《生物化学和分子生物学：第12章 翻译》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物化学和分子生物学：第12章 翻译（107页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十二章第十二章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成（翻译）（翻译）Protein Biosynthesis (Translation)Department of Biochemistry and Molecular Biology, CMU翻译翻译l蛋白质生物合成蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称翻也称翻译译(translation)，是生物细胞以，是生物细胞以mRNA为模板为模板，按照按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质密码信息合成蛋白质的过程。的过程。生物学意义生物学意义l（1）维持多种生命活动）维持多种生命
2、活动l（2）适应环境的变化）适应环境的变化l（3）参与组织的更新和修复）参与组织的更新和修复第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系Protein Biosynthesis System蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程l（1）氨基酸的活化）氨基酸的活化l（2）肽链的生物合成）肽链的生物合成l（3）肽链形成后的加工和靶向输送）肽链形成后的加工和靶向输送蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系l基本原料：基本原料：20种编码氨基酸种编码氨基酸l模板：模板：mRNAl适配器：适配器：tRNAl装配机：核糖体装配机：核糖体l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
3、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l能源物质：能源物质：ATP、GTPl无机离子：无机离子：Mg2+、 K+一、一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板是蛋白质生物合成的直接模板Start of genetic messageCapEndTail5-端非翻译区端非翻译区 5 3 3-端非翻译区端非翻译区 开放阅读框架开放阅读框架 从从mRNA 5 -端端起起始始密密码码子子AUG到到3 -端端终终止止密密码码子子之之间间的的核核苷苷酸酸序序列列，称称为为开开放放阅阅读读框框架架(open reading frame, ORF)。nmRNA的
4、基本结构的基本结构原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核糖体结合位点核糖体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG -5 3 蛋白质蛋白质AAA 遗传密码遗传密码l在在mRNA的开放阅读框架区，以每的开放阅读框架区，以每3个相邻的核个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子密码子（codon）。）。l起始密码子起始密码子(initiation codon)：AUGl终止
5、密码子终止密码子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA遗传密码遗传密码l1961年，年，Nirenberg 证明了证明了mRNA的模板的模板作用。进一步推断出作用。进一步推断出64个三联体密码子。个三联体密码子。并因此和并因此和Khorana & Holley共获共获1968年诺年诺贝尔生理医学奖。贝尔生理医学奖。细菌矾土颗粒细菌矾土颗粒轻轻研磨轻轻研磨细菌液细菌液离心，去除细胞壁和膜离心，去除细胞壁和膜提取液（提取液（DNA、mRNA、tRNA、核糖体、酶、离子）核糖体、酶、离子）DNA水解酶，水解酶，20种氨基酸等种氨基酸等蛋白质蛋白质遗传密码的特点遗传密码的特点
6、l1. 方向性方向性(directional)l2. 连续性连续性(commaless)l3. 简并性简并性(degenerate)l4. 通用性通用性(universal)l5. 摆动性摆动性(wobble)方向性方向性l翻译时遗传密码的阅读方向是翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读码从，即读码从mRNA的起始密码子的起始密码子AUG开始，按开始，按53的方的方向逐一阅读，直至终止密码子。向逐一阅读，直至终止密码子。 NC肽链延伸方向肽链延伸方向53读码方向读码方向连续性连续性l编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既
7、无间隔阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。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 3AlaValHisMet终止密码终止密码l基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。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l许多真核生物基因转录后有一个对许多真核生物基因转录后有一个对mRNA外显外显子加工的过程，可通过特定碱基的插入、缺失子加工
8、的过程，可通过特定碱基的插入、缺失或置换，使或置换，使mRNA序列中出现移码突变、错义序列中出现移码突变、错义突变或无义突变，导致突变或无义突变，导致mRNA与其与其DNA模板序模板序列不匹配，使同一前体列不匹配，使同一前体mRNA翻译出序列、功翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为为mRNA编辑（编辑（mRNA editing）。简并性简并性l一种氨基酸可具有一种氨基酸可具有2个或个或2个以上的密码子为其个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并性。编码。这一特性称为遗传密码的简并性。l除色氨酸和甲硫氨酸仅有除色氨酸和甲硫氨酸
9、仅有1个密码子外，其余氨个密码子外，其余氨基酸有基酸有2、3、4个或多至个或多至6个三联体为其编码。个三联体为其编码。为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子码子，也称同义密码子 。各种氨基酸的密码子数目各种氨基酸的密码子数目通用性通用性l从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套“通用通用密码密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。通用性。l密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一密码的
10、通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。祖先。l已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。细胞的叶绿体。 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 色色摆动性摆动性l反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对对(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
11、碱基位碱基U, C, AA, GU, CUG二、核糖体是蛋白质生物合成的场所二、核糖体是蛋白质生物合成的场所l核糖体又称核蛋白体，是由核糖体又称核蛋白体，是由rRNA和多种蛋白和多种蛋白质结合而成的一种大的颗粒，是蛋白质生物合质结合而成的一种大的颗粒，是蛋白质生物合成的场所。成的场所。三、三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器的适配器ltRNA的作用的作用l运载氨基酸运载氨基酸：氨基酸各由：氨基酸各由其特异的其特异的tRNA携带，一携带，一种氨基酸可有几种对应的种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在，氨基酸结合在tRNA 3-CCA的位置
12、；的位置；l充当充当“适配器适配器”：每种：每种tRNA的反密码子决定了的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地所携带的氨基酸能准确地在在mRNA上对号入座。上对号入座。四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的活化；，催化氨基酸的活化；l转肽酶转肽酶(peptidase)，催化核糖体，催化核糖体P位上的肽酰位上的肽酰基转移至基转移至A位氨基酰位氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键氨基结合形成肽键;并受释放因子的作用后发生并受
13、释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，使变构，表现出酯酶的水解活性，使P位上的肽链位上的肽链与与tRNA分离；分离；l转位酶转位酶(translocase)，催化核糖体向，催化核糖体向mRNA3-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于位于A位。位。蛋白质因子蛋白质因子l起始因子（起始因子（initiation factor，IF）l延长因子（延长因子（elongation factor，EF）l释放因子（释放因子（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
14、能种种类生物学功能生物学功能起始因子起始因子IF-1占据占据A位防止位防止结合其他合其他tRNAIF-2促促进起始起始tRNA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位位对结合起始合起始tRNA的的敏感性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-Ts调节亚基基EF-G有有转位位酶酶活性，促活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由由A位移位移至至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，诱导转肽酶酶转变为酯酶酶RF-2特异特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶酶转变为
15、酯酶酶RF-3可与核糖体其他部位可与核糖体其他部位结合，有合，有GTP酶酶活性，能介活性，能介导RF-1及及RF-2与核糖体的相互作用与核糖体的相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，参与多个翻多功能因子，参与多个翻译步步骤eIF-2促促进起始起始tRNA与小与小亚基基结合合eIF-2B, eIF-3最先最先结合小合小亚基，促基，促进大小大小亚基分离基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有复合物成分，有RNA解螺旋解螺旋酶酶活性，能解除活性，能解除mRNA5-端的端的
16、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，结合合mRNA 5帽子帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，复合物成分，结合合eIF-4E、eIF-3和和PolyA 结合蛋白合蛋白eIF-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，进而而结合大合大亚基基eIF-6促促进核糖体分离成大小核糖体分离成大小亚基基延延长因子因子eIF1-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-调节亚基，相当于基，相当于EF-TseI
17、F-2有有转位位酶酶活性，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 氨基酸的活化氨基酸的活化Activation of Amino Acids 氨基酸活化形成氨基酰氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶n氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶结构结构氨基酰氨基酰tRNA合成酶的合成酶的3个结合位点个结合位点氨基酸和氨
18、基酸和ATP形成氨基酰腺苷形成氨基酰腺苷氨基酰转移到氨基酰转移到tRNA上上tRNA负载了氨基酸负载了氨基酸氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高都有高度特异性度特异性tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性动动力力学学校校对对化化学学校校对对氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法的表示方法氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写：氨基酸的三字母缩写：l丙氨酰丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAlal精氨酰精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArgl甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA
19、： Met-tRNAMet真核生物与原核生物的不同真核生物与原核生物的不同l起始的氨基酰起始的氨基酰tRNAl原核生物：原核生物： fMet-tRNAfMetl真核生物：真核生物： Met-tRNAiMet 第三节第三节 原核生物肽链的生物合成过程原核生物肽链的生物合成过程The Biosynthesis Process of Peptide Chain in Prokaryotes一、起始一、起始l1. 核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；l2. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；l3. 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； l4. 核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合
20、。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l在各种在各种mRNA起始起始AUG上游约上游约813核苷酸部核苷酸部位，存在一段由位，存在一段由49个核苷酸组成的一致序列，个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为，称为Shine-Dalgarno序列序列(S-D序列序列)，又称核糖体结合位，又称核糖体结合位点点(ribosomal binding site, RBS)。l一条多顺反子一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序序列上的每个基因编码序列均拥有各自
21、的列均拥有各自的S-D序列和起始序列和起始AUG。l小亚基中的小亚基中的16S-rRNA 3-端有一富含嘧啶碱基端有一富含嘧啶碱基的短序列，如的短序列，如3 -UCCUCC- 5 ，通过与，通过与S-D序序列碱基互补而使列碱基互补而使mRNA与小亚基结合。与小亚基结合。小核苷酸序列小核苷酸序列lmRNA序列上紧接序列上紧接S-D序列后的小核苷酸序列，序列后的小核苷酸序列，可被核糖体小亚基蛋白可被核糖体小亚基蛋白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结合到小亚基结合到小亚基A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖体大
22、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起始复合物形成过程起始复合物形成过程二、延长二、延长l又称为核糖体循环又称为核糖体循环(ribosomal cycle)，包括以，包括以下三步：下三步：l1. 进位进位(positioning)/注册注册(registration)l2. 成肽成肽(peptide bond formation)l3. 转位转位(translocation) 1. 进位进位是是指一个氨基酰指一个氨基酰-tRNA按照按照mRNA模模板的指令进入并结合板的指令进入并结合到核糖体
23、到核糖体A位的过程。位的过程。进位需要延长因子进位需要延长因子EF-Tu与与EF-Ts参参与。与。 Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTPn进位的反应过程：进位的反应过程： 2.成肽成肽l成肽是在转肽酶成肽是在转肽酶(peptidase)的催化下，核糖体的催化下，核糖体P位上起始氨基酰位上起始氨基酰-tRNA的的N-甲酰甲硫氨酰基或甲酰甲硫氨酰基或肽酰肽酰-tRNA的肽酰基转移到的肽酰基转移到A位并与位并与A位上氨基位上氨基酰酰-tRNA的的-氨基结合形成肽键的过程。氨基结合形成肽键的过程。n成肽的反应过程成肽的反应过程 3. 转位转位l转位是在转位酶的催化下，核糖体向转位是在转位
24、酶的催化下，核糖体向mRNA的的3-端移动一个密码子的距离，使端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上序列上的下一个密码子进入核糖体的的下一个密码子进入核糖体的A位、而占据位、而占据A位位的肽酰的肽酰-tRNA移入移入P位的过程。位的过程。 l转位需要延长因子转位需要延长因子EF-G参与。参与。转位酶转位酶lEF-G有转位酶（有转位酶（translocase）活性，可结合）活性，可结合并水解并水解1分子分子GTP，释放的能量促进核糖体向，释放的能量促进核糖体向mRNA的的3侧移动，使起始二肽酰侧移动，使起始二肽酰-tRNA-mRNA相对位移进入核糖体相对位移进入核糖体P位，而卸载的位，而卸载的
25、tRNA则移入则移入E位。位。fMetA U G53fMetTuGTP成肽成肽转位转位下一轮进位下一轮进位进进位位转转位位成肽成肽n肽链合成延长肽链合成延长(核糖体循环核糖体循环)过程过程 （三）终止（三）终止l指核糖体指核糖体A位出现位出现mRNA的终止密码子后，多肽的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分离的过程。、核糖体大、小亚基等分离的过程。 l终止阶段需要释放因子终止阶段需要释放因子RF-1、 RF-2和和 RF-3参参与。与。 RF-3可结合核糖体其他部位，有可结合核糖体其他部位，有GTP酶活性，能酶活
26、性，能介导介导RF-1、RF-2与核糖体的相互作用。与核糖体的相互作用。 n释放因子的功能：释放因子的功能：识别终止密码子识别终止密码子RF-1特异识别特异识别UAA、UAG； RF-2特异识别特异识别UAA、UGA。诱导转肽酶转变为酯酶活性诱导转肽酶转变为酯酶活性催化新生肽链与结合在催化新生肽链与结合在P位的位的tRNA之间之间的酯键水解，使肽链从核糖体上释放。的酯键水解，使肽链从核糖体上释放。四、多聚核糖体四、多聚核糖体(polyribosome)l1条条mRNA模板链都可附着模板链都可附着10100个核糖体，个核糖体，这些核糖体依次结合起始密码子并沿这些核糖体依次结合起始密码子并沿53方
27、向方向读码移动，同时进行肽链合成，这种读码移动，同时进行肽链合成，这种mRNA与与多个核糖体形成的聚合物称为多个核糖体形成的聚合物称为多聚核糖体多聚核糖体。 l多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合成以高多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。速度、高效率进行。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 真核生物肽链的生物合成过程真核生物肽链的生物合成过程The Biosynthesis Process of Peptide Chain in Eukaryotes一、起始一、起始l1. 核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；l2. 起始氨基酰起始氨基酰
28、-tRNA的结合；的结合； l3. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；l4. 核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。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、延长二、延长l真核生物肽链合成的延长过程
29、与原核生物基本真核生物肽链合成的延长过程与原核生物基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。相似，但有不同的反应体系和延长因子。l另外，真核细胞核糖体没有另外，真核细胞核糖体没有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。三、终止三、终止l真核生物翻译终止过程与原核生物相似，但只真核生物翻译终止过程与原核生物相似，但只有有1个释放因子个释放因子eRF，可识别所有终止密码子，可识别所有终止密码子，完成原核生物各类完成原核生物各类RF的功能。的功能。l每增加每增加1个肽键至少消耗个肽键至少消耗 4个高能磷酸键。个高能磷酸键。第五节第五节 蛋白质翻译后修饰和靶向输送蛋白质翻
30、译后修饰和靶向输送posttranslational modification & protein targetingl新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰(posttranslational modification)。l蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位点的过程称为蛋白质的靶向输送点的过程称为蛋白质的靶向输送(protein targeting
31、)。一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质l细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。而需要其他酶和蛋白质辅助。几种有促进蛋白质折叠功能的大分子几种有促进蛋白质折叠功能的大分子l分子伴侣分子伴侣 (molecular chaperon) l蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI)l肽肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI)分子伴侣分子伴侣l分子伴侣是细胞内一
32、类可识别肽链的非天然构分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠的象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠的保守蛋白质。保守蛋白质。 l分子伴侣主要有：分子伴侣主要有：l(1) 热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP) l(2) 伴侣蛋白伴侣蛋白(chaperonin) 热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP)l热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要折叠的多肽折叠为有天然空间构象的
33、蛋白质。折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。 l热休克蛋白包括热休克蛋白包括HSP70、HSP40和和GrpE三族。三族。大肠杆菌的大肠杆菌的HSP70 (DnaK)l它有两个主要功能域：一个是存在于它有两个主要功能域：一个是存在于N-端的高端的高度保守的度保守的ATP酶结构域，能结合和水解酶结构域，能结合和水解ATP；另一个是存在于另一个是存在于C-端的多肽链结合结构域。蛋端的多肽链结合结构域。蛋白质的折叠需要这两个结构域的相互作用。白质的折叠需要这两个结构域的相互作用。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HSP70
34、还需还需2个辅助因子个辅助因子HSP40和和Grp El大肠杆菌的大肠杆菌的HSP40 (Dna J)可激活可激活Dna K中的中的ATP酶，生成稳定的酶，生成稳定的Dna J -Dna K-ADP-被折被折叠蛋白质复合物，以利于叠蛋白质复合物，以利于Dna K发挥分子伴侣发挥分子伴侣作用。在作用。在ATP存在的情况下，存在的情况下，Dna J和和Dna K的的相互作用能抑制蛋白质的聚集。相互作用能抑制蛋白质的聚集。lGrp E，核苷酸交换因子，与，核苷酸交换因子，与Dna K的的ATP酶结酶结构域结合，使构域结合，使Dna K的构象发生改变、的构象发生改变、ADP从从复合物中释放出来并由复合
35、物中释放出来并由ATP代替代替ADP，从而控，从而控制制Dna K的的ATP酶活性。酶活性。大肠杆菌中的大肠杆菌中的HSP70 反应循环反应循环l人类细胞中人类细胞中HSP蛋白质家族可存在于胞浆、内蛋白质家族可存在于胞浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位，涉及多种细胞质网腔、线粒体、胞核等部位，涉及多种细胞保护功能：如使线粒体和内质网蛋白质保持未保护功能：如使线粒体和内质网蛋白质保持未折叠状态而转运、跨膜，再折叠成功能构象；折叠状态而转运、跨膜，再折叠成功能构象；通过类似上述机制，避免或消除蛋白质变性后通过类似上述机制，避免或消除蛋白质变性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，以利于因疏水基团暴露而
36、发生的不可逆聚集，以利于清除变性或错误折叠的多肽中间物等。清除变性或错误折叠的多肽中间物等。伴侣蛋白伴侣蛋白(chaperonin)l伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌的的Gro EL和和Gro ES（真核细胞中同源物为（真核细胞中同源物为HSP60和和HSP10）等家族。）等家族。l其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供能折其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。叠形成天然空间构象的微环境。 Gro EL-Gro ES复合物复合物l当待折叠肽链进入当待折叠肽链进入Gro EL的桶状空腔后，的桶状空腔后，Gro ES可作为
37、可作为“盖子盖子”瞬时封闭瞬时封闭Gro EL空腔出口。封闭空腔出口。封闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。Gro EL-Gro ES反应循环反应循环 蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶l多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌型蛋白质、膜蛋白质等的天然构象十分重分泌型蛋白质、膜蛋白质等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。要，这一过程主要在细胞内质网进行。l二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二区段肽
38、链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。天然构象。肽肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 l多肽链中肽酰多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象有明显差别。异构体，空间构象有明显差别。l肽酰肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。构体之间的转换。l肽酰肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽
39、在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。 二、蛋白质一级结构修饰主要是肽键水解和化学修二、蛋白质一级结构修饰主要是肽键水解和化学修饰饰 l肽链末端的修饰肽链末端的修饰l个别氨基酸的共价修饰个别氨基酸的共价修饰l多肽链的水解修饰多肽链的水解修饰胰岛素的加工过程胰岛素的加工过程三、空间结构的修饰三、空间结构的修饰l通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质；白质；l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。四、合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位四、合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位l蛋白质在核糖体上合
40、成后，必须分选出来，定蛋白质在核糖体上合成后，必须分选出来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。同步进行。 （一）分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外（一）分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外l真核细胞分泌型蛋白质的靶向输送过程为：核真核细胞分泌型蛋白质的靶向输送过程为：核糖体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网糖体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网腔并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，腔并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，在高尔基复合体中被包装进分泌小
41、泡，转移至在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转移至细胞膜，再分泌到细胞外。细胞膜，再分泌到细胞外。1、靶向输送的蛋白质、靶向输送的蛋白质N-端存在信号肽端存在信号肽l多数靶向输送到溶酶体、质膜或分泌到细胞外多数靶向输送到溶酶体、质膜或分泌到细胞外的蛋白质，其肽链的的蛋白质，其肽链的N-端有一长度为端有一长度为1316个个氨基酸残基的信号序列称为氨基酸残基的信号序列称为信号肽信号肽(signal peptide)。l信号肽是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元信号肽是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋白质自身的一级结构中。
42、白质自身的一级结构中。信号肽有以下共性信号肽有以下共性lN-端含端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；酸、精氨酸；l中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；酸、异亮氨酸等；lC-端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是被信号（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是被信号肽酶肽酶(signal peptidase)裂解的位点裂解的位点 。2、信号肽引导蛋白质进入内质网、信号肽
43、引导蛋白质进入内质网3、靶向输送至内质网的蛋白质、靶向输送至内质网的蛋白质C-端含有滞端含有滞留信号序列留信号序列l与分泌型蛋白质一样，内质网中的驻留蛋白质与分泌型蛋白质一样，内质网中的驻留蛋白质先经粗面内质网上的附着核糖体合成并进入内先经粗面内质网上的附着核糖体合成并进入内质网腔，然后随囊泡输送到高尔基复合体。但质网腔，然后随囊泡输送到高尔基复合体。但是，内质网蛋白质多肽链的是，内质网蛋白质多肽链的C-端含有滞留信号端含有滞留信号序列，可与相应受体结合。在高尔基复合体上，序列，可与相应受体结合。在高尔基复合体上，内质网蛋白质通过其滞留信号序列与受体结合内质网蛋白质通过其滞留信号序列与受体结合
44、后，随囊泡输送回内质网。后，随囊泡输送回内质网。 4、质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细、质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜胞膜l质膜蛋白质合成时在粗面内质网上的跨膜机制质膜蛋白质合成时在粗面内质网上的跨膜机制与分泌型蛋白质的跨膜机制相似，但是，质膜与分泌型蛋白质的跨膜机制相似，但是，质膜蛋白质的肽链并不完全进入内质网腔，而是锚蛋白质的肽链并不完全进入内质网腔，而是锚定在内质网膜上。定在内质网膜上。l不同类型的跨膜蛋白质以不同的形式锚定于膜不同类型的跨膜蛋白质以不同的形式锚定于膜上。上。 （二）线粒体蛋白质的靶向输送（二）线粒体蛋白质的靶向输送（三）细胞核蛋白质含有核定位序列（三）细胞核蛋
45、白质含有核定位序列l靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特异信号序列，称为异信号序列，称为核定位序列核定位序列(nuclear localization sequence, NLS) 。lNLS为含为含48个氨基酸残基的短序列，富含带个氨基酸残基的短序列，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽正电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的不同部位，而不只在链的不同部位，而不只在N末端。末端。l不同的不同的NLS间未发现共有序列；间未发现共有序列； 在蛋白质进核在蛋白质进核定位后，定位后，NLS不被切除。不被切除。 细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔
46、靶向输细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔靶向输送入核送入核第六节第六节 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一、抗生素一、抗生素l抗生素抗生素(antibiotics)是一类由某些真菌、细菌是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力，对宿主无毒性的抗或杀死其他微生物的能力，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。性疾病。抗生素抗生素 作
47、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、真核核糖体小原核、真核核糖体小亚基亚基 阻碍翻译起始复合物的形成阻碍翻译起始复合物的形成抗肿瘤药抗肿瘤药四环素、土霉素四环素、土霉素 原核核糖体小亚基原核核糖体小亚基 抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA与小亚基与小亚基结合结合 抗菌药抗菌药链霉素、新霉素、链霉素、新霉素、巴龙霉素巴龙霉素 原核核糖体小亚基原核核糖体小亚基 改变构象引起读码错误、抑改变构象引起读码错误、抑制起始制起始抗菌药抗菌药氯霉素、林可霉氯霉素、林可霉素、红霉素素、红霉素 原核核糖体大亚基原核核糖体大亚基抑制转肽酶、阻断肽链延长抑制转肽酶、阻断肽链延长抗菌药抗菌药
48、嘌呤霉素嘌呤霉素 原核、真核核糖体原核、真核核糖体 使肽酰基转移到它的氨基上使肽酰基转移到它的氨基上后脱落后脱落抗肿瘤药抗肿瘤药放线菌酮放线菌酮 真核核糖体大亚基真核核糖体大亚基 抑制转肽酶、阻断肽链延长抑制转肽酶、阻断肽链延长医学研究医学研究 夫西地酸、细球夫西地酸、细球菌素菌素EF-G 抑制抑制EF-G、阻止转位、阻止转位抗菌药抗菌药壮观霉素壮观霉素原核核糖体小亚基原核核糖体小亚基 阻止转位阻止转位抗菌药抗菌药常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用二、毒素及其它干扰物质二、毒素及其它干扰物质l1白喉毒素白喉毒素(diphtheria toxin)
49、l2蓖麻蛋白蓖麻蛋白(ricin)l3. 干扰素（干扰素（interferon）白喉毒素白喉毒素干扰素干扰素原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物原核生物真核生物真核生物mRNA一条一条mRNA编码几种蛋白几种蛋白质（多（多顺反子）反子） 一条一条mRNA编码一种蛋白一种蛋白质（单顺反子）反子）转录后很少加工后很少加工转录后后进行首尾修行首尾修饰及剪接及剪接转录、翻、翻译和和mRNA的降解可同的降解可同时发生生mRNA在核内合成，加工后在核内合成，加工后进入胞液，再入胞液，再作作为模板指模板指导翻翻译核糖体核糖体30S小小亚基基50S大大亚基基
50、 70S核糖体核糖体40S小小亚基基60S大大亚基基 80S核糖体核糖体起始起始阶段段起始氨基起始氨基酰-tRNA为fMet-tRNAfMet起始氨基起始氨基酰-tRNA为Met-tRNAiMet核糖体小核糖体小亚基先与基先与mRNA结合合,再与再与fMet-tRNAfMet结合合核糖体小核糖体小亚基先与基先与Met-tRNAiMet结合，再合，再与与mRNA结合合mRNA中的中的S-D序列与序列与16S rRNA 3 -端端的一段序列的一段序列结合合mRNA中的帽子中的帽子结构与帽子构与帽子结合蛋白复合合蛋白复合物物结合合有有3种种IF参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成有至少有至少10
51、种种eIF参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成延延长阶段段延延长因子因子为EF-Tu、EF-Ts和和EF-G延延长因子因子为eEF-1、eEF-1和和eEF-2终止止阶段段释放因子放因子为RF-1、RF-2和和RF-3释放因子放因子为eRF本章重点本章重点l1.概念：翻译、遗传密码、密码的摆动性、概念：翻译、遗传密码、密码的摆动性、mRNA编辑、框移突变、编辑、框移突变、SD序列、信号肽、靶序列、信号肽、靶向输送、多聚核糖体向输送、多聚核糖体l2.简述简述RNA在蛋白质合成中的作用。在蛋白质合成中的作用。l3.简述原核生物蛋白质生物合成的过程。简述原核生物蛋白质生物合成的过程。l4.简述蛋白质生物合成的体系。简述蛋白质生物合成的体系。l5.原核生物和真核生物的翻译起始复合物的生成原核生物和真核生物的翻译起始复合物的生成有何异同？有何异同？
