1、Protein BiosynthesisProtein Biosynthesis，TranslationTranslationl蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成，即，即翻译翻译，就是将核酸中由，就是将核酸中由 4 种种核苷酸序列核苷酸序列编码的遗传信息，通过编码的遗传信息，通过遗传密码遗传密码破破译的方式解读为蛋白质一级结构中译的方式解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。（。（分子语言的转换分子语言的转换）第第 一一 节节 l 三种三种RNA mRNA（messenger RNA,信使信使RNA）为蛋白质合成提供信息模板为蛋白质合成提供信息模板 rRNA（riboso
2、mal RNA,核糖体核糖体RNA）和蛋白质组成的核糖体是生产蛋白质的工厂和蛋白质组成的核糖体是生产蛋白质的工厂 a、膜结合核糖体、膜结合核糖体b、游离核糖体、游离核糖体 tRNA（transfer RNA,转移转移RNA）作为转换器分子能帮助将作为转换器分子能帮助将mRNA上的核酸语上的核酸语 言翻译成蛋白质语言言翻译成蛋白质语言l20种氨基酸种氨基酸(AA)作为原料作为原料l酶及众多蛋白因子，如酶及众多蛋白因子，如IF、eIF lATP、GTP、无机离子、无机离子二、二、三种三种RNA在蛋白质合成中所起的作用在蛋白质合成中所起的作用Start of genetic messageCapEn
3、dTail5-端非翻译区端非翻译区 5 3 3-端非翻译区端非翻译区 开放阅读框架开放阅读框架 从从mRNA 5-端起始密码子端起始密码子AUG到到3-端终止密端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。nmRNA的基本结构的基本结构nmRNA上存在遗传密码上存在遗传密码mRNA分子上从分子上从5 至至3 方向，由方向，由AUG开始，开始，每每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体三联体密码密
4、码也称也称遗传密码子遗传密码子(genetic coden)。编码编码20种氨基酸：种氨基酸：61个密码子个密码子 起始密码起始密码AUG（甲硫氨酸甲硫氨酸）无意义密码子无意义密码子:终止密码终止密码UAA，UAG，UGA 4种核苷酸则可构建种核苷酸则可构建64（43）个密码子）个密码子目目 录录蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。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密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。一祖先。n
5、遗传密码的特点遗传密码的特点 mRNA密码子的排列具有方向性，即密码子的排列具有方向性，即起起始密码子始密码子总是位于开放阅读框架的总是位于开放阅读框架的5末端，末端，终止密码子位于终止密码子位于3末端。末端。每个密码子的三个核苷酸也是每个密码子的三个核苷酸也是53方向方向阅读。这种方向性决定了翻译过程从阅读。这种方向性决定了翻译过程从53方向译读密码方向译读密码。2.方向性（方向性（direction）基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致入或缺失，可能导致移码突变。移码突变。3.连续性连续性(commaless)编码蛋白质氨基酸序列的
6、各个三联体密码连编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连 续续阅读，密码间既无间断（阅读，密码间既无间断（无标点无标点）也无交叉）也无交叉。遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有个密码子外，其余氨基酸有26个个密码子。密码子。目目 录录6120转运氨基酸的转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过的反密码需要通过碱基互补与碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结上的遗传密码反向配对结合，但合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律基配对规律，称为，称为摆动配对摆动配对。U目目 录录摆动配对摆动配对UtRNA
7、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,AA,GU,CUG目目 录录n核蛋白体的组成核蛋白体的组成核蛋白体又称核糖体，是由核蛋白体又称核糖体，是由rRNA和多种蛋和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。蛋白质生物合成的场所。目目 录录l核糖体在蛋白质合成中有两个主要作用核糖体在蛋白质合成中有两个主要作用：核糖体通过将核糖体通过将mRNA、氨基酰、氨基酰-tRNA和和 相相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的合成（白质的合成（装配机装配
8、机）；）；核糖体的成分可催化翻译过程的一部分化核糖体的成分可催化翻译过程的一部分化学反应（学反应（转肽酶转肽酶）原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)目目 录录（三）（三）tRNAtRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器物合成的适配器ntRNA的作用的作用l运载氨基酸：运载氨基酸：氨基酸各由其特异的氨基酸各由其特异的tRNA携带，携带，一种一种氨基酸氨基酸可有几种对应的可有
9、几种对应的tRNA，氨基酸结合，氨基酸结合在在tRNA 3-CCA的位置，结合需要的位置，结合需要ATP供能；供能；l充当充当“适配器适配器”：每种每种tRNA的反密码子决定了的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。上对号入座。氨基酸臂氨基酸臂反密码环反密码环反密码子反密码子20AA 50tRNA 61密码子密码子三、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等三、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等（一）重要的酶类（一）重要的酶类l 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化，催化氨基酸的活化氨基酸的活化；
10、l 转肽酶转肽酶(peptidase)，催化核蛋白体催化核蛋白体P位上的肽酰位上的肽酰基转移至基转移至A位氨基酰位氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与的氨基上，使酰基与氨基结合氨基结合形成肽键形成肽键;并受释放因子的作用后发并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的生变构，表现出酯酶的水解活性水解活性，使，使P位上的肽位上的肽链与链与tRNA分离；分离；l 转位酶转位酶(translocase)，催化核蛋白体向，催化核蛋白体向mRNA3-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于于A位。位。（二）蛋白质因子（二）蛋白质因子l 起始因子（起始因子（ini
11、tiation factor，IF）l 延长因子（延长因子（elongation factor，EF）l 释放因子（释放因子（release factor，RF）参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类种类生物学功能生物学功能起始因子起始因子IF-1占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-2促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合IF-3促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA的敏感性的敏感性延长因子延长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合并分解位，结合并
12、分解GTPEF-Ts调节亚基调节亚基EF-G有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位移至位移至P位，位，促进促进tRNA卸载与释放卸载与释放释放因子释放因子RF-1特异识别特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶，诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异识别特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯酶，诱导转肽酶转变为酯酶RF-3可与核蛋白体其他部位结合，有可与核蛋白体其他部位结合，有GTP酶活性，能介导酶活性，能介导RF-1及及RF-2与核蛋白体的相互作用与核蛋白体的相互作用参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功
13、能种类种类生物学功能生物学功能起始因子起始因子eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2B,eIF-3最先结合小亚基，促进大小亚基分离最先结合小亚基，促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除解螺旋酶活性，能解除mRNA5-端的发夹端的发夹结构，使其与小亚基结合结构，使其与小亚基结合eIF-4B结合结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA 5帽子帽子eIF-4GeIF
14、-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和和PolyA 结合蛋白结合蛋白eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基延长因子延长因子eIF1-促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合分解位，结合分解GTP，相当于，相当于EF-TueIF1-调节亚基，相当于调节亚基，相当于EF-TseIF-2有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位移至位移至P位，促进位，促进tRNA卸卸载与释放，相当于载与释放，相当于EF-G 释放因子
15、释放因子eRF识别所有终止密码子，具有原核生物各类识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能的功能l 蛋白质生物合成的能源物质为蛋白质生物合成的能源物质为ATP和和GTP;l 参与蛋白质生物合成的无机离子有参与蛋白质生物合成的无机离子有Mg2+、K+等。等。（三）能源物质及离子（三）能源物质及离子原核生物蛋白质生物合成的原核生物蛋白质生物合成的过程过程第第 二二 节节 氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶一、氨基酸的活化与转运一、氨基酸的活化与转运n反应过程反应过程第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AM
16、P-E AMP PPi目目 录录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目目 录录tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATPl氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都都有高度特异性（有高度特异性（翻译准确性翻译准确性）。）。n 特性特性l同工同工tRNA：运载同一氨基酸的一组不同：运载同一氨基酸的一组不同tRNAl氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法：的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet (肽酰肽酰tRNA)l起始肽链合成的氨基酰起始肽链合成的氨基酰-tRNA：真核
17、生物：真核生物：Met-tRNAiMet 原核生物：原核生物：fMet-tRNAifMet（甲酰基化保护氨基甲酰基化保护氨基端端）肽链的生物合成过程是翻译的中心环节。翻肽链的生物合成过程是翻译的中心环节。翻译时，从译时，从mRNA的的起始密码子起始密码子AUG开始，按开始，按53方向逐一读码，直至方向逐一读码，直至终止密码子终止密码子。于是，。于是，合成中的肽链从起始合成中的肽链从起始甲硫氨酸甲硫氨酸开始，从开始，从N-端端C-端延长，直至终止密码子端延长，直至终止密码子前一位密码子前一位密码子所编码的氨基酸所编码的氨基酸。l翻译的起始翻译的起始(initiation)l翻译的延长翻译的延长(
18、elongation)l翻译的终止翻译的终止(termination)整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为：二、原核生物蛋白质的合成二、原核生物蛋白质的合成l核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；lmRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；l起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合；l核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。（一）肽链起始（一）肽链起始（1）核糖体大小亚基分离核糖体大小亚基分离70SIF-3IF-1（2）mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合A U G53IF-3IF-1 mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合目目 录录IF-3IF-1IF-2GTP（3）起始氨基酰
19、起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合结合到小亚基到小亚基A U G53目目 录录30S起始复合物合成起始复合物合成 IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi（4）核糖体大亚基结合，起始复合物形成）核糖体大亚基结合，起始复合物形成A U G53目目 录录IF-3IF-1A U G53IF-2GDPPi70 S起始复合物起始复合物目目 录录指根据指根据mRNA密码序列的指导，依次添加密码序列的指导，依次添加氨基酸从氨基酸从N端向端向C端延伸肽链，直到合成终止端延伸肽链，直到合成终止的过程。的过程。l肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，又称肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，又称为为
20、核糖体循环核糖体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：一个氨基酸，包括以下三步：进位进位(entrance)或注册或注册（registration）成肽成肽(peptide bond formation)转位转位(translocation)1 1、进位、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进入核蛋白体进入核蛋白体A位。位。目目 录录延长因子延长因子EF-T催化催化进位（原核生物）进位（原核生物）目目 录录是由转肽酶是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键催化的肽键形
21、成过程。形成过程。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 1分子分子GTP，促进核蛋，促进核蛋白体向白体向mRNA的的3 3侧移动侧移动 。进进位位转转位位成肽成肽（三）肽链合成的终止（三）肽链合成的终止当当mRNA上上终止密码终止密码出现后，多肽链合成出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核、核糖体等分离，这些过程称为糖体等分离，这些过程称为肽链合成终止肽链合成终止。终止阶段需要终止阶段需要释放因子释放因子RF-1、RF-2和和 RF-3参与参与。核蛋白体释放因子（核蛋白体释放因
22、子（RR）使使mRNA从核蛋白体上释放，核蛋白体分解为大从核蛋白体上释放，核蛋白体分解为大亚基和小亚基。亚基和小亚基。n 释放因子的功能：释放因子的功能：识别终止密码子识别终止密码子RF-1特异识别特异识别UAA、UAG；RF-2特异识别特异识别UAA、UGA。RF-3诱导转肽酶转变为酯酶活性诱导转肽酶转变为酯酶活性催化新生肽链与结合在催化新生肽链与结合在P位的位的tRNA之间之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。合成以高
23、速度、高效率进行。1条条mRNA模板链都可附着模板链都可附着10100个核蛋个核蛋白体，这些核蛋白体依次结合起始密码子并沿白体，这些核蛋白体依次结合起始密码子并沿53方向读码移动，同时进行肽链合成，这方向读码移动，同时进行肽链合成，这种种mRNA与多个核蛋白体形成的聚合物称为多与多个核蛋白体形成的聚合物称为多聚核蛋白体聚核蛋白体(polysome)。目目 录录目目 录录原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物原核生物真核生物真核生物mRNA一条一条mRNA编码几种蛋白质（多顺反子）编码几种蛋白质（多顺反子）一条一条mRNA编码一种蛋白质（单顺反子
24、）编码一种蛋白质（单顺反子）转录后很少加工转录后很少加工转录后进行首尾修饰及剪接转录后进行首尾修饰及剪接转录、翻译和转录、翻译和mRNA的降解可同时发生的降解可同时发生mRNA在核内合成，加工后进入胞液，再在核内合成，加工后进入胞液，再作为模板指导翻译作为模板指导翻译核蛋白体核蛋白体30S小亚基小亚基50S大亚基大亚基 70S核蛋白体核蛋白体40S小亚基小亚基60S大亚基大亚基 80S核蛋白体核蛋白体起始阶段起始阶段起始氨基酰起始氨基酰-tRNA为为fMet-tRNAfMet起始氨基酰起始氨基酰-tRNA为为Met-tRNAiMet核蛋白体小亚基先与核蛋白体小亚基先与mRNA结合结合,再与再与
25、fMet-tRNAfMet结合结合核蛋白体小亚基先与核蛋白体小亚基先与Met-tRNAiMet结合，结合，再与再与mRNA结合结合mRNA中的中的S-D序列与序列与16S rRNA 3-端的端的一段序列结合一段序列结合mRNA中的帽子结构与帽子结合蛋白复合中的帽子结构与帽子结合蛋白复合物结合物结合有有3种种IF参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成有至少有至少10种种eIF参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成延长阶段延长阶段延长因子为延长因子为EF-Tu、EF-Ts和和EF-G大亚基存在大亚基存在E位位延长因子为延长因子为eEF-1、eEF-1和和eEF-2大亚基不具有大亚基不具有E位位
26、终止阶段终止阶段释放因子为释放因子为RF-1、RF-2和和RF-3释放因子为释放因子为eRF第第 四四 节节l蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用作用靶点靶点。它们就是通过。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生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物合成过程而起作用的。而起作用的。l可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究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、原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
27、何差异，以核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。一、抗生素对蛋白质生物合成的影响一、抗生素对蛋白质生物合成的影响 l抗生素抗生素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。一类药物。l抗代谢药物抗代谢药物指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如度生长的药物，如：6-MP。l 某些毒素也作用于基因信息传递过程某些毒素也作用于基因信息传递过程。抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药
28、医学研究医学研究抗肿瘤药抗肿瘤药抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA与小亚基与小亚基结合结合改变构象引起读码错误、抑改变构象引起读码错误、抑制起始制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位抑制转肽酶、妨碍转位与与EFG-GTP结合，抑制肽结合，抑制肽链延长链延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰氨基酰-tRNA类似物，进位类似物，进位后引起未成熟肽链脱落后引起未成熟肽链脱落原核核蛋白原核核蛋白体小亚基体小亚基原核核蛋白原核核蛋白体小亚基体小亚基原核核蛋白原核核蛋白体大亚基体大亚基原核核蛋白原核核蛋白体大亚基体大亚基原核核蛋白原核核蛋白体大亚基体大亚基真核核蛋白真核
29、核蛋白体大亚基体大亚基真核、原核真核、原核核蛋白体核蛋白体 四环素族四环素族（金霉素（金霉素 新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素链霉素、卡那霉素、新霉素新霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素红霉素红霉素梭链孢酸梭链孢酸 放线菌酮放线菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素应用应用作用原理作用原理作用点作用点抗生素抗生素抗生素抑制蛋白质生物合成的原理抗生素抑制蛋白质生物合成的原理 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放线菌酮放线菌酮目目 录录l毒素毒素(toxin)l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）干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA1.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
