1、第十五章 蛋白质的合成Protein Biosynthesis生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系李雅婷李雅婷 蛋白质的生物合成，即翻译，就是将mRNA中 4 种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一级结构中20种氨基酸的排列顺序。蛋白质合成体系Protein-synthesizing System 第一节参与蛋白质生物合成的物质 基本原料：20种编码氨基酸 模板：mRNA 适配器：tRNA 装配机：核蛋白体 主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等 能源物质：ATP、GTP 无机离子：Mg2+、K+一、mRNA是蛋白质
2、合成的模板从mRNA 5-端起始密码子AUG到3-端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。遗传密码遗传密码在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。A、U、G、C四种核苷酸可组成64个密码子密码子（密码子（codon）起始密码子和终止密码子起始密码子和终止密码子 起始密码子（initiation codon）：AUG 终止密码子（termination codon）：UAA、UAG、UGA遗传密码表密码子：64起始密码:AUG终止密码:UAA、UAG、UGA
3、传密码的特点：传密码的特点：方向性（方向性（directional）连续性（连续性（non-punctuated）简并性（简并性（degeneracy）摆动性（摆动性（wobble）通用性（通用性（universal）遗传密码的特点遗传密码的特点 方向性方向性连续性连续性(commaless)各个三联体密码连续阅读，密码子间既无间断也无交叉。简并性简并性(degeneracy)编码密码子：编码氨基酸：6120 密码子的第三位碱基和反密码子的第一位碱基之间常出现摆动现象。tRNA分子上有相当多的稀有碱基，其中次黄嘌呤（insosine，I）常出现于反密码子第一位，是最常见的摆动现象。摆动性（摆动
4、性（wobble）通用性通用性(universal)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。氨基酸臂3-CCA-OH与活化的氨基酸结合，形成氨基酰-tRNA，从而携带氨基酸 DHU环与氨基酰-tRNA合成酶结合反密码环与mRNA密码子识别配对TC环与核糖体上的rRNA识别结合 氨基酸臂DHU环反密码环TC环二、tRNA是氨基酸和密码子之间的特异衔接子A A位：氨基酰位位：氨基酰位P P位：肽酰位位：肽酰位E E位：排出位位：排出位小亚基大亚基三、核糖体是蛋白质合成的场所 合成肽链时mR
5、NA与tRNA的相互识别、肽键形成、肽链延长等过程全部在核糖体上完成，核糖体沿着模板mRNA链从5端向3端移动。四、蛋白质合成需要多种酶类和蛋白质因子p 酶类：氨酰-tRNA合成酶 肽酰转移酶 转位酶 p 蛋白质因子：起始因子（initiation factor，IF）延长因子（elongation factor，EF）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生物学功能起始因子IF-1占据核糖体A位，防止A位结合其他tRNA IF-2促进fMet-tRNAfMet与小亚基结合 IF-3促进大、
6、小亚基分离；提高P位对结合fMet-tRNAfMet的敏感性 延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并分解GTPEF-TsEF-Tu的调节亚基EF-G有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位；促进tRNA卸载与释放 释放因子RF-1特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯酶RF-3具有GTP酶活性，介导RF-1及RF-2与核糖体的相互作用 氨基酸与tRNA的连接 The Attachment of Amino Acid onto its tRNA第二节氨基酸与tRNA连接的专一性由氨酰-tRNA合成酶决定。氨酰
7、-tRNA合成酶具有高度专一性，既能识别特异的氨基酸，又能辨认应该结合该种氨基酸的tRNA。因此，氨酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。一、氨酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和tRNA反应过程氨基酸+tRNA氨酰-tRNAATP AMPPPi氨酰-tRNA合成酶 Mg2+氨酰-tRNA合成酶催化ATP分解为焦磷酸与AMP；第一步反应 第二步反应AMP、酶、氨基酸三者结合为中间复合体（氨酰-AMP-酶），其中氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相联而活化；第三步反应活化氨基酸与tRNA 3-CCA末端的腺苷酸的核糖2或3位的游离羟基以酯键结合，形成相应的氨酰-tRNA。氨酰氨酰
8、-tRNA的合成的合成二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨酰-tRNA 起始氨酰-tRNA:Met-tRNAiMet 参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet 真核生物原核生物 起始氨酰-tRNA:fMet-tRNAfMet 肽链的合成过程 Synthesis Process of Peptide Chain第三节翻译的翻译的起始起始(initiation)翻译的翻译的延长延长(elongation)翻译的翻译的终止终止(termination)整个翻译整个翻译过程过程可分为可分为：翻译过程从翻译过程从5-AUG开始，按开始，按mRNA模板三联模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终
9、止密码出现。体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。以原核生物为例以原核生物为例原核生物翻译起始复合物的形成一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成 核糖体大小亚基分离 mRNA与核糖体小亚基结合 fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位 翻译起始复合物形成。mRNA的的S-D序列序列：原核生物mRNA翻译起始子AUG的上游413个核苷酸之前有富含嘌呤的序列。这一序列以AGGA为核心，称之为SD序列。该序列与30s小亚基上16srRNA 3-端富含嘧啶序列结合，稳固了mRNA与小亚基的结合。4.核蛋白体大核蛋白体大亚基结合亚基结合1.核蛋白体亚核蛋白体亚基的分离基的分离2.mRNA在核蛋白在核蛋
10、白体小亚基上就位体小亚基上就位3.fmet-tRNA的结合的结合70SIF-3IF-11）核糖体大小亚基分离蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程A U G53IF-3IF-12）核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近 IF-3IF-1IF-2GTP3）fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4）核糖体大亚基结合形成起始复合物A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始复合物形成过程指根据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。肽链延长在核糖体上连续
11、性循环式进行，又称为核糖体循环(ribosomal cycle)，每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)二、在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链（一）进位（注册）（一）进位（注册）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。（二）成肽（二）成肽是由转肽酶是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。催化的肽键形成过程。（三）转位（三）转位*肽链延伸方向：肽链延伸方向：N端端 C端端进位转位成肽ribosomal cycle三、终止
12、密码子和释放因子导致肽链合成终止当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体等分离，这些过程称为肽链合成终止。终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子(release factor,RF)原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 RF-1识别UAA或UAG，RF-2识别UAA或UGA，RF-3则与GTP结合并使其水解，协助RF1与RF2与核糖体结合。释放因子的功能释放因子的功能一是识别终止密码一是识别终止密码二是诱导转肽酶改变为酯酶活性二是诱导转肽酶改变为酯酶活性真核生物仅有eRF一种释放因子，所有3种终止
13、密码子均可被eRF识别。多聚核糖体（多聚核糖体（polyribosome或或polysome）：）：多个核糖体结合多个核糖体结合在在1条条mRNA链上所形成的聚合物。多聚核糖体的形成可以使链上所形成的聚合物。多聚核糖体的形成可以使肽链合成高速度、高效率进行肽链合成高速度、高效率进行。多聚核糖体 蛋白质合成后的加工和靶向输送 Processing and Targeting of Synthesized Proteins第四节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。主要包括 多肽链折叠为天然的三维结构多肽链折叠为天然的三维结构
14、肽链一级结构的修饰肽链一级结构的修饰 高级结构修饰高级结构修饰 一、新生肽链折叠需要分子伴侣 细胞中大多数天然蛋白质折叠并不是自发完成的，其折叠过程需要其他酶或蛋白质的辅助，这些辅助性蛋白质可以指导新生 肽 链 按 特 定 方 式 正 确 折 叠，它 们 被 称 为 分 子 伴 侣（molecular chaperone）。目前研究得较为清楚的分子伴侣是热激蛋白70（heat shock protein 70,Hsp70）家族和伴侣蛋白（chaperonin）。Hsp70作用示意图作用示意图 GroES/GroEL系系统的作用原理统的作用原理二、肽链水解加工产生具有活性的蛋白质或多肽鸦片促黑皮
15、质素原鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰的水解修饰三、氨基酸残基的化学修饰改变蛋白质的活性结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体(oligomer)。通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质辅基连接后形成完整的结合蛋白质辅基连接后形成完整的结合蛋白质四、亚基聚合形成具有四级结构的活性蛋白质五、蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位*分泌性蛋白质（secretory proteins）穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质，可统称为分泌性蛋白质。例
16、如各种肽类激素、各种血浆蛋白、凝血因子、抗体等。蛋白质靶向运输（protein targeting）蛋白质合成后定向地到达其执行功能的目标地点。靶向输送是对分泌性蛋白质而言。分泌性蛋白质可穿过膜性结构（细胞膜、亚细胞结构膜）信号序列引导蛋白质进入内质网信号序列引导蛋白质进入内质网n细胞核蛋白质由核输入因子运载经核孔入核细胞核蛋白质由核输入因子运载经核孔入核 蛋白质合成的干扰和抑制 Interference and Inhibition of Protein Synthesis第五节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、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和
17、抑制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、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线菌酮遗传密码的四个特点；重点简并性、摆动性遗传密码的四个特点；重点简并性、摆动性起始密码、终止密码、起始密码、终止密码、S-D序列、阅读框架序列、阅读框架以原核生物为例，说明蛋白质生物合成的过程（包以原核生物为例，说明蛋白质生物合成的过程（包括各种酶及蛋白质因子）括各种酶及蛋白质因子）翻译后的加工翻译后的加工一、掌握1.原核生物DNA转录的要点及主要过程；启动子、操纵子概念；转录起始，转录的延长和终止。2.翻译模板mRNA及遗传密码的特点。二、熟悉1.模板链及编码链。2.蛋白质生物合成体系的组成，原核生物蛋白质生物合成过程，肽链延长（核糖核蛋白体的循环）及延长因子的作用，肽链合成终止及释放。3.核蛋白体的组成和功能，tRNA的作用。多聚核糖体，肽链合成后加工。
