第十一章 蛋白质的生物合成（翻译） Protein Biosynthesis, Translation 第一节 蛋白质生物合成体系 第二节 蛋白质生物合成过程 第三节 蛋白质合成后加工和输送

第一节 蛋白质生物合成体系

翻译的模板：DNA----原始模板 RNA----直接模板 翻译的场所：核蛋白体（细胞质） 翻译过程分为起始、延长、终止三个阶段。 概 述 翻译（translation）：即蛋白质的生物合成，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。简言之，就是生物体以mRNA为模板合成蛋白质的过程。 翻译的模板：DNA----原始模板 RNA----直接模板 翻译的场所：核蛋白体（细胞质） 翻译过程分为起始、延长、终止三个阶段。

翻译（蛋白质的生物合成）所需物质: 以氨基酸为原料 以mRNA为模板 以tRNA为运载工具 以核糖体为合成场所 起始、延长、终止各阶段蛋白因子、 ATP和GTP 、无机离子参与 合成后加工成为有活性蛋白质

一、遗传密码和mRNA 二、t RNA 三、核糖体 四、辅助因子

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) 。

原核细胞mRNA的结构特点 5´ 3´ 特点 顺反子 顺反子 顺反子 SD区 插入顺序 插入顺序 末端顺序 先导区 半衰期短 AGGAGGU 插入顺序 插入顺序 末端顺序 先导区 特点 半衰期短 许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在 AUG作为起始密码；AUG上游7～12个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区， 16S rRNA3’- 端反向互补而使mRNA与核糖体结合。

真核细胞mRNA的结构特点 m7G-5´ppp-N-3 ´ p 5´ “帽子” PolyA 3´ 帽子结构功能 AAAAAAA-OH 顺反子 5´ “帽子” PolyA 3´ 帽子结构功能 使mRNA免遭核酸酶的破坏 使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。 AAAAAAA-OH

遗传密码: DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。

密码子 mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个连续的核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为密码子（ codon ）或三联体密码(triplet coden)。

第 三 个 字 母 U C A G

密码子的特点：★★ 1 、连续性 　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，如mRNA链上的碱基发生插入或缺失，可造成框移突变。 开放读码框： 从mRNA5’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，称为开放读码框（open reading frame,ORF）

2、密码的简并性： 是指一种氨基酸有２个或２个以上的密码子为之编码的现象。 2、密码的简并性： 　是指一种氨基酸有２个或２个以上的密码子为之编码的现象。

　　　反密码子与密码子之间的碱基配对 反密码子第一位碱基 密码子第三位碱基 A U C G U C G A G U U C A I

3、密码的摆动性（变偶性）： 密码子与反密码子配对出现不严格遵守常见的碱基配对规律的情况，称为摆动配对

密码子与反密码子的摆动配对 反密码子与密码子的相互作用 前二对 严格碱基配对 第三对 摆动配对

G C A C U C G I tRNA的反密码子与mRNA分子上的密码子摆动配对 1 2 3 5’ 3’ 密码 mRNA 3’ 5’

4、密码的通用性和变异性 人线粒体中变异的密码子 密码子 正常情况下编码 线粒体DNA编码 UGA 终止信号 Trp AUA Ile Met 　　　　　人线粒体中变异的密码子 4、密码的通用性和变异性 密码子 正常情况下编码 线粒体DNA编码 UGA 终止信号 Trp AUA Ile Met AGA Arg 终止信号 AGG Arg 终止信号

二.氨基酸的“搬运工具”----tRNA ★★ 作用 是氨基酸的 特异“搬运工具” 1A.A----2~6特异 tRNA 起“接合器”作用 和 mRNA摆动配对

2、起始tRNA与普通tRNA 种类 起始tRNA--- tRNAimet 只能识别翻译起始信号AUG 只能结合于核糖体的肽位 普通tRNA---- tRNAmet 在翻译延长中发挥作用 只能结合于核糖体的氨基酰位

原核生物 起始tRNA 延长tRNA 真核生物 起始密码只能辨认 甲酰甲硫氨酸（fMet) fMet-tRNAifmet 延长识别 Met时为Met-tRNAmet 起始密码只能辨认甲硫氨（Met) Met-tRNAimet 延长识别Met时为Met-tRNAemet

三、核糖/蛋白体

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

★★

第二节 蛋白质生物合成过程 翻译过程分为 活化 起始、 延长 终止和释放 修饰

氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸 + tRNA 氨基酰-tRNA ATP AMP+PPi 　一、tRNA与氨基酸的活化 （一）氨基酰-tRNA合成酶 tRNA的3’末端-CCA-OH是氨基酸的结合位点，tRNA的功能是转运氨基酸。 1.tRNA携带氨基酸的反应如下:（氨基酸的活化） 此反应可分为两步完成： 氨基酸+ATP-E → 氨基酰-AMP-E+PPi 氨基酰-AMP-E+tRNA→氨基酰-tRNA+AMP+E

2. 氨基酰-tRNA合成酶的作用特点★★ a. 对aa、tRNA两种底物有高度特异性; b 2.氨基酰-tRNA合成酶的作用特点★★ a. 对aa、tRNA两种底物有高度特异性; b.有校正活性，当发生错配时，可以水解酯键，再重新与正确的底物结合。 　3.氨基酰-tRNA的书写 (1) 氨基酰-tRNA完整的写法是： ala-tRNAala；met-tRNAemet；fmet-tRNAfmet等。 (2) 各种氨基酰-tRNA的生成反应如下： gly + tRNAgly + ATP → gly-tRNAgly + AMP + PPi met+tRNAemet+ATP → met- tRNAemet +AMP+PPi

（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA 密码子AUG为甲硫氨酸（Met）编码，同时作为起始密码。 与甲硫氨酸结合的tRNA，真核生物中至少有两种：tRNAimet和tRNAemet ；原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，即N-甲酰甲硫氨酸（ fMet ）。

　　 二、肽链合成起始 肽链合成起始阶段，是指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的过程。需要起始因子（IF或eIF）和ATP、GTP参与。

（一）原核翻译起始复合物形成 (图) 1. 蛋白体大、小亚基分离。 2 （一）原核翻译起始复合物形成 (图) 1. 蛋白体大、小亚基分离。 2.mRNA在小亚基定位结合； S-D序列：又称核蛋白体结合位点(ribosomal binding site,RBS) 是mRNA起始密码上游的一段富含嘌呤核苷酸的序列，该序列以…AGGA…为核心。（图1） 3.起始氨基酰-tRNA在小亚基上就位； 4.核蛋白体大亚基结合。

PuPu

（二）真核生物翻译起始复合物形成 1. 核蛋白质体大小亚基的分离； 2. 起始氨基酰-tRNA结合； 3 （二）真核生物翻译起始复合物形成 1.核蛋白质体大小亚基的分离； 2.起始氨基酰-tRNA结合； 3.mRNA在核蛋白质体小亚基的确定;(图) 4.核蛋白质体大亚基结合。（图） eIF2是真核肽链合成调节的关键成分。

　　三、肽链的延长 肽链合成的延长是根据mRNA密码序列的指导,依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链,直到合成终止的过程。由于肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次核蛋白体循环肽链增加一个氨基酸。

需要延长因子、各种酶和GTP参与。 原核生物延长因子：EF-T（EF-Tu、EF-Ts） EF-G 真核生物延长因子：EF-1、EF-2

翻译延长因子

核蛋白体循环分三个步骤： ★★ 1. 进位(entrance) 2. 成肽(peptide bond formation) 3 核蛋白体循环分三个步骤： ★★ 1.进位(entrance) 2.成肽(peptide bond formation) 3.转位(translocation) 核蛋白体阅读mRNA密码子的方向是5’→3’，肽链合成从N→C端进行的。

需ＥＦ－Ｔ参与。

成肽反应在Ａ位上进行。

肽键的形成

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

四、肽链合成的终止 当核蛋白体Ａ出现mRNA的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰－tRNA中释出， mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离，这些过程称为肽链合成终止（termination）。 需要释放因子（RF）的参与。 原核生物RF：RF-1、RF-2、RF-3 　　真核生物RF：eRF

释放因子的功能： １. 识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA 、UGA 。 ２ 释放因子的功能： １.识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA 、UGA 。 ２.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。

GTP RF1 RF2 RF3 GDP+Pi IF

细胞质中的mRNA 与核糖体结合. 细胞质中 A U 亮氨酸 A C U 天冬氨酸 核糖体 U C A G 单击画面继续

细胞质中 tRNA 上的反密码子与 mRNA上的密码子互补配对 . A C U 天冬氨酸 A U 亮氨酸 U C A G 单击画面继续

细胞质中 A U G A U A C U U C A G tRNA 将氨基酸转运到 mRNA上的 相应位置 . 异亮氨酸 亮氨酸 天冬氨酸 单击画面继续

两个氨基酸分子缩合 缩合 细胞质中 A U G 异亮氨酸 A U 亮氨酸 A C U 天冬氨酸 U C A G 单击画面继续

细胞质中 A C U A U G A U U C A G 核糖体随着 mRNA滑动. 另一个 tRNA上的碱基与mRNA上的 密码子配对. 亮氨酸 A C U 天冬氨酸 A U G 异亮氨酸 细胞质中 A U U C A G 单击画面继续

一个个氨基酸分子缩合成链状结构 细胞质中 亮氨酸 A C U 天冬氨酸 A U G 异亮氨酸 A U U C A G 单击画面继续

tRNA离开，再去转运新的氨基酸 细胞质中 亮氨酸 天冬氨酸 A U G 异亮氨酸 A U A C U U C A G 单击画面继续

以mRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质 . 亮氨酸 天冬氨酸 异亮氨酸 细胞质中 A U G U C A G 单击画面继续

30S• mRNA • GTP- fMet –tRNA- IF2- IF1复合物 肽链合成的起始 A位 P位 mRNA +30S亚基-IF3 IF2 GTP IF1 IF-3 5 3 30S亚基• mRNA IF3- IF1复合物 IF-1 IF3 IF2 IF1 IF2-GTP-fMet-tRNA IF3 70S起始复合物 codon anticodon A位 P位 30S• mRNA • GTP- fMet –tRNA- IF2- IF1复合物 50S亚基 IF2+ IF1+GDP+Pi 70S起始复合物

肽链的延长 进位 肽键形成 移位 进位 肽键形成 （EF-G） GTP (Tu\Ts) GTP N-端 C-端 3´ 5´ 5´ 3´ 1 2 1 2 进位 肽键形成 GTP 3´ (Tu\Ts) GTP 移位 （EF-G） N-端 2 3 5´ 3´ C-端 2 3 2 3 进位 肽键形成

肽链合成的终止及释放 50S亚基 30S亚基 5 3 5 3 RF （1）释放因子RF1或RF2进入核糖体A位。 （2）多肽链的释放 UAG RF （1）释放因子RF1或RF2进入核糖体A位。 （2）多肽链的释放 （3）70S核糖体解离 50S亚基 tRNA 5 3 UAG 30S亚基

多核糖体 在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3’端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合，向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率

第三节 蛋白质合成后加工和输送 一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 二、一级结构的修饰 三、空间结构的修饰 四、蛋白质合成后的靶向输送 　第三节 蛋白质合成后加工和输送 一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 二、一级结构的修饰 三、空间结构的修饰 四、蛋白质合成后的靶向输送

一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 　　 　　几种有促进蛋白折叠功能的大分子： 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-isomerase,PPI)

多肽链的折叠与加工 1.氨基末端和羧基末端的修饰 2.信号序列的切除 3.氨基酸残基的修饰 4.糖侧链的连接 5.辅基的加入 　　多肽链的折叠与加工 1.氨基末端和羧基末端的修饰 2.信号序列的切除 3.氨基酸残基的修饰 4.糖侧链的连接 5.辅基的加入 6.蛋白酶的水解 7.二硫键的形成 8.受抗生素及毒素的抑制

分子伴侣：是细胞中一类保守蛋白质，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家族 ２、伴侣素（chaperonins） GroEL和家族GroES

二、一级结构的修饰 （一）肽链N-端的修饰 （二）个别氨基酸的共价修饰 （三）多肽链的水解修饰 三、空间结构的修饰 （一）亚基聚合 （二）辅基连接 （三）疏水脂链的共价修饰

四、蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的目标地点，这一过程称为蛋白质的靶向输送（protein targeting）。 　　所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为Ｎ末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列（signal sequence）。

（一）分泌蛋白的靶向输送 1. 信号肽：各种新生分泌蛋白的Ｎ端有保守的氨基酸序列称为信号肽(signal peptide)。（见图） 2

碱性Ｎ端

第四节 蛋白质生物合成干扰和抑制 一、抗生素（antibiotics) 由微生物产生的具有抑制其它生物生长的物质。 1 第四节 蛋白质生物合成干扰和抑制 一、抗生素（antibiotics) 由微生物产生的具有抑制其它生物生长的物质。 1.四环素（tetracyclin）族 2.氯霉素（chloromycetin） 3.链霉素(streptomycin)和卡那霉素(karamycin) 4.嘌呤霉素（puromycin） 5.放线菌酮（cycloheximide） 各种抗生素影响翻译过程的作用点见图12-14

转位酶

Ts-GDP Ts Tu\Ts循环

作业 1名词解释 密码子(codon)，反义密码子(synonymous codon)，反密码子(anticodon)，变偶假说(wobble hypothesis)，移码突变(frameshift mutant)，简并密码(degenerate code)，多核糖体(poly some)，氨酰基部位(aminoacyl site)，肽酰基部位(peptidy site)，肽基转移酶(peptidyl transferase) 2.遗传密码如何编码？有哪些基本特性？ 3．简述tRNA在蛋白质的生物合成中是如何起作用的？ 4．mRNA遗传密码排列顺序翻译成多肽链的氨基酸排列顺序，保证准确翻译的关键是什么？