蛋白质的合成与加工 Protein Synthesis and Processing第十八章第十八章 1954年，Paul Zamecnik及其同事实验证明体内蛋白质是 由氨基酸合成的。1956年，他们发现了氨基酰-tRNA合 成酶。 1958年，M. B. Hoagland和Zamecnik又发现蛋白质生物 合成需要可溶性RNA为中介。 1961年，Howard Dintzis证明血红蛋白肽链合成方向是 从N-末端向C-末端进行。 19611966年间，Nirencerg、Matthaei和Khorana先后 确定了64个遗传密码。 19731976年，麦胚无细胞体系、兔网织无细胞体系分 别建立，蛋白质合成的具体过程终于揭晓。l蛋白质的生物合成，即翻译（translation）l翻译的过程就是将核酸中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分子中20种氨基酸的排列顺序 。蛋白质合成体系的组成 Components Required for Protein Biosynthesis第一节 参与蛋白质生物合成的三种参与蛋白质生物合成的三种RNARNA：lmRNA（messenger RNA, 信使RNA）lrRNA（ribosomal RNA, 核糖核蛋白体RNA）ltRNA（transfer RNA, 转移RNA）辅助因子包括:起始因子(initiation factor, IF)延长因子(elongation factor, EF)释放因子（终止因子）(release factor, RF) 等 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 一、mRNA是蛋白质/多肽链合成的模板l在遗传信息传递过程中，DNA转录生成mRNA ，mRNA作为蛋白质合成的直接模板，指导蛋 白质多肽链的合成。l mRNA包括 5-非翻译区(5-untranslated region, 5-UTR) 开放阅读框架区(open reading frame, ORF) 3-非翻译区(3-untranslated region, 3-UTR)原核生物mRNA真核生物mRNA非翻译区核蛋白体结合位点 起始密码子终止密码子编码序列PPP53蛋白质PPPmG -53蛋白质AAA目 录（一）mRNA含有64种密码子mRNA分子上每3个核苷酸构建一个密码子，编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet codon)，也称遗传密码子(genetic codon)。起始密码(initiation codon): AUG 终止密码(termination codon):UAA、UAG、UGA 遗 传 密 码 表目 录1.遗传密码具有通用性( (universaluniversal) )（二）遗传密码具有几个特性l从原核生物生物（包括病毒、细菌等）、真核生 物以及人类都共同使用同一套遗传密码。 l已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细 胞的叶绿体。2. 密码子具有方向性(direction)l起始密码子总是位于mRNA开放阅读框架的5末端，终止密码子位于3末端。 l翻译的方向是从5到3末端。 3. 遗传密码具有连续性(commaless)(commaless)l 密码子按5 3方向每3个一组阅读框架顺序翻 译，无标点、不重叠，即连续性lmRNA开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入 或缺失，可引起移码突变(frameshift mutation)。 翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。 4. 遗传密码具有简并性(degeneracy)(degeneracy)目 录l简并性，即同一种氨基酸具有多个密码子，或者多个密码子代表一种氨基酸的现象。l遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅对应一个密码子外，其余氨基酸均有一个以上密码子为其编码。简并性(degeneracy)目 录5. 遗传密码具有摆动性（wobble）l编码同一氨基酸的不同密码子互称同义密码子；同义密码子之间的差异通常只在第3位碱基上，密码子第3位碱基与tRNA反密码子不严格遵守碱基配对规律，而是摆动碱基配对。 U摆动配对目 录密码子、反密码子配对的摆动性tRNA反密码子 第1位碱基IUGACmRNA密码子 第3位碱基U、C、AA、 GU、CUG二、一种tRNA只能转运一种氨基酸但 一种氨基酸可由几种tRNA转运反密码环氨基酸臂tRNA的三级结构示意图三、rRNA与蛋白质组成核糖体 目 录蛋白质合成场所核 糖 体 的 组 成目 录原核生物核糖体 70 S Mt 2.7106 真核生物核糖体 80S Mt 4.2106核糖体在蛋白质合成中有主要作用： 核糖体两亚基上具有结合mRNA的位点， 还有与起始因子、延长因子、释放因子及各种 酶的结合位点；并且具有两个tRNA结合的位点 ；A位点是氨基酰tRNA结合位点，P位点是肽 酰tRNA结合位点。通过将mRNA、氨基酰- tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调 节蛋白质的合成。核糖体是合成蛋白质的场所 。l20种氨基酸（AA）l酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成 酶、起始因子(initiation factor，IF) 、延 长因子（elongation factor，EF）、释放 因子（release factor，RF）。 lATP、GTPl无机离子四、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子大肠杆菌蛋白质合成的5个阶段所需化合物1氨基酸的活化20种氨基酸 20种氨基酰-tRNA合成酶 32种（或多于32种）tRNA ATP、Mg2+ 2起始mRNA N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfmer mRNA上的起始密码子（AUG） 30S核糖体亚基 50S核糖体亚基 起始因子（IF-1, IF-2, IF-3） GTP、Mg2+ 3延长具有功能的70S核糖体（起始复合物） 密码子特异的氨基酰-tRNA 延长因子（EF-Tu, EF-Ts, EF-G） GTP、Mg2+ 4终止与释放mRNA上的终止密码 释放因子（RF-1, RF-2, RF-3） 5折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物， 水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅 基结合到蛋白质上阶段必需化合物1氨基酸的活化20种氨基酸 20种氨基酰-tRNA合成酶 32种（或多于32种）tRNA ATP、Mg2+ 2起始mRNA N-甲酰甲硫氨酰-tRNA mRNA上的起始密码子（AUG） 30S核糖体亚基 50S核糖体亚基 起始因子（IF-1, IF-2, IF-3） GTP、Mg2+ 3延长具有功能的70S核糖体（起始复合物） 密码子特异的氨基酰-tRNA 延长因子（EF-Tu, EF-Ts, EF-G） GTP、Mg2+ 4终止与释放mRNA上的终止密码 释放因子（RF-1, RF-2, RF-3） 5折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物， 水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅 基结合到蛋白质上阶段必需化合物蛋白质的合成过程Protein Synthesis Process 第二节l氨基酸的活化l肽链合成的起始(initiation)l肽链的延长(elongation)l肽链合成的终止(termination )及释放整个翻译过程可分为4个阶段 ：翻译过程从开放阅读框架的5-AUG开始向3阅读，按mRNA上三联体密码的顺序指导蛋白质从N端向C端合成，直至终止密码。 氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸 与tRNA的连接一、氨基酸活化成氨基酰-tRNA氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)第一步反应:氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi 目 录第二步反应:氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMPE目 录（型）l氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。l氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(editing activity)，即酯酶的活性 。l氨基酰-tRNA的表示方法：Ser-tRNASerMet-tRNAMet （二）氨基酰-tRNA合成酶具有校读作用二、起始阶段形成翻译起始复合物指在起始因子的作用下，mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。l原核生物中有3种起始因子(initiation factor，IF) ：IF-1、 IF-2、 IF-3l真核生物起始因子被称作eIF (eukaryotic initiation factor) eIF-1、-2、-3、-4、-5和-6 翻译的起始因子真核起始因子功能 eIF-1 多功能因子，参与多个翻译步骤 eIF-2 促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合 eIF-2B 又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDP交换成GTP eIF-3 首先与40S小亚基结合的因子，并能加速后续步骤 eIF-4A 具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA 5端的发夹结构， 使其与40S小亚基结合。是eIF-4F 的组成成分 eIF-4B 与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUG eIF-4E 结合mRNA的帽子结构，是eIF4F的组成成分 eIF-4G 一种接头蛋白，能与eIF-4E 、eIF-3和poly A结合蛋白结合将 40 S的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是eIF4F的组成 成分 eIF-5 促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60S 大亚基结合形成80S起始复合物 eIF-6 促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基原核起始因子功能 IF-1 防止tRNA过早地结合到A位 IF-2 促进fMet-tRNAfMet结合到30S小亚基 IF-3 结合30S小亚基，防止它过早地与50S大亚基结合，并提高P 位对fMet-tRNAfMet的特异性真核起始因子功能 eIF-1 多功能因子，参与多个翻译步骤 eIF-2 促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合 eIF-2B 又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDPGTP eIF-3 首先与40S小亚基结合的因子，并能加速后续步骤 eIF-4A 具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA 5端的发夹结构， 使其与40S小亚基结合。是的组成成分 eIF-4B 与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUG eIF-4E 结合mRNA的帽子结构，是的组成成分 eIF-4G