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

2021/6/271

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(guò)遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序。2021/6/272蛋白質(zhì)生物合成體系

ProteinBiosynthesisSystem

第一節(jié)

2021/6/273參與蛋白質(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)2021/6/274

參與的蛋白質(zhì)因子、酶及酶的輔助因子

起始因子、延長(zhǎng)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(zhǎng)、終止階段所需能量2021/6/275一、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(gè)多肽的遺傳單位稱為順?lè)醋?cistron)。。原核細(xì)胞中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個(gè)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?lè)醋?polycistron)

。真核細(xì)胞mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順?lè)醋?singlecistron)

。

2021/6/276原核生物的多順?lè)醋覲PP5

3

蛋白質(zhì)真核生物的單順?lè)醋臃蔷幋a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PPPmG-5

3

蛋白質(zhì)2021/6/277

mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5

至3

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)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(tripletcode)。起始密碼(initiationcodon):AUG

終止密碼(terminationcodon):UAA，UAG，UGA

2021/6/278遺傳密碼表2021/6/279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(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個(gè)蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開(kāi)放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。2021/6/2710

遺傳密碼的特點(diǎn)1.方向性mRNA分子中遺傳密碼閱讀方向是從

5→3

2021/6/27112.連續(xù)性編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無(wú)間斷也無(wú)交叉。

2021/6/2712

基因轉(zhuǎn)錄后存在一種對(duì)mRNA外顯子加工過(guò)程，通過(guò)特定堿基的插入、缺失或置換，導(dǎo)致mRNA的移碼、錯(cuò)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(dá)的調(diào)節(jié)方式稱為mRNA編輯(mRNAediting)。

2021/6/2713

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)。2021/6/27143.簡(jiǎn)并性

遺傳密碼中，除Met、Trp外，其余氨基酸均由2個(gè)以上密碼子為其編碼。

同義密碼子

但每一個(gè)密碼子僅對(duì)應(yīng)一個(gè)氨基酸。不同物種對(duì)密碼子有“偏愛(ài)性”。2021/6/27152021/6/27164.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(dòng)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。

2021/6/27175.擺動(dòng)性轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼需要通過(guò)堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼反向配對(duì)結(jié)合，但反密碼與密碼間不嚴(yán)格遵守常見(jiàn)的堿基配對(duì)規(guī)律，稱為擺動(dòng)配對(duì)。

2021/6/2718UU擺動(dòng)配對(duì)2021/6/2719密碼子、反密碼子配對(duì)的擺動(dòng)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,CUG2021/6/2720二、核糖體是多肽鏈合成的裝置2021/6/272112/56

組成、結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)：

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。2021/6/272212/56核糖體的組成2021/6/2723原核生物翻譯過(guò)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)2021/6/2724三、tRNA是蛋白質(zhì)合成的搬運(yùn)工具反密碼環(huán)氨基酸臂2021/6/2725tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)2021/6/272615/56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(yùn)氨基酸

在密碼子與對(duì)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(duì)號(hào)入座。2021/6/2727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2021/6/2728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

2021/6/2729第二步反應(yīng)：酶找相應(yīng)的tRNA氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E2021/6/2730

氨基酰tRNA合成酶有20種，分別特異性識(shí)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(duì)專一性的，酶同時(shí)對(duì)氨基酸和tRNA高度特異地識(shí)別。2021/6/2731

tRNA與酶結(jié)合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP2021/6/2732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-tRNAMet2021/6/2733真核生物：

Met-tRNAiMet原核生物：

fMet-tRNAifMet（二）氨基酰-tRNA的表示方法2021/6/2734CH3SCH2CH2CHH2NCOOtRNAfMet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?xì)胞起始密碼子編碼的met不須甲酰化2021/6/2735蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程

TheProcessofProteinBiosynthesis

第二節(jié)

2021/6/2736整個(gè)翻譯過(guò)程可分為翻譯過(guò)程從閱讀框架的5′-AUG開(kāi)始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長(zhǎng)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(zhǎng)(elongation)翻譯的終止(termination)2021/6/2737一、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(guò)程的多種蛋白質(zhì)因子，稱為起始因子(initiationfactor,IF)。2021/6/2738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(guò)程2021/6/2739IF-3IF-11.核蛋白體大小亞基分離2021/6/2740AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合2021/6/2741S-D序列(Shine-Dalgarno,RBS)

rps(ribosomal

proteininsmallsubunit)2021/6/2742IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)結(jié)合到小亞基AUG5'3'2021/6/2743IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結(jié)合，70S起始復(fù)合物形成AUG5'3'2021/6/2744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(jìn)大小亞基分離；提高P位對(duì)結(jié)合起始tRNA敏感性IF-2促進(jìn)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2021/6/2745（二）真核生物的翻譯起始過(guò)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(diǎn)80S起始復(fù)合物形成2021/6/2746met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-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(guò)程2021/6/27472021/6/2748mRNA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(shí)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-4F2021/6/2749eIF-2：?jiǎn)误wGTP結(jié)合蛋白,促進(jìn)起始

Met-tRNAiMet與40S小亞基結(jié)合eIF-2B：鳥(niǎo)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(jìn)大小亞基分離eIF-5：水解GTP,促進(jìn)各種起始因子從核糖體釋放,進(jìn)而結(jié)合大亞基eIF-6：促進(jìn)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

2021/6/2750eIF-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(jìn)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2021/6/2751真核生物與原核生物翻譯起始的不同點(diǎn)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(shí)別結(jié)合2021/6/2752二、肽鏈延長(zhǎng)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(guò)程。

2021/6/2753每次循環(huán)包括以下三步：：進(jìn)位(entrance)成肽(peptidebondformation)轉(zhuǎn)位(translocation)肽鏈延長(zhǎng)在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，稱為核糖體循環(huán)(ribosomalcycle)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸。2021/6/2754延伸過(guò)程所需蛋白因子稱為延長(zhǎng)因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：eEF-1、eEF-22021/6/2755又稱注冊(cè)(registration)（一）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。

2021/6/2756延長(zhǎng)因子EF-T催化進(jìn)位（原核生物）

2021/6/27572021/6/2758TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目錄2021/6/2759（二）成肽指在肽基轉(zhuǎn)移酶的作用下，將P位點(diǎn)的肽?；D(zhuǎn)移到A位點(diǎn)的氨基酰-tRNA上，在A位形成肽鍵，使肽鏈延長(zhǎng)。2021/6/27602021/6/2761（三）轉(zhuǎn)位延長(zhǎng)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(dòng)。2021/6/27622021/6/2763fMetAUG5'3'fMetTuGTP2021/6/2764進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽2021/6/2765真核生物肽鏈合成的延長(zhǎng)過(guò)程與原核基本相似，但有不同的反應(yīng)體系和延長(zhǎng)因子。另外，真核細(xì)胞核糖體沒(méi)有E位，轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。（四）真核生物延長(zhǎng)過(guò)程2021/6/2766原核延長(zhǎng)因子生物功能對(duì)應(yīng)真核延長(zhǎng)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)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(zhǎng)因子

2021/6/2767

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(guò)程稱為肽鏈合成終止。

2021/6/276834/56RF-3：促進(jìn)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(shí)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）2021/6/2769UAG5'3'RFCOO-原核肽鏈合成終止過(guò)程2021/6/277039/56多聚核糖體(polysome)—使蛋白質(zhì)合成高速、高效進(jìn)行2021/6/277139/56蛋白質(zhì)合成能量消耗情況1.氨基酸活化：2個(gè)ATP2.翻譯起始：原核生物1個(gè)GTP

真核生物1個(gè)GTP，1個(gè)ATP3.翻譯延長(zhǎng)：每形成一個(gè)肽鍵需2個(gè)GTP4.翻譯終止：1個(gè)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2021/6/2772第三節(jié)翻譯后加工及蛋白質(zhì)輸送PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation2021/6/2773主要包括:多肽鏈折疊為天然的三維結(jié)構(gòu)肽鏈一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾高級(jí)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(guò)不同的翻譯后復(fù)雜加工過(guò)程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。2021/6/2774一、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(kāi)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)、模體、結(jié)構(gòu)域到形成完整空間結(jié)構(gòu)。

2021/6/2775一般認(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)是空間結(jié)構(gòu)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、蛋白質(zhì)輔助。2021/6/2776幾種有促進(jìn)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?lè)串悩?gòu)酶

(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)2021/6/2777(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(xì)胞一類保守蛋白質(zhì)，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。包括兩大家族：

2021/6/2778

結(jié)合保護(hù)待折疊多肽片段，再釋放該片段進(jìn)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GrpEATPADP復(fù)合物解離，釋出多肽鏈片段進(jìn)行正確折疊HSP70家族促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊的基本作用——2021/6/2779伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊過(guò)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——2021/6/2780

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(xì)胞二、一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾2021/6/2781（二）個(gè)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。2021/6/2782兩個(gè)Cys的-SH脫H氧化而成（三）二硫鍵的形成----SHHS---------S-S----2021/6/2783鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾NC信號(hào)肽PMOCKRKR103肽

(？)ACTH

-LT-MSH

-MSHEndophin（四）多蛋白的加工2021/6/2784（五）蛋白質(zhì)前體中不必要肽段的切除無(wú)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(hào)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)。

2021/6/2785三、高級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)需進(jìn)行亞基之間的聚合。如血紅蛋白4個(gè)亞基的聚合。（二）輔基連接

（三）脂肪酰化2021/6/2786蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過(guò)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(guò)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2021/6/2787分泌性蛋白前體N端有信號(hào)肽（signalpeptide）

信號(hào)肽富含疏水氨基酸，其作用是使新合成的多肽鏈易于穿過(guò)膜系統(tǒng)，隨后被信號(hào)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(jìn)入細(xì)胞核、線粒體或其它細(xì)胞器；分泌到體液，再輸送到靶器官和靶細(xì)胞。2021/6/2788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(hào)序列。

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

2021/6/2789（一）分泌蛋白的靶向輸送真核細(xì)胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過(guò)程首先要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。

信號(hào)肽(signalpeptide)各種新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列稱信號(hào)肽。

2021/6/27902021/6/2791需要多種蛋白成分協(xié)同作用:（1