生物化學(xué)：第十五章 蛋白質(zhì)生物合成

蛋白質(zhì)的生物合成

（翻譯）

ProteinBiosynthesis，Translation第十五章

蛋白質(zhì)的生物合成過程就是將mRNA分子中由堿基序列組成的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式轉(zhuǎn)變成為蛋白質(zhì)中的氨基酸排列順序，因而稱為翻譯（translation)。

引入：本章節(jié)內(nèi)容第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的主要物質(zhì)第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成過程第三節(jié)翻譯后的加工與靶向輸送第四節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的抑制劑第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的主要物質(zhì)

蛋白質(zhì)合成體系：20種氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白體、酶和蛋白因子、無機離子、ATP、GTP等。一、mRNA：合成蛋白質(zhì)的模板

（一）mRNA是遺傳信息的攜帶者遺傳學(xué)將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。原核細(xì)胞中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個轉(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(singlecistron)。(二)mRNA上存在遺傳密碼

mRNA分子上從5′至3′方向，由AUG

開始，每三個相鄰的核苷酸為一組，在蛋白質(zhì)合成中代表某種氨基酸或其他信息，稱為密碼子或三聯(lián)體密碼，統(tǒng)稱為

遺傳密碼（geneticcodon)。

mRNA分子中含有密碼子信息的區(qū)域 稱為開放讀碼框架（openreadingframe，ORF）。它的5′-端為起始密碼子，3′-端 為終止密碼子。UAGUGA（三）遺傳密碼的特點1.通用性(universal)：蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。2.方向性：5’－3’3.連續(xù)性(commaless)：密碼間連續(xù)閱讀，無間斷。

基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失（不是3的整倍數(shù)），可導(dǎo)致框移突變。4.簡并性(degeneracy)

遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2-6個密碼。

同一種氨基酸可以有多個密碼子，或不同的密碼子可以代表同一種氨基酸，稱為遺傳密碼的簡并性。簡并性密碼子的第一和第二位堿基大多相同，只是第三位堿基不同。因此，第三位堿基的改變并不影響氨基酸的翻譯。

二、tRNA:氨基酸的搬運工具（一）tRNA的特點

結(jié)合氨基酸：tRNA的3‘-CCA端與AA結(jié)合而搬運，一種氨基酸有幾種tRNA攜帶。反密碼子：每種tRNA的反密碼子，決定了所帶氨基酸能準(zhǔn)確的在mRNA上對號入座。

密碼子與反密碼子“對號入座”密碼子與反密碼子的方向是相反5’-U-U-C-3’

密碼

1233’-A-A-G-5’

反密碼

321

密碼子與反密碼子除通過堿基互補結(jié)合外，還具有擺動性，即密碼子的第3位堿基與反密碼子的第1位堿基配對不嚴(yán)格，稱為擺動配對。密碼子、反密碼子配對的擺動現(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,CUG

密碼子的第3位堿基發(fā)生突變時，并不影響tRNA帶入正確的氨基酸。

三、核糖體：合成蛋白質(zhì)的場所

核糖體(ribosome)也叫核蛋白體。數(shù)種rRNA和數(shù)十種蛋白質(zhì)（包括酶和各種蛋白因子）組成的復(fù)合體。核蛋白體的組成原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:A位：氨基酰位P位：肽酰位E位：排出位目錄核糖體由大、小兩個亞基組成原核生物真核生物核蛋白體小亞基大亞基核蛋白體小亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質(zhì)21種34種33種49種

核蛋白體的組成核糖體小亞基:有與SD序列結(jié)合的互補堿基大亞基:有轉(zhuǎn)肽酶；

SD序列

氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酸的活化第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成過程

1.氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性：每種氨基酸都只有1種氨基酰-tRNA合成酶，生成特定的氨基酰-tRNA(aa-tRNA)2.氨基酰-tRNA的表示方法：

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

真核生物起始因子辨認(rèn)的Met-tRNAiMet

延長因子辨認(rèn)Met-tRNAeMet

右上角字母可略

以原核生物為例說明翻譯全過程翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。

整個翻譯過程可分為：翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(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

(translationalinitiationcomplex)。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)合物形成核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA的結(jié)合；核蛋白體大亞基結(jié)合。IF-3IF-11.核蛋白體大小亞基分離AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合S-D序列

IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)結(jié)合到小亞基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成AUG5'3'IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi二、肽鏈延長階段

包括進(jìn)位、成肽和轉(zhuǎn)位3個步驟。肽鏈延長需要2種延長因子(elongationfactor，EF)參與。

EF-GEFEF-TuEF-T

EF-Ts又稱注冊(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)入核蛋白體A位。

（二）成肽（三）轉(zhuǎn)位延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶(translocase)活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3'側(cè)移動。fMetAUG5'3'fMetTuGTP進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽三、終止階段

肽鏈合成終止的相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子

(releasefactor，RF)。

RF有3種：RF-1、RF-2和RF-3。RF-1和RF-2能辨認(rèn)終止密碼子:RF-1可識別UAA和UAGRF-2可識別UAA和UGARF-3能激活核糖體上的轉(zhuǎn)肽酶，表現(xiàn)出酯酶活性，將蛋白質(zhì)多肽鏈水解下來。UAG5'3'RFCOO-多核糖體循環(huán)

蛋白質(zhì)的生物合成耗能

AA活化消耗2ATP，肽鏈延長進(jìn)位和轉(zhuǎn)位各消耗1GTP，所以，蛋白質(zhì)的生物合成啟動以后，每形成1個肽鍵，需要消耗4ATP。

合成一條n個肽鍵組成的多肽鏈所需能量為4×n＋1ATP

蛋白質(zhì)合成過程小結(jié)以mRNA的5’3’方向閱讀遺傳密碼肽鏈合成方向NC（同位素證明）該合成過程是一個耗能過程第三節(jié)翻譯后的加工

核糖體循環(huán)合成的多肽鏈還不具備生物活性，它需要在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過加工修飾以后，才能成為有活性的蛋白質(zhì)。

一、一級結(jié)構(gòu)的修飾

（一）N-末端的修飾去掉N-甲?；蚣琢虬彼幔ǘ﹤€別氨基酸的修飾脯氨酸和賴氨酸的羥化絲、蘇氨酸等的磷酸化

2個半胱氨酸形成二硫鍵（三）水解剪裁修飾胰島素原去C肽，形成A、B2條鏈二、高級結(jié)構(gòu)的修飾(一)輔基的連接結(jié)合蛋白質(zhì)需要與輔基結(jié)合，才能發(fā)揮生物活性。(二)亞基的聚合具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子的聚合，如血紅蛋白是一個四聚體(α2β2)，RNA聚合酶是一個五聚體(α2ββ'σ)。三、靶向輸送

蛋白質(zhì)在胞漿的核糖體上合成以后的去向：①仍然保留在胞漿；②進(jìn)入其他的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，如細(xì)胞核、線粒體、細(xì)胞膜、溶酶體等；③分泌到細(xì)胞外，然后運輸?shù)皆摰鞍踪|(zhì)發(fā)揮作用的靶器官或靶細(xì)胞。

靶向輸送：即是指蛋白質(zhì)在合成以后，定向地到達(dá)其功能部位的過程。信號肽

分泌性蛋白質(zhì)mRNA的5‘-端常常編碼一段富含疏水氨基酸的短肽（長約15～40個氨基酸殘基），這一短肽稱為信號肽(signalpeptide)。

信號肽的作用是引導(dǎo)合成的蛋白質(zhì)到達(dá)功能部位。第四節(jié)蛋白質(zhì)生物合成