第_十_二_章__蛋白質(zhì)的生物合成復(fù)習(xí)提要

1、第 十 二 章 蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）Protein Biosynthesis，Translation概述 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 。第 一 節(jié) 蛋白質(zhì)合成體系Protein Biosynthesis System 參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括：l 三種RNA mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白體RNA） tRNA（transfer RNA, 轉(zhuǎn)移RNA）l 20種氨基酸(AA)作為原料l 酶及眾多蛋白因子，如

2、IF、eIF l ATP、GTP、無機(jī)離子一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼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反子(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)，為多順反子(polycistron) 。 真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(single cistron) 。 遺傳密碼：mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，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(triplet codon)。起始密碼(initiation codon): AUG ；

3、終止密碼(termination codon): UAA，UAG，UGA 從mRNA 5端起始密碼子AUG到3端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個(gè)蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。 遺傳密碼的特點(diǎn)： 1. 連續(xù)性(commaless)：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 間既無間斷也無交叉。 2. 簡(jiǎn)并性(degeneracy)：遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個(gè)密碼子外，其 余氨基酸有2、3、4個(gè)或多至6個(gè)三聯(lián)體為其編碼。 3. 通用性(universal)：蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類

4、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。 4. 擺動(dòng)性(wobble)：轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補(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 見的堿基配對(duì)規(guī)律，稱為擺動(dòng)配對(duì)。 二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置不同細(xì)胞核蛋白體的組成 核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:P位：肽酰位(peptidyl site) A位：氨基酰位(aminoacyl site) 原 核：E位：排出位(exit site)三、tRNA與氨基酸的活化（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)第一步反應(yīng)：氨基酸 ATP-E 氨基酰-AM

5、P-E AMP PPi 第二步反應(yīng)：氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP El 氨基酰-tRNA合成酶對(duì)底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。l 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。l 氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet （二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet第 二 節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成過程 （The Process of Protein Biosynthesis）（60分鐘） 翻譯過程從閱讀框

6、架的5-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長(zhǎng)肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。 整個(gè)翻譯過程可分為 ：l 翻譯的起始(initiation) 翻譯的延長(zhǎng)(elongation) 翻譯的終止(termination )一、肽鏈合成起始：指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物 (translational initiation complex)。原核、真核生物各種起始因子的生物功能 （一）原核生物翻譯起始復(fù)合物形成l 核蛋白體大小亞基分離；l mRNA在小亞基定位結(jié)合；S-D序列：l 起始氨基酰-tRNA的結(jié)合； l 核蛋白體大亞基結(jié)合。（二）真核生物翻譯起始復(fù)合物

7、形成核蛋白體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結(jié)合；mRNA在核蛋白體小亞基就位；核蛋白體大亞基結(jié)合。二、肽鏈合成延長(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，直到合成終止的過程。 肽鏈延長(zhǎng)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)(ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸，包括以下三步：進(jìn)位(entrance)；成肽(peptide bond formation；)轉(zhuǎn)位(translocation)l 延伸過程所需蛋白因子稱為延長(zhǎng)因子(elongation factor, EF)：原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)；EF-G真核生物

8、：EF-1 、EF-2 （一）進(jìn)位又稱注冊(cè)(registration：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。核蛋白體對(duì)氨基酰-tRNA進(jìn)位具有校正作用 （二）成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。（三）轉(zhuǎn)位（四）真核生物延長(zhǎng)過程真核生物肽鏈合成的延長(zhǎng)過程與原核基本相似，但有不同的反應(yīng)體系和延長(zhǎng)因子。另外，真核細(xì)胞核蛋白體沒有E位，轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。三、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，這些過程稱為肽鏈合成終止。 終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋

9、放因子 (release factor, RF原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物釋放因子：eRF 釋放因子的功能：一是識(shí)別終止密碼，如RF-1特異識(shí)別UAA、UAG；而RF-2可識(shí)別UAA、UGA。二是誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相?dāng)于催化肽?；D(zhuǎn)移到水分子-OH上，使肽鏈從核蛋白體上釋放。核蛋白體循環(huán)（廣義）：指核蛋白體從肽鏈合成起始到肽鏈合成終止釋放后，又重新合成新的肽鏈的循環(huán)過程。l 翻譯的能量消耗：l 活化 ：2ATP 進(jìn)位： 1GTP 轉(zhuǎn)位： 1 GTPl 合成一個(gè)AA至少需要 4 ATP 多聚核蛋白體(polysome) 使蛋白質(zhì)合成高速、高效進(jìn)行。第 三 節(jié)蛋

10、白質(zhì)合成后加工和輸送Posttranslational Processing & Protein Transportation從核蛋白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)過不同的翻譯后復(fù)雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。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 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端在核蛋白體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始?？赡茈S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)、模序、結(jié)構(gòu)域到形成完整空間構(gòu)象。 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)是空間構(gòu)

11、象的基礎(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、蛋白輔助。 幾種有促進(jìn)蛋白折疊功能的大分子：1. 分子伴侶 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI) 分子伴侶分子伴侶是細(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。 1. 熱休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 熱休克蛋白促進(jìn)蛋白質(zhì)折

12、疊的基本作用結(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)。 2. 伴侶素(chaperonins) GroEL和GroES家族伴侶素的主要作用為非自發(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。 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶 多肽鏈內(nèi)或肽鏈之間二硫鍵的正確形成對(duì)穩(wěn)定分泌蛋白、膜蛋白等的天然構(gòu)象十分重要，這一過程主要在細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)行。 二硫鍵異構(gòu)酶在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯(cuò)配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質(zhì)形成熱力學(xué)最穩(wěn)定的天然構(gòu)象。肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構(gòu)體，空間構(gòu)象明顯差別。 肽酰

13、-脯氨酰順反異構(gòu)酶可促進(jìn)上述順反兩種異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)換。 肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶是蛋白質(zhì)三維構(gòu)象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構(gòu)型時(shí)，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準(zhǔn)確折疊。 二、一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾（一）肽鏈N端的修飾 （二）個(gè)別氨基酸的修飾 （三）多肽鏈的水解修飾三、高級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾（一）亞基聚合； （二）輔基連接；（三）疏水脂鏈的共價(jià)連接 四、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送l 真核生物蛋白在胞液核蛋白體上合成后的三種去向:保留在胞液;進(jìn)入細(xì)胞核、線粒體或其他細(xì)胞器；分泌到體液，輸送到其靶器官和靶細(xì)胞。蛋白質(zhì)的靶向輸送(protein targeting)：蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復(fù)雜機(jī)制，定向輸送到最終發(fā)揮

14、生物功能的細(xì)胞靶部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送。 信號(hào)序列(signal sequence)：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 。 （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程首先要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。 信號(hào)肽(signal peptide)： 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。 信號(hào)肽引導(dǎo)真核分泌蛋白進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 第 四 節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis 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)。它們就是通過阻斷真核、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)生物合成過程而起作用的。 可針對(duì)蛋白質(zhì)生物合成必需的關(guān)鍵組分作為研究新抗菌藥物的作用靶點(diǎn)。同時(shí)盡量利用真核、原核生物蛋白質(zhì)合成體系的任何差異，以設(shè)計(jì)、篩選僅對(duì)病原微生物特效而不損害人體的藥物。 l 抗生素(antibiotics)：是