生化14 蛋白質(zhì)的生物合成(翻譯)

蛋白質(zhì)的生物合成

（翻譯）

ProteinBiosynthesis，Translation第十四

章蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由4種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序。蛋白質(zhì)生物合成體系

ProteinBiosynthesisSystem

第一節(jié)

參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括

三種RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白體RNA）tRNA（transferRNA,轉(zhuǎn)移RNA）合成原料20種氨基酸

(AA)參與的蛋白質(zhì)因子、酶及酶的輔助因子

起始因子、延長因子、釋放因子、轉(zhuǎn)肽酶、氨基酰-tRNA合成酶能源

ATP主要參與氨基酸的活化

GTP提供翻譯起始、延長、終止階段所需能量一、mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板

mRNA是遺傳信息的攜帶者遺傳學(xué)將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。。原核細胞中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順反子(polycistron)

。真核細胞mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(singlecistron)

。

原核生物的多順反子PPP5

3

蛋白質(zhì)真核生物的單順反子非編碼序列核糖體結(jié)合位點起始密碼子終止密碼子編碼序列PPPmG-5

3

蛋白質(zhì)

mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5

至3

方向，由AUG開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號，稱為三聯(lián)體密碼(tripletcode)。起始密碼(initiationcodon):AUG

終止密碼(terminationcodon):UAA，UAG，UGA

遺傳密碼表從mRNA5

端起始密碼子AUG到3

端終止密碼子之間的核苷酸序列，每個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。

遺傳密碼的特點1.方向性mRNA分子中遺傳密碼閱讀方向是從

5→3

2.連續(xù)性編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。

基因轉(zhuǎn)錄后存在一種對mRNA外顯子加工過程，通過特定堿基的插入、缺失或置換，導(dǎo)致mRNA的移碼、錯義突變或提前終止，使得同一mRNA前體翻譯出序列、功能不同的蛋白質(zhì)。這種基因表達的調(diào)節(jié)方式稱為mRNA編輯(mRNAediting)。

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(frameshiftmutation)。3.簡并性

遺傳密碼中，除Met、Trp外，其余氨基酸均由2個以上密碼子為其編碼。

同義密碼子

但每一個密碼子僅對應(yīng)一個氨基酸。不同物種對密碼子有“偏愛性”。4.通用性

蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。

5.擺動性轉(zhuǎn)運氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結(jié)合，但反密碼與密碼間不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺動配對。

UU擺動配對密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U,C,AA,GU,CUG二、核糖體是多肽鏈合成的裝置12/56

組成、結(jié)構(gòu)與功能特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精密由數(shù)種rRNA（占60%左右）及多種蛋白質(zhì)組成。

rRNA起著主導(dǎo)的作用，蛋白質(zhì)協(xié)助維持rRNA的功能區(qū)域。12/56核糖體的組成原核生物翻譯過程中核糖體結(jié)構(gòu)模式A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)三、tRNA是蛋白質(zhì)合成的搬運工具反密碼環(huán)氨基酸臂tRNA的三級結(jié)構(gòu)15/56如：密碼子GGU--攜帶反密碼子ACC的tRNA--Gly

tRNA的功能活化氨基酸搬運氨基酸

在密碼子與對應(yīng)氨基酸之間起適配器

(adaptor)的作用。密碼子—tRNA反密碼子—氨基酸是對號入座。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)（一）氨基酸的活化與氨基酰-tRNA合成酶第一步反應(yīng)：酶找相應(yīng)的氨基酸氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋AMP＋PPi

第二步反應(yīng)：酶找相應(yīng)的tRNA氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E

氨基酰tRNA合成酶有20種，分別特異性識別相應(yīng)的20種氨基酸和相應(yīng)的

tRNA。

氨基酰tRNA合成酶的活性是絕對專一性的，酶同時對氨基酸和tRNA高度特異地識別。

tRNA與酶結(jié)合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet真核生物：

Met-tRNAiMet原核生物：

fMet-tRNAifMet（二）氨基酰-tRNA的表示方法CH3SCH2CH2CHH2NCOOtRNAfMet轉(zhuǎn)甲酰基酶N10-CHO-FH4CH3SCH2CH2CHH-C-HNCOOtRNAfMetO20/56大腸桿菌起始密碼子編碼的met須甲?；婧思毎鹗济艽a子編碼的met不須甲酰化蛋白質(zhì)生物合成過程

TheProcessofProteinBiosynthesis

第二節(jié)

整個翻譯過程可分為翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，多肽鏈的合成是從N端向C端，直至終止密碼出現(xiàn)。

翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination)一、翻譯的起始指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

(translationalinitiationcomplex)。參與這一過程的多種蛋白質(zhì)因子，稱為起始因子(initiationfactor,IF)。核糖體大小亞基分離mRNA在小亞基上定位結(jié)合起始氨基酰-tRNA的結(jié)合

70S起始復(fù)合物形成（一）原核生物的翻譯起始過程IF-3IF-11.核蛋白體大小亞基分離AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合S-D序列(Shine-Dalgarno,RBS)

rps(ribosomal

proteininsmallsubunit)IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)結(jié)合到小亞基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結(jié)合，70S起始復(fù)合物形成AUG5'3'原核生物各種起始因子(IF)的生物功能IF-3結(jié)合30S小亞基，促進大小亞基分離；提高P位對結(jié)合起始tRNA敏感性IF-2促進起始tRNA與30S小亞基結(jié)合IF-1占據(jù)A位防止結(jié)合其他tRNA；阻止大小亞基的結(jié)合生物功能起始因子（二）真核生物的翻譯起始過程核糖體大小亞基分離起始氨基酰-tRNA結(jié)合；mRNA與核糖體小亞基結(jié)合小亞基沿mRNA掃描查找起始點80S起始復(fù)合物形成met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3eIF-6①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程mRNA在原核生物核糖體小亞基定位涉及：(1)S-D序列(Shine-Dalgarno,RBS)(2)rps識別序列mRNA在真核生物核糖體小亞基定位涉及：(1)

GCC(A/G)CCAUGG(2)多種蛋白質(zhì)因子,如帽子結(jié)合復(fù)合物eIF-4FeIF-2：單體GTP結(jié)合蛋白,促進起始

Met-tRNAiMet與40S小亞基結(jié)合eIF-2B：鳥苷酸交換因子(GEF),將eIF-2上的

GDP交換成GTPeIF-3：最先與40S小亞基結(jié)合,促進大小亞基分離eIF-5：水解GTP,促進各種起始因子從核糖體釋放,進而結(jié)合大亞基eIF-6：促進核糖體分離成大小亞基真核生物各種起始因子的生物功能

eIF-4A：eIF-4F復(fù)合物成分,有解旋酶活性,

有利用mRNA掃描eIF-4B：結(jié)合mRNA,促進mRNA掃描定位起始AUGeIF-4E：eIF-4F復(fù)合物成分,結(jié)合mRNA的

5′端帽子結(jié)構(gòu)eIF-4G：eIF-4F復(fù)合物成分,連接eIF-4E、

eIF-3和PABP等組分PAB：PolyA結(jié)合蛋白結(jié)合3′端polyA尾真核生物與原核生物翻譯起始的不同點1.起始Met-tRNAiMet不需甲?；?.eIF種類多3.小亞基先與Met-tRNAiMet結(jié)合,再與

mRNA結(jié)合5.ATP和GTP供能4.mRNA與40s亞基的結(jié)合依靠帽子結(jié)合蛋白(CBP)與mRNA帽子結(jié)構(gòu)的識別結(jié)合二、肽鏈延長指根據(jù)mRNA密碼序列的指導(dǎo)，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。

每次循環(huán)包括以下三步：：進位(entrance)成肽(peptidebondformation)轉(zhuǎn)位(translocation)肽鏈延長在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進行，稱為核糖體循環(huán)(ribosomalcycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸。延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：eEF-1、eEF-2又稱注冊(registration)（一）進位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進入核糖體A位。

延長因子EF-T催化進位（原核生物）

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目錄（二）成肽指在肽基轉(zhuǎn)移酶的作用下，將P位點的肽?；D(zhuǎn)移到A位點的氨基酰-tRNA上，在A位形成肽鍵，使肽鏈延長。（三）轉(zhuǎn)位延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶(translocase)活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進核糖體向mRNA的3'側(cè)移動。fMetAUG5'3'fMetTuGTP進位轉(zhuǎn)位成肽真核生物肽鏈合成的延長過程與原核基本相似，但有不同的反應(yīng)體系和延長因子。另外，真核細胞核糖體沒有E位，轉(zhuǎn)位時卸載的tRNA直接從P位脫落。（四）真核生物延長過程原核延長因子生物功能對應(yīng)真核延長因子EF-Tu促進氨基酰-tRNA進入A位，結(jié)合分解GTPEF-1-αEF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-βγEF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，促進肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子

三、翻譯的終止當(dāng)核糖體A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼后，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，這些過程稱為肽鏈合成終止。

34/56RF-3：促進RF-1或RF-2與核糖體結(jié)合，誘導(dǎo)肽基轉(zhuǎn)移酶變?yōu)轷ッ富钚裕呋孽；D(zhuǎn)移到水分子-OH上，使肽鏈從核糖體上釋放，并水解GTP。

真核生物的釋放因子：eRF-1和eRF-3；eRF-1可識別三種密碼子,并需GTP供能。RF-1：UAA，UAGRF-2：UAA，UGA

終止相關(guān)的蛋白質(zhì)因子稱為釋放因子（releasefactor，RF）UAG5'3'RFCOO-原核肽鏈合成終止過程39/56多聚核糖體(polysome)—使蛋白質(zhì)合成高速、高效進行39/56蛋白質(zhì)合成能量消耗情況1.氨基酸活化：2個ATP2.翻譯起始：原核生物1個GTP

真核生物1個GTP，1個ATP3.翻譯延長：每形成一個肽鍵需2個GTP4.翻譯終止：1個GTPATP總消耗數(shù)：2n+2(n-1)+2(真核3)

n為多肽鏈氨基酸殘基的數(shù)目第三節(jié)翻譯后加工及蛋白質(zhì)輸送PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation主要包括:多肽鏈折疊為天然的三維結(jié)構(gòu)

肽鏈一級結(jié)構(gòu)的修飾高級結(jié)構(gòu)修飾

從核糖體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復(fù)雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。一、多肽鏈折疊為天然功能構(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)生正確的二級結(jié)構(gòu)、模體、結(jié)構(gòu)域到形成完整空間結(jié)構(gòu)。

一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質(zhì)折疊的信息，即一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。細胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都不是自動完成，而需要其他酶、蛋白質(zhì)輔助。幾種有促進蛋白折疊功能的大分子1.分子伴侶

(molecularchaperon)2.蛋白二硫鍵異構(gòu)酶

(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶

(peptideprolyl

cis-transisomerase,PPI)(1)熱激蛋白70(heatshockprotein,HSP70)家族HSP70、HSP40和GrpE成員(2)熱激蛋白60(HSP60)家族/伴侶素HSP60和HSP10/GroEL和GroES分子伴侶

(molecularchaperon)

分子伴侶是細胞一類保守蛋白質(zhì)，可識別肽鏈的非天然構(gòu)象，促進各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊。包括兩大家族：

結(jié)合保護待折疊多肽片段，再釋放該片段進行折疊，形成HSP70和多肽片段依次結(jié)合、解離的循環(huán)。

HSP40結(jié)合待折疊多肽片段

HSP70-ATP復(fù)合物

HSP40-HSP70-ADP-多肽復(fù)合物

ATP水解GrpE

ATPADP復(fù)合物解離，釋出多肽鏈片段進行正確折疊HSP70家族促進蛋白質(zhì)折疊的基本作用——伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進蛋白質(zhì)折疊過程

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

HSP60家族的主要作用——

原核生物（一）去除N末端甲硫氨酸殘基脫甲?；窶et-fMet-氨基肽酶真核細胞二、一級結(jié)構(gòu)的修飾（二）個別氨基酸的修飾磷酸化：絲氨酸，蘇氨酸，酪氨酸羥基化：脯氨酸，賴氨酸?；航M氨酸甲基化：色氨酸核糖基化：精氨酸意義：調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能。兩個Cys的-SH脫H氧化而成（三）二硫鍵的形成----SHHS---------S-S----鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾NC信號肽PMOCKRKR103肽

(？)ACTH

-LT-MSH

-MSHEndophin（四）多蛋白的加工（五）蛋白質(zhì)前體中不必要肽段的切除無活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿?，常需要去掉一部分肽鏈，如胰蛋白酶原酶解生成胰蛋白酶，分泌型蛋白質(zhì)“信號肽”的切除。

某些新生蛋白質(zhì)含有部分間隔順序等待剪切，其意義類似于hnRNA中的內(nèi)含子，此片段稱為內(nèi)蛋白子(intein)。

三、高級結(jié)構(gòu)的修飾（一）亞基聚合

蛋白質(zhì)與糖、脂類、核酸、血紅素等結(jié)合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、血紅蛋白等結(jié)合蛋白質(zhì)。

具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)需進行亞基之間的聚合。如血紅蛋白4個亞基的聚合。（二）輔基連接

（三）脂肪?；鞍踪|(zhì)合成后需要經(jīng)過復(fù)雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞靶部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送

(proteintargeting)。四、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送分泌性蛋白前體N端有信號肽（signalpeptide）

信號肽富含疏水氨基酸，其作用是使新合成的多肽鏈易于穿過膜系統(tǒng)，隨后被信號肽酶切除。46/56蛋白質(zhì)合成后的去路：后兩者稱為分泌性蛋白胞漿；進入細胞核、線粒體或其它細胞器；分泌到體液，再輸送到靶器官和靶細胞。所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在分選信號，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞的適當(dāng)靶部位，這一序列稱為信號序列。

信號序列(signalsequence)G.Blobel70年代提出了“信號假說”,1999年獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎

（一）分泌蛋白的靶向輸送真核細胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。

信號肽(signa