生物化學(xué)教學(xué)課件：第12章 蛋白質(zhì)生物合成

1、蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）第12章Protein Biosynthesis (Translation)本章主要內(nèi)容：1. 蛋白質(zhì)生物合成體系2. 氨基酸的活化3. 原核生物肽鏈的生物合成過程4. 真核生物肽鏈的生物合成過程5. 蛋白質(zhì)翻譯后的修飾及靶向運(yùn)輸6. 蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制本章重要知識(shí)點(diǎn)蛋白質(zhì)生物合成（翻譯）的概念mRNA、tRNA、核糖體在翻譯過程中的作用，遺傳密碼的特點(diǎn)氨基酰-tRNA合成酶的作用特點(diǎn) 原核、真核生物翻譯過程的異同分子伴侶的作用，翻譯后修飾的形式信號(hào)肽及其作用，各類蛋白質(zhì)靶向輸送的特點(diǎn)抗生素、毒素和干擾素抑制翻譯的機(jī)制蛋白質(zhì)生物合成的概念蛋白質(zhì)生物合成(prot

2、ein biosynthesis)也稱翻譯(translation)，是生物細(xì)胞以mRNA為模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列順序所組成的密碼信息合成蛋白質(zhì)的過程。 定義（1）氨基酸的活化（2）肽鏈的生物合成（3）肽鏈形成后的加工和靶向輸送反應(yīng)過程（1）維持多種生命活動(dòng)（2）適應(yīng)環(huán)境的變化（3）參與組織的更新和修復(fù)生物學(xué)意義第一節(jié)蛋白質(zhì)生物合成體系Protein Biosynthesis System基本原料：20種編碼氨基酸模板：mRNA適配器：tRNA裝配機(jī)：核糖體主要酶和蛋白質(zhì)因子：氨基酰-tRNA合成酶、轉(zhuǎn)肽酶、起始因子、延長(zhǎng)因子、釋放因子等能源物質(zhì)：ATP、GTP無機(jī)離子：Mg2+

3、、 K+蛋白質(zhì)生物合成體系一、mRNA是蛋白質(zhì)生物合成的直接模板mRNA的基本結(jié)構(gòu)Start of genetic messageCapEndTail5-端非翻譯區(qū) 533-端非翻譯區(qū) 開放閱讀框架 從mRNA 5-端起始密碼子AUG到3-端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。遺傳密碼在mRNA的開放閱讀框架區(qū)，以每3個(gè)相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸(或其他信息)，這種三聯(lián)體形式的核苷酸序列稱為密碼子。起始密碼子(initiation codon)：AUG終止密碼子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA密

4、碼子（codon）起始密碼子和終止密碼子：遺傳密碼表Nirenberg and Matthaei from 1961解 密 三 聯(lián) 體 密 碼Robert W. HolleyBreaking the CodeUCUCUCU UCU CUC UCUUACUACUA UAC UAC UAC, or ACU ACU ACU, or CUA CUA CUASerSerLeuTyrTyrTyrThrThrThrLeuLeuLeuHar Gobind Khorana 遺傳密碼的特點(diǎn)1. 方向性(directional)翻譯時(shí)遺傳密碼的閱讀方向是53，即讀碼從mRNA的起始密碼子AUG開始，按53的方向逐一

5、閱讀，直至終止密碼子。 NC肽鏈延伸方向53讀碼方向2. 連續(xù)性(non-punctuated)編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼子及密碼子的各堿基之間既無間隔也無交叉。 5.A U G G C A G U A C A U U A A 3AlaValHisMet終止密碼基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導(dǎo)致框移突變(frameshift mutation)。纈 脯 蘇 天冬纈 丙 酪 甘纈 丙 絲 精3. 簡(jiǎn)并性(degenerate)一種氨基酸可具有2個(gè)或2個(gè)以上的密碼子為其編碼。這一特性稱為遺傳密碼的簡(jiǎn)并性。除色氨酸和甲硫氨酸僅有1個(gè)密碼子外，其余氨基

6、酸有2、3、4個(gè)或多至6個(gè)三聯(lián)體為其編碼。為同一種氨基酸編碼的各密碼子稱為簡(jiǎn)并性密碼子，也稱同義密碼子 。各種氨基酸的密碼子數(shù)目4. 通用性(universal)從簡(jiǎn)單的病毒到高等的人類，幾乎使用同一套遺傳密碼，因此，遺傳密碼表中的這套“通用密碼”基本上適用于生物界的所有物種，具有通用性。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。 通用密碼 線粒體密碼AUA 異亮 蛋、起始AGA 精 終止AGG 精 終止UGA 終止 色精氨酸密碼子偏好性某一物種或某一基因通常傾向于使用一種或幾種特定的同義密碼子，這些密碼子被稱為最優(yōu)密碼子(Optima

7、l Codon)，此現(xiàn)象被稱為密碼子偏好性(Codon Usage bias)5. 擺動(dòng)性(wobble) 反密碼子與密碼子之間的配對(duì)有時(shí)并不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對(duì)規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為擺動(dòng)配對(duì)(wobble base pairing)。 tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U, C, AA, GU, CUG擺動(dòng)配對(duì)能使1種tRNA識(shí)別mRNA的13種簡(jiǎn)并性密碼子U3 2 11 2 3擺動(dòng)配對(duì)二、核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所核糖體的組成核糖體又稱核蛋白體，是由rRNA和多種蛋白質(zhì)結(jié)合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒，是蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。原核生物真核生物核糖體小亞基大亞基核糖

8、體小亞基大亞基S值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA23S-rRNA5S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5.8S-rRNA5S-rRNA蛋白質(zhì)rpS 21種rpL 36種rpS 33種rpL 49種 不同細(xì)胞核糖體的組成核糖體的組成原核生物核糖體結(jié)構(gòu)模式 三、tRNA是氨基酸的運(yùn)載工具及蛋白質(zhì)生物合成的適配器tRNA的作用運(yùn)載氨基酸：氨基酸各由其特異的tRNA攜帶，一種氨基酸可有幾種對(duì)應(yīng)的tRNA，氨基酸結(jié)合在tRNA 3-CCA的位置，結(jié)合需要ATP供能；充當(dāng)“適配器”：每種tRNA的反密碼子決定了所攜帶的氨基酸能準(zhǔn)確地在mRNA上對(duì)號(hào)入座。二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)

9、構(gòu)反密碼環(huán)氨基酸臂tRNA的構(gòu)象四、蛋白質(zhì)生物合成需要酶類、蛋白質(zhì)因子等（一）重要的酶類氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的活化；轉(zhuǎn)肽酶(peptidase)，催化核糖體P位上的肽?；D(zhuǎn)移至A位氨基酰-tRNA的氨基上，使?；c氨基結(jié)合形成肽鍵;并受釋放因子的作用后發(fā)生變構(gòu)，表現(xiàn)出酯酶的水解活性，使P位上的肽鏈與tRNA分離；轉(zhuǎn)位酶(translocase)，催化核糖體向mRNA3-端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離，使下一個(gè)密碼子定位于A位。 （二）蛋白質(zhì)因子起始因子（initiation factor，IF）延長(zhǎng)因子（elongation facto

10、r，EF）釋放因子（release factor，RF）參與原核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學(xué)功能種類生物學(xué)功能起始因子IF-1占據(jù)A位防止結(jié)合其他tRNAIF-2促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合IF-3促進(jìn)大小亞基分離，提高P位對(duì)結(jié)合起始tRNA的敏感性延長(zhǎng)因子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合并分解GTPEF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促進(jìn)tRNA卸載與釋放釋放因子RF-1特異識(shí)別UAA、UAG，誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ窻F-2特異識(shí)別UAA、UGA，誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ窻F-3可與核蛋白體其他部位結(jié)合，有GTP酶活性，能介導(dǎo)RF-

11、1及RF-2與核蛋白體的相互作用參與真核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學(xué)功能種類生物學(xué)功能起始因子eIF-1多功能因子，參與多個(gè)翻譯步驟eIF-2促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合eIF-2B, eIF-3最先結(jié)合小亞基，促進(jìn)大小亞基分離eIF-4AeIF-4F復(fù)合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5-端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使其與小亞基結(jié)合eIF-4B結(jié)合mRNA，促進(jìn)mRNA掃描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合mRNA 5帽子eIF-4GeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合eIF-4E、eIF-3和PolyA 結(jié)合蛋白eIF-5促進(jìn)各種起始因子從小亞基解離，進(jìn)而結(jié)合大亞基eIF-

12、6促進(jìn)核蛋白體分離成大小亞基延長(zhǎng)因子eEF1-促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTP，相當(dāng)于EF-TueEF1-調(diào)節(jié)亞基，相當(dāng)于EF-TseEF-2有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促進(jìn)tRNA卸載與釋放，相當(dāng)于EF-G 釋放因子eRF識(shí)別所有終止密碼子，具有原核生物各類RF的功能蛋白質(zhì)生物合成的能源物質(zhì)為ATP和GTP;參與蛋白質(zhì)生物合成的無機(jī)離子有Mg2+、K+ 等。（三）能源物質(zhì)及離子第二節(jié)氨基酸的活化Activation of Amino Acids氨基酸與特異的tRNA結(jié)合形成氨基酰-tRNA的過程稱為氨基酸的活化。參與氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA

13、合成酶。反應(yīng)過程一、 氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA合成酶結(jié)構(gòu)氨基酰tRNA合成酶的3個(gè)結(jié)合位點(diǎn)氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷氨基酰轉(zhuǎn)移到tRNA上tRNA負(fù)載了氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi 第一步反應(yīng)第二步反應(yīng)氨基酰-AMP-E tRNA氨基酰-tRNA AMP E氨基酰-tRNA合成酶對(duì)底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。特性tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。動(dòng)力學(xué)校對(duì)化學(xué)校對(duì)特性氨基酰-tRNA的表示方法丙氨酰-tRNA：Ala-tR

14、NAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet各種氨基酸和對(duì)應(yīng)的tRNA結(jié)合后形成的氨基酰-tRNA表示為：氨基酸的三字母縮寫-tRNA氨基酸的三字母縮寫 例如：二、真核生物起始氨基酰-tRNA是Met-tRNAiMettRNAiMet與甲硫氨酸結(jié)合后形成Met-tRNAiMet，可以在mRNA的起始密碼子AUG處就位，參與形成翻譯起始復(fù)合物。起始密碼子只能辨認(rèn)Met-tRNAiMet。tRNAMet和甲硫氨酸結(jié)合后生成Met-tRNAMet，必要時(shí)進(jìn)入核蛋白體，為延長(zhǎng)中的肽鏈添加甲硫氨酸。 起始氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet 參與

15、肽鏈延長(zhǎng)的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet真核生物具有起始功能的tRNAfMet與甲硫氨酸結(jié)合后，甲硫氨酸很快被甲?；癁镹-甲酰甲硫氨酸(N-formyl methionine, fMet)，于是形成N-甲酰甲硫氨酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在mRNA的起始密碼子AUG處就位，參與形成翻譯起始復(fù)合物。起始密碼子只能辨認(rèn)fMet-tRNAfMet。 原核生物起始氨基酰-tRNA: fMet-tRNAfMet fMet-tRNAfMet的生成是一碳化合物轉(zhuǎn)移和利用的過程之一，反應(yīng)由轉(zhuǎn)甲酰基酶催化，甲?；鶑腘10-甲酰四氫葉酸轉(zhuǎn)移到甲硫氨酸的-氨基上。 第三節(jié)肽鏈的生物

16、合成過程The Biosynthesis Process of Peptide Chain 肽鏈的生物合成過程是翻譯的中心環(huán)節(jié)。翻譯時(shí)，從mRNA的起始密碼子AUG開始，按53方向逐一讀碼，直至終止密碼子。于是，合成中的肽鏈從起始甲硫氨酸開始，從N-端C-端延長(zhǎng)，直至終止密碼子前一位密碼子所編碼的氨基酸。 起始(initiation)延長(zhǎng)(elongation)終止(termination )整個(gè)過程可分為 ：一、原核生物的肽鏈合成過程（一）起始 指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物的過程。1. 核糖體大小亞基分離；2. mRNA在小亞基定位結(jié)合；3. 起始氨基

17、酰-tRNA的結(jié)合； 4. 核糖體大亞基結(jié)合。IF-3IF-11.核蛋白體大小亞基分離AUG53IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合原核生物mRNA在核蛋白體小亞基上的準(zhǔn)確定位和結(jié)合涉及兩種機(jī)制：在各種mRNA起始AUG上游約813核苷酸部位，存在一段由49個(gè)核苷酸組成的一致序列，富含嘌呤堿基，如-AGGAGG-，稱為Shine-Dalgarno序列(S-D序列)，又稱核蛋白體結(jié)合位點(diǎn)(ribosomal binding site, RBS)。一條多順反子mRNA序列上的每個(gè)基因編碼序列均擁有各自的S-D序列和起始AUG。S-D序列小亞基中的16S-rRNA 3-端有一富含嘧啶堿基的短

18、序列，如-UCCUCC-，通過與S-D序列堿基互補(bǔ)而使mRNA與小亞基結(jié)合。mRNA序列上緊接S-D序列后的小核苷酸序列，可被核蛋白體小亞基蛋白rpS-1識(shí)別并結(jié)合。IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet )結(jié)合到小亞基AUG53IF-2: 促進(jìn)fMet-tRNAfMet與小亞基的結(jié)合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成AUG53IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始復(fù)合物形成過程指在mRNA模板的指導(dǎo)下，氨基酸依次進(jìn)入核糖體并聚合成多肽鏈的過程。1. 進(jìn)位(positionin

19、g)/注冊(cè)(registration)2. 成肽(peptide bond formation)3. 轉(zhuǎn)位(translocation) （二）延長(zhǎng)肽鏈延長(zhǎng)在核蛋白體上連續(xù)循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核糖體循環(huán)(ribosomal cycle)，包括以下三步：每輪循環(huán)使多肽鏈增加一個(gè)氨基酸殘基。1. 進(jìn)位 又稱注冊(cè)(registration)，是指一個(gè)氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令進(jìn)入并結(jié)合到核糖體A位的過程。 進(jìn)位需要延長(zhǎng)因子EF-Tu與EF-Ts參與。 TuTsGTPGDPAUG53TuTsGTP進(jìn)位的反應(yīng)過程：2.成肽 成肽是在轉(zhuǎn)肽酶(peptidase)的催化下，核糖 體P位上起始氨基酰

20、-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽?；D(zhuǎn)移到A位并與A位上氨基酰-tRNA的-氨基結(jié)合形成肽鍵的過程。 成肽的反應(yīng)過程3. 轉(zhuǎn)位 轉(zhuǎn)位是在轉(zhuǎn)位酶的催化下，核糖體向mRNA的3-端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離，使mRNA序列上的下一個(gè)密碼子進(jìn)入核糖體的A位、而占據(jù)A位的肽酰-tRNA移入P位的過程。 轉(zhuǎn)位需要延長(zhǎng)因子EF-G參與。EF-G有轉(zhuǎn)位酶（translocase）活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，釋放的能量促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3側(cè)移動(dòng)，使起始二肽酰-tRNA-mRNA相對(duì)位移進(jìn)入核糖體P位，而卸載的tRNA則移入E位。轉(zhuǎn)位fMetAUG53fMetTuGTP成肽轉(zhuǎn)位下一輪進(jìn)位進(jìn)

21、位轉(zhuǎn)位成肽肽鏈合成延長(zhǎng)(核糖體循環(huán))過程（三）終止 指核糖體A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼子后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖體大、小亞基等分離的過程。 終止階段需要釋放因子RF-1、 RF-2和 RF-3參與。 RF-3可結(jié)合核蛋白體其他部位，有GTP酶活性，能介導(dǎo)RF-1、RF-2與核蛋白體的相互作用。 釋放因子的功能：識(shí)別終止密碼子RF-1特異識(shí)別UAA、UAG； RF-2特異識(shí)別UAA、UGA。誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ富钚源呋律逆溑c結(jié)合在P位的tRNA之間的酯鍵水解，使肽鏈從核蛋白體上釋放。原核肽鏈合成終止過程 多聚核蛋白體的形成可以使蛋白質(zhì)生物合成以高速度、高

22、效率進(jìn)行。（四）多聚核糖體(polysome) 1條mRNA模板鏈都可附著10100個(gè)核糖體，這些核糖體依次結(jié)合起始密碼子并沿53方向讀碼移動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行肽鏈合成，這種mRNA與多個(gè)核蛋白體形成的聚合物稱為多聚核糖體(polysome) 。 多聚核蛋白體電鏡下的多聚核蛋白體二、真核生物的肽鏈合成過程（一）起始真核生物 原核生物80S 核糖體70S 核糖體起始Met由tRNAiMet攜帶起始Met需甲?；鹗家蜃臃N類更多更復(fù)雜起始因子有三種：IF-1，2，3mRNA為單順反子，有5帽和3poly A 尾結(jié)構(gòu)，依賴帽結(jié)合蛋白復(fù)合物在核糖體上定位結(jié)合mRNA為多順反子，每個(gè)起始AUG上游存在S-D序列

23、，通過與16s rRNA序列配對(duì)在糖體上定位結(jié)合起始AUG位于Kozak共有序列中Kozak共有序列：起始AUG周圍的一段短的通用序列，ACCAUGG，該序列突變會(huì)降低核糖體的翻譯活性。真核生物肽鏈合成起始過程：1. 核糖體大小亞基分離；2. 起始氨基酰-tRNA的結(jié)合； 3. mRNA在小亞基定位結(jié)合；4. 核蛋白體大亞基結(jié)合。1. 核糖體大小亞基分離40S60S40S60SeIF-2B、eIF-3與核糖體小亞基結(jié)合，在 eIF-6參與下促進(jìn)80S核糖體解離成大、小亞基 eIF-2B：結(jié)合小亞基，促進(jìn)大小亞基分離eIF-3：結(jié)合小亞基，促進(jìn)大小亞基分離； 介導(dǎo)eIF-4F復(fù)合物mRNA與核糖

24、體小亞基結(jié)合eIF-6：促進(jìn)大小亞基分離2. Met-tRNAiMet與核糖體小亞基結(jié)合Met40SelF-3MetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTPeIF-2 +GTPeIF-2BeIF-2eIF-2-GTPMet-tRNAiMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTPelF-3Met-tRNAiMet與eIF-2-GTP共同結(jié)合于小亞基的P位3. mRNA在核糖體小亞基上定位結(jié)合mRNA在核糖體小亞基上的定位依賴于多種蛋白質(zhì)因子組成的帽子結(jié)合蛋白復(fù)合物(eIF-4F復(fù)合物）eIF-4F復(fù)合物：包括eIF-4E、 eIF-4G、 eIF-4A等MetmRNAATPADP+

25、PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB在eIF-4B的作用下，eIF-4A通過消耗ATP將mRNA引導(dǎo)區(qū)的二級(jí)結(jié)構(gòu)解鏈，以利于Met-tRNAiMet以5 3方向掃描直至起始AUG與Met-tRNAiMet上反密碼子配對(duì)結(jié)合，使mRNA在小亞基上準(zhǔn)確定位。eIF-4F復(fù)合物通過eIF-4E結(jié)合mRNA5帽，poly A結(jié)合蛋白PAB結(jié)合3poly A尾，然后通過eIF-4G和eIF-3與核糖體小亞基結(jié)合成復(fù)合物， eIF-4A具有RNA解旋酶活性，與eIF-4E復(fù)合物后定位于mRNA起始AUG上游的引導(dǎo)區(qū)。eIF-4F復(fù)合物的作用過程4. 核糖體大亞基上結(jié)合MetMe

26、tGDP+Pi各種elF釋放elF-5結(jié)合了mRNA、 Met-tRNAiMet的小亞基迅速與60S大亞基結(jié)合，形成翻譯起始復(fù)合物；同時(shí)通過eIF-5和GTP水解功能，促進(jìn)各種eIF從核糖體釋放。Met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-3GDP+Pi各種elF釋放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程真核生物肽鏈合成的延長(zhǎng)過程與原核生物基本相似，但有不同的反應(yīng)體系和延長(zhǎng)因子。另外，真核細(xì)胞核蛋白體沒有E位，

27、轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。（二）延長(zhǎng)（三）終止 真核生物翻譯終止過程與原核生物相似，但只有1個(gè)釋放因子eRF，可識(shí)別所有終止密碼子，完成原核生物各類RF的功能。 原核生物與真核生物肽鏈合成過程的主要差別原核生物真核生物mRNA一條mRNA編碼幾種蛋白質(zhì)（多順反子）一條mRNA編碼一種蛋白質(zhì)（單順反子）轉(zhuǎn)錄后很少加工轉(zhuǎn)錄后進(jìn)行首尾修飾及剪接轉(zhuǎn)錄、翻譯和mRNA的降解可同時(shí)發(fā)生mRNA在核內(nèi)合成，加工后進(jìn)入胞液，再作為模板指導(dǎo)翻譯核蛋白體30S小亞基50S大亞基 70S核蛋白體40S小亞基60S大亞基 80S核蛋白體起始階段起始氨基酰-tRNA為fMet-tRNAfMet起始氨基酰-tR

28、NA為Met-tRNAiMet核蛋白體小亞基先與mRNA結(jié)合,再與fMet-tRNAfMet結(jié)合核蛋白體小亞基先與Met-tRNAiMet結(jié)合，再與mRNA結(jié)合mRNA中的S-D序列與16S rRNA 3-端的一段序列結(jié)合mRNA中的帽子結(jié)構(gòu)與帽子結(jié)合蛋白復(fù)合物結(jié)合有3種IF參與起始復(fù)合物的形成有至少10種eIF參與起始復(fù)合物的形成延長(zhǎng)階段延長(zhǎng)因子為EF-Tu、EF-Ts和EF-G延長(zhǎng)因子為eEF-1、eEF-1和eEF-2終止階段釋放因子為RF-1、RF-2和RF-3釋放因子為eRF第四節(jié)蛋白質(zhì)翻譯后修飾和靶向輸送Posttranslational Modification and Targ

29、eting Transfer of Protein新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性，必須經(jīng)過復(fù)雜的加工過程才能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑烊粯?gòu)象的功能蛋白質(zhì)，這一加工過程稱為翻譯后修飾(posttranslational modification)。翻譯后修飾包括多肽鏈折疊為天然的三維構(gòu)象及對(duì)肽鏈一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾、空間結(jié)構(gòu)的修飾等。翻譯后修飾使得蛋白質(zhì)組成更加多樣化，從而使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)更大的復(fù)雜性。蛋白質(zhì)合成后被定向輸送到其發(fā)揮作用的靶位點(diǎn)的過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送(protein targeting)。 一、多肽鏈折疊為天然構(gòu)象的蛋白質(zhì)新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈N-端在核糖體上一出

30、現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始。可能隨著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產(chǎn)生正確的二級(jí)結(jié)構(gòu)、模序、結(jié)構(gòu)域到形成完整空間構(gòu)象。一般認(rèn)為，多肽鏈自身氨基酸順序儲(chǔ)存著蛋白質(zhì)折疊的信息，即一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。細(xì)胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都不是自動(dòng)完成，而需要其他酶和蛋白質(zhì)輔助。幾種有促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊功能的大分子:分子伴侶 (molecular chaperon) 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 (peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI)蛋白折疊途徑：a. 伴侶非依賴折疊b. Hsp70輔助的

31、 蛋白折疊c. 伴侶蛋白復(fù)合 物Gro EL-Gro ES 輔助的折疊1. 分子伴侶:分子伴侶是細(xì)胞內(nèi)一類可識(shí)別肽鏈的非天然構(gòu)象、促進(jìn)各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊的保守蛋白質(zhì)。 分子伴侶有以下功能：封閉待折疊蛋白質(zhì)的暴露的疏水區(qū)段；創(chuàng)建一個(gè)隔離的環(huán)境，可以使蛋白質(zhì)的折疊互不干擾；促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊和去聚集；遇到應(yīng)激刺激，使已折疊的蛋白質(zhì)去折疊。 (1) 熱休克蛋白(heat shock protein, HSP) (2) 伴侶蛋白(chaperonin) 分子伴侶主要有：(1) 熱休克蛋白(heat shock protein, HSP)熱休克蛋白屬于應(yīng)激反應(yīng)性蛋白質(zhì)，高溫應(yīng)激可誘導(dǎo)該蛋白質(zhì)合成

32、。熱休克蛋白可促進(jìn)需要折疊的多肽折疊為有天然空間構(gòu)象的蛋白質(zhì)。 熱休克蛋白包括HSP70、HSP40和GrpE三族。 它有兩個(gè)主要功能域：一個(gè)是存在于N-端的高度保守的ATP酶結(jié)構(gòu)域，能結(jié)合和水解ATP；另一個(gè)是存在于C-端的多肽鏈結(jié)合結(jié)構(gòu)域。蛋白質(zhì)的折疊需要這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域的相互作用。 大腸桿菌的HSP70 (DnaK)ATP酶肽鏈結(jié)合結(jié)構(gòu)域H2NEEVD-COOHGrp E結(jié)合部位DnaJ/HSP40結(jié)合部位大腸桿菌的HSP40 (Dna J)可激活Dna K中的ATP酶，生成穩(wěn)定的Dna J -Dna K-ADP-被折疊蛋白質(zhì)復(fù)合物，以利于Dna K發(fā)揮分子伴侶作用。在ATP存在的情況下，D

33、na J和Dna K的相互作用能抑制蛋白質(zhì)的聚集。Grp E，核苷酸交換因子，與Dna K的ATP酶結(jié)構(gòu)域結(jié)合，使Dna K的構(gòu)象發(fā)生改變、ADP從復(fù)合物中釋放出來并由ATP代替ADP，從而控制Dna K的ATP酶活性。在蛋白質(zhì)的折疊過程中，HSP70還需2個(gè)輔助因子HSP40和Grp E。大腸桿菌中的HSP70 反應(yīng)循環(huán)（熱休克蛋白促進(jìn)蛋白折疊的基本過程是HSP70反應(yīng)循環(huán)）Dna J - Dna K-ADP-多肽復(fù)合物人類細(xì)胞中HSP蛋白質(zhì)家族可存在于胞漿、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔、線粒體、胞核等部位，涉及多種細(xì)胞保護(hù)功能：如使線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)保持未折疊狀態(tài)而轉(zhuǎn)運(yùn)、跨膜，再折疊成功能構(gòu)象；通過類似上述

34、機(jī)制，避免或消除蛋白質(zhì)變性后因疏水基團(tuán)暴露而發(fā)生的不可逆聚集，以利于清除變性或錯(cuò)誤折疊的多肽中間物等。(2) 伴侶蛋白(chaperonin)伴侶蛋白是分子伴侶的另一家族，如大腸桿菌的Gro EL和Gro ES（真核細(xì)胞中同源物為HSP60和HSP10）等家族。其主要作用是為非自發(fā)性折疊蛋白質(zhì)提供能折疊形成天然空間構(gòu)象的微環(huán)境。 當(dāng)待折疊肽鏈進(jìn)入Gro EL的桶狀空腔后，Gro ES可作為“蓋子”瞬時(shí)封閉Gro EL空腔出口。封閉后的桶狀空腔提供了能完成該肽鏈折疊的微環(huán)境。Gro EL-Gro ES復(fù)合物Gro EL-Gro ES反應(yīng)循環(huán) 2. 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶多肽鏈內(nèi)或肽鏈之間二硫鍵的正確

35、形成對(duì)穩(wěn)定分泌型蛋白質(zhì)、膜蛋白質(zhì)等的天然構(gòu)象十分重要，這一過程主要在細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)行。二硫鍵異構(gòu)酶在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯(cuò)配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質(zhì)形成熱力學(xué)最穩(wěn)定的天然構(gòu)象。3. 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構(gòu)體，空間構(gòu)象有明顯差別。肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶可促進(jìn)上述順反兩種異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)換。肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶是蛋白質(zhì)三維構(gòu)象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構(gòu)型時(shí)，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準(zhǔn)確折疊。 二、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)修飾主要是肽鍵水解和化學(xué)修飾 （一）肽鏈末端的切除或化學(xué)修飾細(xì)胞內(nèi)脫甲?；富虬被拿缚梢匀?/p>

36、除N-甲?；-Met或信號(hào)肽等序列；N-端氨基酸的乙酰化等。1糖基化 2羥基化 3甲基化 4磷酸化 5二硫鍵形成 6親脂性修飾（二）個(gè)別氨基酸的共價(jià)修飾 意義：增加氨基酸的種類，修飾性氨基酸對(duì)蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的發(fā)揮至關(guān)重要。分子內(nèi)或分子間二硫鍵的形成可維系或穩(wěn)定蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象?？贵w蛋白由二硫鍵接合而形成穩(wěn)定的Y型結(jié)構(gòu)組成核小體的組蛋白的核心部分狀態(tài)大致是均一的,，游離在外的N-端則可以受到各種各樣的修飾,，包括組蛋白末端的乙?；?， 甲基化， 磷酸化， 泛素化，ADP核糖基化等。組蛋白的修飾可通過影響組蛋白與DNA雙鏈的親和性，從而改變?nèi)旧|(zhì)的疏松或凝集狀態(tài)，或通過影響其它轉(zhuǎn)錄因子與結(jié)構(gòu)基

37、因啟動(dòng)子的親和性來發(fā)揮基因調(diào)控作用。組蛋白修飾對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控有類似DNA遺傳密碼的調(diào)控作用。（三）多肽鏈的水解修飾某些無活性的蛋白質(zhì)前體經(jīng)蛋白酶水解生成具有活性的蛋白質(zhì)或多肽；或大分子多肽前體經(jīng)翻譯后加工、水解生成多種小分子活性肽類。胰島素原酶解生成胰島素例：鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾（促腎上腺皮質(zhì)激素）（a-促黑素）（促腎上腺皮質(zhì)激素樣中葉肽）三、空間結(jié)構(gòu)的修飾結(jié)合蛋白質(zhì)合成后都需要結(jié)合相應(yīng)輔基，才能成為具有功能活性的天然蛋白質(zhì)。 具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)由兩條以上的肽鏈通過非共價(jià)鍵聚合，形成寡聚體(oligomer)。（一）通過非共價(jià)鍵亞基聚合形成具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)（二）輔基連

38、接后形成完整的結(jié)合蛋白質(zhì)四、合成后蛋白質(zhì)可被靶向輸送至細(xì)胞特定部位 蛋白質(zhì)在核蛋白體上合成后，必須分選出來，定向輸送到一個(gè)合適的部位才能行使各自的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)的靶向輸送與翻譯后修飾過程同步進(jìn)行。 所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在分選信號(hào)，主要是N末端特異氨基酸序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的適當(dāng)靶部位，這類序列稱為信號(hào)序列(signal sequence)。信號(hào)序列是決定蛋白質(zhì)靶向輸送特性的最重要元件，提示指導(dǎo)蛋白質(zhì)靶向輸送的信息存在于蛋白質(zhì)自身的一級(jí)結(jié)構(gòu)中。 （一）靶向輸送的蛋白質(zhì)N-端存在信號(hào)序列Gnter Blobel 1975年提出信號(hào)假說for the discovery that

39、 proteins have intrinsic signals that govern their transport and localization in the cell 多數(shù)靶向輸送到溶酶體、質(zhì)膜或分泌到細(xì)胞外的蛋白質(zhì)，其肽鏈的N端有一長(zhǎng)度為1336個(gè)氨基酸殘基的信號(hào)序列稱為信號(hào)肽（signal peptide)。N-端含1個(gè)或幾個(gè)帶正電荷的堿性氨基酸殘基，如賴氨酸、精氨酸；中段為疏水核心區(qū)，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、異亮氨酸等；C-端加工區(qū)由一些極性相對(duì)較大、側(cè)鏈較短的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸）組成，緊接著是被信號(hào)肽酶(signal peptidase)裂解的位點(diǎn)

40、。信號(hào)肽有以下共性：靶向輸送到細(xì)胞核的蛋白質(zhì)其多肽鏈內(nèi)含有特異信號(hào)序列，稱為核定位序列(nuclear localization sequence, NLS) 。NLS為含48個(gè)氨基酸殘基的短序列，富含帶正電荷的賴氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽鏈的不同部位，而不只在N末端。不同的NLS間未發(fā)現(xiàn)共有序列； 在蛋白質(zhì)進(jìn)核定位后，NLS不被切除。 核定位序列 真核細(xì)胞分泌型蛋白質(zhì)的靶向輸送過程為：核糖體上合成的肽鏈先由信號(hào)肽引導(dǎo)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔并被折疊成為具有一定功能構(gòu)象的蛋白質(zhì)，在高爾基復(fù)合體中被包裝進(jìn)分泌小泡，轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜，再分泌到細(xì)胞外。（二）分泌型蛋白質(zhì)由分泌小泡靶向輸送至胞外信號(hào)序列引導(dǎo)蛋白質(zhì)

41、進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（三）蛋白質(zhì)6-磷酸甘露糖基化是靶向輸送至溶酶體的信號(hào) 與分泌型蛋白質(zhì)一樣，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的駐留蛋白質(zhì)先經(jīng)粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的附著核糖體合成并進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，然后隨囊泡輸送到高爾基復(fù)合體。但是，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)多肽鏈的C-端含有滯留信號(hào)序列，可與相應(yīng)受體結(jié)合。在高爾基復(fù)合體上，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)通過其滯留信號(hào)序列與受體結(jié)合后，隨囊泡輸送回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。 （四）靶向輸送至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)C-端含有滯留信號(hào)序列（五）質(zhì)膜蛋白質(zhì)的靶向輸送由囊泡轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜質(zhì)膜蛋白質(zhì)合成時(shí)在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的跨膜機(jī)制與分泌型蛋白質(zhì)的跨膜機(jī)制相似，但是，質(zhì)膜蛋白質(zhì)的肽鏈并不完全進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，而是錨定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。不同類型的跨膜蛋白質(zhì)以不同的形式

42、錨定于膜上。 （六）線粒體蛋白質(zhì)以其前體形式在胞液合成后靶向輸入線粒體絕大部分線粒體蛋白質(zhì)是由核基因組編碼、在胞液中的游離核蛋白體上合成后釋放、靶向輸送到線粒體中的。真核細(xì)胞線粒體蛋白質(zhì)的靶向輸送（七）細(xì)胞核蛋白質(zhì)在胞液中合成后經(jīng)核孔靶向輸送入核第五節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制Interference and Inhibition of Protein Biosynthesis蛋白質(zhì)生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶點(diǎn)。抗生素等就是通過阻斷真核、原核生物蛋白質(zhì)翻譯體系某組分功能、干擾和抑制蛋白質(zhì)生物合成過程而起作用的。 可針對(duì)蛋白質(zhì)生物合成必需的關(guān)鍵組分作為研究新抗菌藥物的作用靶點(diǎn)。同

43、時(shí)盡量利用真核、原核生物蛋白質(zhì)合成體系的任何差異，以設(shè)計(jì)、篩選僅對(duì)病原微生物特效而不損害人體的藥物。 一、許多抗生素通過抑制蛋白質(zhì)生物合成發(fā)揮作用抗生素(antibiotics)是一類由某些真菌、細(xì)菌等微生物產(chǎn)生的藥物，有抑制其他微生物生長(zhǎng)或殺死其他微生物的能力，對(duì)宿主無毒性的抗生素可用于預(yù)防和治療人、動(dòng)物和植物的感染性疾病。影響翻譯起始的抗生素影響翻譯延長(zhǎng)的抗生素 干擾進(jìn)位的抗生素引起讀碼錯(cuò)誤的抗生素 影響肽鍵形成的抗生素 影響轉(zhuǎn)位的抗生素 抗生素 作用位點(diǎn) 作用原理應(yīng)用 伊短菌素 原核、真核核蛋白體小亞基 阻礙翻譯起始復(fù)合物的形成抗腫瘤藥四環(huán)素、土霉素 原核核蛋白體小亞基 抑制氨基酰-tRNA與小