原核生物-生物化学与分子生物学课件

Chapter18

ProteinSynthesisandProcessing

蛋白质的合成与加工DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology,MedicalCollegeofShantouUniversity,Shantou,ChinaJianjunXie,M.D.,Ph.D1954年，PaulZamecnik及其同事实验证明体内蛋白质是由氨基酸合成的。1956年，他们发现了氨基酰-tRNA合成酶。1958年，M.B.Hoagland和Zamecnik又发现蛋白质生物合成需要可溶性RNA为中介。1961年，HowardDintzis证明血红蛋白肽链合成方向是从N-末端向C-末端进行。1961~1966年间，Nirencerg、Matthaei和Khorana先后确定了64个遗传密码。1973~1976年，麦胚无细胞体系、兔网织无细胞体系分别建立，蛋白质合成的具体过程终于揭晓。标志性事件蛋白质的生物合成，即翻译（translation）翻译的过程就是将核酸中核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质分子中20种氨基酸的排列顺序。何谓翻译？蛋白质合成体系的组成

ComponentsRequiredforProteinBiosynthesis第一节参与蛋白质生物合成的三种RNA：mRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核糖核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）辅助因子包括:起始因子(initiationfactor,IF)延长因子(elongationfactor,EF)释放因子（终止因子）(releasefactor,RF)等

氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)原料：20种氨基酸一、mRNA是蛋白质/多肽链合成的模板在遗传信息传递过程中，DNA转录生成mRNA，mRNA作为蛋白质合成的直接模板，指导蛋白质多肽链的合成。

mRNA包括5-非翻译区(5-untranslatedregion,5-UTR)开放阅读框架区(openreadingframe,ORF)3-非翻译区(3-untranslatedregion,3-UTR)原核生物mRNA真核生物mRNA非翻译区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AAA1961年，Nirenberg证明了mRNA的模板作用。mRNA分子上每3个核苷酸构建一个密码子，编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(tripletcodon)，也称遗传密码子(geneticcodon)。（一）mRNA含有64种密码子起始密码(initiationcodon):AUG终止密码(terminationcodon):UAA、UAG、UGA遗传密码表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)。

遗传密码具有通用性

(universal)（二）遗传密码具有几个特性从原核生物生物（包括病毒、细菌等）、真核生物以及人类都共同使用同一套遗传密码。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。

密码子具有方向性(direction)起始密码子总是位于mRNA开放阅读框架的5’末端，终止密码子位于3’末端。翻译的方向是从5’到3’末端。

3.遗传密码具有连续性(commaless)

密码子按5’→3’方向每3个一组阅读框架顺序翻译，无标点、不重叠，即连续性.mRNA开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入或缺失，可引起移码突变(frameshiftmutation)。翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。

4.遗传密码具有简并性(degeneracy)简并性，即同一种氨基酸具有多个密码子，或者多个密码子代表一种氨基酸的现象。遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅对应一个密码子外，其余氨基酸均有一个以上密码子为其编码。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

ACGAlaThr遗传密码的简并性5.遗传密码具有摆动性（wobble）编码同一氨基酸的不同密码子互称同义密码子；同义密码子之间的差异通常只在第3位碱基上，密码子第3位碱基与tRNA反密码子不严格遵守碱基配对规律，而是摆动碱基配对。U摆动配对二、一种tRNA只能转运一种氨基酸，但一种氨基酸可由几种tRNA转运反密码环氨基酸臂tRNA的三级结构示意图

三、rRNA与蛋白质组成核糖体

——

蛋白质合成场所

核蛋白体的组成核蛋白体原核生物真核生物蛋白质S值rRNA蛋白质S值rRNA小亚基21种30S16S33种40S18S大亚基34种50S23S5S49种60S28S5.8S5S核蛋白体70S80S核糖体的组成原核生物核糖体70SMt2.7×106

真核生物核糖体80SMt4.2×106核糖体在蛋白质合成中有主要作用：

核糖体两亚基上具有结合mRNA的位点，还有与起始因子、延长因子、释放因子及各种酶的结合位点；并且具有两个tRNA结合的位点；A位点是氨基酰tRNA结合位点，P位点是肽酰tRNA结合位点。通过将mRNA、氨基酰-tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的合成。核糖体是合成蛋白质的场所。原核生物核蛋白体结构模式30S小亚基：有mRNA结合位点50S大亚基：E位：排出位（Exitsite）转肽酶活性大小亚基共同组成：A位：氨基酰位，受位(aminoacylsite)

P位：肽酰位，给位(peptidylsite)20种氨基酸（AA）酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成酶、起始因子(initiationfactor，IF)

、延长因子（elongationfactor，EF）、释放因子（releasefactor，RF）。ATP、GTP无机离子四、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子大肠杆菌蛋白质合成的5个阶段所需化合物1．氨基酸的活化20种氨基酸20种氨基酰-tRNA合成酶32种（或多于32种）tRNAATP、Mg2+2．起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAfmermRNA上的起始密码子（AUG）30S核糖体亚基50S核糖体亚基起始因子（IF-1,IF-2,IF-3）GTP、Mg2+3．延长具有功能的70S核糖体（起始复合物）密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子（EF-Tu,EF-Ts,EF-G）GTP、Mg2+4．终止与释放mRNA上的终止密码释放因子（RF-1,RF-2,RF-3）5．折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅基结合到蛋白质上阶段必需化合物1．氨基酸的活化20种氨基酸20种氨基酰-tRNA合成酶32种（或多于32种）tRNAATP、Mg2+2．起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAmRNA上的起始密码子（AUG）30S核糖体亚基50S核糖体亚基起始因子（IF-1,IF-2,IF-3）GTP、Mg2+3．延长具有功能的70S核糖体（起始复合物）密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子（EF-Tu,EF-Ts,EF-G）GTP、Mg2+4．终止与释放mRNA上的终止密码释放因子（RF-1,RF-2,RF-3）5．折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅基结合到蛋白质上阶段必需化合物蛋白质的合成过程

ProteinSynthesisProcess

第二节氨基酸的活化肽链合成的起始(initiation)肽链的延长(elongation)肽链合成的终止(termination)及释放整个翻译过程可分为4个阶段：翻译过程从开放阅读框架的5

-AUG开始向3

阅读，按mRNA上三联体密码的顺序指导蛋白质从N端向C端合成，直至终止密码。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸与tRNA的连接一、氨基酸活化成氨基酰-tRNA氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)第一步反应:氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋

PPi

目录第二步反应:氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E（Ⅱ型）氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(editingactivity，即酯酶的活性。氨基酸活化耗能：2个~P氨基酰-tRNA的表示方法：Ser-tRNASerMet-tRNAMet

（二）氨基酰-tRNA合成酶具有校读作用二、起始阶段形成翻译起始复合物指在起始因子的作用下，mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)。原核生物中有3种起始因子(initiationfactor，IF)：IF-1、IF-2、IF-3真核生物起始因子被称作eIF(eukaryoticinitiationfactor)eIF-1、-2、-3、-4、-5和-6

翻译的起始因子真核起始因子功能eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合eIF-2B又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDP交换成GTPeIF-3首先与40S小亚基结合的因子，并能加速后续步骤eIF-4A具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA5´端的发夹结构，使其与40S小亚基结合。是eIF-4F的组成成分eIF-4B与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E结合mRNA的帽子结构，是eIF4F的组成成分eIF-4G一种接头蛋白，能与eIF-4E、eIF-3和polyA结合蛋白结合将40S的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是eIF4F的组成成分eIF-5促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60S大亚基结合形成80S起始复合物eIF-6促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基原核起始因子功能IF-1防止tRNA过早地结合到A位IF-2促进fMet-tRNAfMet结合到30S小亚基IF-3结合30S小亚基，防止它过早地与50S大亚基结合，并提高P位对fMet-tRNAfMet的特异性真核起始因子功能eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合eIF-2B又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDPGTPeIF-3首先与40S小亚基结合的因子，并能加速后续步骤eIF-4A具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA5´端的发夹结构，使其与40S小亚基结合。是的组成成分eIF-4B与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E结合mRNA的帽子结构，是的组成成分eIF-4G一种接头蛋白，能与、eIF-3和polyA结合蛋白结合将40S的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是eIF4F的组成成分eIF-5促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60S大亚基结合形成80S起始复合物eIF-6促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基原核起始因子功能IF-1防止tRNA过早地结合到A位IF-2促进fMet-tRNAfMet结合到30S小亚基IF-3结合30S小亚基，防止它过早地与50S大亚基结合，并提高P位对fMet-tRNAfMet的特异性（一）原核生物在起始因子参与下组装翻译起始复合物

1．原核生物翻译起始形成70S起始复合物IF-1、IF-3结合解聚的核糖体30S小亚基；mRNA结合核糖体30S小亚基；在IF-1的作用下，

fMet-tRNA结合mRNA的起始密码子；50S核糖体大亚基参入复合物。原核生物：fMet-tRNAifMet真核生物：Met-tRNAiMet肽链合成的起始氨基酰-tRNA:IF-3IF-1（1）IF-3、IF-1结合解聚的30S核糖体小亚基AUG5'3'IF-3IF-1（2）mRNA结合核糖体30S小亚基S-D序列（Shine-Dalgarnosequence）又称核糖体结合位点（ribosomalbindingsite,RBS）

IF-3IF-1IF-2GTP（3）在IF-1的作用下，

fMet-tRNA结合mRNA的起始密码子AUG5'3'目录IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi(4)利用IF-2具有GTP酶的活性，催化GTP水解，起始因子释放，50S大亚基与30S小亚基结合，形成70S起始复合物，fMet-tRNAfMet位于核糖体上的P（peptidyl）位。AUG5'3'IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi1.真核生物的核糖体为80S

2.真核生物的起始氨基酸是甲硫氨酸，而不是N-甲酰甲硫氨酸。3.AUG是真核生物中起始密码子，mRNA

的5ˊ末端AUG一般就是起始位点4.真核较原核有更多的起始因子（用elf表示），而且相互作用更复杂（二）真核细胞蛋白质合成起始机制与原核相似但更复杂

真核细胞的蛋白质合成过程中需要更多的蛋白质因子，步骤更为复杂，但基本过程与原核细胞中相似。真核生物翻译起始复合物形成过程Met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-3①elF-2-GTP②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet43S前起始复合物48S前起始复合物80S翻译起始复合物三、新生肽链通过核糖体循环而延长

肽链延长在核糖体上连续、循环式进行，称为核糖体循环(ribosomalcycle)，每循环一次肽链延长一个氨基酸残基，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation)延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)。原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2AUG5'3'翻译起始复合物A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)目录又称注册(registration)指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位。目录（一）氨基酰-tRNA在EF-Tu-GTP协助下进入A位（即进位）

延长因子EF-T催化进位（原核生物）

第二个氨基酰-tRNA在EF-Tu-GTP引导下进入核糖体的A位，伴随GTP水解、Tu-GDP脱离tRNA,而结合Ts和GTP，引导下一个氨基酰-tRNA进位。TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目录由肽基转移酶催化肽键形成（二）P位氨基酰基/肽酰基与A位氨基酰-tRNA氨基形成肽键（即成肽）（三）在延长因子EF-G和GTP参与下促进

核糖体沿mRNA移动/转位

在原核生物，转位依赖延长因子EF-G；在真核生物，则依赖GTP和EF-G的相应蛋白质——EF-2。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目录进位转位成肽

（四）核糖体在肽链延长阶段有校读作用

核糖体的校读功能建立在正确的密码子与反密码子相互作用的基础上。四、肽链合成终止阶段释放新生的肽链肽链合成的终止包括终止密码的识别，肽链从肽酰-tRNA中释出，从核糖体分离出mRNA和大、小亚基拆开。终止过程需要的蛋白因子称为释放因子

(releasefactor,RF)1.识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。2.帮助完成合成的多肽从P位点的tRNA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原核生物肽链合成终止过程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。

多聚核蛋白体的存在可以大大提高翻译的效率。目录电镜下的多聚核糖体现象翻译后的折叠和加工修饰FoldingandPosttranslational

Processing第三节从核糖体释放出的新生多肽链不一定是具备生物活性的成熟蛋白质，必需经过各种翻译后修饰、加工过程才转变为有活性的成熟蛋白。主要包括：蛋白质折叠（proteinfolding）翻译后加工（post-translationprocessing）

一、新生肽链经历翻译后修饰（一）肽链N端和C端的切除和/或化学修饰细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以去除N-甲酰基、N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽链。在真核细胞，50%的蛋白质在翻译后，氨基末端的氨基发生乙酰化。有些情况下，羧基末端的残基也可被酶切除。（二）水解加工包括多蛋白水解加工和内含肽的剪接1．多蛋白水解加工可产生多种肽链一些蛋白质在合成之初是含有一系列头尾相连的蛋白质的长多肽链。多肽链的水解将裂解释放出各种蛋白质，释放出的蛋白质可能具有完全不同的功能，这些蛋白质称为多蛋白。阿皮素原(POMC)的水解加工：NC信号肽103肽ACTH

-LT-MSH

-MSHEndophin2．内含肽切除导致外显肽连接

内含肽是蛋白质的内部片段，翻译后很快被剪切，两个外显肽连接到一起。内含肽的长度一般在300~600个氨基酸之间。剪接是由内含肽自我催化的。个别氨基酸可进行甲基化和乙酰化修饰蛋白质糖基化（glycosylation）修饰是一种复杂的化学修饰某些蛋白质加入异戊二烯基团：异戊二烯可以与半胱氨酸残基形成二硫键，进而将蛋白质瞄定在细胞膜上。

结合蛋白质加入辅基大多数蛋白质有二硫键的形成（三）氨基酸残基的化学修饰有多种形式NatureReviewsCancer7,295-308(April2007)二、折叠是肽链高级结构形成的过程第一种模式认为是按等级进行的

：新生肽链随着序列的不断延伸按等级逐步折叠，产生正确的二级结构、模序直至形成结构域和多肽链。第二种模式：多肽链通过非极性残基间疏水作用介导,自动折叠成“熔球（moltenglobule)”的紧密结构。细胞内大多数天然蛋白质折叠需要一些辅助性蛋白。（一）多肽链通过分步反应快速地进行折叠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)核糖体结合的分子伴侣：

触发因子（triggerfactor，TF）新生链相关复合物（nascentchain-associatedcomplex，NAC）非核糖体结合的分子伴侣：

70kD/40kD热休克蛋白（heatshockprotein,Hsp）家族

60kD/10kD热休克蛋白家族蛋白质二硫键异构酶肽酰脯氨酸异构酶1．分子伴侣有核糖体结合和非核糖体结合两类（二）分子伴侣参与蛋白质折叠细胞内分子伴侣完成以下功能：封闭待折叠蛋白暴露的疏水区段；创建一个隔离的环境，蛋白质可互不干扰在此折叠；促进折叠和去聚合；遇到应激，使已折叠的蛋白质去折叠。（1）热休克蛋白70(Hsp70)的两个主要功能域为折叠所必需还需要辅助因子Hsp40和GrpE非核糖体结合的分子伴侣热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用：结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。

Hsp40结合未折叠蛋白Hsp70-ATP复合物Hsp70-ADP-未折叠蛋白复合物GrpE

ADP释放ATP结合Hsp70，释出完成部分折叠的蛋白质Hsp40-Hsp70-ATP-未折叠蛋白复合物ATPADP（2）大肠杆菌的GroEL属于热休克蛋白60（Hsp60）家族，也称分子伴素需要辅分子伴素10(cochaperonin10)——GroES的帮助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。

每个亚基含：顶部结构域——出口；中间结构域——铰链样区域，起连接作用；赤道结构域——ATP与ADP的结合位点。（3）二硫键异构酶催化链内或链间二硫键形成多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。

二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可加速形成正确配对的二硫键，从而促进蛋白质折叠的全过程。（4）脯氨酰顺-反异构酶催化顺反异构加速折叠多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象差别明显。脯氨酰顺-反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。脯氨酰顺-反异构酶催化这种异构化的过程，可加速蛋白质的折叠。2.目前对大肠杆菌的蛋白质折叠过程了解较多（1）折叠过程首先经历Hsp70(DnaK)反应循环（2）部分折叠的蛋白质尚需经历GroE－GroES反应循环三、亚单位聚合形成多亚基蛋白质由一条以上肽链构成的蛋白质和带有辅基的结合蛋白质，肽链之间或多肽链与辅基之间需要聚合，方可成为活性蛋白质。HbA各亚基的聚合四、蛋白质合成后经靶向输送到细胞特异区间

新合成的蛋白质/多肽链须经分选、靶向输送到细胞特异区间或亚细胞器，在那里进行翻译后加工或发挥作用。大肠杆菌新合成的多肽，一些仍停留在胞浆之中，一部分则被送到质膜、外膜或质膜与外膜之间的空隙。有的也可分泌到胞外。蛋白质的靶向输送（proteintargeting）：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。

三种方式：在同一细胞中向细胞质不同区域近距离运输；在同一细胞中跨过生物膜向细胞核、线粒体等细胞器中距离运输；穿过细胞膜，分泌到体液中，然后再输送到发挥功能的靶器官或者靶细胞的长距离运输。

真核细胞中新合成的多肽被送往溶酶体、线粒体、叶绿体、细胞核等亚细胞器。所以新合成的多肽的输送是有特异靶向的。

一部分核糖体以游离状态停留在胞质中，它们只合成供装配线粒体及叶绿体膜的蛋白质。

另一部分核糖体，受新合成多肽的N端上的信号肽（signalpeptide）的控制而进入内质网，使原来表面平滑的内质网（smoothER）变成有局部凸起的粗糙内质网（roughER）。与内质网相结合的核糖体可合成3类主要的蛋白质——溶酶体蛋白、分泌到胞外的蛋白和构成质膜骨架的蛋白。

信号识别体(signalrecognitionparticle,SRP)识别信号肽。

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～