第十五章第十五章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成(Protein Biosynthesis，Translation)蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成的概念蛋蛋白白质质生生物物合合成成(protein biosynthesis)也也称称翻翻译译(translation)，是是指指生生物物细细胞胞以以mRNA为为模模板板，按按照照mRNA分分子子中中核核苷苷酸酸的的排排列列顺顺序序所所组组成的成的密码信息密码信息合成蛋白质的过程。合成蛋白质的过程。 n定义定义 第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系Protein Biosynthesis System1.1.基本原料：基本原料：2020种基本种基本氨基酸氨基酸2.2.信息模板：信息模板：mRNAmRNA （信使（信使RNARNA）3.3.“装配工厂装配工厂”：核糖体核糖体4.4.“运输工具运输工具”：tRNAtRNA（转运（转运RNARNA）5.5.主要酶：主要酶：氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶、转肽酶转肽酶6.6.蛋白质因子：起始因子、延长因子、释放因子蛋白质因子：起始因子、延长因子、释放因子7.7.金属离子：金属离子：MgMg2+2+、 K K+ +8.8.能源物质：能源物质：ATPATP、GTPGTP蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系AUGGUGGCGAGGTGTATTGA UAAAAAA Anm7Gpppp5/帽子结构帽子结构帽子结构帽子结构5/非编码区非编码区非编码区非编码区编码区编码区编码区编码区3/非编码区非编码区非编码区非编码区3/多聚多聚多聚多聚A A尾尾尾尾mRNA的结构的结构从从编编码码区区5 5 端端AUGAUG（起起始始密密码码子子）至至3 3 端端UAAUAA（终终止止密密码码子）子）为止，每为止，每3 3个相邻核苷酸为一组，称为个相邻核苷酸为一组，称为三联密码子三联密码子。 每每3 3个个核核苷苷酸酸（即即一一个个三三联联密密码码子子），经经翻翻译译后后对对应应于于1 1个氨基酸分子个氨基酸分子。编编码码区区指指能能够够直直接接指指导导合合成成蛋蛋白白质质的的区区域域，而而非非编编码码区区主要对合成过程进行调控，本身不翻译成相应的蛋白质。主要对合成过程进行调控，本身不翻译成相应的蛋白质。一、一、mRNAmRNA是蛋白质合成的信息模板是蛋白质合成的信息模板n遗传密码遗传密码在在mRNAmRNA的编码区的编码区，以每，以每3 3个相邻的核苷酸为一个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸信息组，代表一种氨基酸信息( (或其他信息或其他信息) )，这种，这种三三联体形式联体形式的核苷酸序列称为的核苷酸序列称为密码子密码子或或三联密码子三联密码子。 密码子（密码子（codon）u起始密码子：起始密码子：AUG-甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸 线粒体和叶绿体以线粒体和叶绿体以AUG、AUU、AUA 为起始密码子为起始密码子u终止密码子：终止密码子：UAA、UAG、UGAn解码解码 反密码子（反密码子（anti-codon） 反密码子是位于反密码子是位于tRNAtRNA、可、可与与mRNAmRNA的三联体的三联体密码子配对密码子配对的的三个相邻核苷酸三个相邻核苷酸。在蛋白质的合成中，。在蛋白质的合成中，起起解读密码解读密码、辅助将特异的、辅助将特异的氨基酸引入合成位点氨基酸引入合成位点。A U G53密码子密码子反密码子反密码子mRNAmRNAtRNAtRNAn遗传密码的特点遗传密码的特点1. 1. 方向性方向性(directional)(directional)翻译时遗传密码的阅读方向是翻译时遗传密码的阅读方向是 ，即，即读码从读码从mRNA的起始密码子的起始密码子AUG开始，按开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。的方向逐一阅读，直至终止密码子。 532. 2. 连续性连续性(non-punctuated)(non-punctuated)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉既无间隔也无交叉。 3. 3. 简并性简并性 (degenerate)(degenerate)一一种种氨氨基基酸酸可可具具有有2个个或或2个个以以上上的的密密码码子子为为其其编编码码。这这一一特特性性称称为为遗遗传传密密码码的的简简并并性。性。编码氨基酸的编码氨基酸的密码子共密码子共61组组氨基酸氨基酸共共20种种一种氨基酸一种氨基酸多组密码子多组密码子一组密码子一组密码子一种氨基酸一种氨基酸4. 4. 摆动性摆动性 (wobble)(wobble) 反密码子与密码子之间的配对有时反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对。象称为摆动配对。 U5. 5. 通用性通用性 (universal)(universal)从简单的细菌到高等的人类，几乎使用同一从简单的细菌到高等的人类，几乎使用同一从简单的细菌到高等的人类，几乎使用同一从简单的细菌到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，即遗传密码具有通用性。套遗传密码，即遗传密码具有通用性。套遗传密码，即遗传密码具有通用性。套遗传密码，即遗传密码具有通用性。大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌人体蛋白人体蛋白人体蛋白人体蛋白二、核糖体是蛋白质合成的场所二、核糖体是蛋白质合成的场所n核糖体核糖体1. 核核糖糖体体是是多多肽肽链链的的“装装配配工工厂厂”，负负责责将将小分子的氨基酸组装成大分子的多肽链；小分子的氨基酸组装成大分子的多肽链；2. 核核糖糖体体是是由由rRNA和和多多种种蛋蛋白白质质结结合合而而成成，包括一个包括一个大亚基大亚基和一个和一个小亚基小亚基两部分；两部分；3. 核核糖糖体体能能够够沿沿着着模模板板mRNA链链从从5 端端向向3 端端移动移动；核糖体的组成核糖体的组成mRNAmRNAtRNAtRNA核糖体核糖体第二节第二节氨基酸与氨基酸与tRNA的连接的连接AAAA氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶 氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶OHHAAAACOO氨基氨基酰酰-tRNA-tRNA 1. 高度专一性：高度专一性：氨基酰氨基酰-tRNA合成酶既能够识别合成酶既能够识别特定的氨基酸，又能够辨认应该结合这种氨特定的氨基酸，又能够辨认应该结合这种氨基酸的基酸的tRNA。 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶的特点合成酶的特点 2. 校对活性：校对活性：能识别错误结合的氨基酸并将其水能识别错误结合的氨基酸并将其水解释放，避免蛋白质合成过程的氨基酸错配。解释放，避免蛋白质合成过程的氨基酸错配。保证蛋白质合成的高保真性保证蛋白质合成的高保真性第三节 蛋白质的生物合成 翻译起始翻译起始翻译起始翻译起始 (initiation)(initiation)肽链延长肽链延长肽链延长肽链延长 (elongation)(elongation)翻译终止翻译终止翻译终止翻译终止 (termination )(termination )翻译过程翻译过程(The Process of Protein Biosynthesis ) 原核生物蛋白质合成原核生物蛋白质合成原核生物蛋白质合成原核生物蛋白质合成 真核生物蛋白质合成真核生物蛋白质合成真核生物蛋白质合成真核生物蛋白质合成一、原核生物翻译过程一、原核生物翻译过程1. 1. 1. 1. 核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；2. mRNA2. mRNA2. mRNA2. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；3. 3. 3. 3. 起始氨基酰起始氨基酰起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA-tRNA-tRNA的进入；的进入；的进入；的进入； 4. 4. 4. 4. 核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。 指指指指 和起始和起始和起始和起始 分别与分别与分别与分别与 结合而形成翻译起始复合物结合而形成翻译起始复合物结合而形成翻译起始复合物结合而形成翻译起始复合物 。( (一一) )起始起始mRNAmRNAmRNAmRNA氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA-tRNA-tRNA核糖体核糖体核糖体核糖体IF-3IF-11. 核糖体大小亚基分离核糖体大小亚基分离A U G53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合核糖体核糖体结合位点结合位点起始密码子上游一段起始密码子上游一段4-9 bp4-9 bp的保守序列，的保守序列，可与核糖体可与核糖体16S rRNA16S rRNA通过碱基互补精确配通过碱基互补精确配对。对。IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNA )结合到小亚基结合到小亚基A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核糖体大亚基结合，起始复合物形成核糖体大亚基结合，起始复合物形成A U G53mRNA氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA核糖体核糖体IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi原核生物翻译起始总结原核生物翻译起始总结( (二二) ) 原核生物肽链延原核生物肽链延长长 肽链延长包括肽链延长包括肽链延长包括肽链延长包括 、 与与与与 三步，在核糖体上连续性循环式进行，又称为核三步，在核糖体上连续性循环式进行，又称为核三步，在核糖体上连续性循环式进行，又称为核三步，在核糖体上连续性循环式进行，又称为核糖体循环，每次循环增加一个氨基酸。糖体循环，每次循环增加一个氨基酸。糖体循环，每次循环增加一个氨基酸。糖体循环，每次循环增加一个氨基酸。 翻译起始复合物形成后，核糖体从翻译起始复合物形成后，核糖体从翻译起始复合物形成后，核糖体从翻译起始复合物形成后，核糖体从mRNAmRNAmRNAmRNA的的的的5 5 5 5 端向端向端向端向3 3 3 3 端移动，翻译的结果为从端移动，翻译的结果为从端移动，翻译的结果为从端移动，翻译的结果为从N N N N端向端向端向端向C C C C端方向延长多肽链。端方向延长多肽链。端方向延长多肽链。端方向延长多肽链。进位进位进位进位成肽成肽成肽成肽转位转位转位转位物理位置的转变物理位置的转变酶催化的化学反应酶催化的化学反应进进位位转转位位成肽成肽成肽成肽成肽是由成肽是由转肽酶转肽酶催化形成催化形成肽键肽键的过程。的过程。TuGTPGDPA U G53TufMetA U G53fMetTuGTP 当当mRNAmRNA上的上的终止密码子终止密码子出现后，多肽链合出现后，多肽链合成成停止停止，肽链从肽酰，肽链从肽酰-tRNA-tRNA中中脱落脱落，mRNAmRNA、核糖体、核糖体等等解体解体，此时翻译过程终止。，此时翻译过程终止。( (三三) ) 原核生物翻译终原核生物翻译终止止 终止密码子不被任何氨基酰终止密码子不被任何氨基酰-tRNA-tRNA识别，只识别，只有有释放因子释放因子（RFRF）能够识别它并进入核糖体的）能够识别它并进入核糖体的A A位。位。 1. 1. 释放因子可释放因子可引起转肽酶活性的改变引起转肽酶活性的改变，从，从而使肽链从而使肽链从tRNAtRNA上脱落。上脱落。 2. 2. 释放因子可释放因子可引起核糖体结构的改变引起核糖体结构的改变，从，从而使复合体趋于解体。而使复合体趋于解体。U A G53RFCOO-第四节第四节Posttranslational Modification and Posttranslational Modification and Targeting Targeting Transfer of ProteinTransfer of Protein蛋白质翻译后加工和靶向输送蛋白质翻译后加工和靶向输送n n新新新新生生生生多多多多肽肽肽肽链链链链不不不不具具具具备备备备蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质的的的的生生生生物物物物学学学学活活活活性性性性，必必必必须须须须经经经经过过过过复复复复杂杂杂杂的的的的加加加加工工工工才才才才能能能能转转转转变变变变为为为为具具具具有有有有天天天天然然然然构构构构象象象象的的的的功功功功能蛋白质，这一加工过程称为能蛋白质，这一加工过程称为能蛋白质，这一加工过程称为能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰。翻译后修饰。翻译后修饰。翻译后修饰。n n翻翻翻翻译译译译后后后后修修修修饰饰饰饰包包包包括括括括肽肽肽肽链链链链折折折折叠叠叠叠、亚亚亚亚基基基基聚聚聚聚合合合合、基基基基团团团团修修修修饰、新键形成、部分区域切除等。饰、新键形成、部分区域切除等。饰、新键形成、部分区域切除等。饰、新键形成、部分区域切除等。蛋白质翻译后加工蛋白质翻译后加工 蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质合合合合成成成成后后后后被被被被定定定定向向向向输输输输送送送送到到到到其其其其发发发发挥挥挥挥作作作作用用用用的部位的过程称为的部位的过程称为的部位的过程称为的部位的过程称为蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送。蛋白质靶向输送蛋白质靶向输送 新生肽链的折叠不是自发的，需要在酶新生肽链的折叠不是自发的，需要在酶新生肽链的折叠不是自发的，需要在酶新生肽链的折叠不是自发的，需要在酶或蛋白质的辅助下，按照特定的方式进行折叠，或蛋白质的辅助下，按照特定的方式进行折叠，或蛋白质的辅助下，按照特定的方式进行折叠，或蛋白质的辅助下，按照特定的方式进行折叠，转变为天然构象的功能蛋白质。这些辅助性蛋白转变为天然构象的功能蛋白质。这些辅助性蛋白转变为天然构象的功能蛋白质。这些辅助性蛋白转变为天然构象的功能蛋白质。这些辅助性蛋白质也称为质也称为质也称为质也称为分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣。 一、一、 分子伴侣辅助肽链折叠分子伴侣辅助肽链折叠 热激蛋白热激蛋白热激蛋白热激蛋白 伴侣蛋白伴侣蛋白伴侣蛋白伴侣蛋白 二硫键异构酶二硫键异构酶二硫键异构酶二硫键异构酶 肽肽肽肽- - - -脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶二、蛋白质一级结构修饰主要是二、蛋白质一级结构修饰主要是肽键水解和化学修饰肽键水解和化学修饰 （一）肽链末端的修饰（一）肽链末端的修饰（二）个别氨基酸的共价修饰（二）个别氨基酸的共价修饰 1 1糖基化糖基化 2 2羟基化羟基化 3 3甲基化甲基化 4 4磷酸化磷酸化 5 5二硫键形成二硫键形成 6 6亲脂性修饰亲脂性修饰例：鸦片促黑皮质素原例：鸦片促黑皮质素原(POMC)(POMC)的水解修饰的水解修饰（三）多肽链的水解修饰（三）多肽链的水解修饰三、空间结构的修饰三、空间结构的修饰结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。才能成为具有功能活性的天然蛋白质。 具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体。通过非共价键聚合，形成寡聚体。（一）亚基聚合形成具有（一）亚基聚合形成具有四级结构四级结构的蛋白质的蛋白质（二）（二）辅基辅基连接后形成完整的结合蛋白质连接后形成完整的结合蛋白质四、合成后蛋白质可被四、合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位靶向输送至细胞特定部位 蛋蛋白白质质在在核核糖糖体体上上合合成成后后，必必须须分分选选出出来来，定定向向输输送送到到一一个个合合适适的的部部位位才才能能行行使使各各自自的的生生物物学学功功能能。蛋蛋白白质质的的靶靶向向输输送送与与翻翻译译后后修修饰饰过过程程同同步进行。步进行。 第五节第五节Interference and Inhibition Interference and Inhibition of of Protein BiosynthesisProtein Biosynthesis蛋白质生物合成蛋白质生物合成的干扰和抑制的干扰和抑制n n蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。的作用靶点。的作用靶点。的作用靶点。n n抗生素等就是通过阻断真核、原核生物蛋白质抗生素等就是通过阻断真核、原核生物蛋白质抗生素等就是通过阻断真核、原核生物蛋白质抗生素等就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能、干扰和抑制蛋白质生物翻译体系某组分功能、干扰和抑制蛋白质生物翻译体系某组分功能、干扰和抑制蛋白质生物翻译体系某组分功能、干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。合成过程而起作用的。合成过程而起作用的。合成过程而起作用的。 一、许多抗生素通过抑制蛋白质一、许多抗生素通过抑制蛋白质生物合成发挥作用生物合成发挥作用n n抑制抑制翻译起始翻译起始的抗生素的抗生素n n抑制抑制肽链延长肽链延长的抗生素的抗生素 四四环环素素族族氯霉素氯霉素链霉素和卡那霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素嘌呤霉素放线菌酮放线菌酮二、其他干扰蛋白质生物合成的物质二、其他干扰蛋白质生物合成的物质n n白白白白喉喉喉喉毒毒毒毒素素素素是是是是真真真真核核核核细细细细胞胞胞胞蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质合合合合成成成成的的的的抑抑抑抑制制制制剂剂剂剂，它它它它作作作作为为为为一一一一种种种种修修修修饰饰饰饰酶酶酶酶，可可可可使使使使eEF-2eEF-2eEF-2eEF-2发发发发生生生生ADPADPADPADP糖糖糖糖基基基基化共价修饰，使化共价修饰，使化共价修饰，使化共价修饰，使eEF-2eEF-2eEF-2eEF-2失活。失活。失活。失活。（一）毒素（一）毒素1 1 1 1白喉毒素白喉毒素白喉毒素白喉毒素2 2蓖麻蛋白蓖麻蛋白(ricin) (ricin) n n蓖蓖蓖蓖麻麻麻麻蛋蛋蛋蛋白白白白是是是是蓖蓖蓖蓖麻麻麻麻籽籽籽籽中中中中所所所所含含含含的的的的一一一一种种种种植植植植物物物物糖糖糖糖蛋蛋蛋蛋白白白白，由由由由A A A A、B B B B两条多肽链组成。两条多肽链组成。两条多肽链组成。两条多肽链组成。n nA A A A链链链链是是是是一一一一种种种种蛋蛋蛋蛋白白白白酶酶酶酶，可可可可作作作作用用用用于于于于真真真真核核核核生生生生物物物物核核核核蛋蛋蛋蛋白白白白体体体体大大大大亚亚亚亚基基基基的的的的28S 28S 28S 28S rRNArRNArRNArRNA，使使使使28S 28S 28S 28S rRNArRNArRNArRNA降降降降解解解解，从从从从而而而而引起核蛋白体大亚基失活；引起核蛋白体大亚基失活；引起核蛋白体大亚基失活；引起核蛋白体大亚基失活；（二）干扰素（二）干扰素n n干干干干扰扰扰扰素素素素是是是是真真真真核核核核细细细细胞胞胞胞被被被被病病病病毒毒毒毒感感感感染染染染后后后后分分分分泌泌泌泌的的的的一一一一类类类类具具具具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。n n 干扰素抑制病毒作用的两种机制干扰素抑制病毒作用的两种机制n n干干干干扰扰扰扰素素素素诱诱诱诱导导导导特特特特异异异异的的的的蛋蛋蛋蛋白白白白激激激激酶酶酶酶活活活活化化化化，使使使使eIF-2eIF-2eIF-2eIF-2磷磷磷磷酸酸酸酸化而失活化而失活化而失活化而失活，从而抑制病毒蛋白质合成；，从而抑制病毒蛋白质合成；，从而抑制病毒蛋白质合成；，从而抑制病毒蛋白质合成；n n干干干干扰扰扰扰素素素素能能能能诱诱诱诱导导导导活活活活化化化化核核核核酸酸酸酸内内内内切切切切酶酶酶酶RNase RNase RNase RNase L L L L，后后后后者者者者可可可可降解病毒降解病毒降解病毒降解病毒mRNAmRNAmRNAmRNA，从而阻断病毒蛋白质合成。，从而阻断病毒蛋白质合成。，从而阻断病毒蛋白质合成。，从而阻断病毒蛋白质合成。 TheEnd!