1、Protein Biosynthesis，Translation 第第15章章 蛋白质的生物合成翻译蛋白质的生物合成翻译本章主要内容本章主要内容1.1.翻译系统翻译系统2.2.蛋白质生物合成的过程蛋白质生物合成的过程3.3.多肽链翻译后的修饰多肽链翻译后的修饰4.4.蛋白质的到位蛋白质的到位 重点和难点：重点和难点： 原核生物蛋白质合成的过程原核生物蛋白质合成的过程 原核生物与真核生物蛋白质合成的区别原核生物与真核生物蛋白质合成的区别1 1 蛋白质的翻译系统蛋白质的翻译系统 以以mRNA为模板，在核糖体、为模板，在核糖体、tRNA和多种蛋白因子的共同作用下，将和多种蛋白因子的共同作用下，将mR
2、NA中中4种核苷酸的语言解读为蛋白质中种核苷酸的语言解读为蛋白质中20种种氨基酸的语言，又称氨基酸的语言，又称翻译（翻译（Translation）。）。1.1 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成原料原料:20种氨基酸种氨基酸mRNA: 合成蛋白质的模板。合成蛋白质的模板。tRNA: 原料氨基酸的原料氨基酸的“搬运工搬运工”。rRNA: 与多种蛋白质结合成核糖体，为与多种蛋白质结合成核糖体，为 合成多肽链的装配机。合成多肽链的装配机。 mRNA是遗传信息的载体（载有遗传密是遗传信息的载体（载有遗传密码），是合成蛋白质的模板，它以一系列码），是合成蛋白质的模板，它以一系列三三联体密码子联体密码子的形
3、式从的形式从DNA转录了遗传信息。转录了遗传信息。每个密码子代表一个氨基酸。每个密码子代表一个氨基酸。1.2 mRNA 由由AUG开始，每开始，每3个核苷酸为一组，决个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号。终止信号。 起始密码（起始密码（initiation coden）:AUG 终止密码（终止密码（termination coden）: UAA，UAG，UGA 编码性编码性（2）遗传密码的主要特征：）遗传密码的主要特征：遗传密码表遗传密码表从从mRNA5端端起始密码子起始密码子AUG到到3端终止端终止密码子之间的核苷酸序列密
4、码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读称为开放阅读框架框架(open reading frame, ORF)。 AUGUAAORF 简并性简并性（同一氨基酸有多个不同密码（同一氨基酸有多个不同密码 子，子， 除除Trp，Met外）外）同义密码同义密码 通用性通用性（共同使用同一套密码子）（共同使用同一套密码子） 不重叠性不重叠性（三联体，连续性，无逗点，（三联体，连续性，无逗点， 连续阅读，连续阅读，5 到到3） 兼职性兼职性（终止密码（终止密码 编码氨基酸的密码）编码氨基酸的密码） 例外（例外（支原体，支原
5、体，UGA编码编码Trp；纤毛；纤毛 虫，虫，UAA和和UAG编码编码Glu） 原核原核tRNA有有30-40种，真核有种，真核有50-60种，含种，含70-90个核苷酸，个核苷酸， 并有多种稀有碱基。并有多种稀有碱基。 tRNA是最小的是最小的RNA， 占细胞总占细胞总RNA 的的15%左右，左右，其功能是搬运氨基酸和解读密码子。其功能是搬运氨基酸和解读密码子。 tRNA 具有具有“四环一臂四环一臂”和和“三叶草三叶草” 形形的的典型典型结构。结构。1.3 tRNA tRNA的结构的结构“四环一臂四环一臂” 倒倒L形的三级结构形的三级结构 密码子与反密码子的配对方密码子与反密码子的配对方式式
6、1.4 核糖体的结构和功能（核糖体的结构和功能（ribosome）(1) 核糖体的化学组成核糖体的化学组成 核糖体呈颗粒状，由大小亚基组成，核糖体呈颗粒状，由大小亚基组成，每个亚基又含有不同的蛋白质和每个亚基又含有不同的蛋白质和rRNA，原核和真核生物不同。原核和真核生物不同。原核生物原核生物真核生物真核生物核糖核糖体体小亚基小亚基大亚基大亚基核糖核糖体体小亚基小亚基大亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16SrRNA5SrRNA23SrRNA18SrRNA28SrRNA5SrRNA5.8SrRNA蛋白蛋白质质21种种34种种33种种 49种种 不同细胞核糖体的组成不同细胞
7、核糖体的组成 核核糖糖体体的的组组成成 蛋白质合成中，核糖体首先与蛋白质合成中，核糖体首先与mRNA结合，按结合，按5到到3方向移动，每次移动的距方向移动，每次移动的距离相当于一个密码子。离相当于一个密码子。A位：氨酰基位：氨酰基tRNA位位(aminoacyl tRNA site)P位：肽酰基位：肽酰基tRNA (peptidyl tRNA site)E位：排出位位：排出位(exit site) （2 2）核蛋白体是肽链合成的装置）核蛋白体是肽链合成的装置P位：即肽位位：即肽位(Peptidyl site)，3端连接肽链的端连接肽链的肽肽 酰酰tRNA占据的位置占据的位置。A位：即氨基酰位位
8、：即氨基酰位(Aaminoacyl site)，氨基酰氨基酰 tRNA就加入到就加入到A位上位上，E位：位：tRNA释放结合位点释放结合位点(Exit site) （3 3）核蛋体的功能）核蛋体的功能（4 4）多核糖体）多核糖体 大肠杆菌由一大肠杆菌由一定数目的单个核糖定数目的单个核糖体与一个体与一个mRNA 分分子结合而成的念珠子结合而成的念珠状结构。状结构。 每个核糖体可独立完成一条肽链的合每个核糖体可独立完成一条肽链的合成，所以在多核糖体上可以同时进行多条成，所以在多核糖体上可以同时进行多条肽链的合成，提高了翻译的效率。肽链的合成，提高了翻译的效率。2. 原核生物蛋白质合成过程原核生物蛋
9、白质合成过程分为四个阶段：分为四个阶段：（1）活化）活化 （2）起始）起始 （3）延伸）延伸 （4）终止）终止氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶氨基酰氨基酰-tRNA合成合成 (aminoacyl-tRNA synthetase)（1）氨基酸的活化）氨基酸的活化第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATPE 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi氨基酰氨基酰tRNA合成酶合成酶第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E氨基酰氨基酰-tRNA表示方法：表示方法：Ser-tRNASer 氨基
10、酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和 tRNA都有高度特异性。都有高度特异性。 催化氨基酰催化氨基酰-tRNA脱酰基脱酰基,具有校正活性。具有校正活性。（2）氨基酰）氨基酰-tRNA合成酶的特点合成酶的特点（3 3）密码子）密码子- -反密码子的相互作用反密码子的相互作用氨基酸的加入需氨基酸的加入需靠靠mRNA上的密上的密码子和码子和tRNA上的上的反密码子相互以反密码子相互以碱基配对辨认。碱基配对辨认。 摆动学说：摆动学说：密码子的密码子的头两个碱基头两个碱基严格严格遵守碱基配对规律为遵守碱基配对规律为tRNA的反密码子识别，的反密码子识别，他们中的任何不同即为不同他们
11、中的任何不同即为不同tRNA识别，但识别，但第三个碱基不这样第三个碱基不这样，有一定的自由度，即摇，有一定的自由度，即摇摆性。摆性。 反密码子反密码子 3- X-Y-Z-5 密码子密码子 5- X- Y-Z - 3 密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、反密码子配对的摆动现象反密码子反密码子第一位碱基第一位碱基（4 4）翻译的起始）翻译的起始 大肠杆菌中大肠杆菌中, 起始密码子起始密码子AUG所编码的所编码的氨基酸并不是氨基酸并不是甲硫氨酸本身甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫而是甲酰甲硫氨酸（氨酸（fMet）。）。 Met-tRNA + N10-甲酰甲酰FH4 fMet-tRNAfmet + FH
12、4甲酰化酶甲酰化酶 fMet-tRNAfmet的生成的生成 在起始密码子在起始密码子AUG上游上游9-13个核苷酸个核苷酸处，有一段可处，有一段可与核糖体结合、富含嘌呤的与核糖体结合、富含嘌呤的3-9个核苷酸的共同序列个核苷酸的共同序列，一般为，一般为AGGAGGU，此序列称，此序列称SD序列。序列。 使得结合于使得结合于小亚基上小亚基上的起始的起始tRNA能能正确地定位于正确地定位于mRNA的起始密码子的起始密码子AUG。 翻译的起始信号翻译的起始信号shine-Dalgarno顺序顺序 70s70s起始复合物的形成起始复合物的形成IF-1和和IF-2促进促进fMet-tRNA与与30S亚基
13、结合亚基结合。IF-3与与30S亚基结合，使亚基结合，使大小亚基分离大小亚基分离。 需要需要GTP和三种起始因子（和三种起始因子（initiation factor）IF-3 第一步第一步: : 核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离E30S30S亚基首先亚基首先与与IF1IF1和和IF3IF3结合，结合，IF3IF3促促进进70S70S核糖体核糖体亚基的解离亚基的解离IF-1 第二步第二步: 30S复合物的形成复合物的形成小亚基小亚基16SrRNA与与SD序列配对。序列配对。 IF2和和GTP结合后与结合后与fMet-tRNAfmet形成复合体。形成复合体。 IF-3mRNA在小亚基定位结
14、合在小亚基定位结合EIF-1小亚基小亚基16SrRNA与与SD序列配对。序列配对。A U G53IF-3IF-2GTPA U G53EIF-1 IF2和和GTP结合后与结合后与fMet-tRNAfmet形成复合体形成复合体,结合在结合在AUG上。上。IF-3IF-1IF-2-GTP-GDPPiA U G53 IF2结合的结合的GTP被水解，三种被水解，三种IF脱离，脱离，50S大大亚基与亚基与30S小亚基、模板小亚基、模板mRNA以及起始以及起始fMet-tRNAifMet构成起始复合体。构成起始复合体。 第三步：核糖体大亚基结合，起始第三步：核糖体大亚基结合，起始 复合物形成复合物形成EEI
15、F-3IF-1IF-1(5) 肽链延长肽链延长 肽链在核蛋白体上连续循环式进行，肽链在核蛋白体上连续循环式进行，又称为又称为核蛋白体循环核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：次循环增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位进位(entrance) 成肽成肽(peptide bond formation) 转位转位(translocation)原核延长因子原核延长因子生物功能生物功能EF-Tu 促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A 位，结位，结 合分解合分解GTPEF-Ts 调节亚基调节亚基EF-G 有有转位酶转位酶活性，促进活性，促进 mRNA
16、-肽酰肽酰-tRNA由由A位前位前 移到移到P位，促进卸载位，促进卸载tRNA释放释放延长因子（延长因子（elongation factor：EF） 又称注册又称注册(registration) 进位进位指相应氨基酰指相应氨基酰-tRNA 进入进入70S复合体复合体A位的过位的过程。程。GTPase核糖体核糖体蛋白质蛋白质转肽酶催化：核蛋白体大亚基上的蛋白质。转肽酶催化：核蛋白体大亚基上的蛋白质。 P位位-fMet-tRNAfMet+ +A位位-aa-tRNA 肽肽(fMet成成 （酰基）（酰基） （氨基）（氨基） 为为N末端末端) （A位上）位上） A位成肽后，位成肽后，P位留下空载位留下空
17、载tRNA 成肽成肽E位位 转位（转位（Translocation）EE 无负荷的无负荷的tRNA由由E位点释放；位点释放； 肽腺肽腺tRNA从从A位移到位移到P位；位； EF-G有转位酶活性，有转位酶活性，可结合并水解可结合并水解1分子分子GTP，促进核蛋白体向，促进核蛋白体向mRNA的的3侧侧移动。移动。移位的特征：移位的特征：进进位位转转位位成肽成肽方向方向（5）肽链合成的终止）肽链合成的终止 使肽链合成使肽链合成终止的信号终止的信号。 有阅读终止信号的有阅读终止信号的蛋白质释放因子。蛋白质释放因子。RF1：识别终止密码子：识别终止密码子UAA和和UAG。RF2：识别终止密码子：识别终止
18、密码子UAA和和UGA。RF3：具：具GTP酶活性，激活酶活性，激活RF1和和RF 2活性活性 协助肽链的释放。协助肽链的释放。释放因子参与（释放因子参与（Relase factor,RF）原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 RF结合结合GTP并与终止密并与终止密码结合，码结合，使使肽酰转移酶肽酰转移酶活性变为水活性变为水解酶活性解酶活性。30S与与mRNA分离分离核糖体释放因子核糖体释放因子GTPGTP蛋白质合成的终止蛋白质合成的终止 AA活化活化 2个高能磷酸键（个高能磷酸键（ 1 个个 ATP） 起始起始 1个（个（GTP变为变为GDP） 进位进位 1个（个（ GTP变为变为GDP
19、 ） 移位移位 1个（个（ GTP变为变为GDP 第一个氨基酸参入需消耗第一个氨基酸参入需消耗3个（活化个（活化2+起起始始1）高能磷酸键）高能磷酸键,以后每掺入一个以后每掺入一个AA需要消需要消耗耗4个（活化个（活化2+进位进位1个个+移位移位1个）高能磷酸个）高能磷酸键。键。蛋白质的合成是一个高耗能过程蛋白质的合成是一个高耗能过程（6）蛋白质合成抑制剂）蛋白质合成抑制剂嘌呤霉素嘌呤霉素 与氨基酰与氨基酰tRNA结构结构 竞争抑制（原核竞争抑制（原核 相似相似 真核）真核）链霉素链霉素 与与30S亚基结合亚基结合 改变氨基酰改变氨基酰tRNA 与密码子的配对与密码子的配对四环素四环素 阻断氨
20、基阻断氨基tRNA进进 抑制肽链的延伸抑制肽链的延伸 入入A位点位点氯霉素氯霉素 抑制抑制50S亚基肽酰转亚基肽酰转 抑制肽链延长抑制肽链延长 移酶活性移酶活性红霉素红霉素 与与50S亚基结合，抑亚基结合，抑 防碍移位防碍移位 制肽酰转移酶活性制肽酰转移酶活性 原核生物原核生物 真核生物真核生物 核糖体核糖体 70S（30S、50S） 80S（40S、60S） 起始起始tRNA fMet-tRNAfmet Met-tRNA起始信号起始信号多个起始密码子多个起始密码子AUG，上游有，上游有SD序序列，翻译几种多肽。列，翻译几种多肽。只有一个只有一个AUG密码子，密码子，每种每种mRNA只转译出只
21、转译出一种多肽。一种多肽。相关因子相关因子 起始因子延伸因子、起始因子延伸因子、终止因子均为终止因子均为3种种13种起始因子、种起始因子、2种种延伸因子、延伸因子、1种终止种终止因子因子转录翻译偶联，转录翻译偶联，mRNA不需加工不需加工转录翻译转录翻译偶联偶联 转录翻译不偶联，转录翻译不偶联，mRNA需加工需加工抑制剂抑制剂 氯霉素、链霉素等氯霉素、链霉素等 环己亚胺、白喉素等环己亚胺、白喉素等 合成速度合成速度 快快 慢慢 （7 7）真核生物蛋白质的生物合成）真核生物蛋白质的生物合成3 3 蛋白质的加工蛋白质的加工 从核糖体释放的多肽连，不一定具备从核糖体释放的多肽连，不一定具备生物活性。
22、肽连从核糖体释放后，经过细生物活性。肽连从核糖体释放后，经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活性的成胞内各种修饰处理过程，成为有活性的成熟蛋白质，称为熟蛋白质，称为翻译后加工。翻译后加工。加工包括：加工包括：折叠和修饰折叠和修饰蛋白质的折叠：蛋白质的折叠：一级结构形成高级结一级结构形成高级结 构，发生在肽链刚合成时，边合构，发生在肽链刚合成时，边合 成边折叠。成边折叠。蛋白质的修饰：蛋白质的修饰：对蛋白质的对蛋白质的N N末端、侧末端、侧 链等的加工。链等的加工。 酶：酶：二硫键异构酶二硫键异构酶，促经二硫键的形，促经二硫键的形成，成， 脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶，促进钛脯氨酰肽键，促进钛
23、脯氨酰肽键的旋转，与新生肽链形成密切相关，加速蛋的旋转，与新生肽链形成密切相关，加速蛋白质的折叠白质的折叠（1 1）蛋白质的折叠）蛋白质的折叠 分子伴侣：分子伴侣：能够帮助新生肽链正确能够帮助新生肽链正确组装，成熟、组装，成熟、自身不产生终产物的蛋白质自身不产生终产物的蛋白质，具有酶的特征，热休克蛋白。具有酶的特征，热休克蛋白。 (1) N端修饰：端修饰： 原核生物原核生物肽甲酰基酶肽甲酰基酶除去除去甲酰基甲酰基，氨氨肽酶肽酶除去除去甲硫氨酸（部分保存）甲硫氨酸（部分保存）。 真核生物中甲硫氨酸则全部被切除。真核生物中甲硫氨酸则全部被切除。（2 2）蛋白质的修饰）蛋白质的修饰 水解切除其中多余
24、的肽段（信号水解切除其中多余的肽段（信号态），使之折叠成为有活性的酶或蛋态），使之折叠成为有活性的酶或蛋白质。如酶原激活。白质。如酶原激活。 (2) 多肽链的水解切除多肽链的水解切除 (3)(3)氨基酸侧链的修饰：氨基酸侧链的修饰： 氨基酸侧链的修饰包括羟化、羧化、氨基酸侧链的修饰包括羟化、羧化、甲基化、糖基化、共价交链及二硫链的形甲基化、糖基化、共价交链及二硫链的形成等。成等。 二硫链：二硫链：半胱氨酸巯基在二硫键异构酶作半胱氨酸巯基在二硫键异构酶作 用下形成。用下形成。羧羧 化化：凝血酶原的谷氨酸羧化为：凝血酶原的谷氨酸羧化为-氨氨 基谷氨酸。基谷氨酸。甲基化：甲基化：肌肉和细胞色素含有甲
25、基赖氨酸。肌肉和细胞色素含有甲基赖氨酸。糖基化：糖基化：肽链上以共价键与单糖或寡聚糖肽链上以共价键与单糖或寡聚糖 在酶催化下连接而成。在酶催化下连接而成。磷酸化：磷酸化：丝氨酸、酪氨酸、苏氨酸的羟基丝氨酸、酪氨酸、苏氨酸的羟基 与磷酸基团相连。与磷酸基团相连。共价交链：共价交链：胶原蛋白和弹性蛋白。胶原蛋白和弹性蛋白。 核糖体合成的蛋白质从他们合成核糖体合成的蛋白质从他们合成的地方转运到其他部位或细胞外发挥的地方转运到其他部位或细胞外发挥作用，称为蛋白质的转位。作用，称为蛋白质的转位。 （1 1）共翻译转位）共翻译转位 （2 2）翻译后转位）翻译后转位4 4 蛋白质的转位蛋白质的转位 信号肽（
26、信号肽（signal peptide）：）：N末端特异氨末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为部位，这一序列称为信号序列。信号序列。（1 1）共翻译转位）共翻译转位 共同特点共同特点：13-36个氨基酸残基组成个氨基酸残基组成 N端：正电荷氨基酸端：正电荷氨基酸 中间区：疏水活性区（中间区：疏水活性区（10-15） C端：加工区端：加工区,极性氨基酸（信号肽酶切极性氨基酸（信号肽酶切 割信号肽的部位割信号肽的部位 ）（1）识别正在合成多肽将要通过内质网膜的）识别正在合成多肽将要通过内质网膜的核糖体核糖体（2）辨认信号肽，形成
27、）辨认信号肽，形成SRP-信号肽信号肽-核糖体复合物核糖体复合物（3）暂停多肽链的合成）暂停多肽链的合成（4）引导）引导SRP-信号肽信号肽-核糖体复合物至内质网膜核糖体复合物至内质网膜（5）与膜上受体结合（）与膜上受体结合（docking protein, DP） 新生肽链进内质网：信号识别蛋白新生肽链进内质网：信号识别蛋白（signal recognition particle, SRP） 是一种核糖核酸蛋白复合体，由是一种核糖核酸蛋白复合体，由6种不同蛋白种不同蛋白质与质与 7SRNA组成，沉降系数为组成，沉降系数为11s DP（停泊蛋白）（停泊蛋白）蛋白质在内质网停留、定位和分泌蛋白质
28、在内质网停留、定位和分泌 进入内质网的蛋白质一部分留在内进入内质网的蛋白质一部分留在内质网，大部分质网，大部分进行加工进行加工，然后转入高尔，然后转入高尔基体，转送到细胞其他位置或排出胞外。基体，转送到细胞其他位置或排出胞外。（2）翻译后转位）翻译后转位 蛋白质前体在多肽链合成后，将蛋白蛋白质前体在多肽链合成后，将蛋白质转移到线粒体与叶绿体等细胞器中。质转移到线粒体与叶绿体等细胞器中。思考题思考题1 遗传密码、翻译、摇摆学说、密码子、遗传密码、翻译、摇摆学说、密码子、反密码子。反密码子。2 原核生物合成的过程。原核生物合成的过程。3 原核生物与真核生物蛋白合成的差异。原核生物与真核生物蛋白合成的差异。
