第十三章 蛋白质的生物合成 Chapter 13 Biosynthesis of Protein

第十三章 蛋白质的生物合成 第十三章 蛋白质的生物合成 Chapter 13 Biosynthesis of ProteinChapter 13 Biosynthesis of Protein

蛋白质的生物合成过程，就是将 DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译 (translation) 。

一、 蛋白质的生物合成的概念

二、蛋白质生物合成体系

除合成原料氨基酸外，蛋白质生物合成体系还包括mRNA,tRNA,核蛋白体，有关的酶，蛋白因子，ATP，GTP等供能物质及必要的无机离子。

⒈三联体密码 : mRNA从 5 ’ →3’方向，由起始密码

AUG开始到终止密码之间的区域称为一个开放读码框架，读码框架内每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码 (coden)。共有 64 种不同的密码。

㈠mRNAmRNA作为指导蛋白质生物合成的模板。

2、三联体密码特点：连续性：密码的三联体不间断，必须三个一组连续读下去。

简并性：多个密码共同编码一个氨基酸的对象。通用性：全部生物在蛋白质生物合成中都使用同一套密码（但在线粒体或叶绿体中特殊）。摆动性：密码子与反密码子配对时，不遵守 碱基配对原则的现象。起始密码与终止密码：起始密码 -AUG；终止密码 -UAA、UAG、UGA。方向性：mRNA密码子的阅读方向是

5 ，→ 3 ，。

遗传密码的连续性遗传密码的连续性

遗传密码的简并性和通用性遗传密码的简并性和通用性

㈡ tRNA

1、反密码 (anticoden):tRNA反密码环中 部的三个 核苷酸构成三联体，可以识别

mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码 (anticoden)。

tRNA是转运氨基酸的工具。在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的 tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨基酰 tRNA，从而

携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。

2、不稳定配对 :反密码的第一个核苷酸与密码第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则，称之不稳定配对。如：

5’- 反密码第一个核苷酸 3’- 密码第三核苷酸

I A、U或C U A或G G U或C

遗传密码的摆动配对遗传密码的摆动配对

起动 tRNA：能够识别mRNA中 5′端起动密码 AUG的 tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动 tRNA。• 原核生物：起动 tRNA是tRNAi

fmet；

• 真核生物：起动 tRNA是tRNAi

met。在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的 tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码， AUG。

㈢ rRNA和核蛋白体rRNA与多种蛋白质组成核蛋白体，是肽链合成的场所。

核糖体 亚基 rRNA

蛋白质种类

原核

真核

70S30S 16S 21种

50S 5S 23S

34种

80S40S

18S 大约 33种

5S 5.8S 28S

大约 50

种

细胞

60S

核蛋白体的组装核蛋白体的组装

将 30S小亚基抱住；

大肠杆菌核蛋白体空间结构

·为一椭圆球体；·30S亚基呈哑铃状；·50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，·两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。

小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。

大亚基：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。

核蛋白体大、小亚基的功能

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。

具有GTPase活性 :水解GTP，获得能量。

具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。

多核蛋白体：由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。

㈣ 起动因子（ IF）

这是一些与多肽链合成起动有关的蛋

白因子。

原核生物中存在 3种起动因子（ IF1-3 ）。

真核生物中存在 9种起动因子（ eIF ）。起动因子的作用主要是促进核蛋白体小亚

基与起动 tRNA及模板mRNA结合。

EFTU（GTPase） α （GTPase）

EFT EF1 β

原核 EFTS 真核 γ

EFG（转位酶） EF2（转位酶）

㈤ 延长因子（ EF）

作用：主要促使氨基酰 tRNA进入核蛋白的受 体， 并可促进移位过程。

原核生物中存在 3种延长因子（ EFTU， EFTS， EFG） .真核生物中存在 2种（ EF1， EF2）。

RF：主要作用是识别终止密码 ,协助多肽链的释放。

•原核生物中有 4种•真核生物中只有 1种。 RR：主要作用是促使mRNA从核蛋白体上释放。

㈥释放因子（ RF）、（ RR）

功能：该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰 tRNA的合成有关。

特点：• 每种氨基酰 tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种 tRNA具有高度特异性 .

• 目前认为，该酶对 tRNA 的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。

㈦ 氨基酰 tRNA 合成酶

G3 U70

G3 U70

丙氨酸 tRNA(含密码子）

人工合成的小螺旋

（不含密码子）

Ala

㈧ 供能物质和无机离子

多肽链合成时，需 ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、 K+ 参与。氨基酸活化时需消耗 2分子高能磷酸

键， 肽键形成时又消耗 2分子高能磷酸键，

故缩合一分子氨基酸残基需消耗 4分子高能磷酸键。

二、蛋白质生物合成过程二、蛋白质生物合成过程 蛋白质生物合成过程包括三大步骤 :•氨基酸的活化与搬运•活化氨基酸在核蛋白体上的缩合•多肽链合成后的加工修饰

((一一 ) ) 氨基酸的活化与搬运氨基酸的活化与搬运 氨基酸的活化以及活化氨基酸与 tRNA的结合，由氨基酰 tRNA合成酶催化完成。其反应过程为：

在此反应中，特异的 tRNA3’ 端 CCA上的 2’或 3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酰tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。

氨基酸 tRNA 的合成，可使氨基酸活化；搬运；定位。

((二二 ))活化氨基酸的缩合活化氨基酸的缩合 --核蛋白体循环核蛋白体循环

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：分为起始、延伸和终止三个阶段，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。

1.起始（ initiation):大致分三个阶段1)30S起始复合物的形成

2)70S起始前复合体的形成

3)70S起始复合体的形成

1)30S起始复合物的形成

﹡借助 16SrRNA近 3’端的 3’-UCCUCC-5’序列与mRNA的 SD序列互补配对 .

fMet-tRNAfmet+IF2+GTP

mRNA﹡

〔 IF1· IF3 · 30S亚基 · mRNA〕

〔 IF1· IF3 · 30S亚基 · fMet-tRNAfmet · mRNA〕

IF1、 IF3 + 70S核糖体

50S亚基

〔 IF1· IF3 · 30S亚基〕

SD序列（ Shine-Dalgamo)：原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为 SD序列（核蛋白体结合位点， RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。帽子结合蛋白（ CBP）：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。

3) 70S起动复合体的形成

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。•GTP被水解， IF1和 IF2从复合物上脱落。•fMet-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）。

2. 延伸(elongation)EF-Tu + AA-tRNA + GTP

〔 AA-tRNA · EF-Tu · GTP 〕

进入核糖体的受位（ A位）进位

EF-Tu · GDP

A位上的 AA-tRNA 中 AA和

P位的 fMet作用生成肽键成肽

EF-G · GTP

A位上的肽基 -tRNA 移向 P位

GDP

A位上 -tRNA 移向 E位

移位

E位点的 -tRNA 离开核糖体脱落

3.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。

三、多肽链合成后的加工修饰三、多肽链合成后的加工修饰 （一）一级结构的加工修饰

1．N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除 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：

甲酰蛋氨酸 -肽 甲酸 + 蛋氨酸 -肽甲酰化酶

2)去蛋氨酰基：

蛋氨酰 - 肽 蛋氨酸 + 肽蛋氨酸氨基肽酶

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。

（二）高级结构的形成：1．构象的形成

•在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。

2．亚基的聚合3．辅基的连接分子伴侣（ chaperonins)：协助肽链折

叠成蛋白质的蛋白质或酶，如HSP等。

（三）靶向输送：

蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽 。

常见的信号肽由 10 ~ 40个氨基酸残基组成，N端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水的核心区，而 C端由小分子氨基酸残基组成，可被信号肽酶识别并裂解。分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别粒子（ SRP）识别并特异结合，然后再通过 SRP与膜上的对接蛋白（DP）识别

并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。

分泌型蛋白质的靶向输送

（四）翻译抑制剂

1.四环素：抑制氨酰 -TRNA与核糖体结合。

2.嘌呤霉素：类似氨酰 -TRNA的 3’端，进入A 位， 产生未成熟肽链。

3.氯霉素：能与 50S亚基结合，阻断转肽酶活 性。

4.链霉素：能与 30S小亚基结合，引起读码错误。

5.红霉素：能与 50S亚基结合，阻断移位作用。

6.放綫菌酮：作用与氯霉素类似。