第十二章 蛋白质的生物合成（翻译） Chapter 12 Protein Biosynthesis，Translation

本章重点与难点 重点：了解密码子的概念与特点；RNA在蛋白质生物合成中的作用；蛋白质合成过程及合成后加工与运输。 难点：核糖体的结构；蛋白质合成过程；肽链合成后的加工与定向运输；蛋白质生物合成的干扰和抑制。

DNA: ATGCATGCATGC 什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列呢？ 如何实现碱基序列到氨基酸序列的转变？ RNA: AUGCAUGCAUGC PROTEIN: aa1 aa2 aa3 aa4

蛋白质的生物合成，即翻译或表达，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。

参与蛋白质生物合成的物质包括 三种RNA mRNA（作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序） rRNA（蛋白体生物合成的场所） tRNA（搬运氨基酸的工具） 20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子

一、翻译模板mRNA及遗传密码 mRNA是遗传信息的携带者 遗传学将编码一个蛋白质或多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron) 。 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。

原核生物的多顺反子 蛋白质 真核生物的单顺反子 蛋白质 非编码序列 核蛋白体结合位点 起始密码子 终止密码子 编码序列 3 5 PPP mG - 5 3 蛋白质 非编码序列 核蛋白体结合位点 起始密码子 终止密码子 编码序列

我们已经知道,多肽上氨基酸的排列次序最终是由DNA上核苷酸的排列次序决定的，而直接决定多肽上氨基酸次序的是mRNA上的核苷酸的排列次序,不论是DNA还是mRNA都是由4种核苷酸构成，而组成多肽的氨基酸有20种,显然,必须是几个核苷酸的组合编码一个氨基酸才能应付局面.用数学方法很容易算出,如果每2个核苷酸编码1个氨基酸,那么4种核苷酸只有16中编码方式，显然不行,如果每3个核苷酸编码1个氨基酸,则有64种编码方式,很理想,如果4对1则有256种,太没必要也太复杂了,时刻记住生物体是一个最理想的体系.而且科学家们用生物化学实验已经证实是3个碱基编码1个氨基酸,称为三联体密码或密码子。

遗传密码的破译 在遗传密码的破译中,美国科学家M.W.Nirenberg等人做出了重要贡献 ,并于1968年获得了诺贝尔生理医学奖. 早在1961年，M.W.Nirenberg等人在大肠杆菌的无细胞体系中外加poly(U)模板、20种标记的氨基酸，经保温后得到了多聚phe-phe-phe，于是推测UUU编码phe。利用同样的方法得到CCC编码pro，GGG编码gly，AAA编码lys。 如果利用poly（UC），则得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推测UCU编码Ser，CUC编码Leu，因为poly（UC）有两种读码方式：UCU——CUC和CUC——UCU 采用这种方式，到1965年就全部破译了64组密码子。

mRNA上存在遗传密码 起始密码(initiation coden): AUG ，GUG mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。在64个密码子中有61个编码氨基酸，3个不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用，称为终止密码子，它们是UAG、UAA、UGA，密码子AUG（编码Met）又称起始密码子。 起始密码(initiation coden): AUG ，GUG 终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA

遗传密码表

从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。

遗传密码的特点 1. 连续性(commaless) 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。

基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。

2. 简并性(degeneracy) 遗传密码共有64个，其中61个密码子对应20中氨基酸，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。

3. 通用性(universal) 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

4. 摆动性(wobble) 转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。 5、方向性 即解读方向为5′→ 3′

摆动配对 U

反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。

密码子、反密码子配对的摆动现象 tRNA反密码子 第1位碱基 I U G A C mRNA密码子 第3位碱基 U, C, A A, G

二、核蛋白体是多肽链合成的装置或场所

不同细胞核蛋白体的组成 原核生物 真核生物 核蛋白体 小亚基 大亚基 S 70S 30S 50S 80S 40S 60S rRNA 蛋白质 rpS 21种 rpL 36种 rpS 33种 rpL 49种

核蛋白体的组成

大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。

原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式: P位：肽酰位 (peptidyl site) A位：氨基酰位 (aminoacyl site) (exit site)

核糖体包括如下部位： 容纳mRNA的部位 结合氨基酰tRNA的部位（A－位点） 结合肽酰tRNA的部位（P－位点） 形成肽键的部位（转肽酶中心）

核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能： 1．小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2．大亚基： （1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右）—— 受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）——给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。 （2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。 （3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。 （4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。

在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。

三、tRNA与氨基酸的活化 氨基酸臂 反密码环

tRNA的三级结构示意图

(aminoacyl-tRNA synthetase) 氨基酸的活化 （一）氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase) 氨基酸 + tRNA 氨基酰- tRNA ATP AMP＋PPi 氨基酰-tRNA合成酶

第一步反应 氨基酸 ＋ATP-E —→ 氨基酰-AMP-E ＋ AMP ＋ PPi

第二步反应 氨基酰-AMP-E ＋ tRNA ↓ 氨基酰-tRNA AMP E

tRNA与酶结合的模型 tRNA ATP 氨基酰-tRNA合成酶

氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet

（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA 真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet

四、蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis 翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。 整个翻译过程可分为 ： 翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination )

活化氨基酸的缩合——核蛋白体循环 活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。 核蛋白体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。

（一）肽链合成起始（翻译起始） 指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。

原核、真核生物各种起始因子的生物功能

1、原核生物翻译起始复合物形成 核蛋白体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。

1）30S起动复合物的形成：在起动因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（fmet-tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。

2）70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。 3）70S起动复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时，tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的给位（P位）。

在起始密码子AUG上游9-13个核苷酸处，有一段可与核糖体16S rRNA配对结合的、富含嘌呤的3-9个核苷酸的共同序列，一般为AGGA，此序列称SD序列。它与核糖体小亚基内16S rRNA的3’端一段富含嘧啶的序列 GAUCACCUCCUUA-OH（暂称反SD序列）互补，形成氢键。使得结合于30S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG。 真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。

S-D序列 ：mRNA上的AGGAGGU区域作为翻译起始信号，被称为Shine－Dalgarno顺序或S.D序列。

2、真核生物翻译起始复合物形成 核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合； mRNA在核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。

Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP 40S met elF-3 ② mRNA ATP ADP+Pi elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB ③ Met Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP Met 60S GDP+Pi 各种elF释放 elF-5 ④ eIF-2B、eIF-3、 eIF-6 ① 40S 60S Met 真核生物翻译起始复合物形成过程

（二）肽链合成延长 指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。 肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位(entrance) 成肽(peptide bond formation) 移位(translocation)

延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF) 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2

肽链合成的延长因子 原核延长因子 生物功能 对应真核延长因子 EF-Tu 促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP EF-1-α EF-Ts 调节亚基 EF-1-βγ EFG 有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放 EF-2

1、进位 又称注册(registration) 指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

延长因子EF-T催化进位（原核生物）

Tu Ts GTP Ts Tu GDP GTP A U G 5' 3'

2、成肽 是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。

3、移位 延长因子EF-G有转位酶( translocase )活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3'侧移动 。

进位 成肽 转位

4、真核生物延长过程 真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。 另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。

（三）肽链合成的终止 当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。

释放因子的功能 终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF) 原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF 释放因子的功能 一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 二是诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核蛋白体上释放。

肽链终止阶段： 核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。 1．识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。  2．水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。  3．解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。

原核肽链合成终止过程

COO- RF U A G 5' 3'

五、蛋白质合成后加工和输送 Posttranslational Processing & Protein Transportation 从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。 主要包括 多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰 高级结构修饰

（一）多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。 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、蛋白辅助。

几种有促进蛋白折叠功能的大分子 ——助折叠蛋白 1. 分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)

分子伴侣 分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，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。 1. 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侣素(chaperonins) GroEL和GroES家族

HSP40结合待折叠多肽片段 HSP70-ATP复合物 HSP40- HSP70-ADP-多肽复合物 复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠 热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用—— 结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。 HSP40结合待折叠多肽片段 HSP70-ATP复合物 HSP40- HSP70-ADP-多肽复合物 ATP水解 GrpE ATP ADP 复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠

伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程 伴侣素的主要作用—— 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。 伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程

蛋白二硫键异构酶 多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。 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硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。

肽-脯氨酰顺反异构酶 多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。 肽酰-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。 肽酰-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，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。

（二）一级结构的修饰 1、肽链N端的修饰 2、个别氨基酸的修饰 3、多肽链的水解修饰 4、糖基化修饰

N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 ① 去甲酰化： 甲酰化酶 ② 去蛋氨酰基： 蛋氨酸氨基肽酶 甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽   ② 去蛋氨酰基： 蛋氨酸氨基肽酶 蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽

2．氨基酸的修饰： 由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。 3．二硫键的形成： 由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。 4．肽段的切除： 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。

鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰 N C 信号肽 PMOC KR ACTH -LT -MSH -MSH Endophin 103肽 ( ？) ACTH -LT -MSH -MSH Endophin

（三）高级结构的修饰 1、亚基聚合 2、辅基连接 3、疏水脂链的共价连接

六、蛋白质合成后的靶向输送 •蛋白质的靶向输送(protein targeting) 蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。

• 信号序列(signal sequence)

靶向输送蛋白的信号序列或成分 靶向输送蛋白 信号序列或成分 分泌蛋白 信号肽 内质网腔蛋白 信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列) 线粒体蛋白 N端靶向序列（20～35氨基酸残基） 核蛋白 核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原） 过氧化体蛋白 -Ser-Lys-Leu-（PST序列） 溶酶体蛋白 Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）

（一）分泌蛋白的靶向输送 信号肽(signal peptide) 真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。

信号肽的一级结构

信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网

（二）线粒体蛋白的靶向输送

（三）细胞核蛋白的靶向输送

七、蛋白质生物合成的干扰和抑制 Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis 蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。 可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。

抗生素(antibiotics) 是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。 抗代谢药物 指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如：6-MP。 某些毒素也作用于基因信息传递过程。

（一)抗生素类 抗生素抑制蛋白质生物合成的原理 抗生素 作用点 作用原理 应用 四环素族（金霉素 新霉素、土霉素） 链霉素、卡那霉素、新霉素 氯霉素、林可霉素 红霉素 梭链孢酸 放线菌酮 嘌呤霉素 原核核蛋白体小亚基 原核核蛋白体大亚基 真核核蛋白体大亚基 真核、原核核蛋白体 抑制氨基酰-tRNA与小亚基结合 改变构象引起读码错误、抑制起始 抑制转肽酶、阻断延长 抑制转肽酶、妨碍转位 与EFG-GTP结合，抑制肽链延长 氨基酰-tRNA类似物，进位后引起未成熟肽链脱落 抗菌药 医学研究 抗肿瘤药

嘌呤霉素作用示意图

氯霉素 放线菌酮 嘌呤霉素 链霉素和卡那霉素 四环素族

(二）其他干扰蛋白质生物合成的物质 毒素(toxin) 干扰素(interferon)

白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理 延长因子-2 （有活性） + 白喉毒素 延长因子-2 （无活性） +

干扰素的作用机理 1. 干扰素诱导eIF2磷酸化而失活 dsRNA 干扰素诱导的蛋白激酶 eIF2 eIF2-P（失活） 磷酸酶 ADP ATP eIF2 ADP eIF2-P（失活） Pi 磷酸酶

2. 干扰素诱导病毒RNA降解 干扰素 2-5A合成酶 RNaseL 活化 降解mRNA dsRNA ATP 2- 5A A 2 P PPP 2 5 2- 5A ATP 2-5A合成酶 RNaseL 活化 降解mRNA