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1、第十三章 蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯） Biosynthesis of Protein or Translation,蛋白質(zhì)生物合成的概況,概念：以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)的過(guò)程，又稱(chēng)翻譯。 原料：20種氨基酸（1954年 Paul Zamecnik等） 中介分子：tRNA、mRNA、rRNA 分子(1958年M.B.Hoagland等)。 64個(gè)遺傳密碼（19611966Nirenberg等） 合成方向：從肽鏈的N端到C端（1961年Howard Dintzis） 合成場(chǎng)所：核糖體 合成體系建立：（19731976年）,第一節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成的基本條件,20種aa,,mRNA,tRNA,
2、核糖體,氨酰tRNA合成酶,肽酰轉(zhuǎn)移酶,轉(zhuǎn)位酶,各種因子,ATP、GTP,K+、Mg2+,一、 mRNA是蛋白質(zhì)合成的直接模板,,（一）mRNA的一般特點(diǎn)： 種類(lèi)繁多 大小不一：5006000個(gè)堿基 半衰期短：原核生物13分鐘，真核生物數(shù)小時(shí)或幾天 占細(xì)胞總RNA：1%2% 真核mRNA的5端有N7-甲基鳥(niǎo)苷的“帽狀”結(jié)構(gòu)：具有穩(wěn)定mRNA及有助于翻譯起始的作用 3 端有20250個(gè)多聚腺苷酸（PolyA）的“尾狀”結(jié)構(gòu)：具有維持mRNA翻譯模板的活性 *（組蛋白除外）,,翻譯時(shí)是從mRNA編碼區(qū)的起始密碼子開(kāi)始至終止密碼子結(jié)束。,,遺傳密碼(genetic code)：指mRNA分子中從5
3、3端記數(shù)，三個(gè)相鄰的核苷酸為一組，代表某中氨基酸或其它信息,這相鄰的三個(gè)核苷酸稱(chēng)為一個(gè)遺傳密碼。 遺傳密碼供有多少個(gè)呢？,,,（二）遺傳密碼的特點(diǎn),方向性（directionality）,,2.連續(xù)性（commalessness）,,,,,,谷氨酰胺（CAG）,精氨酸（AGU）,蘇氨酸（ACA）,谷氨酰胺（AAC）,3 .簡(jiǎn)并性(degeneracy),,同義密碼子： 脯氨酸:CCU、CCC、CCA、CCG,脯氨酸（CCU）,,,組氨酸（CAC）,4.通用性（universality）,遺傳密碼的特點(diǎn),通用性（universality）,5.擺動(dòng)性（wobble）,,二、核糖體（rRNA）是蛋
4、白質(zhì)合成的場(chǎng)所,(一)rRNA的特點(diǎn) 種類(lèi)：原核生物有5S 、 23S、16S rRNA；真核生物有28S、18S、5.8S、5S rRNA 含量最多：占細(xì)胞總RNA 80%90% rRNA與蛋白質(zhì)構(gòu)成核糖體,,（二）核糖體上的主要功能部位,肽酰位(P)： 結(jié)合肽酰-tRNA,氨酰位(A)： 結(jié)合氨酰-tRNA,催化肽鍵生成，兼有酯酶活性,空載tRNA排除位（真核無(wú)E位）,三、tRNA是運(yùn)輸氨基酸的工具,tRNA的特點(diǎn)： 分子量最?。?090個(gè)堿基 含有較多的稀有堿基 5端大多為pG, 3端均為-CCA 反密碼子的第一位堿基常出現(xiàn)次黃嘌呤（I） 細(xì)菌中有3040種tRNA；真核細(xì)胞中有40 5
5、0種tRNA。,氨基酸臂： 與氨基酸結(jié)合,TC環(huán)（臂）： 與核蛋白體rRNA結(jié)合,反密碼子： 識(shí)別并結(jié)合mRNA密碼子,D臂： 氨酰-tRNA合成 識(shí)別位點(diǎn),（一）氨基酰-tRNA合成酶 催化氨基酰-tRNA的合成，兼有酯酶活性。具有校正功能（誤差<10-4） 氨基酰tRNA合成酶使tRNA識(shí)別特異的氨基酸。 氨基酸的活化形式：氨基酰-tRNA 氨基酸的活化部位：是羧基,四、參與蛋白質(zhì)合成的酶類(lèi),原核生物肽鏈的起始氨酰-tRNA為甲酰蛋氨酰-tRNA ;而真核生物肽鏈為蛋氨酰-tRNA,,（二）肽酰轉(zhuǎn)移酶(peptidyl transferase)（核酶） 催化肽鍵生成，兼有酯酶活性 -原
6、核23SrRNA；真核28SrRNA 肽鏈合成方向：NC,,,,,（三）轉(zhuǎn)位酶催化核糖體移位 原核生物由延長(zhǎng)因子G(80kD)催化 真核生物由延長(zhǎng)因子2（100kD）起作用,,五、主要的蛋白因子 起始因子（initiation factor,IF）（真核起始因子，eukaryotic initiation factor,eIF）：參與翻譯的起始 延長(zhǎng)因子（elongation factor,EF）：參與肽鏈的延長(zhǎng) 終止釋放因子（releasing factor,RF）及核蛋白體釋放因子（ribosomal releasing factor, RRF）：參與肽鏈合成的終止,第二節(jié) 肽鏈的生物合成
7、過(guò)程,一、原核生物的肽鏈合成過(guò)程,（一）翻譯的起始階段,在起始因子的作用下，fMet-tRNAifMet、mRNA與核糖體結(jié)合，形成70S起始復(fù)合物的過(guò)程。此階段需要GTP及Mg2+參加 起始階段包括四個(gè)小事件的發(fā)生 核蛋白體大小亞基分離 mRNA在小亞基上定位結(jié)合 fMet-tRNAifMet的結(jié)合 核蛋白體大亞基的結(jié)合,1.核蛋白體大小亞基分離,2.mRNA在小亞基上定位結(jié)合,mRNA定位基礎(chǔ)是S-D序列 S-D序列（核糖體結(jié)合位點(diǎn)）是指位于mRNA起始密碼（AUG）的上游約813核苷酸部位存在有49個(gè)核苷酸組成的一致序列，如AGGAGG。 小亞基上16S rRNA 的3端存在有與S-D序
8、列互補(bǔ)的序列UCCUCC,,mRNA在小亞基上定位結(jié)合,IF3,IF-3促進(jìn)mRNA在小亞基定位結(jié)合,3. fMet-tRNAifMet結(jié)合到小亞基-首先占據(jù)P位,,4.核蛋白體大亞基的結(jié)合,IF2自復(fù)合物解離的同時(shí)發(fā)生GTP水解（消耗一個(gè)高能磷酸鍵），大亞基隨之與小亞基結(jié)合，并釋放各種起始因子，形成70S起始復(fù)合物，為延伸作好了準(zhǔn)備。,IF-1,IF-3,IF-2,,GTP,（二）翻譯的延長(zhǎng)階段,肽鏈的延長(zhǎng)是在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，每循環(huán)一次，形成一個(gè)肽鍵，即增加一個(gè)氨基酸殘基，故又稱(chēng)為核蛋白體循環(huán) 每次核蛋白體循環(huán)包括三個(gè)步驟： 進(jìn)位（entrance）（注冊(cè)） 成肽(peptide
9、 bond formation) 轉(zhuǎn)位(translocation),進(jìn)位：氨基酰-tRNA進(jìn)到核糖體的A位,原核延長(zhǎng)因子EF-T主要是促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)到A位（消耗一個(gè)高能磷酸鍵）。包括Tu（40kD）和Ts (28kD）兩個(gè)亞基。,成肽：肽酰轉(zhuǎn)移酶催化肽鍵的生成,原核生物的肽酰轉(zhuǎn)移酶為核糖體大亞基的23S rRNA,每次移動(dòng)一個(gè)遺傳密碼的距離，轉(zhuǎn)位耗能（消耗GTP的一個(gè)高能磷酸鍵）。 原核生物由轉(zhuǎn)位酶是EF-G(80kD)，真核為延長(zhǎng)因子2,轉(zhuǎn)位-核糖體與mRNA相對(duì)移動(dòng) 同時(shí)有肽酰-tRNA由A位移向P位,（三）翻譯的終止階段,當(dāng)mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰
10、-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等分離。終止過(guò)程需要釋放因子參加。 終止過(guò)程需消耗GTP。,,RF-1,RF-1：辨認(rèn)UAA、UAG RF-2：辨認(rèn)UAA、UGA 激活轉(zhuǎn)肽酶的酯酶活性 而水解酯鍵,RF-3,RF-3：促進(jìn)RF-1或RF-2進(jìn)入A位， 具GTP酶活性，幫助肽鏈的釋放,（二）真核生物的肽鏈合成過(guò)程,(一)真核生物翻譯的起始階段,在真核起始因子的作用下， Met-tRNAiMet 、mRNA與核糖體結(jié)合，形成80S起始復(fù)合物的過(guò)程。 起始階段也包括四個(gè)小事件的發(fā)生 核蛋白體大小亞基分離 Met-tRNAifMet與核糖體小亞基結(jié)合 mRNA在小亞基上定位結(jié)合 核蛋白體大亞基的結(jié)
11、合,1.核蛋白體大小亞基分離,2. Met-tRNAiMet結(jié)合到小亞基-首先占據(jù)P位,,,3.mRNA在小亞基上定位結(jié)合,AAA,4.核蛋白體大亞基的結(jié)合,AAA,,,AUG UAA,（二）真核生物翻譯的延長(zhǎng)階段,肽鏈的延長(zhǎng)是在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，每循環(huán)一次，形成一個(gè)肽鍵，即增加一個(gè)氨基酸殘基，故又稱(chēng)為核蛋白體循環(huán) 每次核蛋白體循環(huán)包括三個(gè)步驟： 進(jìn)位（entrance）（注冊(cè)） 成肽(peptide bond formation) 轉(zhuǎn)位(translocation) 真核細(xì)胞核糖體沒(méi)有E位，轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。,進(jìn)位：氨基酰-tRNA進(jìn)到核糖體的A位,成肽：肽酰轉(zhuǎn)移
12、酶催化肽鍵的生成,真核生物的肽酰轉(zhuǎn)移酶為核糖體大亞基的為28S rRNA,每次移動(dòng)一個(gè)遺傳密碼的距離，轉(zhuǎn)位耗能（消耗GTP的一個(gè)高能磷酸鍵）。 原核生物由轉(zhuǎn)位酶是EF-G(80kD)，真核為延長(zhǎng)因子2,轉(zhuǎn)位-核糖體與mRNA相對(duì)移動(dòng) 同時(shí)有肽酰-tRNA由A位移向P位,（三）真核生物翻譯的終止階段,當(dāng)mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等分離。終止過(guò)程需要eRF參加。終止過(guò)程需消耗GTP。,eRF,,多核蛋白體循環(huán)：指多個(gè)核蛋白體（10100個(gè)）以相同的距離、以相同的 速度、沿著同一條mRNA翻譯出多條相同的肽鏈。 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)核蛋白體移動(dòng)約8
13、0個(gè)核苷酸時(shí)，第二個(gè)核蛋白體啟動(dòng)，以此類(lèi)推。,,,,有一DNA單鏈：5AGCCCGAGTTAT3。試寫(xiě)出它的互補(bǔ)鏈？若以該互補(bǔ)鏈為轉(zhuǎn)錄模板，寫(xiě)出它的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物？若以該轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為翻譯的模板，寫(xiě)出它的肽段氨基酸順序？標(biāo)出每個(gè)產(chǎn)物的方向。,思考題,,第三節(jié) 肽鏈合成的加工修飾 及蛋白質(zhì)的靶向輸送,新生肽：從核糖體上釋放出的多肽鏈不一定就是具有生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)，這種新合成的多肽鏈稱(chēng)為新生肽（或初級(jí)翻譯產(chǎn)物） 加工修飾：對(duì)新生肽進(jìn)行水解、剪裁、添加糖鏈、羥化、二硫鍵形成、亞基聚合等過(guò)程，并使其折疊成正確的三維構(gòu)象才能成為具有生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過(guò)程。 靶向輸送：指蛋白質(zhì)合成后經(jīng)過(guò)復(fù)雜機(jī)制、定向轉(zhuǎn)運(yùn)
14、到最終發(fā)揮功能場(chǎng)所的過(guò)程。,一、多肽鏈的折疊,幾種有促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊功能的分子 分子伴侶 (molecular chaperon) 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 肽-脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶 (peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI),（一）分子伴侶,分子伴侶(molecular chaperon)：分子伴侶是指促進(jìn)、幫助、監(jiān)視和加速蛋白質(zhì)進(jìn)行正確折疊的一類(lèi)蛋白質(zhì)分子。 分子伴侶主要有： 熱休克蛋白(heat shock protein,HSP)家族（Hsp70、Hsp40、GrpE） 伴侶蛋白（伴侶素）
15、(chaperonin)家族(E.coli：GroEL、 GroES;真核：Hsp60、Hsp10)。,3.分子伴侶的功能 封閉待折疊蛋白質(zhì)的暴露的疏水區(qū)段 創(chuàng)建一個(gè)隔離的環(huán)境，可以使蛋白質(zhì)的折疊互不干擾 促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊和去聚集 遇到應(yīng)激刺激，使已折疊的蛋白質(zhì)去折疊,（E.coli）熱休克蛋白（HSP）,HSP70（Dna K）：由基因dna K 編碼。N端有結(jié)合與水解ATP的ATP酶結(jié)構(gòu)域，C端有結(jié)合肽鏈的結(jié)構(gòu)域。 HSP70的作用需要HSP40和GrpE兩個(gè)輔助因子的參與。 HSP40（Dna J）：由基因dna J 編碼。在ATP存在時(shí)， HSP40與HSP70的相互作用，激活HSP70
16、的ATP酶活性，抑制蛋白質(zhì)的聚集。 GrpE：核苷酸交換因子，促進(jìn)ATP交換ADP。通過(guò)與HSP40作用，改變HSP70的構(gòu)象而抑制其ATP酶活性。,熱休克蛋白（HSP）作用機(jī)制,（E.coli）伴侶蛋白作用機(jī)制,（二）蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶,蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶：催化錯(cuò)配二硫鍵的斷裂并形成正確的二硫鍵,,（三）肽-脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶,肽-脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶催化肽-脯氨酰順?lè)串悩?gòu)體間的轉(zhuǎn)變,二、一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾,（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)的加工修飾 1.切除N-甲?；虻鞍彼峄蚯谐盘?hào)肽 （1）脫甲?；福喝コ柞；?（2）氨基肽酶：去除蛋氨酸 （3）信號(hào)肽酶：去除信號(hào)肽,,,aa2,aa3,aa4,aa5,aa6,
17、aa7,aa8,aa9,aa10,aan,（二）肽鏈中個(gè)別氨基酸殘基的共價(jià)修飾,1.糖基化：糖蛋白分子中天冬酰胺殘基，絲氨酸殘基或蘇氨酸殘基的糖基化。HMG CoA還原酶無(wú)糖鏈時(shí)，活性下降90%。 2.羥基化：膠原蛋白分子中的羥賴(lài)氨酸殘基和羥脯氨酸殘基是由于賴(lài)氨酸殘基和脯氨酸殘基的羥基化。 3.甲基化：組蛋白分子中精氨酸糖基化的甲基化 4.磷酸化：蛋白質(zhì)分子中絲氨酸殘基、蘇氨酸殘基或酪氨酸殘基的磷酸化,5.親脂性修飾,（三）多肽鏈的水解加工,胰島素原的水解修飾,阿黑皮質(zhì)素原（POMC）水解剪裁,前清蛋白原的水解剪裁,酶原的激活,胰蛋白酶,,三、空間結(jié)構(gòu)的修飾,（一）亞基的聚合 （二）輔基的連接
18、,,,,,四、蛋白質(zhì)的靶向輸送,（一）靶向轉(zhuǎn)運(yùn)的概念：指蛋白質(zhì)合成后經(jīng)過(guò)復(fù)雜機(jī)制、定向輸送到最終發(fā)揮功能的場(chǎng)所的過(guò)程。 （二）蛋白質(zhì)合成后的去向： （1）留在胞液 （2）進(jìn)入細(xì)胞器 （3）分泌到胞外,（三）信號(hào)序列：靶向轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白質(zhì)在其一級(jí)結(jié)構(gòu)上存在分選信號(hào)（主要是N末端的特異序列），可引導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到靶部位，這類(lèi)分選信號(hào)序列稱(chēng)為信號(hào)序列。 細(xì)胞液內(nèi)的蛋白質(zhì)通常缺乏特殊信號(hào)序列。 分泌性蛋白質(zhì)的特殊信號(hào)序列稱(chēng)為信號(hào)肽 定位在細(xì)胞核內(nèi)蛋白質(zhì)的特殊信號(hào)序列稱(chēng)為核定位序列,（四）分揀支路 細(xì)胞根據(jù)蛋白質(zhì)的特殊信號(hào)序列分揀。 1.胞質(zhì)分揀支路：留在胞液、進(jìn)入細(xì)胞器 保留在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的蛋白質(zhì)缺乏特殊信號(hào)序
19、列。進(jìn)入細(xì)胞器的蛋白質(zhì)存在特殊信號(hào)特征。 2.粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分揀支路 多肽鏈借助于其信號(hào)肽的引導(dǎo)、經(jīng)過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)后折疊，在高爾基復(fù)合體中被包裝成分泌小泡，轉(zhuǎn)行至細(xì)胞膜而分泌出胞。,（五）分泌性蛋白質(zhì)的靶向輸送,蛋白質(zhì)通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜需具備三個(gè)條件： N端的信號(hào)肽 蛋白質(zhì)的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 輸送機(jī)制,（1）信號(hào)肽,信號(hào)肽概念：信號(hào)肽(signal peptide)是指未成熟蛋白質(zhì)中有一段可被細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)識(shí)別、并把后續(xù)肽鏈引向膜性結(jié)構(gòu)的特征性的氨基酸序列。 信號(hào)肽的序列特點(diǎn)： 通常位于氨基端，一般由1336多個(gè)氨基酸殘基組成。 氨基端常為蛋氨酸，近氨基端含帶正電荷的氨基酸，中央段含有較多的疏水性氨基
20、酸。 羧基端多為丙氨酸 信號(hào)肽分區(qū),,,,堿性氨基末端區(qū),疏水核心區(qū),信號(hào)肽酶作用區(qū),（2）分泌機(jī)制--信號(hào)肽學(xué)說(shuō),六、質(zhì)膜蛋白質(zhì)的靶向輸送,七、線(xiàn)粒體蛋白質(zhì)的靶向輸送,八、細(xì)胞核蛋白質(zhì)的靶向輸送,第四節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成與醫(yī)學(xué)的關(guān)系,一、病毒競(jìng)爭(zhēng)宿主蛋白質(zhì)合成機(jī)器合成病毒蛋白 病毒mRNA與宿主細(xì)胞mRNA競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合核糖體小亞基，抑制宿主細(xì)胞蛋白質(zhì)合成（如呼吸道病毒、腸道病毒、皰疹口炎病毒） 病毒存在一種蛋白酶，可水解eIF-4G氨基端的結(jié)合位點(diǎn)，一方面不影響病毒mRNA與核糖體小亞基的結(jié)合，但使eIF-4F復(fù)合物不能形成而干擾宿主細(xì)胞蛋白質(zhì)合成（如脊髓灰質(zhì)炎病毒等）,二、抗生素對(duì)蛋白質(zhì)生物合成的影響,,鏈霉素、卡那霉素與核蛋白體結(jié)合，引起讀碼錯(cuò)誤,四環(huán)素（廣譜）抑制氨基酰tRNA進(jìn)位,氯霉素與核蛋白體大亞基結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)肽酶活性，阻斷翻譯延長(zhǎng),嘌呤霉素嘌呤霉素是酪氨酰-tRNA類(lèi)似物，可取代其進(jìn)位，使肽鏈提前釋放,三、毒素干擾蛋白質(zhì)合成,四、干擾素對(duì)蛋白質(zhì)合成的干擾作用,干擾素（interferon，IFN)是真核細(xì)胞被病毒感染后分泌的一種具有抗病毒作用的細(xì)胞因子，包括IFN-、IFN-和IFN-，它們分別由白細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和活化的T細(xì)胞產(chǎn)生 干擾素干擾病毒蛋白質(zhì)合成的機(jī)制 對(duì)eIF-2的滅活作用 降解病毒mRNA,,,See You Later,
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