第三节 蛋白质的生物合成 biosynthesis of protein

蛋白质的生物合成，即翻译: 以mRNA为模板形成蛋白质的过程， 将核酸中 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 。

主要内容 参与蛋白质生物合成的主要物质 蛋白质生物合成的过程 翻译后的加工

蛋白质生物合成体系 合成方向：N C端 mRNA和密码子、tRNA、rRNA n 氨基酸 蛋白质 酶、辅助因子、蛋白质因子、ATP、GTP、无机离子 合成方向：N C端

（一）、mRNA——翻译的模板 密码子 3/ 5 / CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU -Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-

mRNA分子中，从5’-3’每三个相邻的 密码子： 碱基组成的三联体，代表某个氨基酸 共有64种 (codon) UAA、UAG、UGA 61种 代表20中氨基酸 3种 UAA、UAG、UGA 终止密码 AUG 起始密码 蛋氨酸 细菌中GUG表示起始的甲酰蛋氨酸

第一碱基 （5’ 端） 第 二 碱 基 第三碱基 （3’ -端） 终止 * *在mRNA起始部位的AUG为起始信号 遗传密码表

遗传密码 三联体， 不重复、 不间断

遗传密码的特点 方向性 通用性 简并性 连续性 摆动性 5’ 3’ 绝大多数密码子对各种生物都适用

同义密码子 ——对应于同一种AA的不同密码子 Met 和Trp仅一个密码子 简并性的生物意义在于减少有害突变 简并性： 同一氨基酸具有多种密码子 第1、2位 第3位 决定密码的特异性 同义密码 摆动 同义密码子 ——对应于同一种AA的不同密码子 Met 和Trp仅一个密码子 简并性的生物意义在于减少有害突变

第一碱基 （5’ -端） 第 二 碱 基 第三碱基 （3’ -端） 终止 * *在mRNA起始部位的AUG为起始信号 遗传密码表

碱基的改变仍有可能编码原来的AA

摆动性: 反密码与密码间不严格遵守常见的 碱基配对规律 密码子与反密码子的配对 识别 反密码子 密码子 （mRNA） （tRNA） 摆动性: 反密码与密码间不严格遵守常见的 碱基配对规律 密码子与反密码子的配对 识别 反密码子 密码子 （mRNA） （tRNA） I A、C、U U A、G G C、U （摆动配对） 第1位 第3位

决定密码的 特异性 第1、2位 摆动性 第3位

连续性：无标点、不重叠 每三个核苷酸只编码一个氨基酸 沿5’-3’方向连续阅读 插入碱基 缺失碱基 移码 突变

5′…. UACGGACAUCUG….3′ 5′….UACCGGACAUCUG….3′ 酪 甘 组 蛋 精 苏 半胱 5′…. UACGACAUCUG….3′ 天 异亮 插入 缺失

密码子在蛋白质中出现的频率

密码的防错系统 密码子在密码表中的分布有一定的规则： 通常情况： 第二位决定氨基酸的极性， 第三位决定密码子的简并性。 如 第二位的碱基 U 极性的氨基酸； C 非极性或不带电荷的极性侧链氨基酸； A或G 极性的氨基酸；

这样，合成的蛋白质功能差别不会太大。 第一位 A 或 C 第二位 A 或 G ——极性并具有碱性氨基酸 前两位的碱基是AG （AGN） ——极性并具有酸性氨基酸 这样的分布规律 ？ 使碱基的变化有时不会引起氨基酸的变化 ——编码相同的AA， 若引起氨基酸变化也是同类型氨基酸相互取代 ——理化性质接近的AA， 这样，合成的蛋白质功能差别不会太大。

第一碱基 （5’ -端） 第 二 碱 基 第三碱基 （3’ -端） 终止 * *在mRNA起始部位的AUG为起始信号 遗传密码表

（二）、tRNA——搬运氨基酸 1.结合氨基酸:由ATP供能,将氨基酸结合在tRNA3’-CCA位置. 一种氨基酸有几种tRNA携带； 2.反密码子: 决定所带氨基酸，并准确在mRNA上对号入座. ser 5’ tyr

氨基酰tRNA的表示方法 丙氨基酰tRNA： ala-tRNAala 精氨基酰tRNA： arg-tRNAarg 甲硫氨基酰tRNA： met-tRNAmet

(三)、核糖体——蛋白质合成的场所 rRNA + 蛋白质 不同的tRNA结合位点： 大亚基 小亚基 大亚基 小亚基 原核 50s + 30s ＝70s 真核 60s + 40s ＝80s P A 不同的tRNA结合位点： A位 -氨酰tRNA结合位； P位 -肽酰基tRNA结合位；

二 、翻译的五个阶段 氨基酸的活化 翻译起始 进位 转肽 脱落 移位 肽链延长 肽链终止 肽链折叠和加工

与翻译五个阶段有关的物质

参与翻译的蛋白质因子 阶段 原核 真核 功 能 IF1 IF2 eIF2 参与起始复合物的形成 IF3 eIF3、eIF4C 阶段　原核 真核 功 能 　　　IF1 　　　IF2　　 eIF2 参与起始复合物的形成　 　　　IF3　　 eIF3、eIF4C 起始　　　　 　CBP I 与mRNA帽子结合 　　　　　　 　eIF4A B F 参与寻找第一个AUG 　　　　　　 　eIF5 协助eIF2、eIF3、eIF4C的释放 　　　　　　　 eIF6 协助60S亚基从无活性的核糖体上解离 　　　EF-Tu　 eEF1 协助氨酰-tRNA进入核糖体 延长　EF-Ts　 eEF1  帮助EF-Tu 、 eEF1周转 　　　EF-G　 eEF2 移位因子　　　 终止 RF-1 eRF 释放完整的肽链 　　 RF-2 RF-3

1. 氨基酸的活化——氨酰tRNA的生成 二 、翻译 氨基酸 + ATP+ tRNA 氨酰-tRNA合成酶 氨基酰-tRNA + AMP + PPi 氨基酸活化态

Gly tRNA 氨基酰tRNA 氨基酸+ATP+tRNA氨基酰 氨基酰-tRNA+AMP+ppi 氨基酰tRNA R O 合成酶 H2N-CH-C-AMP-E R O 氨基酰tRNA 合成酶 Gly H2N-CH-C-OH R O Gly PPi 氨基酰tRNA 合成酶 tRNA ATP Gly 氨基酰tRNA H2N-CH-C~O-ACC-tRNA R O

氨基酰tRNA的生成 氨酰-tRNA合成酶

两种氨酰-tRNA合成酶作用

(a) 氨酰-tRNA合成过程 (b) AMP—AA-—E

 氨酰-tRNA合成酶:   特异性强,催化特定氨基酸与特异的tRNA结合， 每种氨基酸有特异的合成酶催化， 此种特异性保证了遗传信息翻译的准确性

关于tRNA 识别氨酰-RNA合成酶的位点： 倒L结构中 参与此作用 DHU环 反密码环 氨基酸臂 核糖体识别位点：倒L结构中 TψC环与此有关。 DHU环 反密码环 氨基酸臂

tRNA与酶结合的模型 tRNA ATP 氨酰-tRNA合成酶

大肠杆菌tRNAAla氨基酸臂是酶的辨认位点 辨认位点：73位 3位-70位碱基对 可变环-形成空腔

4种tRNA的辨认核苷酸

2、起始阶段 小亚基 IF-1，2，3 GTP 大亚基 mRNA Met-tRNA (fMet-tRNA) 起始复合体

起始复合物的形成过程（原核） 1 2 大亚基 小亚基

反密码子 密码子

肽链的延长动画

3. 肽链的延长阶段 条件： EF-Tu EF-Ts EF-T EF-G 1 延长因子（EF） 2 GTP

肽链延长过程中4个重复反应 肽链延长过程中的耗能 进位 移位 转肽 脱落

转肽反应：

4、终止阶段 A位 出现终止密码子 释放因子 进入A位 肽酰转移酶 变为水解酶作用 在GTP帮助下多肽链水解 大、小亚基分离。 肽酰转移酶 变为水解酶作用 在GTP帮助下多肽链水解 大、小亚基分离。 释放因子对终止密码子识别： RF1 识别UAA、UAG RF2 识别UAA、UGA， RF3 协助二者起作用。

三、蛋白质合成后的靶向输送 概念：蛋白质合成后定向到达其功能部位过程 信号序列(signal sequence) 靶向输送 蛋白质结构中存在分选信号 信号序列（信号肽）——指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的序列。

（一）蛋白质运输——信号肽引导 信号肽结构特点： 碱性区 Ala 交界区(切点) 疏水区 有功能区 非螺旋C末端区

若干蛋白质信号肽特点： (切点)

四、蛋白质翻译后修饰 新生多肽链的需要加工才能转变为天然构 象的功能蛋白。主要包括： 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

（二） 、多肽链折叠为天然构象的蛋白质 分子伴侣 (molecular chaperon) 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

多肽链折叠的三种形式 分子伴侣非依赖性折叠 依赖于热休克蛋白Hsp70的折叠； 依赖于热休克蛋白Hsp70 和分子伴侣复合体的折叠

伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程

折叠过程需要的酶 蛋白二硫键异构酶 （内质网活性高） 肽-脯氨酰顺反异构酶 催化 错配二硫键断裂，形成正确二硫键， 蛋白二硫键异构酶 （内质网活性高） 催化 错配二硫键断裂，形成正确二硫键， 使蛋白质形成热力学最稳定天然构象。 肽-脯氨酰顺反异构酶 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。 ——是蛋白质三维构象形成的限速酶

（三）、一级结构的修饰 1. N端修饰 脱甲 酰基酶 氨基肽酶 fMet- Met- 真核细胞 原核生物

高级结构的修饰 2. 氨基酸残基的修饰： 磷酸化、羟基化、乙酰化、糖基化… 3. 水解加工：酶前体的活化 亚基聚合 Hb4亚基的聚合 辅基连接 疏水脂链的共价连接

五、蛋白质生物合成的干扰和抑制 Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis 抗生素(antibiotics) 指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

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. 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 Pi 磷酸酶 起始因子

2.干扰素间接活化一种核酸内切酶，此酶使病毒mRNA降解,从而阻断蛋白质合成 dsRNA 干扰素 A P PPP 2 5 2- 5A ATP 2-5A合成酶 RNaseL 活化 降解mRNA

谢谢！