生物化學(xué) 課件 第十一章第三節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成

第十一章基因信息的傳遞與表達(dá)第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成(翻譯)翻譯（Translation）：mRNA以分子中4種核苷酸編碼的遺傳信息指導(dǎo)蛋白質(zhì)多肽鏈合成的過(guò)程?；虮磉_(dá)（Geneexpression）：基因通過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯等過(guò)程合成具有生物功能活性的蛋白質(zhì)的過(guò)程。一、蛋白質(zhì)生物合成體系原料：20種編碼氨基酸RNAmRNAtRNArRNA有關(guān)的酶和某些蛋白質(zhì)因子無(wú)機(jī)離子及能源物質(zhì)ATP、GTP（一）原料20種編碼氨基酸(二）三種RNA1.mRNA

作用：mRNA是蛋白質(zhì)生物合成的直接模板。密碼子：mRNA分子上從5′至3′的方向，由AUG開(kāi)始，每3個(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)特定的氨基酸(或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號(hào))，稱為三聯(lián)體密碼，即遺傳密碼，也稱密碼子（codon）。起始密碼：AUG不僅代表甲硫氨酸（蛋氨酸），同時(shí)還代表蛋白質(zhì)生物合成的起始終止密碼：UAA、UAG、UGA三種密碼是蛋白質(zhì)生物合成的三個(gè)終止信號(hào)。遺傳密碼表

密碼子的第一個(gè)字母密碼子的第二個(gè)字母遺傳密碼的特點(diǎn)：（1）方向性（2）連續(xù)性（3）簡(jiǎn)并性（4）通用性（5）擺動(dòng)性（1）方向性密碼子及組成密碼子的各核苷酸在mRNA序列中的排列具有方向性，翻譯時(shí)的閱讀方向只能是5ˊ→3ˊ。這種方向性決定了蛋白質(zhì)的生物合成時(shí)多肽鏈從N端到C端的氨基酸順序。（2）連續(xù)性mRNA序列上的各個(gè)密碼子及密碼子的各核苷酸是連續(xù)排列的，密碼子及密碼子的各個(gè)核苷酸之間沒(méi)有間隔，每個(gè)核苷酸只讀一次，不重疊閱讀，直至遇到終止密碼為止。（3）簡(jiǎn)并性一種氨基酸可具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的密碼子為其編碼。（4）通用性生物界的所有生物，幾乎都通用這一套密碼表。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。但在1979年發(fā)現(xiàn)線粒體的遺傳密碼與通用密碼表有區(qū)別，1980年又發(fā)現(xiàn)不同生物的線粒體密碼也不盡相同?？梢?jiàn)遺傳密碼并非絕對(duì)通用。（5）擺動(dòng)性tRNA上反密碼子的第1位核苷酸上的堿基與mRNA密碼子的第3位核苷酸上的堿基配對(duì)時(shí)，可以在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，這種并不嚴(yán)格遵循堿基配對(duì)規(guī)律的現(xiàn)象稱為擺動(dòng)性。密碼子與反密碼子的擺動(dòng)配對(duì)關(guān)系反密碼的第一位堿基IUGAC密碼的第三位堿基U、C、AA、GU、CUG擺動(dòng)配對(duì)U2.tRNA

作用：tRNA是轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的工具。兩個(gè)關(guān)鍵部位：

3′端-CCA-OH：與特定的氨基酸結(jié)合，在氨基酰-tRNA合成酶的作用下，生成氨基酰-tRNA。反密碼：通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則與mRNA上的密碼配對(duì)結(jié)合，達(dá)到相互識(shí)別的目的。密碼子與反密碼的配對(duì)

3.rRNA

作用：蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所

（三）參與蛋白質(zhì)生物合成的重要酶類氨基酰-tRNA合成酶轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)位酶（四）輔助因子

起始因子：IF-1：防止tRNA過(guò)早地結(jié)合到A位。IF-2：促進(jìn)fMet-tRNAfMet（原核生物起始tRNA攜帶N-甲酰甲硫氨酸）結(jié)合到小亞基。IF-3：結(jié)合小亞基，防止它過(guò)早地與大亞基結(jié)合，并提高P位對(duì)fMet-tRNAfMet的專一性。2.延伸因子：EF-Tu:促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入核糖體的“A位”，結(jié)合并分解GTP。EF-Ts:調(diào)節(jié)亞基。EF-G:催化tRNA的移位和多肽延伸的每個(gè)循環(huán)后期mRNA從核糖體上掉下來(lái)。3.釋放因子：RF-1：能識(shí)別終止密碼子UAA和UAG，并誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶為酯酶活性，使肽鏈從核糖體上釋放出來(lái)。RF-2：能識(shí)別終止密碼子UAA和UGA，并誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶為酯酶活性，使肽鏈從核糖體上釋放出來(lái)。RF-3：當(dāng)終止蛋白質(zhì)合成時(shí)，它使得因子RF-1和RF-2從核糖體上釋放。二、蛋白質(zhì)生物合成的基本過(guò)程（一）氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運(yùn)（二）肽鏈合成的起始（三）肽鏈合成的延長(zhǎng)（四）肽鏈合成的終止（一）氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運(yùn)分散在胞液中的各種氨基酸化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，需要活化并由tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)至核糖體才能參與蛋白質(zhì)的生物合成。由氨基酸的α-羧基與tRNA的3’-羥基形成酯鍵。（二）肽鏈合成的起始核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA的結(jié)合；核蛋白體大亞基結(jié)合。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IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'3.起始氨基酰tRNA與小亞基結(jié)合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5'3'4.核蛋白體大亞基結(jié)合IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi（三）肽鏈合成的延長(zhǎng)指按照mRNA密碼序列的指導(dǎo)，依次添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過(guò)程。肽鏈的延長(zhǎng)是在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核蛋白體循環(huán)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸，分為以下三步：進(jìn)位成肽轉(zhuǎn)位

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)入核蛋白體A位。

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP2.轉(zhuǎn)肽在轉(zhuǎn)肽酶催化下，形成肽鍵的過(guò)程。

3.移位在Mg2+、EF-G和GTP參與下，核糖體沿模板mRNA的5′→3′方向移動(dòng)一個(gè)遺傳密碼的距離，于是A位上的二肽酰-tRNA從A位移到P位，A位空出，下一個(gè)氨基酰-tRNA通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)再次進(jìn)入A位。

fMetAUG5'3'fMetTuGTP進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽

每進(jìn)行一次核糖體循環(huán)（進(jìn)位、轉(zhuǎn)肽、移位），可形成一個(gè)肽鍵，肽鏈中就增加一個(gè)氨基酸殘基。如此反復(fù)進(jìn)行，肽鏈就會(huì)按mRNA密碼順序不斷延長(zhǎng)。

（四）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、核蛋白體等分離，這些過(guò)程稱為肽鏈合成終止。

原核肽鏈合成終止過(guò)程

UAG5'3'RFCOO-蛋白質(zhì)生物合成是一個(gè)耗能過(guò)程。若從氨基酸活化算起，肽鏈每增加一個(gè)氨基酸單位就要消耗4個(gè)高能磷酯鍵。

活化消耗2個(gè)高能磷酸鍵（ATP水解成為AMP），進(jìn)位和移位各消耗1個(gè)GTP。臨床上，對(duì)于蛋白質(zhì)合成旺盛的人如嬰幼兒和恢復(fù)期的病人，應(yīng)供給足夠的能量，才有利于體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成。三、翻譯后的加工修飾新生肽鏈的折疊肽鏈N端的修飾個(gè)別氨基酸的修飾多肽鏈的水解修飾亞基的聚合輔基連接疏水脂鏈的共價(jià)連接1.新生肽鏈的折疊新合成的多肽鏈經(jīng)過(guò)折疊形成一定的空間結(jié)構(gòu)才能有生物學(xué)活性。肽鏈的折疊是在折疊酶(foldase)或分子伴侶(molecularchaperone)的參與下完成。分子伴侶是一個(gè)結(jié)構(gòu)上互不相同的蛋白質(zhì)家族，它們能識(shí)別肽鏈的非天然構(gòu)象，促進(jìn)蛋白質(zhì)正確折疊。折疊酶包括蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶和肽酰脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶。蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶可促進(jìn)天然二硫鍵的形成。肽酰脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶可促進(jìn)順?lè)磧煞N異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)換，使多肽在各脯氨酸彎折處形成準(zhǔn)確的折疊。2.肽鏈N端的修飾

在蛋白質(zhì)合成的起始階段，由于mRNA起始密碼的指導(dǎo)，肽鏈N端氨基酸總是甲?；募琢虬彼幔烊坏鞍踪|(zhì)N端很少以甲硫氨酸為第一位氨基酸。因此，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)脫甲酰基酶或氨基肽酶的作用，切除N端甲酰基、甲硫氨酸或在N端附加序列。3.個(gè)別氨基酸的修飾某些蛋白質(zhì)肽鏈中存在共價(jià)修飾的氨基酸殘基，是肽鏈合成后特異加工產(chǎn)生的，蛋白質(zhì)的正常生物學(xué)功能依賴于這些翻譯后修飾。例如，某些氨基酸殘基上發(fā)生磷酸化、羥基化、甲基化等。4.多肽鏈的水解修飾

有些多肽鏈需經(jīng)水解后才有活性。例如，前胰島素原（100肽），先水解生成胰島素原(86肽)，再水解掉30多個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的C肽后，才形成有活性的胰島素；256個(gè)氨基酸殘基的鴉片促黑皮質(zhì)激素，經(jīng)水解修飾后能生成促腎上腺皮質(zhì)激素（39肽）、β-促黑激素（18肽）、β-內(nèi)啡肽（11肽）、β-脂酸釋放激素（91肽）等活性物質(zhì)。5.亞基的聚合寡聚蛋白常由多個(gè)亞基構(gòu)成，每個(gè)亞基在折疊成三級(jí)結(jié)構(gòu)后，通過(guò)非共價(jià)鍵締合形成具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。6.輔基連接結(jié)合蛋白質(zhì)的輔基也是翻譯后加上去的。例如，血紅蛋白4條多肽鏈各自與1分子血紅素輔基結(jié)合后才形成有活性的血紅蛋白。7.疏水脂鏈的共價(jià)連接某些蛋白質(zhì)，如Ras蛋白、G蛋白等，合成后需要在肽鏈特定位點(diǎn)共價(jià)連接一個(gè)或多個(gè)疏水性強(qiáng)的脂鏈，才能成為具有生物功能的蛋白質(zhì)。四、蛋白質(zhì)合成與醫(yī)學(xué)的關(guān)系

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)。它們主要是通過(guò)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(guò)程而起作用的。（一）蛋白質(zhì)生物合成的阻斷劑1.抗生素類阻斷劑2.毒素類阻斷劑（二）干擾素抗病毒感染1.抗生素類阻斷劑常見(jiàn)抗生素抑制翻譯過(guò)程的原理與應(yīng)用抗生素作用點(diǎn)作用原理應(yīng)用四環(huán)素族（金霉素新霉素、土霉素）原核小亞基抑制氨基酰-tRNA與小亞基結(jié)合抗菌藥鏈霉素、卡那霉素原核小亞基改變構(gòu)象引起讀碼錯(cuò)誤、抑制起始抗菌藥氯霉素、林可霉素原核大亞基抑制轉(zhuǎn)肽酶、阻斷延長(zhǎng)抗菌藥紅霉素原核大亞基抑制轉(zhuǎn)肽酶、妨礙轉(zhuǎn)位抗菌藥梭鏈孢酸原核大亞基與EFG-GTP結(jié)合，抑制肽鏈延長(zhǎng)抗菌藥放線菌素原核大亞基抑制轉(zhuǎn)肽酶、阻斷延長(zhǎng)醫(yī)學(xué)研究嘌呤霉素真核、原核核糖體氨基酰-tRNA類似物，進(jìn)位后引起未成熟肽鏈脫落抗腫瘤藥伊短菌素、螺旋霉素真核、原核核糖體引起mRNA在核糖體上的錯(cuò)位，阻斷翻譯起始復(fù)合物的合成抗菌藥2.毒素類阻斷劑

抑制人體蛋白質(zhì)合成的毒素常見(jiàn)有細(xì)菌毒素與植物毒素。典型細(xì)菌毒素有白喉棒狀桿菌所產(chǎn)生的。白喉毒素對(duì)真核生物的延長(zhǎng)因子-2（eEF-2）起共價(jià)修飾作用，生成eEF-2腺苷二磷酸核糖衍生物，從而使eEF-2失活。白喉毒素毒性極強(qiáng)，只需微量就能有效地抑制細(xì)胞整個(gè)蛋白質(zhì)合成，而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。常見(jiàn)植物毒素有紅豆中含的紅豆堿（abrin）和蓖麻籽所含的蓖麻蛋白（ricin）。它們都可與真核生物核糖體結(jié)合，抑制肽鏈延長(zhǎng)，從而抑制人體蛋白質(zhì)的合成。