1、 蛋白质的生物合成，即蛋白质的生物合成，即翻译翻译，就是，就是将核酸中由将核酸中由 4 种种核苷酸序列核苷酸序列编码的遗编码的遗传信息，通过传信息，通过遗传密码遗传密码破译的方式解破译的方式解读为蛋白质一级结构中读为蛋白质一级结构中20种种氨基酸的氨基酸的排列顺序排列顺序 。第第 一一 节节 三种三种RNAmRNA（messenger RNA, 信使信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA, 转移转移RNA） 合成原料合成原料 20种氨基酸种氨基酸 (AA) 参与的蛋白质因子、酶及酶的辅助因子参与的蛋白质因子、酶及酶的辅助因
2、子 起始因子起始因子、延长因子延长因子、释放因子释放因子、转、转肽酶、氨基酰肽酶、氨基酰-tRNA合成酶合成酶 能源能源 ATP主要参与氨基酸的活化主要参与氨基酸的活化 GTP提供翻译起始、延长、终止阶段提供翻译起始、延长、终止阶段 所需能量所需能量 mRNA是遗传信息的携带者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遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子顺反子(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的转录单位，转录生成的mRNA可编码几可编码几种功能相关的蛋白质，为种功能相关的蛋白质，为多顺反子多顺反子(pol
3、ycistron) 。 真核细胞真核细胞mRNA只编码一种蛋白质，为只编码一种蛋白质，为单顺反子单顺反子(single cistron) 。从从mRNA 5 端端起始密码子起始密码子AUG到到3 端端终止密码子之间的核苷酸序列，每个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三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为肽链，称为开放阅读框架开放阅读框架(open reading frame, ORF)。 遗传密码的特点遗传密码的特点mRNA分子中遗传密码阅读方向分子中遗传密码阅读方向是从是从 5 3 编码蛋白质氨基酸序列的各个编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，
4、密码间既三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉无间断也无交叉。 基因转录后存在一种对基因转录后存在一种对mRNA外显子外显子加工过程，通过特定碱基的插入、缺失加工过程，通过特定碱基的插入、缺失或置换，导致或置换，导致mRNA的移码、错义突变的移码、错义突变或提前终止，使得同一或提前终止，使得同一mRNA前体翻译前体翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为表达的调节方式称为mRNA编辑编辑 (mRNA editing)。 遗传密码中，除遗传密码中，除Met、Trp外，其外，其余氨基酸均由余氨基酸均由2个以上个以上密码子为其编码。密码子为其编码
5、。 同义密码子同义密码子 但每一个密码子仅对应一个氨基酸但每一个密码子仅对应一个氨基酸。不同物种对密码子有不同物种对密码子有“偏爱性偏爱性”。v 蛋白质生物合成的整套密码，从原核蛋白质生物合成的整套密码，从原核 生物到人类都通用。生物到人类都通用。 v 已发现少数例外，如动物细胞的线粒已发现少数例外，如动物细胞的线粒 体、植物细胞的叶绿体。体、植物细胞的叶绿体。v 密码的通用性进一步证明各种生物进密码的通用性进一步证明各种生物进 化自同一祖先。化自同一祖先。 转运氨基酸的转运氨基酸的tRNA的的反密码反密码需要通需要通过碱基互补与过碱基互补与mRNA上的上的遗传密码遗传密码反向反向配对配对结合
6、，但反密码与密码间不严格遵结合，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。守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。 UU摆摆动动配配对对tRNA反密码子反密码子第第1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子密码子第第3位碱基位碱基U, C, A A, GU, CUG12/56 组成、结构与功能特点：组成、结构与功能特点： 结构复杂而精密结构复杂而精密 由数种由数种rRNA（占（占60%左右）及多种左右）及多种蛋蛋白质白质组成。组成。 rRNA起着起着主导主导的作用，的作用，蛋白质蛋白质协助维协助维 持持rRNA的功能区域。的功能区域。12/56反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂氨基酸氨
7、基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)（一）氨基酸的活化与氨基酰（一）氨基酸的活化与氨基酰-tRNA合成酶合成酶第一步反应：第一步反应：酶找相应的氨基酸酶找相应的氨基酸氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E AMP PPi第二步反应：第二步反应：酶找相应的酶找相应的tRNA氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E 氨基酰氨基酰tRNA合成酶合成酶有有20种，分别特种，分别特 异性识别相应的异性识别相应的20种种氨基酸氨基酸和相应的和相应的 t
8、RNA。 氨基酰氨基酰tRNA合成酶合成酶的活性是绝对专的活性是绝对专 一性的，酶同时对氨基酸和一性的，酶同时对氨基酸和tRNA高高 度特异地识别。度特异地识别。氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet真核生物真核生物： Met-tRNAiMet原核生物原核生物： fMet-tRNAifMet（二）氨基酰（二）氨基酰-tRNA的表示方法的表示方法CH3SCH2CH2CHH2NCOOtRNAfMet转甲酰基酶转甲酰基酶
9、N10-CHO-FH4CH3SCH2CH2CHH-C-HNCOOtRNAfMetO20/56大肠杆菌大肠杆菌起始密码子编码的起始密码子编码的met须甲酰化须甲酰化真核真核细胞细胞起始密码子编码的起始密码子编码的met不须不须甲酰化甲酰化 第第 二二 节节 整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为翻译过程从阅读框架的翻译过程从阅读框架的5 -AUG开始，开始，按按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽模板三联体密码的顺序延长肽链，多肽链的合成是从链，多肽链的合成是从N端向端向C端端，直至，直至终止密码终止密码出现。出现。 翻译的起始翻译的起始(initiation)翻译的延长翻译的延长(elongati
10、on)翻译的终止翻译的终止(termination )指指mRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA分别分别与核糖体结合而形成与核糖体结合而形成翻译起始复合物翻译起始复合物 (translational initiation complex)。参与这一过程的多种蛋白质因子，参与这一过程的多种蛋白质因子，称为起始因子称为起始因子(initiation factor,IF)。核糖体大小亚基分离核糖体大小亚基分离mRNA在在小亚基上定位结合小亚基上定位结合起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合的结合 70S起始复合物形成起始复合物形成IF-3IF-11. 核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离A U
11、 G53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合rps (ribosomal protein in small subunit)IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到结合到小亚基小亚基A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成A U G53原核生物各种起始因子原核生物各种起始因子(IF)的生物功能的生物功能 IF-3 结合结合30S小亚基，促进大小亚基分离；小亚基，促进大小亚基分离； 提高提高P位对结合起始位对结合起始tR
12、NA敏感性敏感性IF-2 促进起始促进起始tRNA与与30S小亚基结合小亚基结合IF-1 占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNA；阻止大；阻止大 小亚基的结合小亚基的结合生物功能生物功能起始因起始因子子核糖体大小亚基分离核糖体大小亚基分离起始氨基酰起始氨基酰-tRNA结合结合；mRNA与核糖体小亚基结合与核糖体小亚基结合小亚基沿小亚基沿mRNA扫描查找起始点扫描查找起始点80S起始复合物形成起始复合物形成mRNA eIF-6 elF-3GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B, PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GT
13、P真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物形成过程复合物形成过程真核生物与原核生物翻译起始的不同点真核生物与原核生物翻译起始的不同点1. 起始起始Met-tRNAiMet不需甲酰化不需甲酰化2. eIF种类多种类多3. 小亚基先与小亚基先与Met-tRNAiMet结合结合, 再与再与 mRNA结合结合5. ATP和和GTP供能供能4. mRNA与与40s亚基的结合依靠亚基的结合依靠帽子结合帽子结合 蛋白蛋白(CBP)与与mRNA帽子结构的识别结合帽子结构的识别结合指根据指根据mRNA密码序列的指导，次密码序列的指导，次序添加氨基酸序添加氨基酸从从N端向端向C端端延伸肽链，延伸肽链，直到合成终止的
14、过程。直到合成终止的过程。 每次循环包括以下三步：每次循环包括以下三步： 进位进位(entrance) 成肽成肽(peptide bond formation) 转位转位(translocation)肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，称为称为核糖体循环核糖体循环(ribosomal cycle)，每次每次循环增加一个氨基酸。循环增加一个氨基酸。延伸过程所需蛋白因子称为延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延长因子(elongation factor, EF)原核生物：原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G真核生物：真核生物：eEF-1 、eE
15、F-2（一）进位（一）进位指根据指根据mRNA下下一组遗传密码指导，一组遗传密码指导，使相应氨基酰使相应氨基酰-tRNA进入核糖体进入核糖体A位。位。延长因子延长因子EF-T催化催化进位（原核生物）进位（原核生物）Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP目目 录录指在指在肽基转移酶肽基转移酶的作用下，将的作用下，将P位点位点的的肽酰基肽酰基转移到转移到A位点位点的的氨基酰氨基酰-tRNA上，上，在在A位形成位形成肽键肽键，使肽链延长。，使肽链延长。延长因子延长因子EF-G有有转位酶转位酶(translocase )活性，可结合并水解活性，可结合并水解1分子分子GTP，促进核，促进核糖
16、体向糖体向mRNA的的3侧移动。侧移动。目目 录录fMetA U G53fMetTuGTP目目 录录进进位位转转位位成肽成肽真核生物肽链合成的延长过程与原真核生物肽链合成的延长过程与原核核基本相似基本相似，但有，但有不同的反应体系和延不同的反应体系和延长因子长因子。另外，真核细胞核糖体没有另外，真核细胞核糖体没有E位，转位，转位时卸载的位时卸载的tRNA直接从直接从P位脱落。位脱落。（四）真核生物延长过程（四）真核生物延长过程目目 录录原核延长原核延长因子因子生物功能生物功能对应真核延对应真核延长因子长因子EF-TuEF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA-tRNA进入进入A A位，结位，结合
17、分解合分解GTPGTPEF-1-EF-1-EF-TsEF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EF-1-EF-GEF-G有转位酶活性，促进肽酰有转位酶活性，促进肽酰- -tRNAtRNA由由A A位前移到位前移到P P位，促进卸位，促进卸载载tRNAtRNA释放释放EF-2EF-2肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 当核糖体当核糖体A位出现位出现mRNA的终止密码的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分、核糖体大、小亚基等分离，这些过程称为离，这些过程称为肽链合成终止肽链合成终止。34/56RF-3：促进促进RF
18、-1或或RF-2与核糖体结合，诱导与核糖体结合，诱导 肽基转移酶变为酯酶活性，催化肽酰肽基转移酶变为酯酶活性，催化肽酰 基转移到水分子基转移到水分子-OH上，使肽链从核上，使肽链从核 糖体上释放，并水解糖体上释放，并水解GTP。 真核生物真核生物的的释放因子释放因子：eRF；eRF可识别三种密码子可识别三种密码子, 并需并需GTP供能。供能。RF-1：UAA，UAGRF-2：UAA，UGA 终止相关的蛋白质因子称为终止相关的蛋白质因子称为释放因子释放因子 （release factor，RF）U A G53COO-原核肽链合成终止过程原核肽链合成终止过程39/56 使蛋白质合成使蛋白质合成高速
19、、高效进行高速、高效进行39/56蛋白质合成能量消耗情况蛋白质合成能量消耗情况1. 氨基酸活化：氨基酸活化：2个个ATP2. 翻译起始：原核生物翻译起始：原核生物1个个GTP 真核生物真核生物1个个GTP， 1个个ATP3. 翻译延长：每形成一个肽键需翻译延长：每形成一个肽键需2个个GTP4. 翻译终止：翻译终止：1个个GTPATP总消耗数：总消耗数：2n+2(n-1)+2(真核真核3) n为多肽链氨基酸残基的数目为多肽链氨基酸残基的数目第第 三三 节节新生肽链的折叠新生肽链的折叠肽链一级结构的修饰肽链一级结构的修饰空间结构的修饰空间结构的修饰 从核糖体释放出的新生多肽链不具备蛋从核糖体释放出
20、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。加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。新生肽链的折叠在肽链合成中、合成新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新后完成，新生肽链生肽链N端在核糖体上一出端在核糖体上一出现，肽链的折叠即现，肽链的折叠即开始。可能随着序开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模体、结构域到形成确的二级结构、模体、结构域到形成完整空间结构。完整空间结构。 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠
21、的信息，即一级结构是空着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间结构的基础。间结构的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自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。动完成，而需要其他酶、蛋白质辅助。 1. 分子伴侣分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)(1) 热激蛋白热激蛋白70 (heat shock protein, HS
22、P70)家族家族 HSP70、HSP40和和GrpE成员成员 (2) 热激蛋白热激蛋白60 (HSP60)家族家族/伴侣素伴侣素 HSP60和和HSP10/GroEL和和GroES1. 分子伴侣分子伴侣 (molecular chaperon) 分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别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：质的正确折叠。包括两大家族： 原核生物原核生物（一）（一） 去除去除N末端蛋氨酸残基末端蛋氨酸残基脱甲脱甲酰基酶酰基酶Met-fMet-氨基肽酶氨基肽酶真核细胞真核细胞（二）
23、个别氨基酸的修饰（二）个别氨基酸的修饰磷酸化：磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸羟基化：羟基化：脯氨酸，赖氨酸脯氨酸，赖氨酸酰基化：酰基化：组氨酸组氨酸甲基化：甲基化：色氨酸色氨酸核糖基化：核糖基化：精氨酸精氨酸意义：意义： 调节蛋白质结构调节蛋白质结构与功能。与功能。两个两个Cys的的-SH脱脱H氧化而成氧化而成-SH HS-S-S-NC信号肽信号肽PMOCKRKR103肽肽 ( ？)ACTH -LT -MSH -MSHEndophin（四）多蛋白的加工（四）多蛋白的加工（五）蛋白质前体中不必要肽段的切除（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
24、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，分泌型蛋白质胰蛋白酶，分泌型蛋白质“信号肽信号肽”的切除。的切除。 某些新生蛋白质含有部分间隔顺序等待某些新生蛋白质含有部分间隔顺序等待剪切，其意义类似于剪切，其意义类似于hnRNA中的内含子，中的内含子，此片段称为此片段称为内蛋白子内蛋白子(intein)。 三、高级结构的修饰三、高级结构的修饰（一）亚基聚合（一）亚基聚合 蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素等结合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、等结合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、血红蛋白等结合蛋白质。血红
25、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。如血红蛋白的聚合。如血红蛋白4个亚基的聚合。个亚基的聚合。（二）辅基连接（二）辅基连接 （三）脂肪酰化（三）脂肪酰化蛋白质合成后需要经过复杂机制，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，这一过程称为靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向蛋白质的靶向输送输送 (protein targeting) 。所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引末端特异氨基酸序列，可引导蛋白
26、质转移到细胞的适当靶部位，这一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序列称为信号序列 。 信号序列信号序列(signal sequence)G.Blobel 70 年代提出了年代提出了“信号假说信号假说”, 1999年获诺贝尔生理医学奖年获诺贝尔生理医学奖 真核细胞分泌蛋白等前体合成后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。靶向输送过程首先要进入内质网。 信号肽信号肽(signal peptide) 各种新生分泌蛋白的各种新生分泌蛋白的N端有端有保守的氨基酸序列称信号肽。保守的氨基酸序列称信号肽。 v 信号肽结构特点：信号肽结构特点： 1336个氨基酸组成，分三
27、个区段个氨基酸组成，分三个区段 N端有带正电荷的氨基酸，如端有带正电荷的氨基酸，如Lye、Arg，长度长度17个个aa，为亲水末端。，为亲水末端。 中间为疏水核心区，以疏水中性氨基中间为疏水核心区，以疏水中性氨基酸为主，如酸为主，如Leu、Ile常见，长度常见，长度1015个个aa。 C端含有小分子氨基酸，如端含有小分子氨基酸，如Gly、ala、Ser，是被信号肽酶裂解的部位。是被信号肽酶裂解的部位。第第 四节四节 蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒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
28、功能，干扰和抑制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。蛋白质生物合成过程而起作用的。 可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。 抗生素抗生素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。制细菌的一类药物。某些毒素某些毒素也作用
29、于基因信息传递过程也作用于基因信息传递过程。目目 录录四四环环素素族族氯霉素氯霉素链霉素和卡那霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素嘌呤霉素红霉素红霉素放线菌酮放线菌酮目目 录录毒素毒素(toxin) 细菌毒素和植物毒素细菌毒素和植物毒素干扰素干扰素(interferon)NCONH2N+OCH2OOHOHADPCONH2白白喉喉毒毒素素（有活性有活性）OCH2OOHOHADP（无活性无活性） 某些植物毒蛋白也是肽链合成的阻断剂。某些植物毒蛋白也是肽链合成的阻断剂。 比如，南方红豆所含的红豆碱与蓖麻籽比如，南方红豆所含的红豆碱与蓖麻籽所含的蓖麻蛋白都可与真核生物核糖体所含的蓖麻蛋白都可与真核生物核糖体60S大亚基结合，抑制肽链延长。大亚基结合，抑制肽链延长。干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA（1）干扰素诱导）干扰素诱导eIF2磷酸化而失活磷酸化而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）（失活）Pi磷酸酶磷酸酶三、其他蛋白质合成类阻断剂三、其他蛋白质合成类阻断剂降解降解mRNAdsRNA干扰素干扰素AAPAPPPP2 5 2 5 5 2 - 5 AAPPPATP2-5A合成酶合成酶RNaseLRNaseL活化活化
