至内质网的蛋白质C-端含有滞留信号序列随囊泡送回内质网122不同类型的跨膜蛋白质以不同的形式锚定在内质网膜：单跨膜蛋白质/多跨膜蛋白质质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜质膜蛋白质的靶向输送123信号肽颗粒识别、结合胞浆带有信号肽/跨膜序列(终止转移序列)的跨膜蛋白质粗面内质网通道识别信号肽酶切除信号肽/肽链折叠跨膜序列与内质网膜的磷脂双分子层结合导入的肽链不再向内质网腔内转移形成单（多次）跨膜的锚定蛋白

单（多）跨膜蛋白质锚定于质膜的过程124质膜蛋白以单次/多次跨膜形式通过内质网“出芽”而形成囊泡高尔基体囊泡（跨膜蛋白）加工随囊泡转移到细胞膜囊泡与细胞膜融合构成新的质膜质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜内质网126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绝大部分线粒体蛋白质是由核基因组编码细胞液游离核糖体合成（带有N-端信号序列----导肽）靶向输送至线粒体（基质、内/外膜、膜间隙）真核细胞线粒体蛋白质的靶向输送Tom---线粒体外转运体Tim---线粒体内转运体稳定的未折叠形式129细胞核蛋白质在胞液中合成后

经核孔靶向输送入核细胞核基因组编码细胞液游离核糖体合成（带有特异的核定位序列---NLS）通过核孔靶向输送到细胞核内细胞核蛋白质的靶向输送132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，称为核定位序列(nuclearlocalizationsequence,NLS)。NLS为含4～8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，可位于肽链的不同部位，而不只在N末端。不同的NLS间未发现共有序列；在蛋白质进核定位后，NLS不被切除。核定位序列136三种酶功能泛素激活酶（E1）E1利用ATP将其自身通过高能硫酯键在Cys残基与泛素C端的Gly相连泛素结合酶（E2）泛素被传递到E2泛素蛋白质连接酶（E3）-----对蛋白的特异性识别E3将泛素传递到底物上,与底物蛋白质形成异肽键,在异肽酶作用下,泛素从已降解的底物上释放泛素化将靶蛋白定位到降解途径139蛋白酶体功能大复合体拥有多种蛋白酶活性作用于底物蛋白降解与泛素连接的蛋白质降解细胞质内蛋白质完全降解错误折叠的蛋白质蛋白质降解调控细胞周期进行

蛋白酶体是一个能降解泛素化蛋白的大机器141第四节蛋白质合成与医学一、分子病：蛋白质分子中氨基酸序列异常的遗传病。例如：镰刀红细胞贫血原因：DNA中出现了一个碱基突变。142正常人Hb(HbA)：β链N端第6个氨基酸为GluHbS：β链N端第6个氨基酸为Val导致：HbS携氧能力下降,缺氧时RBC呈镰刀状，脆性增加，溶血143二、蛋白质生物合成的阻断剂1、抗菌素类阻断剂抗生素(antibiotics