生物化學(xué)：第12章蛋白質(zhì)生物合成-本科

蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）第12章ProteinBiosynthesis(Translation)

中心法則(thecentraldogma)

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逆轉(zhuǎn)錄翻譯的概念蛋白質(zhì)生物合成也叫翻譯，是生物細(xì)胞以mRNA為模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列順序所組成的密碼信息合成蛋白質(zhì)的過程。定義第一節(jié)

蛋白質(zhì)生物合成體系ProteinBiosynthesisSystem20種氨基酸（AA）作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、無機(jī)離子參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括：

三種RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核糖體RNA）tRNA（transferRNA,轉(zhuǎn)移RNA）一、mRNA是蛋白質(zhì)生物合成的直接模板mRNA的基本結(jié)構(gòu)StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻譯區(qū)5

3

3’-端非翻譯區(qū)開放閱讀框架從mRNA5-端起始密碼子AUG到3-端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。遺傳密碼在mRNA的開放閱讀框架區(qū)，以每3個(gè)相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸(或其他信息)，這種三聯(lián)體形式的核苷酸序列稱為密碼子。密碼子（codon）方向性連續(xù)性簡并性通用性擺動(dòng)性遺傳密碼表二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)反密碼環(huán)氨基酸臂tRNA的構(gòu)象二、tRNA是氨基酸的運(yùn)載工具及蛋白質(zhì)生物合成的適配器tRNA的作用運(yùn)載氨基酸：在tRNA3ˊ-CCA的位置結(jié)合氨基酸，結(jié)合需要ATP供能；充當(dāng)“適配器”：通過tRNA的反密碼子，氨基酸可以準(zhǔn)確地在mRNA上對號(hào)入座；三、核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的場所核糖體的組成核糖體又稱核蛋白體，是由rRNA和多種蛋白質(zhì)結(jié)合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒，是蛋白質(zhì)生物合成的場所。核糖體的組成（1）A位：即氨基酰位(aminoacylsite)，是結(jié)合氨基酰-tRNA的位點(diǎn)。（2）P位：即肽位(peptidylsite)，是結(jié)合肽酰-tRNA的位點(diǎn)。（3）E位：排出、卸載tRNA的排出位(exitsite)。

注：原核生物。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(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)四、蛋白質(zhì)生物合成需要酶類、蛋白質(zhì)因子等（一）重要的酶類氨基酰-tRNA合成酶：催化氨基酸的活化轉(zhuǎn)肽酶：催化核蛋白體P位上的肽?；D(zhuǎn)移至A位氨基酰-tRNA的氨基上，使?；c氨基結(jié)合形成肽鍵;并受釋放因子的作用后發(fā)生變構(gòu)，表現(xiàn)出酯酶的水解活性，使P位上的肽鏈與tRNA分離；轉(zhuǎn)位酶：催化核蛋白體向mRNA3’-端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離，使下一個(gè)密碼子定位于A位蛋白質(zhì)因子起始因子（initiationfactor，IF）延長因子（elongationfactor，EF）釋放因子（releasefactor，RF）參與原核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學(xué)功能種類生物學(xué)功能起始因子IF-1占據(jù)A位防止結(jié)合其他tRNAIF-2促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合IF-3促進(jìn)大小亞基分離，提高P位對結(jié)合起始tRNA的敏感性延長因子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合并分解GTPEF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促進(jìn)tRNA卸載與釋放釋放因子RF-1特異識(shí)別UAA、UAG，誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ窻F-2特異識(shí)別UAA、UGA，誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ窻F-3可與核蛋白體其他部位結(jié)合，有GTP酶活性，能介導(dǎo)RF-1及RF-2與核蛋白體的相互作用參與真核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學(xué)功能種類生物學(xué)功能起始因子eIF-1多功能因子，參與多個(gè)翻譯步驟eIF-2促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合eIF-2B,eIF-3最先結(jié)合小亞基，促進(jìn)大小亞基分離eIF-4AeIF-4F復(fù)合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5′-端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使其與小亞基結(jié)合eIF-4B結(jié)合mRNA，促進(jìn)mRNA掃描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合mRNA5′帽子eIF-4GeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合eIF-4E、eIF-3和PolyA結(jié)合蛋白eIF-5促進(jìn)各種起始因子從小亞基解離，進(jìn)而結(jié)合大亞基eIF-6促進(jìn)核蛋白體分離成大小亞基延長因子eEF1-α促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTP，相當(dāng)于EF-TueEF1-βγ調(diào)節(jié)亞基，相當(dāng)于EF-TseEF-2有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促進(jìn)tRNA卸載與釋放，相當(dāng)于EF-G釋放因子eRF識(shí)別所有終止密碼子，具有原核生物各類RF的功能第二節(jié)

氨基酸的活化ActivationofAminoAcids氨基酸與特異的tRNA結(jié)合形成氨基酰-tRNA的過程稱為氨基酸的活化。參與氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合成酶。反應(yīng)過程一、氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶1絕對專一性2校正活性氨基酰-tRNA合成酶氨基酸＋ATP-E

氨基酰-AMP-E

＋PPi

第一步反應(yīng)第二步反應(yīng)氨基酰-AMP-E＋tRNA氨基酰-tRNA＋AMP＋E氨基酰-tRNA的表示方法丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：

Met-tRNAMet各種氨基酸和對應(yīng)的tRNA結(jié)合后形成的氨基酰-tRNA表示為：氨基酸的三字母縮寫-tRNA氨基酸的三字母縮寫

例如：二、起始氨基酰-tRNA起始氨基酰-tRNA:Met-tRNAiMet

參與肽鏈延長的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet真核生物原核生物起始氨基酰-tRNA:fMet-tRNAfMet

N-甲酰甲硫氨酸fMet-tRNAfMet的生成是一碳化合物轉(zhuǎn)移和利用的過程之一，反應(yīng)由轉(zhuǎn)甲?；复呋柞；鶑腘10-甲酰四氫葉酸轉(zhuǎn)移到甲硫氨酸的α-氨基上。第三節(jié)

肽鏈的生物合成過程TheBiosynthesisProcessofPeptideChain起始(initiation)延長(elongation)終止(termination)整個(gè)過程可分為：一、原核生物的肽鏈合成過程（一）起始

指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物的過程。1.核糖體大小亞基分離；2.mRNA在小亞基定位結(jié)合；3.起始氨基酰-tRNA的結(jié)合；4.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

mRNA與核糖體小亞基的結(jié)合：

1）互補(bǔ)序列指引（S-D序列）（核酸-核酸）

原核生物核蛋白體小亞基上的16S-rRNA近3’-末端處，有一段與S-D序列互補(bǔ)的短序列…UCCUCC…。

2）核酸-蛋白質(zhì)的辨認(rèn)

緊接S-D序列之后的一小段核苷酸，又可以被核蛋白體小亞基蛋白(rps-l)辨認(rèn)結(jié)合。S-D序列

在翻譯起始密碼子AUG的上游，相距約8—13個(gè)核苷酸處，有一段由4-6個(gè)核苷酸組成的富含嘌呤的序列。這一序列以AGGAGG為核心，因其發(fā)現(xiàn)者是Shine-Dalgarno而得名，又稱為核糖體結(jié)合位點(diǎn)。

小亞基中的16S-rRNA3ˊ-端有一富含嘧啶堿基的短序列，如-UCCUCC-，通過與S-D序列堿基互補(bǔ)而使mRNA與小亞基結(jié)合。IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)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起始復(fù)合物形成過程大亞基；小亞基；mRNA；起始氨基酰tRNA；1.進(jìn)位(positioning)/注冊(registration)2.成肽(peptidebondformation)3.轉(zhuǎn)位(translocation)

（二）延長肽鏈延長在核糖體上連續(xù)循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomalcycle)，包括以下三步：每輪循環(huán)使多肽鏈增加一個(gè)氨基酸殘基。1.進(jìn)位

又稱注冊(registration)，是指一個(gè)氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令進(jìn)入并結(jié)合到核糖體A位的過程。

進(jìn)位需要延長因子EF-Tu與EF-Ts參與。2.成肽

成肽是在轉(zhuǎn)肽酶(peptidase)的催化下，核糖體P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨?；螂孽?tRNA的肽?；D(zhuǎn)移到A位并與A位上氨基酰-tRNA的α-氨基結(jié)合形成肽鍵的過程。成肽的反應(yīng)過程3.轉(zhuǎn)位

轉(zhuǎn)位是在轉(zhuǎn)位酶的催化下，核糖體向mRNA的3′-端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離，使mRNA序列上的下一個(gè)密碼子進(jìn)入核蛋白體的A位、而占據(jù)A位的肽酰-tRNA移入P位的過程。轉(zhuǎn)位需要延長因子EF-G參與。EF-G有轉(zhuǎn)位酶（translocase）活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，釋放的能量促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3′側(cè)移動(dòng)，使起始二肽酰-tRNA-mRNA相對位移進(jìn)入核蛋白體P位，而卸載的tRNA則移入E位。fMetAUG5'3'fMetTuGTP成肽→轉(zhuǎn)位→下一輪進(jìn)位進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽肽鏈合成延長(核蛋白體循環(huán))過程核糖體合成蛋白質(zhì)過程（三）終止

指核蛋白體A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼子后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體大、小亞基等分離的過程。終止階段需要釋放因子RF-1、RF-2和RF-3參與。終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子（RF）1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。2誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚裕喈?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。釋放因子的功能原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3原核肽鏈合成終止過程翻譯時(shí)，從mRNA的起始密碼子AUG開始，按5ˊ→3ˊ方向逐一讀碼，直至終止密碼子。于是，合成中的肽鏈從起始甲硫氨酸開始，從N-端→C-端延長，直至終止密碼子前一位密碼子所編碼的氨基酸。

多聚核蛋白體的形成可以使蛋白質(zhì)生物合成以高速度、高效率進(jìn)行。（四）多聚核蛋白體(polysome)1條mRNA模板鏈都可附著10～100個(gè)核糖體，這些核糖體依次結(jié)合起始密碼子并沿5′→3′方向讀碼移動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行肽鏈合成，這種mRNA與多個(gè)核蛋白體形成的聚合物稱為多聚核糖體(polysome)。多聚核糖體電鏡下的多聚核蛋白體二、真核生物的肽鏈合成過程種類生物學(xué)功能起始因子eIF-1多功能因子，參與多個(gè)翻譯步驟eIF-2促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合eIF-2B,eIF-3最先結(jié)合小亞基，促進(jìn)大小亞基分離eIF-4AeIF-4F復(fù)合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5′-端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使其與小亞基結(jié)合eIF-4B結(jié)合mRNA，促進(jìn)mRNA掃描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合mRNA5′帽子eIF-4GeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合eIF-4E、eIF-3和PolyA結(jié)合蛋白eIF-5促進(jìn)各種起始因子從小亞基解離，進(jìn)而結(jié)合大亞基eIF-6促進(jìn)核蛋白體分離成大小亞基延長因子eEF1-α促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTP，相當(dāng)于EF-TueEF1-βγ調(diào)節(jié)亞基，相當(dāng)于EF-TseEF-2有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促進(jìn)tRNA卸載與釋放，相當(dāng)于EF-G釋放因子eRF識(shí)別所有終止密碼子，具有原核生物各類RF的功能參與真核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學(xué)功能種類生物學(xué)功能起始因子eIF-1多功能因子，參與多個(gè)翻譯步驟eIF-2促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合eIF-2B,eIF-3最先結(jié)合小亞基，促進(jìn)大小亞基分離eIF-4AeIF-4F復(fù)合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5′-端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使其與小亞基結(jié)合eIF-4B結(jié)合mRNA，促進(jìn)mRNA掃描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合mRNA5′帽子eIF-4GeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合eIF-4E、eIF-3和PolyA結(jié)合蛋白eIF-5促進(jìn)各種起始因子從小亞基解離，進(jìn)而結(jié)合大亞基eIF-6促進(jìn)核蛋白體分離成大小亞基延長因子eEF1-α促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTP，相當(dāng)于EF-TueEF1-βγ調(diào)節(jié)亞基，相當(dāng)于EF-TseEF-2有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促進(jìn)tRNA卸載與釋放，相當(dāng)于EF-G釋放因子eRF識(shí)別所有終止密碼子，具有原核生物各類RF的功能（一）起始1.核蛋白體大小亞基分離；2.起始氨基酰-tRNA的結(jié)合；3.mRNA在小亞基定位結(jié)合；4.核蛋白體大亞基結(jié)合。Met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAPB③MetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程真核生物肽鏈合成的延長過程與原核生物基本相似，但有不同的反應(yīng)體系和延長因子。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。（二）延長（三）終止

真核生物翻譯終止過程與原核生物相似，但只有1個(gè)釋放因子eRF，可識(shí)別所有終止密碼子，完成原核生物各類RF的功能。

原核生物與真核生物肽鏈合成過程的主要差別原核生物真核生物mRNA一條mRNA編碼幾種蛋白質(zhì)（多順反子）一條mRNA編碼一種蛋白質(zhì)（單順反子）轉(zhuǎn)錄后很少加工轉(zhuǎn)錄后進(jìn)行首尾修飾及剪接轉(zhuǎn)錄、翻譯和mRNA的降解可同時(shí)發(fā)生mRNA在核內(nèi)合成，加工后進(jìn)入胞液，再作為模板指導(dǎo)翻譯核蛋白體30S小亞基＋50S大亞基?70S核蛋白體40S小亞基＋60S大亞基?80S核蛋白體起始階段起始氨基酰-tRNA為fMet-tRNAfMet起始氨基酰-tRNA為Met-tRNAiMet核蛋白體小亞基先與mRNA結(jié)合,再與fMet-tRNAfMet結(jié)合核蛋白體小亞基先與Met-tRNAiMet結(jié)合，再與mRNA結(jié)合mRNA中的S-D序列與16SrRNA3

-端的一段序列結(jié)合mRNA中的帽子結(jié)構(gòu)與帽子結(jié)合蛋白復(fù)合物結(jié)合有3種IF參與起始復(fù)合物的形成有至少10種eIF參與起始復(fù)合物的形成第四節(jié)蛋白質(zhì)翻譯后修飾和靶向運(yùn)輸翻譯后修飾：對新生多肽鏈進(jìn)行復(fù)雜的加工，使之成為具有天然構(gòu)象的功能蛋白質(zhì)，并具備蛋白質(zhì)生物學(xué)活性的過程。多肽鏈折疊；一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾；空間結(jié)構(gòu)的修飾；靶向運(yùn)輸：蛋白質(zhì)在合成后被定向運(yùn)輸?shù)狡浒l(fā)揮作用的靶位點(diǎn)的過程。核質(zhì)定位；細(xì)胞器定位；多肽鏈的折疊分子伴侶：可以識(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)的正確折疊的保守蛋白質(zhì)。

1）封閉疏水區(qū)域；2）創(chuàng)建隔離環(huán)境；3）促折疊和去聚集；伴侶蛋白化學(xué)修飾1）糖基化——Asp，Ser，Thr；2）羥基化——Lys，Pro；3）甲基化——Glu，Arg，Asp，Lys；4）磷酸化——Thr，Ser，Tyr；5）鏈內(nèi)二硫鍵形成——Cys；6）親脂性修飾；

7）泛素化——Lys；信號(hào)肽：為靶向運(yùn)輸?shù)饺苊阁w、質(zhì)膜或分泌到細(xì)胞外的蛋白質(zhì)提供分選信號(hào)的具有特定序列的肽段。

核定位序列（NLS）：靶向運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核的蛋白質(zhì)及其多肽所共有的特異信號(hào)序列。靶向運(yùn)輸?shù)谖骞?jié)

蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制InterferenceandInhibitionofProteinBiosynthesis