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1、第三节 蛋白质的生物合成 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成，即，即翻译翻译，就是将核，就是将核酸中由酸中由 4 种种核苷酸序列核苷酸序列编码的遗传信息，通编码的遗传信息，通过过遗传密码遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结破译的方式解读为蛋白质一级结构中构中20种种氨基酸的序列氨基酸的序列 。(Protein Biosynthesis，Translation)一、 蛋白质生物合成体系三种三种RNAmRNA(信使信使RNA)rRNA(核糖体核糖体RNA)tRNA(转运转运RNA)（一）三种（一）三种RNA在蛋白质生物合成中的作用在蛋白质生物合成中的作用1.1.mRNA功能：功能：在蛋白质生物合成中
2、在蛋白质生物合成中mRNA起着直接模板作用。起着直接模板作用。遗传密码（密码子）：遗传密码（密码子）： mRNA分子上从分子上从5 至至3 方向，由方向，由AUG开开始，每始，每3个核苷酸为一组，代表某一个氨基个核苷酸为一组，代表某一个氨基酸的信息，也称为三联体密码酸的信息，也称为三联体密码(triplet coden)。遗传密码表目目 录录起始密码起始密码(initiation coden): AUG 终止密码终止密码(termination coden):UAAUAGUGA遗传密码有遗传密码有64种，记住：种，记住：遗传密码的特点遗传密码的特点（1）连续性）连续性(commaless)各个
3、密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。各个密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。框移突变框移突变(frameshift mutation)氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸密码子数目密码子数目密码子数目密码子数目氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸密码子数目密码子数目密码子数目密码子数目AlaAla4 4LeuLeu6 6ArgArg6 6LysLys2 2AsnAsn2 2MetMet1 1AspAsp2 2PhePhe2 2CysCys2 2ProPro4 4GlnGln2 2SerSer6 6GluGlu2 2ThrThr4 4GlyGly4 4TrpTrp1 1HisHis2 2TyrTyr2 2IleIl
4、e3 3ValVal4 4（2）简并性）简并性(degeneracy) 遗传密码中，除色遗传密码中，除色氨酸和蛋氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸均氨酸和蛋氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸均有有2、3、4个或多至个或多至6个密码子。个密码子。（3） 摆动性摆动性(wobble)转转运运氨氨基基酸酸的的tRNA的的反反密密码码子子需需要要通通过过碱碱基基互互补补与与mRNA上上的的遗遗传传密密码码反反向向配配对对结结合合，但但反反密密码码与与密密码码间间不不严严格格遵遵守守常常见见的的碱碱基基配配对对规规律律，称称为为摆动配对。摆动配对。 密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、反密码子配对的摆动现
5、象tRNAtRNA反密码子反密码子反密码子反密码子第第第第1 1位碱基位碱基位碱基位碱基I IU UGGA AC CmRNAmRNA密码子密码子密码子密码子第第第第3 3位碱基位碱基位碱基位碱基U, C, AU, C, AA, GA, GU, CU, CU UGG A U CU（4） 通用性通用性(universal)整套密码从原核生物到人类都通用，但动物细整套密码从原核生物到人类都通用，但动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体例外。胞的线粒体、植物细胞的叶绿体例外。 密码的通用性证明各种生物进化自同一祖先。密码的通用性证明各种生物进化自同一祖先。（5）方向性方向性(direction) 起始密码
6、子位于起始密码子位于mRNA链的链的5-端，终止密码子位端，终止密码子位于于3-端，翻译时沿端，翻译时沿53方向进行，直到终止密码子为方向进行，直到终止密码子为止，相应多肽链的合成从止，相应多肽链的合成从N端向端向C端延伸。端延伸。2. tRNA功能：通过功能：通过tRNA的反密码子与的反密码子与mRNA的的密码子结合，使密码子结合，使tRNA携带的氨基酸准确携带的氨基酸准确在在mRNA上对号入座。上对号入座。反反密码环密码环氨基酸臂氨基酸臂IF-3IF-1IF-2GTP起始氨基酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基结合到小亚基A U G53tRNAmRNA起始起始
7、tRNA( tRNAMet )包括：包括：真核生物真核生物： Met-tRNAiMet原核生物原核生物： fMet-tRNAif Met3.rRNArRNA不能单独起作用，需与蛋白质结合不能单独起作用，需与蛋白质结合构成核糖体。构成核糖体。功能：核糖体是蛋白质合成的场所与功能：核糖体是蛋白质合成的场所与 “装配机装配机”原核生物原核生物原核生物原核生物真核生物真核生物真核生物真核生物核糖体核糖体核糖体核糖体小亚基小亚基小亚基小亚基大亚基大亚基大亚基大亚基核糖体核糖体核糖体核糖体小亚基小亚基小亚基小亚基大亚基大亚基大亚基大亚基S S70S70S30S30S50S50S80S80S40S40S60
8、S60SrRNArRNA16S-rRNA16S-rRNA5S-rRNA5S-rRNA23S-23S-rRNArRNA18S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质rpSrpS 21 21种种种种rpLrpL 36 36种种种种rpSrpS 33 33种种种种rpLrpL 49 49种种种种 不同细胞核糖体的组成不同细胞核糖体的组成 核糖体核糖体核糖体由大、小两个核糖体由大、小两个亚基组成。亚基组成。原核生物核糖体结构模式原核生物核糖体结构模式2. A位：氨基酰位：氨基酰位，又称受位。位，又
9、称受位。1. P位：肽酰位，位：肽酰位，又称给位。又称给位。3. E位：排出位。位：排出位。氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运1.第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi 2. 第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E第二节 蛋白质生物合成过程 翻翻译译过过程程从从阅阅读读框框架架的的5-AUG开开始始，按按mRNA模模板板三三联联体体密密码码的的顺顺序序延延长长肽肽链链，直直至终止密码出现。至终止密码出现。 起始起始起始起始(initiation)(initiation)延长延长延长延长(elongat
10、ion)(elongation)终止终止终止终止(termination )(termination )翻译过程翻译过程(The Process of Protein Biosynthesis )一、一、原核生物翻译过程原核生物翻译过程1. 核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；2. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；3. 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； 4. 核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。 指指指指mRNAmRNA和起始氨基酰和起始氨基酰和起始氨基酰和起始氨基酰- -tRNAtRNA分别与核糖体结分别与核糖体结分别与核糖体结分别与核糖体结合而形成合而形成合而
11、形成合而形成翻译起始复合物翻译起始复合物翻译起始复合物翻译起始复合物 (translational initiation (translational initiation complex)complex)。(一一)起始起始IF-3IF-11. 核糖体大小亚基分离核糖体大小亚基分离A U G53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合S-D序列序列 在起始密码子的上游约在起始密码子的上游约813个核苷酸个核苷酸部位有一段富含嘌呤碱基（如部位有一段富含嘌呤碱基（如-AGGAGG-）的特殊保守序列，称为的特殊保守序列，称为SD序列，可被核糖体小序列，可被核糖体小亚基亚基16S
12、 rRNA 辨认互补结合。辨认互补结合。 紧接紧接SD序列后的小核苷酸序列，可被核序列后的小核苷酸序列，可被核糖体小亚基蛋白糖体小亚基蛋白rpS-1识别并结合。识别并结合。IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基结合到小亚基A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核糖体大亚基结合，起始复合物形成核糖体大亚基结合，起始复合物形成A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi翻译起始阶段总结翻译起始阶段总结原核延长因子原核延长因子原核延长因子原核延长因子功功功功 能能能能
13、EF-EF-TuTu促进氨基酰促进氨基酰促进氨基酰促进氨基酰-tRNA-tRNA进入进入进入进入A A位，结合分解位，结合分解位，结合分解位，结合分解GTPGTPEF-TsEF-Ts调节亚基调节亚基调节亚基调节亚基EFGEFG有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-mRNA-肽酰肽酰肽酰肽酰-tRNA-tRNA由由由由A A位位位位前移到前移到前移到前移到P P位，促进卸载位，促进卸载位，促进卸载位，促进卸载tRNAtRNA释放释放释放释放原核肽链合成的延长因子原核肽链合成的延长因子 (二二)延长延长 肽链延长包括肽链延长包括肽链延长包括肽链延长包括进
14、位、进位、进位、进位、成肽成肽成肽成肽、转位、转位、转位、转位三步，在核三步，在核三步，在核三步，在核糖体上连续性循环式进行，又称为糖体上连续性循环式进行，又称为糖体上连续性循环式进行，又称为糖体上连续性循环式进行，又称为核糖体循环核糖体循环核糖体循环核糖体循环(ribosomal cycle)(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸。，每次循环增加一个氨基酸。，每次循环增加一个氨基酸。，每次循环增加一个氨基酸。1.进位进位(注册注册,registration) (1) fMet-tRNAfMet占据占据P位，位，A位空缺。位空缺。 (2) 第第2个密码子相应个密码子相应的氨
15、基酰的氨基酰-tRNA与与EF-Tu-GTP结合，其反密结合，其反密码子识别密码子，进码子识别密码子，进入入A位。位。 (3) EF-Tu水解水解GTP，EF-Tu和和GDP从核糖体从核糖体释出，重新形成释出，重新形成Tu-Ts二聚体。二聚体。Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP2.成肽成肽是由转肽酶是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽催化的肽键形成过程。键形成过程。3.转位转位延长因子延长因子延长因子延长因子EF-GEF-G有转位酶活性，可结合并水解有转位酶活性，可结合并水解有转位酶活性，可结合并水解有转位酶活性，可结合并水解1 1分分分分子子子子GTPGTP，促
16、进核蛋白体向，促进核蛋白体向，促进核蛋白体向，促进核蛋白体向mRNAmRNA的的的的33侧移动侧移动侧移动侧移动 。fMetA U G53fMetTuGTP进进位位转转位位成肽成肽1. 当当mRNA上终止密码出上终止密码出现后，多肽链合成停止，现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核糖体等分离的、核糖体等分离的过程。过程。 (三三)终止终止2. 识别终止密码，识别终止密码，RF-1特特异识别异识别UAA、UAG；而；而RF-2可识别可识别UAA、UGA。3. 诱导改变转肽酶的酯酶诱导改变转肽酶的酯酶活性为水解活性，使肽链活性为水解活性，使肽链从核糖体上释
17、放。从核糖体上释放。U A G53RFCOO-与与原原核核生生物物相相比比，真真核核生生物物肽肽链链延延长长过过程程有有不不同同的的反反应应体体系系和和延延长长因因子子。真真核核细细胞胞核核糖糖体体没没有有E位，转位时卸载的位，转位时卸载的tRNA直接从直接从P位脱落。位脱落。(二二) 延长延长(三三) 终止终止 与原核生物相比，真核生物翻译终止只有一与原核生物相比，真核生物翻译终止只有一种释放因子种释放因子eRF，可识别所有终止密码子。，可识别所有终止密码子。(一一)起始起始 二、真核生物翻译过程二、真核生物翻译过程1. 1. 核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；核糖
18、体大小亚基分离；2. 2. 起始氨基酰起始氨基酰起始氨基酰起始氨基酰- -tRNAtRNA结合结合结合结合；3. mRNA3. mRNA在核糖体小亚基在核糖体小亚基在核糖体小亚基在核糖体小亚基就位就位就位就位；4. 4. 核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。原核先原核先就位就位，后，后结合结合结合结合；真核真核先先结合结合，后后就位就位metmet40S40S60S60SMeMet tMetMet40S40S60S60SmRNAeIF-2BeIF-2B、eIF-3eIF-3、 eIF-6 elF-3elF-3GDP+Pi各种各种各种各种elFelF释放释放释
19、放释放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物形成过程复合物形成过程(二二)使蛋白质合成高速、使蛋白质合成高速、高效进行。高效进行。电镜下的多聚核糖体现象电镜下的多聚核糖体现象三、多聚核糖体三、多聚核糖体(polysome)(一一)指指多个核糖体附在同多个核糖体附在同一条一条mRNA上合成蛋白质上合成蛋白质而形成的串珠状聚合物。而形成的串珠状聚合物。 四、四、翻译后加工和输送翻译后加工和输送 新生多肽链需要酶和其他蛋白质辅助，经过新生多肽链需要酶和其他蛋白质
20、辅助，经过新生多肽链需要酶和其他蛋白质辅助，经过新生多肽链需要酶和其他蛋白质辅助，经过折叠、修饰折叠、修饰折叠、修饰折叠、修饰等等等等加工才能转变为天然构象的功能蛋加工才能转变为天然构象的功能蛋加工才能转变为天然构象的功能蛋加工才能转变为天然构象的功能蛋白质。白质。白质。白质。 (一一)多肽链折叠为天然构象的功能蛋白质多肽链折叠为天然构象的功能蛋白质(1)热休克蛋白热休克蛋白(HSP): HSP70、HSP40和和GreE族族 (2)伴侣素伴侣素(chaperonins): GroEL和和GroES家家族族2. 蛋白二硫键异构酶蛋白二硫键异构酶 (PDI)3. 肽肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反
21、异构酶 (PPI)1. 1. 分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣鸦片促黑皮质素原鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰的水解修饰NC信号肽信号肽PMOCKRKR103肽肽 ( ？)ACTH -LT -MSH -MSHEndophin(二二)一级结构的修饰一级结构的修饰1.肽链肽链N端的修饰端的修饰2.个别氨基酸的修饰个别氨基酸的修饰3.多肽链的水解修饰多肽链的水解修饰(三三)高级结构的修饰高级结构的修饰 (四四)蛋白质合成后的靶向输送蛋白质合成后的靶向输送1. 指蛋白质合成后需定向输送到发挥功能的细指蛋白质合成后需定向输送到发挥功能的细胞靶部位的过程。胞靶部位的过程。 2.新生分泌蛋白的新生分泌
22、蛋白的N端，可端，可引导其自身转移到细引导其自身转移到细胞靶部位的胞靶部位的保守保守氨基酸序列，称氨基酸序列，称信号序列信号序列(signal sequence)或或信号肽信号肽(signal peptide) 。1亚基的聚合亚基的聚合 如血红蛋白通过非共价键将亚如血红蛋白通过非共价键将亚基聚合成寡聚体。基聚合成寡聚体。2辅基的连接辅基的连接 如糖蛋白、脂蛋白、各种酶等，如糖蛋白、脂蛋白、各种酶等，合成后需与辅基连接，才具有活性。合成后需与辅基连接，才具有活性。3疏水脂链的共价连接疏水脂链的共价连接 如如Ras蛋白、蛋白、G蛋白等蛋白等需嵌入疏水双层膜脂，才具有活性。需嵌入疏水双层膜脂，才具有
23、活性。五、蛋白质生物合成与医学五、蛋白质生物合成与医学 (一一)分子病分子病 由于基因突变导致蛋白质一级结构的改变，由于基因突变导致蛋白质一级结构的改变，进而引起生物体某些结构和功能的异常，这种疾进而引起生物体某些结构和功能的异常，这种疾病称为分子病。分子病最典型的代表为镰刀型红病称为分子病。分子病最典型的代表为镰刀型红细胞贫血病。细胞贫血病。(二二) 抗生素对蛋白质合成的影响抗生素对蛋白质合成的影响 1.抗生素类抗生素类是微生是微生物产生的能够杀灭物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类或抑制细菌的一类药物。药物。抗生素抗生素抗生素抗生素作用点作用点作用点作用点作用原理作用原理作用原理作用原理应用应
24、用应用应用四环素族（金霉素四环素族（金霉素四环素族（金霉素四环素族（金霉素 新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、链霉素、卡那霉素、链霉素、卡那霉素、链霉素、卡那霉素、新霉素新霉素新霉素新霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素红霉素红霉素红霉素红霉素梭链孢酸梭链孢酸梭链孢酸梭链孢酸 放线菌酮放线菌酮放线菌酮放线菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素嘌呤霉素嘌呤霉素原核核蛋白原核核蛋白原核核蛋白原核核蛋白体小亚基体小亚基体小亚基体小亚基原核核蛋白原核核蛋白原核核蛋白原核核蛋白体小亚基体小亚基体小亚基体小亚基原核核蛋白原核核蛋白原核核蛋白原核
25、核蛋白体大亚基体大亚基体大亚基体大亚基原核核蛋白原核核蛋白原核核蛋白原核核蛋白体大亚基体大亚基体大亚基体大亚基原核核蛋白原核核蛋白原核核蛋白原核核蛋白体大亚基体大亚基体大亚基体大亚基真核核蛋白真核核蛋白真核核蛋白真核核蛋白体大亚基体大亚基体大亚基体大亚基真核、原核真核、原核真核、原核真核、原核核蛋白体核蛋白体核蛋白体核蛋白体 抑制氨基酰抑制氨基酰抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA-tRNA与小亚基与小亚基与小亚基与小亚基结合结合结合结合改变构象引起读码错误、抑改变构象引起读码错误、抑改变构象引起读码错误、抑改变构象引起读码错误、抑制起始制起始制起始制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制
26、转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位抑制转肽酶、妨碍转位抑制转肽酶、妨碍转位抑制转肽酶、妨碍转位与与与与EFG-GTPEFG-GTP结合，抑制肽结合，抑制肽结合，抑制肽结合，抑制肽链延长链延长链延长链延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA类似物，进位类似物，进位类似物，进位类似物，进位后引起未成熟肽链脱落后引起未成熟肽链脱落后引起未成熟肽链脱落后引起未成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究医学研究医学研究医学研究抗肿瘤药抗肿瘤药抗肿瘤药抗肿瘤药抑制蛋白质生物合成的原理抑制蛋白质生物合成的原理(1)白喉毒素白喉毒素(diphtheria toxin)白白喉喉毒毒素素+延长因子延长因子延长因子延长因子-2-2（有活性有活性）延长因子延长因子延长因子延长因子-2-2（无活性无活性）2.其他干扰蛋白质生物合成的物质其他干扰蛋白质生物合成的物质(2)干扰素干扰素(interferon，IFN) 干扰素诱导干扰素诱导eIF2磷酸化而失活磷酸化而失活干扰素诱导病毒干扰素诱导病毒RNA降解降解
