動物生物化學(xué)：蛋白質(zhì)的生物合成

蛋白質(zhì)的生物合成

（翻譯）

ProteinBiosynthesis，Translation

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。20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、無機(jī)離子參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括

三種RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核糖體RNA）tRNA（transferRNA,轉(zhuǎn)移RNA）一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼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(xì)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真核生物的單順反子非編碼序列核糖體結(jié)合位點(diǎn)起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP5

3

蛋白質(zhì)PPPmG-5

3

蛋白質(zhì)目錄遺傳密碼的破譯遺傳密碼：DNA或mRNA中的核苷酸序列與多肽鏈中的氨基酸序列之間的對應(yīng)關(guān)系。指DNA或由其轉(zhuǎn)錄的mRNA中決定其編碼的蛋白質(zhì)氨基酸排列順序的核苷酸排列信息。

1968年生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎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(tripletcoden)。起始密碼(initiationcoden):AUG

終止密碼(terminationcoden):UAA，UAG，UGA

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，各個三聯(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)。

1.連續(xù)性(commaless)遺傳密碼的特點(diǎn)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。2.偏愛性(preference)

3.簡并性(degeneracy)遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯(lián)體為其編碼。4.通用性(universal)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(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。

二、核糖體是多肽鏈合成的裝置原核生物真核生物核糖體小亞基大亞基核糖體小亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質(zhì)rpS21種rpL34種rpS33種rpL49種

不同細(xì)胞核糖體的組成核糖體的組成目錄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)目錄

三、tRNA與氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂tRNA的三級結(jié)構(gòu)示意圖

擺動性(wobble)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼子需要通過堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼反向配對結(jié)合，但反密碼子與密碼子間不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺動配對。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化第一步反應(yīng)氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋PPi

目錄第二步反應(yīng)氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E目錄tRNA與酶結(jié)合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。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）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination)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，直至終止密碼子出現(xiàn)。四、蛋白質(zhì)生物合成過程(一）肽鏈合成起始指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)。原核生物翻譯起始復(fù)合物形成核糖體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA的結(jié)合；核糖體大亞基結(jié)合。S-D序列

IF-3IF-11.核糖體大小亞基分離目錄AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合目錄IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)結(jié)合到小亞基AUG5'3'目錄IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成AUG5'3'目錄IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目錄真核生物翻譯起始復(fù)合物形成核糖體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結(jié)合；mRNA在核糖體小亞基就位；核糖體大亞基結(jié)合。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-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（二）肽鏈合成延長指根據(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。肽鏈延長在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核糖體循環(huán)(ribosomalcycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步：進(jìn)位(entrance)成肽(peptidebondformation)轉(zhuǎn)位(translocation)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：EF-1、EF-2原核延長因子生物功能對應(yīng)真核延長因子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)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(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進(jìn)卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子1進(jìn)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(jìn)入核糖體A位。

目錄延長因子EF-T催化進(jìn)位（原核生物）

目錄TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目錄2成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。

3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(jìn)核糖體向mRNA的3'側(cè)移動。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目錄進(jìn)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(xì)胞核糖體沒有E位，轉(zhuǎn)位時卸載的tRNA直接從P位脫落。真核生物延長過程（三）肽鏈合成的終止當(dāng)mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。

終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子(releasefactor,RF)識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。釋放因子的功能原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物釋放因子：eRF原核肽鏈合成終止過程

UAG5'3'RFCOO-目錄多聚核糖體(polysome)——使蛋白質(zhì)合成高速、高效進(jìn)行。目錄電鏡下的多聚核糖體現(xiàn)象目錄（四）蛋白質(zhì)的加工1蛋白質(zhì)折疊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)、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存著蛋白質(zhì)折疊的信息，即一級結(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)折疊都不是自動完成，而需要其他酶、蛋白輔助。幾種有促進(jìn)蛋白折疊功能的大分子1.分子伴侶(molecularchaperon)

熱休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族伴侶素(chaperonins)GroEL和GroES家族2.酶類蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(proteindisulfideisomerase,PDI)

肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)蛋白質(zhì)的修飾1）肽鏈N端的修飾2）氨基酸側(cè)鏈的修飾3）多肽鏈的水解修飾4）糖基化修飾蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復(fù)雜機(jī)制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細(xì)胞靶部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送。

四、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送?蛋白質(zhì)的靶向輸送(proteintargeting)(首先要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng))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(xì)胞的適當(dāng)靶部位，這一序列稱為信號序列。

?信號序列(signalsequence)各種新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列稱信號肽。靶向輸送蛋白信號序列或成分分泌蛋白信號肽內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白信號肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)線粒體蛋白N端靶向序列（20～35氨基酸殘基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T抗原）過氧化體蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶體蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向輸送蛋白的信號序列或成分信號肽的一級結(jié)構(gòu)信號肽引導(dǎo)真核分泌蛋白進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

目錄抗生素作用點(diǎn)作用原理應(yīng)用四環(huán)素族（金霉素、土霉素）氨基糖苷類（鏈霉素卡那、新霉素）氯霉素、林可霉素大環(huán)內(nèi)酯類(紅霉素）梭鏈孢酸

放線菌酮嘌呤霉素原核30S原核30S原核50S原核50S原核50S真核60S真核、原核核糖體抑制氨基酰-tRNA與小亞基結(jié)合改變構(gòu)象引起讀碼錯誤、抑制起始抑制轉(zhuǎn)肽酶、阻斷延長抑制轉(zhuǎn)肽酶、妨礙轉(zhuǎn)位與EFG-GTP結(jié)合，抑制肽鏈延長抑制轉(zhuǎn)肽酶、阻斷延長氨基酰-tRNA類似物，進(jìn)位后引起未成熟肽鏈脫落抗菌藥抗菌藥抗菌藥抗菌藥抗菌藥醫(yī)學(xué)研究抗腫瘤藥抗生素抑制蛋白質(zhì)生物合成的原理四環(huán)素族氯霉素鏈霉素和卡那霉素嘌呤霉素紅霉素目錄

嘌呤霉素作用示意圖1喹諾酮類（諾氟沙星、氧氟沙星、環(huán)丙沙星、氧氟沙星、沙拉沙星）：作用于拓?fù)洚悩?gòu)酶2的A亞基，抑制其切口和封口功能，阻礙細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成2嘌呤和嘧啶的類似物（6-巰基嘌呤、5-F尿嘧啶、5-Br尿嘧啶）：抑制RNA或DNA的合成3DNA模板的抑制劑：

1）烷化劑（氮芥、磺酸酯）：鳥嘌呤的N7上

2）放線菌素D：與模板DNA非共價結(jié)合

3）嵌入染料（吖啶橙、吖啶黃、原黃素）：4RNA聚合酶抑制劑

1）利福霉素、利福平：原核生物

2）a-鵝膏蕈堿：真核生物其他抑菌物質(zhì)：原核生物基因的表達(dá)調(diào)控－操縱子模型所謂操縱子（operon）是指原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)序列或功能單位，有共同的控制區(qū)（controlregion）和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（regulationsystem）。操縱子包括在功能上彼此相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因及在結(jié)構(gòu)基因前面的控制部位，控制部位由調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）、啟動子（promoter,P）和操縱基因（operator,O）組成。一個操縱子的全部基因都排列在一起，其中調(diào)節(jié)基因可遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)基因，控制部位可接受調(diào)解基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)大腸桿菌乳糖操縱子（lacoperon）是第一個被發(fā)現(xiàn)的操縱子，它由依次排列的調(diào)節(jié)基因、啟動子、操縱基因和3個相連的編碼利用乳糖的酶的結(jié)構(gòu)基因組成。結(jié)構(gòu)基因lacZ編碼分解乳糖的?-半乳糖苷酶，lacY編碼吸收乳糖的?-半乳糖苷透性酶，lacA編碼?-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶。三個結(jié)構(gòu)基因組成的轉(zhuǎn)錄單位轉(zhuǎn)錄出一條mRNA，指導(dǎo)三種酶的合成。乳糖操縱子學(xué)說（LacOperonTheory）

一個或幾個結(jié)構(gòu)基因與一個調(diào)節(jié)基因和一個操縱基因組成一個操縱子。調(diào)節(jié)基因編碼調(diào)節(jié)蛋白，調(diào)節(jié)蛋白與操縱基因結(jié)合，從而調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。乳糖為誘導(dǎo)物。當(dāng)有乳糖存在時，乳糖與有活性的調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物）結(jié)合時，阻遏物失活，則不能與操縱基因結(jié)合，解除對β-半乳糖苷酶基因（結(jié)構(gòu)基因）的抑制，開始表達(dá)。如果去掉乳糖時，阻遏物又恢復(fù)其活力，與操縱基因DNA結(jié)合，將β-半乳糖苷酶基因關(guān)閉。但這種關(guān)閉或開啟并不是100%。乳糖、異乳糖及半乳糖苷化合物如異丙基硫代-β-D-半乳糖苷（isopropylthio-β-D-galactoside，IPTG）都可作為乳糖操縱子的誘導(dǎo)物。IPTG是常用的一種誘導(dǎo)劑，不是乳糖的代謝產(chǎn)物。分解代謝產(chǎn)物激活蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP），現(xiàn)在稱為cAMP受體蛋白（cAMPreceptorprotein，CRP）

瓊脂糖是從瓊脂中提純出來的，主要是由D－半乳糖和3,6脫水L－半乳糖連接而成的一種線性多糖。瓊脂糖凝膠的制作是將干的瓊脂糖懸浮于緩沖液中，通常使用的濃度是1％－3％，加熱煮沸至溶液變?yōu)槌吻澹⑷肽０搴笫覝叵吕鋮s凝聚即成瓊脂糖凝膠。在pH值為8.0~8.3時，核酸分子堿基幾乎不解離，磷酸全部解離，核酸分子帶負(fù)電，在電泳時向正極移動。采用適當(dāng)濃度的凝膠介質(zhì)作為電泳支持物，在分子篩的作用下，使分子大小和構(gòu)象不同的核酸分子泳動率出現(xiàn)較大的差異，從而達(dá)到分離核酸片段檢測其大小的目的。瓊脂糖凝膠電泳原理

核酸分子中嵌入熒光染料（如EB）后，在紫外燈下可觀察到核酸片段所在的位置。瓊脂糖主要在DNA制備電泳中作為