生物化学与分子生物学蛋白质生物合成

生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成（翻译）（翻译）第十七章第十七章Protein Biosynthesis (Translation)Ø蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成的概念生生物物体体内内的的蛋蛋白白质以以mRNA为模模板板而而合合成成在在这一一过程程中中，，mRNA上上来来自自DNA基基因因编码的的核核苷苷酸酸序序列列信信息息转换为蛋蛋白白质中中的的氨氨基基酸酸序序列列，，故故称称为翻翻译（（translation）翻翻译是是指指在在多多种种因因子子辅助助下下，，由由tRNA携携带并并转运运相相应氨氨基基酸酸，，识别mRNA上上的的三三联体体密密码子子，，在在核核糖糖体上合成具有特定序列多体上合成具有特定序列多肽链的的过程 第一节第一节蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系Protein biosynthesis system1.基本原料：基本原料：20种编码氨基酸种编码氨基酸2.模板：模板：mRNA3.适配器：适配器：tRNA4.装配机：核蛋白体装配机：核蛋白体5.主要酶和蛋白质因子：氨基酰主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等6.能源物质：能源物质：ATP、、GTP7.无机离子：无机离子：Mg2+、、 K+Ø蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系一、一、mRNA是蛋白质合成的信息模板是蛋白质合成的信息模板nmRNA的基本结构的基本结构Start of genetic messageCapEndTail5 -端非翻端非翻译区区 5 3 3 -端非翻端非翻译区区 开放开放阅读框架框架 从从mRNA 5 -端端起起始始密密码子子AUG到到3 -端端终止止密密码子子之之间的的核核苷苷酸酸序序列列，，称称为开开放放阅读框框架架(open reading frame, ORF)。

Ø原核生物的多原核生物的多顺反子反子Ø真核生物的真核生物的单顺反子反子非非编码序列序列核蛋白体核蛋白体结合位点合位点起始密起始密码子子终止密止密码子子编码序列序列PPP5 3 蛋白蛋白质PPPmG -5 3 蛋白蛋白质AAA …n遗传密码遗传密码在在mRNA的开放的开放阅读框架区，以每框架区，以每3个相个相邻的的核苷酸核苷酸为一一组，代表一种氨基酸，代表一种氨基酸(或其他信息或其他信息)，，这种三种三联体形式的核苷酸序列称体形式的核苷酸序列称为密密码子起始密起始密码子子(initiation codon)：：AUG终止密止密码子子(termination codon) ：：UAA、、UAG、、UGAØ密密码子（子（codon））Ø起始密起始密码子和子和终止密止密码子：子：遗遗传传密密码码表表n遗传密码的特点遗传密码的特点1. 方向性方向性(directional)翻翻译时遗传密密码的的阅读方向是方向是5 →3 ，即，即读码从从mRNA的起始密的起始密码子子AUG开始，按开始，按5 →3 的方向逐一的方向逐一阅读，直至，直至终止密止密码子 NC肽链延伸方向延伸方向53读码方向方向2. 连续性连续性(non-punctuated)编码蛋白蛋白质氨基酸序列的各个三氨基酸序列的各个三联体密体密码连续阅读，密，密码子及密子及密码子的各碱基之子的各碱基之间既无既无间隔也无交叉。

隔也无交叉 5 5   …….…….A U GA U G G C AG C A G U AG U A C A UC A U …… …… U A AU A A 3 3   AlaValHisMet终止密码终止密码由于密由于密码子的子的连续性，在开放性，在开放阅读框中框中发生插入生插入或缺失或缺失1个或个或2个碱基的基因突个碱基的基因突变，都会引起，都会引起mRNA阅读框架框架发生移生移动，称，称为移移码（（frame shift），使后），使后续的氨基酸序列大部分被改的氨基酸序列大部分被改变，其，其编码的蛋白的蛋白质彻底底丧失功能，称之失功能，称之为移移码突突变 缬缬 脯脯 苏苏 天冬天冬缬缬 丙丙 酪酪 甘甘缬缬 丙丙 丝丝 精精3. 简并性简并性(degeneracy)一一种种氨氨基基酸酸可可具具有有2个个或或2个个以以上上的的密密码子子为其其编码。

这一一特特性性称称为遗传密密码的的简并并性除除色色氨氨酸酸和和甲甲硫硫氨氨酸酸仅有有1个个密密码子子外外，，其其余余氨氨基基酸酸有有2、、3、、4个个或或多多至至6个个三三联体体为其其编码为同同一一种种氨氨基基酸酸编码的的各各密密码子子称称为简并性密并性密码子子，也称，也称同同义密密码子子 各种氨基酸的密各种氨基酸的密码子数目子数目4. 摆动性摆动性(wobble) 反密反密码子与密子与密码子之子之间的配的配对有有时并不并不严格遵守常格遵守常见的碱基配的碱基配对规律，律，这种种现象称象称为摆动配配对(wobble base pairing)￿ ￿tRNA反密码子反密码子第第1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子密码子第第3位碱基位碱基U, C, AA, GU, CUG反密反密码子与密子与密码子的子的识别方式与方式与摆动配配对5. 通用性通用性(universal)从从简单的病毒到高等的人的病毒到高等的人类，几乎使用，几乎使用同一套同一套遗传密密码，因此，，因此，遗传密密码表中的表中的这套套““通用密通用密码””基本上适用于生物界的所有基本上适用于生物界的所有物种，具有物种，具有通用性通用性。

密密码的通用性的通用性进一步一步证明各种生物明各种生物进化化自同一祖先自同一祖先已已发现少数例外，如少数例外，如动物物细胞的胞的线粒体、粒体、植物植物细胞的叶胞的叶绿体 通用密码通用密码 线粒体密码线粒体密码AUA 异亮异亮 蛋、起始蛋、起始AGA 精精 终止终止AGG 精精 终止终止UGA 终止终止 色色二、氨基酰二、氨基酰-tRNA通过其反密码子与通过其反密码子与mRNA中对应的密码子互补结合中对应的密码子互补结合 ntRNA的作用的作用Ø运运载氨氨基基酸酸：：氨氨基基酸酸各各由由其其特特异异的的tRNA携携带，，一一种种氨氨基基酸酸可可有有几几种种对应的的tRNA，，氨氨基基酸酸结合合在在tRNA 3ˊ ˊ-CCA的位置，的位置，结合需要合需要ATP供能；供能；Ø充充当当“适适配配器器”：：每每种种tRNA的的反反密密码子子决决定定了了所携所携带的氨基酸能准确地在的氨基酸能准确地在mRNA上上对号入座。

号入座二级结构三级结构反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂ntRNA的构象的构象三、核糖体是肽链三、核糖体是肽链 “ “装配厂装配厂””n核糖体的组成核糖体的组成核核糖糖体体又又称称核核蛋蛋白白体体，，是是由由rRNA和和多多种种蛋蛋白白质结合合而而成成的的一一种种大大的的核核糖糖核核蛋蛋白白颗粒粒，，是是蛋白蛋白质生物合成的生物合成的场所原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋白核蛋白体体小亚基小亚基大亚基大亚基核蛋白核蛋白体体小亚基小亚基大亚基大亚基S值值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA23S-rRNA5S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5.8S-rRNA5S-rRNA蛋白质蛋白质rpS 21种种rpL 36种种rpS 33种种rpL 49种种 不同不同细胞核蛋白体的胞核蛋白体的组成成核蛋白体核蛋白体的的组成成n 核糖体在翻译中的功能部位核糖体在翻译中的功能部位 四、四、肽链生物合成需要酶类和肽链生物合成需要酶类和蛋白质因子蛋白质因子Ø氨氨基基酰-tRNA合合成成酶(aminoacyltRNA synthetase)，，催化氨基酸的活化；催化氨基酸的活化；Ø转肽酶(peptidase)，，催催化化核核蛋蛋白白体体P位位上上的的肽酰基基转移移至至A位位氨氨基基酰-tRNA的的氨氨基基上上，，使使酰基基与与氨氨基基结合合形形成成肽键;并并受受释放放因因子子的的作作用用后后发生生变构构，，表表现出出酯酶的水解活性，使的水解活性，使P位上的位上的肽链与与tRNA分离；分离；Ø转位位酶(translocase)，，催催化化核核蛋蛋白白体体向向mRNA3’-端端移移动一个密一个密码子的距离，使下一个密子的距离，使下一个密码子定位于子定位于A位。

位 Ø起始因子（起始因子（initiation factor，，IF））Ø延延长因子（因子（elongation factor，，EF））Ø释放因子（放因子（release factor，，RF））参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种种类生物学功能生物学功能起始因子起始因子IF-1占据核糖体占据核糖体A位，防止位，防止A位位结合其他合其他tRNA IF-2促促进fMet-tRNAfMet与小与小亚基基结合合 IF-3促促进大、小大、小亚基分离；提高基分离；提高P位位对结合合fMet-tRNAfMet的敏感性的敏感性 延延长因子因子EF-Tu促促进氨基氨基酰-tRNA进入入A位，位，结合并分解合并分解GTPEF-TsEF-Tu的的调节亚基基EF-G有有转位位酶活性，促活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由由A位移至位移至P位；促位；促进tRNA卸卸载与与释放放 释放因子放因子RF-1特异特异识别UAA、、UAG，，诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异特异识别UAA、、UGA，，诱导转肽酶转变为酯酶RF-3具有具有GTP酶活性，介活性，介导RF-1及及RF-2与核糖体的相与核糖体的相互作用互作用参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种种类生物学功能生物学功能起始因子起始因子eIF-1多功能因子，参与翻多功能因子，参与翻译的多个步的多个步骤eIF-2促促进Met-tRNAiMet与小与小亚基基结合合eIF-2B结合小合小亚基，促基，促进大、小大、小亚基分离基分离 eIF-3结合小合小亚基，促基，促进大、小大、小亚基分离；介基分离；介导eIF-4F复合物复合物-mRNA与小与小亚基基结合合 eIF-4AeIF-4F复合物成分；有复合物成分；有RNA解螺旋解螺旋酶活性，解除活性，解除mRNA 5 -端端的的发夹结构，使其与小构，使其与小亚基基结合合 eIF-4B结合合mRNA，促，促进mRNA扫描定位起始描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，复合物成分，识别结合合mRNA 的的5 帽帽结构构eIF-4GeIF-4F复合物成分，复合物成分，结合合eIF-4E、、eIF-3和和PABeIF-5促促进各种起始因子从小各种起始因子从小亚基解离基解离eIF-6促促进大、小大、小亚基分离基分离延延长因子因子eIF1-α促促进氨基氨基酰-tRNA进入入A位，位，结合分解合分解GTP，相当于，相当于EF-TueIF1-βγ调节亚基，相当于基，相当于EF-TseIF-2有有转位位酶活性，促活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由由A位移至位移至P位，促位，促进tRNA卸卸载与与释放，相当于放，相当于EF-G 释放因子放因子eRF识别所有所有终止密止密码子，具有原核生物各子，具有原核生物各类RF的功能的功能第二节第二节氨基酸与氨基酸与tRNA的连接的连接 Ø氨基酸与特异的氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基合形成氨基酰-tRNA的的过程称程称为氨基酸的活化。

氨基酸的活化Ø参与氨基酸的活化的参与氨基酸的活化的酶：：氨基氨基酰-tRNA合成合成酶n反应过程反应过程一、一、氨基酰氨基酰-tRNA合成酶识别特定氨合成酶识别特定氨基酸和基酸和tRNA氨基酸氨基酸 + tRNA氨基氨基酰- tRNAATP AMP＋＋PPi氨基氨基酰-tRNA合成合成酶氨基酸与氨基酸与tRNA连接的接的专一性由氨基一性由氨基酰tRNA合成合成酶保保证氨基氨基酰tRNA合成合成酶都具有高度都具有高度专一性一性，既能，既能识别特异的氨特异的氨基酸，又能辨基酸，又能辨认应该结合合该种氨基酸的种氨基酸的tRNA分子 氨基酸氨基酸 ＋＋ATP-E 氨基氨基酰-AMP-E ＋＋ PPi Ø第一步反第一步反应Ø第二步反第二步反应氨基氨基酰-AMP-E ＋＋ tRNA氨基氨基酰-tRNA ＋＋ AMP ＋＋ El氨氨 基基 酰 tRNA合合 成成 酶 还 有有 校校 对 活活 性性（（proofreading activity）），，能能将将错误结合合的的氨基酸水解氨基酸水解释放，放，l即即将将任任何何错误的的氨氨基基酰-AMP-E复复合合物物或或氨氨基基酰-tRNA的的酯键水水解解，，再再换上上与与密密码子子相相对应的的氨氨基基酸酸，，改改正正反反应的的任任一一步步骤中中出出现的的错配配，，保保证氨氨基基酸酸和和tRNA结合合反反应的的误差差小小于于10-4。

Ø特性特性n氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法的表示方法丙氨丙氨酰-tRNA：：Ala-tRNAAla精氨精氨酰-tRNA：：Arg-tRNAArg甲硫氨甲硫氨酰-tRNA：： Met-tRNAMet各种氨基酸和各种氨基酸和对应的的tRNA结合后形成的合后形成的氨基氨基酰-tRNA表示表示为：：氨基酸的三字母氨基酸的三字母缩写写-tRNA氨基酸的三字母氨基酸的三字母缩写写 例如：例如：二、二、肽链合成的起始需要特殊的起肽链合成的起始需要特殊的起始氨基酰始氨基酰-tRNAtRNAiMet与与甲甲硫硫氨氨酸酸结合合后后形形成成Met-tRNAiMet，，可可以以在在mRNA的的起起始始密密码子子AUG处就就位位，，参参与与形形成成翻翻译起起始始复复合合物物起始密起始密码子只能辨子只能辨认Met-tRNAiMettRNAMet和和甲甲硫硫氨氨酸酸结合合后后生生成成Met-tRNAMet，，必必要要时进入入核核蛋蛋白白体体，，为延延长中中的的肽链添加甲硫氨酸添加甲硫氨酸 Ø起始氨基酰起始氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet Ø参与肽链延长的甲硫氨酰参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：：Met-tRNAMetn真核生物真核生物具具有有起起始始功功能能的的tRNAfMet与与甲甲硫硫氨氨酸酸结合合后后，，甲甲硫硫氨氨酸酸很很快快被被甲甲酰化化为N-甲甲酰甲甲硫硫氨氨酸酸(N-formyl methionine, fMet)，，于于是是形形成成N-甲甲酰甲甲 硫硫 氨氨 酰 -tRNA(fMet-tRNAfMet)，， 可可 以以 在在mRNA的的起起始始密密码子子AUG处就就位位，，参参与与形形成成翻翻译起起始始复复合合物物。

起起始始密密码子子只只能能辨辨认fMet-tRNAfMet n原核生物原核生物Ø起始氨基酰起始氨基酰-tRNA: fMet-tRNAfMet fMet-tRNAfMet的的生生成成是是一一碳碳化化合合物物转移移和和利利用用的的过程程之之一一，，反反应由由转甲甲酰基基酶催催化化，，甲甲酰基基从从N10-甲甲酰四四氢叶叶酸酸转移移到到甲甲硫硫氨氨酸酸的的α-氨氨基上 第三节第三节肽链的生物合成过程肽链的生物合成过程The biosynthesis process of peptide chainØ翻翻 译 过 程程 包包 括括 起起 始始 （（ initiation）） 、、 延延 长（（elongation））和和终止止（（termination））三三个个阶段Ø真真核核生生物物的的肽链合合成成过程程与与原原核核生生物物的的肽链合合成成过程程基基本本相相似似，，只只是是反反应更更复复杂、、涉涉及及的的蛋蛋白白质因子更多因子更多 （一）原核生物翻译起始复合物的形成（一）原核生物翻译起始复合物的形成 指指mRNA和起始氨基和起始氨基酰-tRNA分分别与核糖与核糖体体结合而形成翻合而形成翻译起始复合物的起始复合物的过程。

程1. 核糖体大小核糖体大小亚基分离；基分离；2. 核糖体小核糖体小亚基基结合于合于mRNA的起始密的起始密码子子附近；附近；3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体合在核糖体P位位 ；； 4. 核糖体大核糖体大亚基基结合形成起始复合物合形成起始复合物一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成（（a）起始复合物的装配）起始复合物的装配过程；（程；（b））rRNA识别mRNA的核糖体的核糖体结合位合位点，保点，保证翻翻译起始在起始密起始在起始密码子子处 IF-3IF-11.1.核糖体大小亚基分离核糖体大小亚基分离A U G5'3'IF-3IF-12. 核糖体小亚基结合于核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近的起始密码子附近 n原核生物原核生物mRNA在核糖体小亚基上的准确定位和在核糖体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制结合涉及两种机制Ø在在各各种种mRNA起起始始AUG上上游游约8～～13核核苷苷酸酸部部位位，，存存在在一一段段由由4～～9个个核核苷苷酸酸组成成的的一一致致序序列列，，富富含含 嘌 呤呤 碱碱 基基 ，， 如如 -AGGAGG-，， 称称 为 Shine-Dalgarno序序列列(S-D序序列列)，，又又称称核核糖糖体体结合合位位点点(ribosomal binding site, RBS)。

一一条条多多顺反反子子mRNA序序列列上上的的每每个个基基因因编码序序列列均均拥有有各各自自的的S-D序列和起始序列和起始AUGS-D序列序列Ø小小亚基基中中的的16S-rRNA 3 -端端有有一一富富含含嘧啶碱碱基基的的短短序序列列，，如如-UCCUCC-，，通通过与与S-D序序列列碱基互碱基互补而使而使mRNA与小与小亚基基结合ØmRNA上上邻近近RBS下下游游，，还有有一一段段短短核核苷苷酸酸序序列列，，可被小可被小亚基蛋白基蛋白rpS-1识别并并结合Ø通通过上上述述RNA-RNA、、RNA-蛋蛋白白质相相互互作作用用，，小小亚基可以准确定位基可以准确定位mRNA上的起始上的起始AUGIF-3IF-1IF-2GTP3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体结合在核糖体P位位A U G5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.4.核糖体大亚基结合形成起始复合物核糖体大亚基结合形成起始复合物A U G5'3'IF-3IF-1A U G5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始复合物形成过程起始复合物形成过程（二）真核生物翻译起始复合物的形成（二）真核生物翻译起始复合物的形成1. 核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；2. Met-tRNAiMet定位结合于小亚基定位结合于小亚基P位；位； 3. mRNA与核糖体小亚基定位结合；与核糖体小亚基定位结合；4. 核糖体大亚基结合。

核糖体大亚基结合真核生物翻真核生物翻译起始复合物的装配起始复合物的装配 Ø翻翻译起起始始复复合合物物形形成成后后，，核核糖糖体体从从mRNA的的5 端端向向3 端端移移动，，依依据据密密码子子顺序序，，从从N端端开始向开始向C端合成多端合成多肽链￿ ￿二、在核糖体上重复进行的三步反应二、在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链延长肽链1. 进位进位(positioning)/注册注册(registration)2. 成肽成肽(peptide bond formation)3. 转位转位(translocation) Ø肽链延延长在在核核糖糖体体上上连续循循环式式进行行，，又又称称为核核糖糖体体循循环(ribosomal cycle)，，包包括括以以下下三三步：步：Ø每每轮循循环使多使多肽链增加一个氨基酸残基增加一个氨基酸残基1. 进位（进位（entrance）） 又称又称注册注册(registration)，，是是指一个氨基指一个氨基酰-tRNA按照按照mRNA模板的指令模板的指令进入并入并结合到核糖体合到核糖体A位的位的过程2.成肽成肽 成成肽是指是指肽基基转移移酶（（转肽酶））催化两个氨催化两个氨基酸基酸间肽键形成的反形成的反应。

￿3. 转位转位指的是核糖体沿着指的是核糖体沿着mRNA的移位移位的移位的结果是：果是：①① 成成肽后位于后位于P 位的位的tRNA所所携携带的氨基酸或的氨基酸或肽在反在反应中交中交给了了A位上的氨基酸，位上的氨基酸，空空载的的tRNA从核糖体直接脱落；从核糖体直接脱落；②② 成成肽后位于后位于A位的位的带有合成中的有合成中的肽链的的tRNA（（肽酰-tRNA））转到了到了P位上；位上；③③ A位得以空出，且准确定位在位得以空出，且准确定位在mRNA的下一个密的下一个密码子，以接受一个新的子，以接受一个新的对应的的氨基氨基酰tRNA进位 转位需要延位需要延长因子参与因子参与真核生物肽链延长过程真核生物肽链延长过程肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要上每增加一个氨基酸残基，就需要经过一次一次进位、成位、成肽和和转位反位反应如此往复，直如此往复，直到核糖体的到核糖体的A位位对应到了到了mRNA的的终止密止密码子上终止密止密码子不被任何氨基子不被任何氨基酰-tRNA识别，，只有只有释放因子放因子RF能能识别终止密止密码子而子而进入入A位，位，这一一识别过程需要水解程需要水解GTP￿三、终止密码子和释放因子导致肽链三、终止密码子和释放因子导致肽链合成停止合成停止Ø原核生物有原核生物有3种种RFØRF1识别UAA或或UAG，，RF2识别UAA或或UGA，，RF3则与与GTP结合合并并使使其其水水解解，，协助助RF1与与RF2与与核糖体核糖体结合。

合Ø真核生物真核生物仅有有eRF一种一种释放因子放因子，，Ø所有所有3种种终止密止密码子均可被子均可被eRF识别Ø真真核核生生物物中中肽链合合成成完完成成后后的的水水解解释放放过程程尚尚未未完全了解完全了解 多聚核糖体的形成可以使蛋白多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合生物合成以高速度、高效率成以高速度、高效率进行多聚核糖体多聚核糖体(polysome) 1条条mRNA模板模板链都可附着都可附着10～～100个核个核蛋白体，蛋白体，这些核糖体依次些核糖体依次结合起始密合起始密码子并子并沿沿5 →3 方向方向读码移移动，同，同时进行行肽链合成，合成，这种种mRNA与多个核糖体形成的聚合物称与多个核糖体形成的聚合物称为多聚核糖体多聚核糖体(polysome) 多聚核糖体多聚核糖体电镜下的多聚核糖体电镜下的多聚核糖体第四节第四节肽链生物合成后的加工和肽链生物合成后的加工和靶向输送靶向输送Ø新新生生多多肽链不不具具备蛋蛋白白质的的生生物物学学活活性性，，必必须经过复复杂的的加加工工过程程才才能能转变为具具有有天天然然构构象象的的功功能能蛋蛋白白质，，这一一加加工工过程程称称为翻翻译后后加加工工(post-translational processing)。

Ø蛋蛋白白质合合成成后后还需需要要被被输送送到到合合适适的的亚细胞胞部部位位才才能能行行使使各各自自的的生生物物学学功功能能其其中中，，有有的的蛋蛋白白质驻留留于于细胞胞液液，，有有的的被被运运输到到细胞胞器器或或镶嵌嵌入入细胞胞膜膜，，还有有的的被被分分泌泌到到细胞胞外外蛋蛋白白质合合成成后后在在细胞胞内内被被定定向向输送送到到其其发挥作作用用部部位位的的 过 程程 称称 为 蛋蛋 白白 质 的的 靶靶 向向 输 送送 （（ protein targeting）或蛋白）或蛋白质分分选（（protein sorting）一、肽链折叠为功能构象需要分子伴侣一、肽链折叠为功能构象需要分子伴侣Ø蛋蛋白白质在在合合成成时，，还未未折折叠叠的的肽段段有有许多多疏疏水水基基团暴暴露露在在外外，，具具有有分分子子内内或或分分子子间聚聚集集的的倾向向，，使使蛋蛋白白质不不能能形成正确空形成正确空间构象Ø这种种结构构混混乱乱的的肽链集集合合体体产生生过多多对细胞胞有有致致命命的的影影响Ø实际上上，，细胞胞中中大大多多数数天天然然蛋蛋白白质折折叠叠都都不不是是自自发完完成成的的，，其其折折叠叠过程程需需要要其其他他酶或或蛋蛋白白质的的辅助助，，这些些辅助助性性蛋蛋白白质可可以以指指导新新生生肽链按按特特定定方方式式正正确确折折叠叠，，它它们被称被称为分子伴分子伴侣（（molecular chaperone）。

Ø分子伴分子伴侣的主要作用是：的主要作用是：①① 封封闭待折叠待折叠肽链暴露的疏水区段；暴露的疏水区段；②② 创建一个隔离的建一个隔离的环境，可以使境，可以使肽链的折叠互不的折叠互不干干扰；；③③ 促促进肽链折叠和去聚集；折叠和去聚集；④④ 遇到遇到应激刺激，使已折叠的蛋白激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠 细胞内分子伴胞内分子伴侣可分可分为两大两大类 一一类为核糖体核糖体结合性分子伴合性分子伴侣，包括触，包括触发因子和新生因子和新生链相关复合物；相关复合物； 另一另一类为非核糖体非核糖体结合性分子伴合性分子伴侣，包括，包括热激蛋白、伴激蛋白、伴侣蛋白等 1. 热激蛋白热激蛋白(heat shock protein, HSP)Ø热休克蛋白属于休克蛋白属于应激反激反应性蛋白性蛋白质，高温，高温应激可激可诱导该蛋白蛋白质合成热休克蛋白可促休克蛋白可促进需要折需要折叠的多叠的多肽折叠折叠为有天然空有天然空间构象的蛋白构象的蛋白质 Ø热休克蛋白包括休克蛋白包括HSP70、、HSP40和和GrpE三族Ø它它有有两两个个主主要要功功能能域域：：一一个个是是存存在在于于N-端端的的高高度度保保守守的的ATP酶结构构域域，，能能结合合和和水水解解ATP；；另另一一个个是是存存在在于于C-端端的的肽链结合合结构构域域。

蛋蛋白白质的折叠需要的折叠需要这两个两个结构域的相互作用构域的相互作用 大肠杆菌的大肠杆菌的HSP70 (DnaK)ATP酶肽链结合结构域H2NEEVD-COOHGrp E结合部位结合部位DnaJ/HSP40结合部位结合部位•大大肠杆杆菌菌的的HSP40 (Dna J)可可激激活活Dna K中中的的ATP酶，，生生成成稳定定的的Dna J -Dna K-ADP-被被折折叠叠蛋蛋白白质复复合合物物，，以以利利于于Dna K发挥分分子子伴伴侣作作用用在在ATP存存在在的的情情况况下下，，Dna J和和Dna K的相互作用能抑制蛋白的相互作用能抑制蛋白质的聚集•Grp E，，核核苷苷酸酸交交换因因子子，，与与Dna K的的ATP酶结构构域域结合合，，使使Dna K的的构构象象发生生改改变、、ADP从从复复合合物物中中释放放出出来来并并由由ATP代替代替ADP，从而控制，从而控制Dna K的的ATP酶活性Ø在在蛋蛋白白质的的折折叠叠过程程中中，，HSP70还需需2个个辅助助因因子子HSP40和和Grp EHSP70 辅助助肽链折叠折叠 人人类细胞中胞中HSP蛋白蛋白质家族可存在于胞家族可存在于胞浆、、内内质网腔、网腔、线粒体、胞核等部位粒体、胞核等部位涉及多种涉及多种细胞保胞保护功能：如使功能：如使线粒体和内粒体和内质网蛋白网蛋白质保持未折叠状保持未折叠状态而而转运、跨膜，再折叠运、跨膜，再折叠成功能构象；成功能构象；通通过类似上述机制，避免或消除蛋白似上述机制，避免或消除蛋白质变性性后因疏水基后因疏水基团暴露而暴露而发生的不可逆聚集，以利于生的不可逆聚集，以利于清除清除变性或性或错误折叠的多折叠的多肽中中间物等。

物等Ø伴伴侣蛋白（蛋白（chaperonin）是分子伴）是分子伴侣的另的另一家族，如大一家族，如大肠杆菌的杆菌的Gro EL和和Gro ES（真核（真核细胞中同源物胞中同源物为HSP60和和HSP10）等）等家族Ø其主要作用是其主要作用是为非自非自发性折叠蛋白性折叠蛋白质提供提供能折叠形成天然空能折叠形成天然空间构象的微构象的微环境 2. 伴侣蛋白伴侣蛋白Gro EL和和Gro ES 当待折叠当待折叠肽链进入入Gro EL的桶状空腔后，的桶状空腔后，Gro ES可作可作为“盖子盖子”瞬瞬时封封闭Gro EL空腔出口封空腔出口封闭后的桶状空腔提供了能完成后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微折叠的微环境nGro EL-Gro ES复合物复合物Ø除了分子伴除了分子伴侣协助助肽链折叠以外，一些折叠以外，一些对于蛋于蛋白白质空空间结构形成至关重要的氨基酸残基（如构形成至关重要的氨基酸残基（如半胱氨酸、脯氨酸等）的正确折叠半胱氨酸、脯氨酸等）的正确折叠还需要需要酶促促反反应这些可催化蛋白些可催化蛋白质功能构象形成所必需功能构象形成所必需的的酶称称为异构异构酶（（isomerase），也称），也称为折叠折叠酶（（foldase）。

蛋白质二硫化物异构酶蛋白质二硫化物异构酶Ø多多肽链内或内或肽链之之间二硫二硫键的正确形成的正确形成对稳定定分泌型蛋白分泌型蛋白质、膜蛋白、膜蛋白质等的天然构象十分重等的天然构象十分重要，要，这一一过程主要在程主要在细胞内胞内质网网进行Ø二硫二硫键异构异构酶在内在内质网腔活性很高，可在网腔活性很高，可在较大大区段区段肽链中催化中催化错配二硫配二硫键断裂并形成正确二断裂并形成正确二硫硫键连接，最接，最终使蛋白使蛋白质形成形成热力学最力学最稳定的定的天然构象天然构象肽酰肽酰-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 Ø多多肽链中中肽酰-脯氨酸脯氨酸间形成的形成的肽键有有顺反两种反两种异构体，空异构体，空间构象有明构象有明显差差别Ø肽酰-脯氨脯氨酰顺反异构反异构酶可促可促进上述上述顺反两种异反两种异构体之构体之间的的转换Ø肽酰-脯氨脯氨酰顺反异构反异构酶是蛋白是蛋白质三三维构象形成构象形成的限速的限速酶，在，在肽链合成需形成合成需形成顺式构型式构型时，可，可使多使多肽在各脯氨酸弯折在各脯氨酸弯折处形成准确折叠形成准确折叠 二、肽链的肽键水解生成活性蛋白二、肽链的肽键水解生成活性蛋白质或功能肽质或功能肽（一）合成后肽链的末端被水解加工（一）合成后肽链的末端被水解加工Ø新生新生肽链的的N端的甲硫氨酸残基，在端的甲硫氨酸残基，在肽链离开离开核糖体后，大部分即由特异的蛋白水解核糖体后，大部分即由特异的蛋白水解酶切切除。

除 例：鸦片促黑皮质素原例：鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰的水解修饰（二）肽链中肽键水解产生多种功能肽（二）肽链中肽键水解产生多种功能肽 三、三、肽链中氨基酸残基的化学修饰肽链中氨基酸残基的化学修饰增加蛋白质功能多样性增加蛋白质功能多样性常常见的化学修的化学修饰种种类 发生修生修饰的主要氨基酸残基的主要氨基酸残基磷酸化磷酸化丝氨酸、氨酸、苏氨酸、酪氨酸氨酸、酪氨酸N-糖基化糖基化天冬天冬酰胺胺O-糖基化糖基化丝氨酸、氨酸、苏氨酸氨酸羟基化基化脯氨酸脯氨酸 赖氨酸氨酸甲基化甲基化赖氨酸、精氨酸、氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸胺、天冬氨酸、谷氨酸乙乙酰化化赖氨酸、氨酸、丝氨酸氨酸硒化硒化半胱氨酸半胱氨酸四、亚基聚合形成功能性蛋白质复合物四、亚基聚合形成功能性蛋白质复合物结合蛋白合蛋白质合成后都需要合成后都需要结合相合相应辅基，基，才能成才能成为具有功能活性的天然蛋白具有功能活性的天然蛋白质 具有四具有四级结构的蛋白构的蛋白质由两条以上的由两条以上的肽链通通过非共价非共价键聚合，形成寡聚体聚合，形成寡聚体(oligomer)n通过非共价键亚基聚合形成具有四级结通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质构的蛋白质n辅基连接后形成完整的结合蛋白质辅基连接后形成完整的结合蛋白质五、蛋白质合成后被靶向输送至五、蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位细胞特定部位 蛋蛋白白质在在核核蛋蛋白白体体上上合合成成后后，，必必须分分选出出来来，，定定向向输送送到到一一个个合合适适的的部部位位才才能能行行使使各各自自的的生生物物学学功功能能。

蛋蛋白白质的的靶靶向向输送送与与翻翻译后后修修饰过程程同同步步进行 Ø所所有有靶靶向向输送送的的蛋蛋白白质结构构中中存存在在分分选信信号号，，主主要要是是N末末端端特特异异氨氨基基酸酸序序列列，，可可引引导蛋蛋白白质转移移到到细胞胞的的适适当当靶靶部部位位，，这类序序列列称称为信信号号序列序列(signal sequence)Ø信信号号序序列列是是决决定定蛋蛋白白质靶靶向向输送送特特性性的的最最重重要要元元件件，，提提示示指指导蛋蛋白白质靶靶向向输送送的的信信息息存存在在于于蛋白蛋白质自身的一自身的一级结构中 靶向输送的蛋白质靶向输送的蛋白质N-端存在信号序列端存在信号序列蛋白种蛋白种类信号序列信号序列结构特点构特点 分泌蛋白和分泌蛋白和质膜蛋白膜蛋白信号信号肽15～～30个氨基酸，位于个氨基酸，位于N-端，端，中中间为疏水性氨基酸疏水性氨基酸 核蛋白核蛋白核定位信号核定位信号4～～8个氨基酸个氨基酸组成，位于内部，成，位于内部，含含Pro、、Lys和和Arg，典型序列，典型序列为K-K/R-X-K/R 内内质网蛋白网蛋白内内质网滞留信号网滞留信号C-端的端的Lys-Asp-Glu-Leu （（KDEL）） 核基因核基因组编码的的线粒粒体蛋白体蛋白线粒体粒体导肽20～～35个氨基酸，位于个氨基酸，位于N-端端 溶溶酶体蛋白体蛋白溶溶酶体靶向信号体靶向信号甘露糖甘露糖-6-磷酸（磷酸（Man-6-P）） 蛋白细胞亚组分分选信号蛋白细胞亚组分分选信号 Ø细胞内分泌型蛋白胞内分泌型蛋白质的合成与的合成与转运同运同时发生。

生它它们的的N-端都有端都有信号信号肽（（signal peptide））结构构，由数十个氨基酸残基，由数十个氨基酸残基组成￿ ￿（一）分泌型蛋白在内质网加工转运（一）分泌型蛋白在内质网加工转运n信号肽有以下共性：信号肽有以下共性：①①N-端端含含1个个或或几几个个带正正电荷荷的的碱碱性性氨氨基基酸酸残残基基，，如如赖氨氨酸、精氨酸；酸、精氨酸；②②中中段段为疏疏水水核核心心区区，，主主要要含含疏疏水水的的中中性性氨氨基基酸酸，，如如亮亮氨酸、异亮氨酸等；氨酸、异亮氨酸等；③③C-端端加加工工区区由由一一些些极极性性相相对较大大、、侧链较短短的的氨氨基基酸酸（（如如甘甘氨氨酸酸、、丙丙氨氨酸酸、、丝氨氨酸酸））组成成，，紧接接着着是是被被信信号号肽酶(signal peptidase)裂解的位点裂解的位点 n信号序列引导蛋白质进入内质网信号序列引导蛋白质进入内质网Ø内内质网网中中含含有有多多种种帮帮助助新新生生肽链折折叠叠成成天天然然构构型型的的蛋蛋白白质，，如如分分子子伴伴侣等等与与分分泌泌型型蛋蛋白白质一一样，，需需要要停停留留在在内内质网网中中执行行功功能能的的蛋蛋白白质先先经粗粗面面内内质网网上上的的附附着着核核糖糖体体合合成成并并进入入内内质网网腔腔，，然然后随囊泡后随囊泡输送到高送到高尔基复合体。

基复合体二）（二）定位于内质网的蛋白质定位于内质网的蛋白质C-端含有滞留端含有滞留信号序列信号序列（三）（三）大部分线粒体蛋白质在细胞液合成后大部分线粒体蛋白质在细胞液合成后靶向输入线粒体靶向输入线粒体 Ø线粒粒体体虽然然含含有有DNA、、核核糖糖体体、、mRNA及及tRNA等等，，可可以以进行行蛋蛋白白质的的生生物物合合成成，，但但绝大大部部分分线粒粒体体蛋蛋白白质是是由由核核基基因因组编码、、在在胞胞液液中中的的游游离离核核蛋蛋白白体体上上合合成成后后释放放、、靶靶向向输送送到到线粒体中的粒体中的真核细胞线粒体蛋白质的靶向输送真核细胞线粒体蛋白质的靶向输送（四）质膜蛋白质由囊泡靶向转运至细胞膜（四）质膜蛋白质由囊泡靶向转运至细胞膜Ø质膜蛋白膜蛋白质合成合成时在粗面内在粗面内质网上的跨膜机网上的跨膜机制与分泌型蛋白制与分泌型蛋白质的跨膜机制相似，但是，的跨膜机制相似，但是，质膜蛋白膜蛋白质的的肽链并不完全并不完全进入内入内质网腔，网腔，而是而是锚定在内定在内质网膜上Ø不同不同类型的跨膜蛋白型的跨膜蛋白质以不同的形式以不同的形式锚定于定于膜上 囊泡形成和囊泡形成和转运带阴影的字母阴影的字母为碱性氨基酸碱性氨基酸残基，残基，带下划下划线的部分的部分为疏水性氨基酸区域疏水性氨基酸区域 （五）细胞核蛋白质由核输入因子运载经（五）细胞核蛋白质由核输入因子运载经核孔入核核孔入核 第五节第五节蛋白质生物合成的干扰和抑制蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference and Inhibition of Protein BiosynthesisØ蛋白蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。

抗生素等就是通作用靶点抗生素等就是通过阻断真核、原核生阻断真核、原核生物蛋白物蛋白质翻翻译体系某体系某组分功能、干分功能、干扰和抑制蛋白和抑制蛋白质生物合成生物合成过程而起作用的程而起作用的 Ø可可针对蛋白蛋白质生物合成必需的关生物合成必需的关键组分作分作为研究研究新抗菌新抗菌药物的作用靶点同物的作用靶点同时尽量利用真核、原尽量利用真核、原核生物蛋白核生物蛋白质合成体系的任何差异，以合成体系的任何差异，以设计、、筛选仅对病原微生物特效而不病原微生物特效而不损害人体的害人体的药物 一、许多抗生素通过抑制蛋白质一、许多抗生素通过抑制蛋白质生物合成发挥作用生物合成发挥作用抗抗生生素素(antibiotics)是是一一类由由某某些些真真菌菌、、细菌菌等等微微生生物物产生生的的药物物，，有有抑抑制制其其他他微微生生物物生生长或或杀死死其其他他微微生生物物的的能能力力，，对宿宿主主无无毒毒性性的的抗抗生生素素可可用用于于预防防和和治治疗人人、、动物物和和植物的感染性疾病植物的感染性疾病Ø影响翻影响翻译起始的抗生素起始的抗生素Ø影响翻影响翻译延延长的抗生素的抗生素 干干扰进位的抗生素位的抗生素引起引起读码错误的抗生素的抗生素 影响影响肽键形成的抗生素形成的抗生素 影响影响转位的抗生素位的抗生素 抗生素抗生素 作用位点作用位点 作用原理作用原理应用应用 伊短菌素伊短菌素 原核、真核核蛋白体原核、真核核蛋白体小小亚基基 阻碍翻阻碍翻译起始复合物的形成起始复合物的形成抗病毒抗病毒药四四环素、土霉素素、土霉素 原核核蛋白体小原核核蛋白体小亚基基 抑制氨基抑制氨基酰-tRNA与小与小亚基基结合合 抗菌抗菌药链霉素、新霉素、霉素、新霉素、巴巴龙霉素霉素 原核核蛋白体小原核核蛋白体小亚基基 改改变构象引起构象引起读码错误、抑、抑制起始制起始抗菌抗菌药氯霉素、林可霉霉素、林可霉素、素、红霉素霉素 原核核蛋白体大原核核蛋白体大亚基基抑制抑制转肽酶、阻断、阻断肽链延延长抗菌抗菌药嘌呤霉素呤霉素 原核、真核核蛋白体原核、真核核蛋白体 使使肽酰基基转移到它的氨基上移到它的氨基上后脱落后脱落抗抗肿瘤瘤药放放线菌菌酮 真核核蛋白体大真核核蛋白体大亚基基 抑制抑制转肽酶、阻断、阻断肽链延延长医学研究医学研究 夫西地酸、夫西地酸、细球球菌素菌素EF-G 抑制抑制EF-G、阻止、阻止转位位抗菌抗菌药壮壮观霉素霉素原核核蛋白体小原核核蛋白体小亚基基 阻止阻止转位位抗菌抗菌药常用抗生素抑制肽链生物合成的原理与应用常用抗生素抑制肽链生物合成的原理与应用 嘌呤霉素作用示意图四四环素素族族氯霉素氯霉素链霉素和卡那霉素霉素和卡那霉素嘌呤霉素呤霉素放放线菌菌酮二、某些毒素抑制真核生物蛋白质合成二、某些毒素抑制真核生物蛋白质合成Ø某某些些毒毒素素能能在在肽链延延长阶段段阻阻断断蛋蛋白白质合合成成而而呈呈现毒毒性性，，如如白白喉喉毒毒素素是是真真核核细胞胞蛋蛋白白质合合成成的的抑抑制制剂，，它它作作为一一种种修修饰酶，，可可使使eEF-2发生生ADP糖糖基基化化共共价价修修饰，，生生成成eEF-2腺苷二磷酸核糖衍生物，使腺苷二磷酸核糖衍生物，使eEF-2失活。

失活1．白喉毒素．白喉毒素(diphtheria toxin) n白喉毒素的作用机理：白喉毒素的作用机理：白白喉喉毒毒素素++延延长因子因子-2（（有活性有活性））延延长因子因子-2（（无活性无活性））2．蓖麻蛋白．蓖麻蛋白(ricin) Ø蓖蓖麻麻蛋蛋白白是是蓖蓖麻麻籽籽中中所所含含的的植植物物糖糖蛋蛋白白，，由由A、、B两条多两条多肽链组成ØA链是是一一种种蛋蛋白白酶，，可可作作用用于于真真核核生生物物核核蛋蛋白白体体大大亚基基的的28S rRNA，，催催化化其其中中特特异异腺腺苷苷酸酸发生生脱脱嘌呤呤基基反反应，，使使28S rRNA降降解解，，使使核核蛋白体大蛋白体大亚基失活；基失活；ØB链对A链发挥毒毒性性具具有有重重要要的的促促进作作用用，，且且B链上上的的半半乳乳糖糖结合合位位点点也也是是毒毒素素发挥毒毒性性作作用的活性部位用的活性部位Ø干干扰素素(interferon, IFN)是是真真核核细胞胞被被病病毒毒感感染染后后分分泌泌的的一一类具具有有抗抗病病毒毒作作用用的的蛋蛋白白质，，可可抑抑制病毒的繁殖制病毒的繁殖Ø干干扰素素分分为α-（（白白细胞胞））型型、、β-（（成成纤维细胞胞））型型和和γ-（（淋淋巴巴细胞胞））型型三三大大类，，每每类各各有有亚型型，，分分别具有其特异作用。

具有其特异作用 三、干扰素经抑制蛋白质生物合成而呈三、干扰素经抑制蛋白质生物合成而呈现抗病毒作用现抗病毒作用n干扰素抑制病毒的作用机制有两方面：干扰素抑制病毒的作用机制有两方面：Ø一一是是干干扰素素在在某某些些病病毒毒双双链RNA存存在在时，，能能诱导特特异异的的蛋蛋白白激激酶活活化化，，该活活化化的的蛋蛋白白激激酶使使eIF-2磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质合成；合成；Ø二二是是干干扰素素能能与与双双链RNA共共同同活活化化特特殊殊的的2 -5 寡寡聚聚腺腺苷苷酸酸（（2 -5 A））合合成成酶，，催催化化ATP聚聚合合，，生生成成单核核苷苷酸酸间以以2 -5 磷磷酸酸二二酯键连接接的的2 -5 A，，经2 -5 A活活化化核核酸酸内内切切酶RNase L，，后后者可降解病毒者可降解病毒mRNA，从而阻断病毒蛋白，从而阻断病毒蛋白质合成 n干扰素的作用机理干扰素的作用机理:干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA1. 干扰素诱导干扰素诱导eIF2磷酸化而失活磷酸化而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）（失活）Pi磷酸磷酸酶2. 干扰素诱导病毒干扰素诱导病毒RNA降解降解dsRNA干扰素干扰素AAPAPPPP2 5 2 5 5 2 - 5 AAPPPATP2 -5 A合成酶合成酶降解降解mRNARNaseLRNaseL活化活化。