第十四章 蛋白质的生物合成与修饰 第一节 概述 主讲老师：华南师范大学生命科学学院 　　　　　陈文利

生物体合成mRNA后，mRNA中的遗传信息转变成为蛋白质中氨基酸排序的过程称为翻译。 翻 译 生物体合成mRNA后，mRNA中的遗传信息转变成为蛋白质中氨基酸排序的过程称为翻译。 条件： 1、  原料 20种氨基酸 2、  能量 ATP和GTP 3、  催化剂： 酶、蛋白质因子、无机离子（Mg+，K + ） 4、  运载工具：tRNA 5、  模板：mRNA（每个A.A由三个碱基确定） 6、  装配机：核糖体(rRNA、蛋白质) 返回

第二节 遗传密码的破译

第三节 遗传密码的几个重要特性 遗传密码： mRNA分子上从5’3’的方向，每三个碱基形成的三联体，组成一个遗传密码子（codon）。

遗传密码表：共有64个密码子，其中61 个是编码氨基酸。其中AUG ↗起始密码子 ↘Met的密码子。 有三个密码子是终止密码子：UAA、UAG、UGA， 这三组密码子不能被tRNA阅读，只能被 肽链释放因子识别。

遗传密码的基本特点（5个性）： 1、密码子的简并性 2、密码子的连续性 3、密码子的不重叠性 4、密码子的摆动性 5、密码子的通用性 6、特殊密码子 返回

一个氨基酸具有多个密码子的现象称为密码子的简并性（degeneracy）。 1、密码子的简并性 一个氨基酸具有多个密码子的现象称为密码子的简并性（degeneracy）。 这些编码同一种氨基酸的多个密码子称为同义密码子（synonymous codon） 遗传密码的基本特点

要正确阅读密 码必须按一定的密码框架（reading frame） 从一个正确的起点开始，一个不漏地挨 着读下去，直到碰到终止信号为止。 2、密码子的连续性 要正确阅读密 码必须按一定的密码框架（reading frame） 从一个正确的起点开始，一个不漏地挨 着读下去，直到碰到终止信号为止。 遗传密码的基本特点

3、密码子的不重叠性(non-overlapping) 绝大多数生物中读码规则是不重叠的。少数大肠杆菌噬菌体的RNA基因组中，部分基因的遗传密码却是重叠的。 遗传密码的基本特点

密码子的第一、第二位专一性很强，第三位专一性就弱。 4、密码子的摆动性 P356 密码子的第一、第二位专一性很强，第三位专一性就弱。 已证明，密码子的专一性主要由头两位碱基决定，Crick对第三位碱基的这一特性给于一个专门的术语，称“摆动性” wobble. 遗传密码的基本特点

1966年F.Crick提出的摆动假说（wobble hypothesis）

5、密码子的通用性 遗传密码表属于完全通用 。 返回 遗传密码的基本特点

第四节 蛋白质的生物合成 一、核糖体（ribosome）是一个复杂的超分子结构 P361 核糖体可以看作是一个大分子的机构，它具有许多精密的配合部分，来挑选并管理参与蛋白质合成的各个组分。它参与多肽链的启动，延长和终止的各种因子的识别。

二、核糖体（ribosome） 原核生物核糖体 5S rRNA， 23S rRNA 50S 34种蛋白质 70S 16S rRNA 30S 21种蛋白质

真核生物核糖体 5SrRNA，5.8SrRNA，28SrRNA 60S 49种蛋白质 80S 18SrRNA 40S 33种蛋白质

二、转移RNA具有特征性结构 tRNA分子上与蛋白质生物合成有关的位 tRNA是氨基酸的搬运工具。 点至少有四个: 1)  3端—CCA上的氨基酸接受位点 2)   识别氨酰—tRNA合成酶的位点 3)   核糖体识别位点，使延长中的肽链 附着于核糖体上 4)   反密码子位点

三、氨酰-tRNA合成酶和它们催化的反应 P363 P364 四、一些氨酰-tRNA合成酶具有校对功能 氨酰—tRNA合成酶 , 酶的专一性表现在： a)      识别氨基酸 b)       识别tRNA(倒L型的三级结构) c)       进行二次核对作用

E.Coli蛋白质的生物合成 : 总反应式 1.氨基酸的活化： 由高度特异的氨酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase)催化，反应分两步 总反应式

五、氨酰-tRNA合成酶对tRNA的识别 六、多肽链的合成从氨基末端开始

自甲硫氨酸开始，但并不是以甲硫氨酰-tRNA作起始物，而是以N-甲酰甲硫氨酰-tRNA的形式起始。 七、一个特定氨基酸起始蛋白质的合成 起始氨酰-tRNA的形成(P366) 现已清楚，原核细胞中多肽的合成都有 自甲硫氨酸开始，但并不是以甲硫氨酰-tRNA作起始物，而是以N-甲酰甲硫氨酰-tRNA的形式起始。

在E.Coli和其它原核生物中与这起始密码（AUG）相对应的tRNA是甲酰甲硫氨酰—tRNA（fMet-tRNAf Met），这是起始tRNA。

起始tRNA怎样形成？由甲硫氨酰-tRNA甲酰化 甲酰基 甲酰基转移酶 tRNA Met-tRNA Met N10－甲酰FH4 FH4 （fMet－tRNAf）

Structure of N-formyl-methionyl-tRNA[Met] Differences with other tRNAs

（1）tRNAf Met 带上Met后能甲酰化，是起始tRNA，用于肽链合成的起始。 细胞内有2种可携带Met的tRNA，它们都识别同样的AUG密码子，但它们的一级结构和功能不同。 （1）tRNAf Met 带上Met后能甲酰化，是起始tRNA，用于肽链合成的起始。 （2）tRNAmMet带上Met后不能甲酰化，用于肽链的内部，在肽链延伸中起作用。 所以AUG和GUG是兼职密码子，它们既可以作为起始密码子，作为肽链合成的起始信号，这时与之对应的氨基酸是甲酰Met。另外也可作肽链内部相应aa的密码，这时AUG编码Met,GUG编码val。

SD序列 Shine-Dalgarno发现在AUG的前 方有一段富嘌呤AG区，与30S中的16SrRNA富含嘧啶的区结合 八、多肽合成起始的三个步骤 1、30S-mRNA复合物的形成 此反应须起始因子3（IF3） P位：肽基的结合部位 A位：氨酰基的结合部位 起始密码定位在P位上 SD序列 Shine-Dalgarno发现在AUG的前 方有一段富嘌呤AG区，与30S中的16SrRNA富含嘧啶的区结合

2．肽链的起始： mRNA中的起始密码是AUG，少数是GUG。 起始密码子的上游约10个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列称SD序列（Shine-Dalgarno序列），一般为3～10个核苷酸，它与核糖体16srRNA 3ˊ端的核苷酸序列互补，可促使核糖体与mRNA的结合。

2、30S预起始复合物（IF1,IF2,GTP） 消耗一个高能键 IF1起协助作用，促进IF3,IF2的作用，然后在IF1参与下，mRNA-30S-IF3进一步与fMet-tRNAf,GTP相结合，并释 放出IF3形成 一个30S起始复合物， 30S核糖体—mRNA-fMet-tRNAf。 肽键的合成

SD sequence inactive 70S ribosome 30S initiation complex

GDP + Pi 70S initiation complex

肽链的延长需要一些延长因子或称延伸因子（elongation factor,EF） 3. 肽链的延长： 肽链的延长需要一些延长因子或称延伸因子（elongation factor,EF） 原核生物的EF有EF-T和EF-G两类: EF-T：延伸因子“T”，开始误认为这类延伸因子有肽基转 移酶的活性peptidyl transferase，所以取转移酶的第一个字 母“T” 。 EF-G：这类延伸因子与核糖体结合时需要GTP，当GTP水 解时，这类延伸因子就从核糖体上解离下来，总之涉及 GTP，所以用GTP的第一个字母“G”，EF-G。

EF-T是由Tu和Ts两个亚基组成的二聚体， EF-Ts：s是stable的意思，是稳定蛋白质， EF-Tu: u是unstable，不稳定蛋白质。 EF-Tu直接参加了氨酰-tRNA与核糖体的结合。

肽链的延长包括3步: 氨酰-tRNA进入核糖体的A位 肽键的形成 移位

（1）氨酰-tRNA进入核糖体的A位 这是个比较复杂的过程，需Ts、Tu，还要 消 耗GTP。EF-Tu与GTP和氨酰-tNRA首先形成三元 复合物，才能进入A位。

（2）肽键的形成 通过一个转肽作用（transpeptidation），由肽酰转移酶（peptidyl transferase）催化，使一个酯键变成了肽键，肽基转移酶的活性由核糖体大亚基的23s rRNA承担（肽基转移酶是一种ribozyme）。嘌呤霉素对蛋白质的抑制作用就发生在肽键形成这一步。

（3）移位（translocation） 移位包括三种运动: 空载的tRNA离开P位。 二肽基tRNA由A位移到P位 核糖体沿mRNA的5ˊ→3ˊ方向 移动一个密码子的距离。 移位需要EF-G和GTP。

4．肽链的终止与释放： 释放因子（release factor RF）能识别终止密码子与终止密码子结合。 RF-1：识别UAA和UAG RF1 or RF2 终止密码子 RF-1：识别UAA和UAG RF-2：识别UAA和UGA RF-3：RF-3和GTP形成复 合物，是一种GTP结合蛋 白，可促进核糖体与RF-1 和RF-2的结合。

3、70S起始复合物 30S起始复合物再与50S亚基结合，形成一个有生物学功能的70S起始复合物，同时GTP水解成GDP和Pi,IF1、IF2,被释出。这时fMet-tRNAf占据了核糖体上P位点, 空着的A位点准备接受另一个氨酰-tRNA, 为肽链延伸作好了准备。 肽键的合成

除了fMet－tRNAf外，所有氨酰－ｔＲＮＡ必须与EFTu,GTP结合才能进入70S核糖体的A位。 九、延长阶段中肽键的形成 1、进位 （EF-Ts,EF-Tu,GTP） EFTu先与GTP结合， 再与氨酰-tRNA结合形成一个复合物，再与70S起始复合物相结合，并释放出 EFTu-GDP,EFTu-GDP再与EFTs及GTP反应，重新形成很不稳定EFTu-GDＰ…… 除了fMet－tRNAf外，所有氨酰－ｔＲＮＡ必须与EFTu,GTP结合才能进入70S核糖体的A位。 肽键的合成

2、转肽 在50S亚基上有肽基转移酶肽酰基从P位点到A位点，同时形成一个新的肽键，需50S上的肽酰转移酶参加。同时P位点上的tRNA卸下肽链而成为无负载的tRNA,A位点上的tRNA所携带的是一个二肽，需较高浓度的K+参加。 肽键的合成

第三个codon进入ribosome的A位 移动是指核糖体沿mRNA(5’——3’)作 相对移动。 3、脱落；移位 （EF-G,GTP） 三种移动： ⑴空载的tRNAf移出 ⑵肽酰- tRNA从A位移到P位 ⑶mRNA移动3个碱基—— 第三个codon进入ribosome的A位 移动是指核糖体沿mRNA(5’——3’)作 相对移动。 肽键的合成

终止因子，又叫释放因子（RF-1， RF-2） RF-1可识别UAA, UAG RF-2可识别UAA, UGA 十一、多肽合成的终止 1、识别终止密码子 终止因子，又叫释放因子（RF-1， RF-2） RF-1可识别UAA, UAG RF-2可识别UAA, UGA 肽键的合成

2、水解 肽基转移酶 RF-1 RF-2能进入A位，诱导肽基转移酶的水解活性R1,R2可能还可以使P位点上的肽酰转移酶活力转变为水解活力，从而使肽酰-tRNA不再转移到氨酰-tRNA上，而转入水相中。 肽键的合成

一旦tRNA从70S核糖体上脱落，该核糖体就立即离开mRNA,解离成50S与30S亚基，这样形成的肽链不一定具有生物活性，还需加工。 3、释放 一旦tRNA从70S核糖体上脱落，该核糖体就立即离开mRNA,解离成50S与30S亚基，这样形成的肽链不一定具有生物活性，还需加工。 肽键的合成

三、肽链合成的速度和能量的消耗 速度 能量 原核生物蛋白质合成的过程

速度 原核生物的转录还没有结束，蛋白就早 已开始合成。 原核生物在短时间内能合成大量蛋白质，原因： 1、 翻译过程与转录过程相偶联 1、  翻译过程与转录过程相偶联 2、  一条mRNA链上可结合多核糖体进行连续的几个肽链的合成。 3、  每个核糖体移动速度 15A.A/second 注释：多核糖体—多个核糖体同时翻译同一肽链. cell利用1、2两种方式加快合成速度5A.A/second 多聚核糖体（polyribosome）P311 肽链合成的速度和能量的消耗

5．多聚核糖体（polyribosome, or polysome）

能量 能量由ATP、GTP来提供。 在翻译过程中，GTP与ATP不同，它不涉及任何形成共价键的化学反应之中，所以它不是能量的供体，只能在多种翻译因子与核糖体结合的过程中起作用，一旦GTPGDP,这些因子就释放出来了。 肽链合成的速度和能量的消耗

合成6个A. A oooooo, 至少需消耗多少ATP（每一个A.A均需活化）？ 能量 合成6个A. A oooooo, 至少需消耗多少ATP（每一个A.A均需活化）？ ①     n个A,A的活化需2n个ATP高能磷酸键。 ②     氨酰-tRNA进位需要n-1次进入A位 GTP——GDP+Pi ③     肽基移位，需要n-1次进入A位 ④     起始复合物 +1GTP 所以，从头合成含n个A.A的多肽至少需 4n-1个高能磷酸键 肽链合成的速度和能量的消耗

（四）蛋白质生物合成所需的能量： 原核生物 aa活化 1ATP（2个～ 键） 起始 1GTP（1个～ 键） 延长 2GTP（2个～ 键）

1、mRNA一般是单顺反子， 一般只有一个起始密码子，一个终止密码子； 四、 真核生物蛋白质合成的某些特点 几个主要差别： 1、mRNA一般是单顺反子， 一般只有一个起始密码子，一个终止密码子； 2、一般与5端的第一个AUG就是它的起始密码子； 3、寻找AUG起始密码子的方式不同。真核靠cap(帽子结合蛋白)就结合在5’端 原核生物蛋白质合成的过程

（三）真核细胞蛋白质的生物合成： 真核细胞蛋白质的生物合成与原核细胞相似，但过程更复杂，参加的因子更多。

1．核糖体： 真核细胞核糖体更大，为80S，可解离成60S和40S两个亚基。 2．起始tRNA： 真核生物也有二种携带Met的tRNA，一种携带Met的tRNA为起始tRNA ，即tRNAiMet，起始tRNA携带 Met后，并不甲酰化；另一种用于肽链内部的tRNAMet。 起始密码子： 真核起始密码子总是AUG，它的上游无SD序列，通常把 mRNA上最靠近5ˊ端的AUG定为起始部位, 40S核糖体与 mRNA 5ˊ一端的帽子相结合，向3ˊ一方向移动，以便寻找 AUG密码子，这过程要消耗ATP。

4. 起始因子： 真核细胞的起始因子很多，到目前为止发现的至少有10种，命名为eIF-n，“e”代表真核，有eIF-1，eIF-2，eIF-2A，eIF-3，eIF4A、4B、4C、4D，eIF-5，eIF-6，其中eIF-2是最重要的一种，它是一种帽结合蛋白质（cap-binding protein）它与GTP与起始tRNA结合形成三元复合物，起始翻译。

5．延伸因子和终止因子： 真核细胞的延伸因子为EF-1α和EF-1βr，相当于原核细胞中的EF-Tu和EF-Ts。真核生物的EF-2相当于原核生物的EF-G（EF-2能催化GTP水解，供能，推动位移）。 真核细胞多肽合成的终止只有一种释放因子eRF，可识别3种终止密码子。

蛋白质合成总结 过程 原核生物所需因子 真核生物所需因子 aa的活化 肽链起始 肽链的延长 肽链的终止和释放 折叠和加工 氨酰—tRNA合成酶，ATP，Mg2+ aa的活化 起始密码 Met-tRNAiMet eIF-1～eIF-6 GTP, ATP 起始密码，SD序列fMet-tRNA IF-1,IF-2,IF-3 GTP 肽链起始 EF-1α，EF-1βr，GTP 肽酰转移酶 EF-2，GTP EF-Tu，EF-Ts,GTP K+, 肽酰转移酶 EF-G，GTP 肽链的延长 （1）氨酰—tRNA的结合 （2）肽键的形成 （3）位移 终止密码 eRF GTP RF-1, RF-2, RF-3 肽链的终止和释放 需很多酶和辅助因子参加。 折叠和加工

五、蛋白质合成的抑制剂 嘌呤酶素： 嘌呤酶素的结构与氨酰-tRNA3末端上的AMP残基的结构十分相似。肽酰转移酶也能促使氨基酸与嘌呤酶素结合，形成肽酰嘌呤酶素，其连键不是脂键，而是酰氨键。肽酰-嘌呤酶素复合物很易从核糖体上脱落，从而使Protein合成过程中断。 原核生物蛋白质合成的过程

氯霉素只结合70S核糖体，不与80S核糖体结合。 亚胺环己酮只作用于80S核糖体，所以只抑制真核细胞的转译。 五、蛋白质合成的抑制剂 除了嘌呤酶素外，还有许多抗菌素及毒素 可抑制蛋白质合成。 氯霉素只结合70S核糖体，不与80S核糖体结合。 亚胺环己酮只作用于80S核糖体，所以只抑制真核细胞的转译。 氯霉素、四环素、链霉素只抑制原核细胞的转译，但不作用于真核细胞。 原核生物蛋白质合成的过程

第五节 多肽链的折叠与加工 新合成的多肽链往往是没有生物学活性的。

第六节 蛋白质投递和降解