生化蛋白质的生物合成(翻译)

蛋白质生物合成体系

ProteinBiosynthesisSystem

第一节当前1页，共103页，星期日。参与蛋白质生物合成的物质包括

三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）合成原料20种氨基酸(AA)当前2页，共103页，星期日。参与的蛋白质因子、酶及酶的辅助因子

起始因子、延长因子、释放因子、转肽酶、氨基酰-tRNA合成酶能源ATP主要参与氨基酸的活化

GTP提供翻译起始、延长、终止阶段所需能量当前3页，共103页，星期日。一、mRNA是蛋白质合成的模板

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)

。真核细胞mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)

。

当前4页，共103页，星期日。原核生物的多顺反子PPP5

3

蛋白质真核生物的单顺反子非编码序列核糖体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPPmG-5

3

蛋白质当前5页，共103页，星期日。

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(tripletcode)。起始密码(initiationcodon):AUG终止密码(terminationcodon):UAA，UAG，UGA当前6页，共103页，星期日。遗传密码表当前7页，共103页，星期日。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，每个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。当前8页，共103页，星期日。

遗传密码的特点1.方向性mRNA分子中遗传密码阅读方向是从5→3

当前9页，共103页，星期日。2.连续性编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。

当前10页，共103页，星期日。

基因转录后存在一种对mRNA外显子加工过程，通过特定碱基的插入、缺失或置换，导致mRNA的移码、错义突变或提前终止，使得同一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)。

当前11页，共103页，星期日。

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)。当前12页，共103页，星期日。3.简并性

遗传密码中，除Met、Trp外，其余氨基酸均由2个以上密码子为其编码。同义密码子但每一个密码子仅对应一个氨基酸。不同物种对密码子有“偏爱性”。当前13页，共103页，星期日。当前14页，共103页，星期日。4.通用性

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

当前15页，共103页，星期日。5.摆动性转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。当前16页，共103页，星期日。UU摆动配对当前17页，共103页，星期日。密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG当前18页，共103页，星期日。二、核糖体是多肽链合成的装置当前19页，共103页，星期日。12/56

组成、结构与功能特点：结构复杂而精密由数种rRNA（占60%左右）及多种蛋白质组成。

rRNA起着主导的作用，蛋白质协助维持rRNA的功能区域。当前20页，共103页，星期日。12/56核糖体的组成当前21页，共103页，星期日。原核生物翻译过程中核糖体结构模式A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)当前22页，共103页，星期日。三、tRNA是蛋白质合成的搬运工具反密码环氨基酸臂当前23页，共103页，星期日。tRNA的三级结构当前24页，共103页，星期日。15/56如：密码子GGU--携带反密码子ACC的tRNA--Gly

tRNA的功能活化氨基酸搬运氨基酸

在密码子与对应氨基酸之间起适配器 (adaptor)的作用。密码子—tRNA反密码子—氨基酸是对号入座。当前25页，共103页，星期日。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)（一）氨基酸的活化与氨基酰-tRNA合成酶当前26页，共103页，星期日。第一步反应：酶找相应的氨基酸氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E＋AMP＋PPi

当前27页，共103页，星期日。第二步反应：酶找相应的tRNA氨基酰-AMP-E＋tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP＋E当前28页，共103页，星期日。

氨基酰tRNA合成酶有20种，分别特异性识别相应的20种氨基酸和相应的tRNA。

氨基酰tRNA合成酶的活性是绝对专一性的，酶同时对氨基酸和tRNA高度特异地识别。当前29页，共103页，星期日。

tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP当前30页，共103页，星期日。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet当前31页，共103页，星期日。真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet（二）氨基酰-tRNA的表示方法当前32页，共103页，星期日。CH3SCH2CH2CHH2NCOOtRNAfMet转甲酰基酶N10-CHO-FH4CH3SCH2CH2CHH-C-HNCOOtRNAfMetO20/56大肠杆菌起始密码子编码的met须甲酰化真核细胞起始密码子编码的met不须甲酰化当前33页，共103页，星期日。蛋白质生物合成过程

TheProcessofProteinBiosynthesis

第二节当前34页，共103页，星期日。整个翻译过程可分为翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，多肽链的合成是从N端向C端，直至终止密码出现。

翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination)当前35页，共103页，星期日。一、翻译的起始指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)。参与这一过程的多种蛋白质因子，称为起始因子(initiationfactor,IF)。当前36页，共103页，星期日。核糖体大小亚基分离mRNA在小亚基上定位结合起始氨基酰-tRNA的结合70S起始复合物形成（一）原核生物的翻译起始过程当前37页，共103页，星期日。IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离当前38页，共103页，星期日。AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合当前39页，共103页，星期日。S-D序列(Shine-Dalgarno,RBS)

rps(ribosomal

proteininsmallsubunit)当前40页，共103页，星期日。IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'当前41页，共103页，星期日。IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，70S起始复合物形成AUG5'3'当前42页，共103页，星期日。原核生物各种起始因子(IF)的生物功能IF-3结合30S小亚基，促进大小亚基分离；提高P位对结合起始tRNA敏感性IF-2促进起始tRNA与30S小亚基结合IF-1占据A位防止结合其他tRNA；阻止大小亚基的结合生物功能起始因子当前43页，共103页，星期日。（二）真核生物的翻译起始过程核糖体大小亚基分离起始氨基酰-tRNA结合；mRNA与核糖体小亚基结合小亚基沿mRNA扫描查找起始点80S起始复合物形成当前44页，共103页，星期日。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3eIF-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当前45页，共103页，星期日。当前46页，共103页，星期日。mRNA在原核生物核糖体小亚基定位涉及：(1)S-D序列(Shine-Dalgarno,RBS)(2)rps识别序列mRNA在真核生物核糖体小亚基定位涉及：(1)GCC(A/G)CCAUGG(2)多种蛋白质因子,如帽子结合复合物eIF-4F当前47页，共103页，星期日。eIF-2：单体GTP结合蛋白,促进起始Met-tRNAiMet与40S小亚基结合eIF-2B：鸟苷酸交换因子(GEF),将eIF-2上的GDP交换成GTPeIF-3：最先与40S小亚基结合,促进大小亚基分离eIF-5：水解GTP,促进各种起始因子从核糖体释放,进而结合大亚基eIF-6：促进核糖体分离成大小亚基真核生物各种起始因子的生物功能当前48页，共103页，星期日。eIF-4A：eIF-4F复合物成分,有解旋酶活性,有利用mRNA扫描eIF-4B：结合mRNA,促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4E：eIF-4F复合物成分,结合mRNA的5´端帽子结构eIF-4G：eIF-4F复合物成分,连接eIF-4E、eIF-3和PABP等组分PAB：PolyA结合蛋白结合3´端polyA尾当前49页，共103页，星期日。真核生物与原核生物翻译起始的不同点1.起始Met-tRNAiMet不需甲酰化2.eIF种类多3.小亚基先与Met-tRNAiMet结合,再与mRNA结合5.ATP和GTP供能4.mRNA与40s亚基的结合依靠帽子结合蛋白(CBP)与mRNA帽子结构的识别结合当前50页，共103页，星期日。二、肽链延长指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。

当前51页，共103页，星期日。每次循环包括以下三步：：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation)肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，称为核糖体循环(ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸。当前52页，共103页，星期日。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：eEF-1、eEF-2当前53页，共103页，星期日。又称注册(registration)（一）进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位。

当前54页，共103页，星期日。指在肽基转移酶的作用下，将P位点的肽酰基转移到A位点的氨基酰-tRNA上，在A位形成肽键，使肽链延长。又称注册(registration)当前24页，共103页，星期日。度特异地识别。mRNA结合原核生物：fMet-tRNAifMet白喉毒素(diphtheriatoxin)的作用机理rps(ribosomalproteininsmallsubunit)翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，多肽链的合成是从N端向C端，直至终止密码出现。氨基酸活化：2个ATPmRNA在原核生物核糖体小亚基定位涉及：当前58页，共103页，星期日。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白质辅助。氨基酰-tRNA合成酶翻译的起始(initiation)延长因子EF-T催化进位（原核生物）

当前55页，共103页，星期日。当前56页，共103页，星期日。TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目录当前57页，共103页，星期日。（二）成肽指在肽基转移酶的作用下，将P位点的肽酰基转移到A位点的氨基酰-tRNA上，在A位形成肽键，使肽链延长。当前58页，共103页，星期日。当前59页，共103页，星期日。（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，促进核糖体向mRNA的3'侧移动。当前60页，共103页，星期日。当前61页，共103页，星期日。fMetAUG5'3'fMetTuGTP当前62页，共103页，星期日。进位转位成肽当前63页，共103页，星期日。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，真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。（四）真核生物延长过程当前64页，共103页，星期日。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-βγEF-G有转位酶活性，促进肽酰-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

当前65页，共103页，星期日。

三、翻译的终止当核糖体A位出现mRNA的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分离，这些过程称为肽链合成终止。

当前66页，共103页，星期日。34/56RF-3：促进RF-1或RF-2与核糖体结合，诱导肽基转移酶变为酯酶活性，催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核糖体上释放，并水解GTP。

真核生物的释放因子：eRF-1和eRF-3；eRF-1可识别三种密码子,并需GTP供能。RF-1：UAA，UAGRF-2：UAA，UGA

终止相关的蛋白质因子称为释放因子（releasefactor，RF）当前67页，共103页，星期日。UAG5'3'RFCOO-原核肽链合成终止过程当前68页，共103页，星期日。39/56多聚核糖体(polysome)—使蛋白质合成高速、高效进行当前69页，共103页，星期日。39/56蛋白质合成能量消耗情况1.氨基酸活化：2个ATP2.翻译起始：原核生物1个GTP真核生物1个GTP，1个ATP3.翻译延长：每形成一个肽键需2个GTP4.翻译终止：1个GTPATP总消耗数：2n+2(n-1)+2(真核3)

n为多肽链氨基酸残基的数目当前70页，共103页，星期日。第三节翻译后加工及蛋白质输送PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation当前71页，共103页，星期日。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

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。当前72页，共103页，星期日。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、合成后完成，新生肽链N端在核糖体上一出现，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、结构域到形成完整空间结构。

当前73页，共103页，星期日。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间结构的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白质辅助。当前74页，共103页，星期日。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)当前75页，共103页，星期日。第一步反应：酶找相应的氨基酸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。当前24页，共103页，星期日。如血红蛋白4个亚基的聚合。mRNA是遗传信息的携带者(2)rps识别序列由数种rRNA（占60%左右）及多种蛋白质组成。分泌到体液，再输送到靶器官和靶细胞。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、结构域到形成完整空间结构。mRNA是遗传信息的携带者（一）去除N末端甲硫氨酸残基氨基酰-tRNA的表示方法：当前32页，共103页，星期日。分泌性蛋白前体N端有信号肽（signalpeptide）mRNA在小亚基上定位结合(1)热激蛋白70(heatshockprotein,HSP70)家族HSP70、HSP40和GrpE成员(2)热激蛋白60(HSP60)家族/伴侣素HSP60和HSP10/GroEL和GroES分子伴侣

(molecularchaperon)分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，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。包括两大家族：

当前76页，共103页，星期日。

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HSP70家族促进蛋白质折叠的基本作用——当前77页，共103页，星期日。（一）去除N末端甲硫氨酸残基当前93页，共103页，星期日。Ala-tRNAAla起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基当前15页，共103页，星期日。mRNA在原核生物核糖体小亚基定位涉及：第一步反应：酶找相应的氨基酸当前24页，共103页，星期日。真核生物：Met-tRNAiMet当前59页，共103页，星期日。eIF-5：水解GTP,促进各种起始因子从核糖具有四级结构的蛋白质需进行亚基之间当前24页，共103页，星期日。N10-CHO-FH4Ser-tRNASer伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程

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

HSP60家族的主要作用——当前78页，共103页，星期日。原核生物（一）去除N末端甲硫氨酸残基脱甲酰基酶Met-fMet-氨基肽酶真核细胞二、一级结构的修饰当前79页，共103页，星期日。（二）个别氨基酸的修饰磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸羟基化：脯氨酸，赖氨酸酰基化：组氨酸甲基化：色氨酸核糖基化：精氨酸意义：调节蛋白质结构与功能。当前80页，共103页，星期日。两个Cys的-SH脱H氧化而成（三）二硫键的形成----SHHS---------S-S----当前81页，共103页，星期日。鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰NC信号肽PMOCKRKR103肽(？)ACTH

-LT-MSH

-MSHEndophin（四）多蛋白的加工当前82页，共103页，星期日。（五）蛋白质前体中不必要肽段的切除无活性的酶原转变为有活性的酶，常需要去掉一部分肽链，如胰蛋白酶原酶解生成胰蛋白酶，分泌型蛋白质“信号肽”的切除。某些新生蛋白质含有部分间隔顺序等待剪切，其意义类似于hnRNA中的内含子，此片段称为内蛋白子(intein)。当前83页，共103页，星期日。三、高级结构的修饰（一）亚基聚合蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素等结合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、血红蛋白等结合蛋白质。

具有四级结构的蛋白质需进行亚基之间的聚合。如血红蛋白4个亚基的聚合。（二）辅基连接（三）脂肪酰化当前84页，共103页，星期日。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(proteintargeting)。四、蛋白质合成后的靶向输送当前85页，共103页，星期日。分泌性蛋白前体N端有信号肽（signalpeptide）

信号肽富含疏水氨基酸，其作用是使新合成的多肽链易于穿过膜系统，随后被信号肽酶切除。46/56蛋白质合成后的去路：后两者称为分泌性蛋白胞浆；进入细胞核、线粒体或其它细胞器；分泌到体液，再输送到靶器官和靶细胞。当前86页，共103页，星期日。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)G.Blobel70年代提出了“信号假说”,1999年获诺贝尔生理医学奖当前87页，共103页，星期日。（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。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。

当前88页，共103页，星期日。当前89页，共