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1、蛋白质的合成蛋白质的合成与加工与加工Protein Synthesis and Processing第十八章第十八章1954年年，Paul Zamecnik及及其其同同事事实实验验证证明明体体内内蛋蛋白白质质是是由由氨氨基基酸酸合合成成的的。1956年年，他他们们发发现现了了氨氨基基酰酰-tRNA合合成酶。成酶。1958年年，M.B.Hoagland和和Zamecnik又又发发现现蛋蛋白白质质生生物物合成需要可溶性合成需要可溶性RNA为中介。为中介。1961年年，Howard Dintzis证证明明血血红红蛋蛋白白肽肽链链合合成成方方向向是是从从N-末端向末端向C-末端进行。末端进行。1961
2、1966年年间间，Nirencerg、Matthaei和和Khorana先先后后确确定了定了64个遗传密码。个遗传密码。19731976年年，麦麦胚胚无无细细胞胞体体系系、兔兔网网织织无无细细胞胞体体系系分分别别建立，蛋白质合成的具体过程终于揭晓。建立，蛋白质合成的具体过程终于揭晓。l蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成，即，即翻译翻译（translation）l翻译的过程翻译的过程就是将核酸中就是将核酸中核苷酸序列核苷酸序列编码的遗传编码的遗传信息，通过信息，通过遗传密码遗传密码破译的方式解读为蛋白质分破译的方式解读为蛋白质分子中子中20种种氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序。蛋白质合成体系的组成
3、蛋白质合成体系的组成Components Required for Protein Biosynthesis第一节第一节 参与蛋白质生物合成的三种参与蛋白质生物合成的三种RNA：lmRNA（messenger RNA,信使信使RNA）lrRNA（ribosomal RNA,核糖核蛋白体核糖核蛋白体RNA）ltRNA（transfer RNA,转移转移RNA）辅助因子包括辅助因子包括:起始因子起始因子(initiation factor,IF)延长因子延长因子(elongation factor,EF)释放因子（终止因子）释放因子（终止因子）(release factor,RF)等等 氨基酰氨基
4、酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)一、一、mRNA是蛋白质是蛋白质/多肽链合成的模板多肽链合成的模板l在遗传信息传递过程中，在遗传信息传递过程中，DNA转录生成转录生成mRNA，mRNA作为蛋白质合成的直接模板，指导蛋作为蛋白质合成的直接模板，指导蛋白质多肽链的合成。白质多肽链的合成。l mRNA包括包括5-非翻译区非翻译区(5-untranslated region,5-UTR)开放阅读框架区开放阅读框架区(open reading frame,ORF)3-非翻译区非翻译区(3-untranslated region,3-UTR)原核生物原核生物m
5、RNA真核生物真核生物mRNA非翻译区非翻译区核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP53蛋白质蛋白质PPPmG-53蛋白质蛋白质AAA目目 录录（一）（一）mRNA含有含有64种密码子种密码子mRNA分分子子上上每每3个个核核苷苷酸酸构构建建一一个个密密码码子子，编编码码某某一一特特定定氨氨基基酸酸或或作作为为蛋蛋白白质质合合成成的的起起始始、终终止止信信号号，称称为为三三联联体体密密码码(triplet codon)，也称，也称遗传密码子遗传密码子(genetic codon)。起始密码起始密码(initiation codon):AU
6、G 终止密码终止密码(termination codon):UAA、UAG、UGA 遗遗传传密密码码表表目目 录录1.遗传密码具有通用性遗传密码具有通用性(universal)（二）遗传密码具有（二）遗传密码具有几个特性几个特性l从原核生物生物（包括病毒、细菌等）、真核生从原核生物生物（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。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、植物细已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。胞的叶绿体。2.密码子具有方向性密码子具有方向性(direction)l起始密码子总是位于起始密码子总是位于mRNA
7、开放阅读框架的开放阅读框架的5末末端，终止密码子位于端，终止密码子位于3末端。末端。l翻译的方向是从翻译的方向是从5到到3末端。末端。3.遗传密码具有连续性遗传密码具有连续性(commaless)l 密密码码子子按按5 3方方向向每每3个个一一组组阅阅读读框框架架顺顺序序翻翻译译，无标点、不重叠，即无标点、不重叠，即连续性连续性lmRNA开开放放阅阅读读框框架架内内发发生生一一个个或或两两个个碱碱基基插插入入或或缺缺失失，可可引引起起移移码码突突变变(frameshift mutation)。翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。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遗传密码具有
8、简并性(degeneracy)目目 录录l简并性，即简并性，即同一种氨基酸具有多个密码子，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。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一个密码子外，其余氨基酸均有一个以上密码子为其编码。密码子为其编码。简并性简并性(degeneracy)目目 录录5.遗传密码具有摆动性遗传密码具有摆动性（wobble）l编编码码同同一一氨氨基基酸酸的的不不同同密密码码子子互互称称同同义义密密码码子子；同同义义密密码码子子之之间间的的差差异异通通常
9、常只只在在第第3位位碱碱基基上上，密密码码子子第第3位位碱碱基基与与tRNA反反密密码码子子不不严严格格遵遵守守碱碱基基配配对对规规律律，而是，而是摆动摆动碱基配对。碱基配对。U摆动配对摆动配对目目 录录密码子、反密码子配对的摆动性密码子、反密码子配对的摆动性tRNA反密码子反密码子第第1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子密码子第第3位碱基位碱基U、C、AA、GU、CUG二、二、一种一种tRNA只能转运一种氨基酸但只能转运一种氨基酸但一种氨基酸可由几种一种氨基酸可由几种tRNA转运转运反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂tRNA的三级结构示意图的三级结构示意图三、三、rRNA与蛋白质组成核糖体与
10、蛋白质组成核糖体 目目 录录 蛋白质合成场所蛋白质合成场所核核糖糖体体的的组组成成目目 录录原核生物核糖体原核生物核糖体 70 S Mt 2.7106 真核生物核糖体真核生物核糖体 80S Mt 4.2106核糖体在蛋白质合成中有主要作用：核糖体在蛋白质合成中有主要作用：核糖体两亚基上具有结合核糖体两亚基上具有结合mRNA的位点，的位点，还有与起始因子、延长因子、释放因子及各种还有与起始因子、延长因子、释放因子及各种酶的结合位点；并且具有两个酶的结合位点；并且具有两个tRNA结合的位点；结合的位点；A位点是氨基酰位点是氨基酰tRNA结合位点，结合位点，P位点是肽酰位点是肽酰tRNA结合位点。结
11、合位点。通过将通过将mRNA、氨基酰、氨基酰-tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋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。白质的合成。核糖体是合成蛋白质的场所。核糖体是合成蛋白质的场所。l20种氨基酸（种氨基酸（AA）l酶及众多蛋白因子，如酶及众多蛋白因子，如氨基酰氨基酰-tRNA合成合成酶、起始因子酶、起始因子(initiation factor，IF)、延延长因子（长因子（elongation factor，EF）、释放释放因子（因子（release factor，RF）。lATP、GTPl无机离子无机离子四、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子四、蛋白质合成体系还需要
12、其他辅助因子大肠杆菌蛋白质合成的大肠杆菌蛋白质合成的5 5个阶段所需化合物个阶段所需化合物1氨基酸的活化氨基酸的活化20种氨基酸种氨基酸20种氨基酰种氨基酰-tRNA合成酶合成酶32种（或多于种（或多于32种）种）tRNAATP、Mg2+2起始起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNAfmermRNA上的起始密码子（上的起始密码子（AUG）30S核糖体亚基核糖体亚基50S核糖体亚基核糖体亚基起始因子（起始因子（IF-1,IF-2,IF-3）GTP、Mg2+3延长延长具有功能的具有功能的70S核糖体（起始复合物）核糖体（起始复合物）密码子特异的氨基酰密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子（
13、延长因子（EF-Tu,EF-Ts,EF-G）GTP、Mg2+4终止与释放终止与释放mRNA上的终止密码上的终止密码释放因子（释放因子（RF-1,RF-2,RF-3）5折叠和翻译后的加工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，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基结合到蛋白质上阶段阶段必需化合物必需化合物1氨基酸的活化氨基酸的活化20种氨基酸种氨基酸20种氨基酰种氨基酰-tRNA合成酶合成酶32种（或多于种（或多于32种
14、）种）tRNAATP、Mg2+2起始起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNAmRNA上的起始密码子（上的起始密码子（AUG）30S核糖体亚基核糖体亚基50S核糖体亚基核糖体亚基起始因子（起始因子（IF-1,IF-2,IF-3）GTP、Mg2+3延长延长具有功能的具有功能的70S核糖体（起始复合物）核糖体（起始复合物）密码子特异的氨基酰密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子（延长因子（EF-Tu,EF-Ts,EF-G）GTP、Mg2+4终止与释放终止与释放mRNA上的终止密码上的终止密码释放因子（释放因子（RF-1,RF-2,RF-3）5折叠和翻译后的加工折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因
15、子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，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基结合到蛋白质上阶段阶段必需化合物必需化合物蛋白质的合成过程蛋白质的合成过程Protein Synthesis Process 第二节第二节l氨基酸的活化氨基酸的活化l肽链合成的起始肽链合成的起始(initiation)l肽链的延长肽链的延长(elongation)l肽链合成的终止肽链合成的终止(termination)及释放及释放整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为4 4个
16、阶段个阶段 ：翻翻译译过过程程从从开开放放阅阅读读框框架架的的5-AUG开开始始向向3 阅阅读读，按按mRNA上上三三联联体体密密码码的的顺顺序序指指导导蛋蛋白白质从质从N端向端向C端合成，直至终止密码。端合成，直至终止密码。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（一）氨基酰（一）氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸合成酶催化氨基酸与与tRNA的连接的连接一、氨基酸活化成氨基酰一、氨基酸活化成氨基酰-tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)第一步反应第一步反应:氨基酸氨基酸 ATP-
17、E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi 目目 录录第二步反应第二步反应:氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E目目 录录（型）型）l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都都有高度特异性。有高度特异性。l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有合成酶具有校正活性校正活性(editing activity)，即酯酶的活性，即酯酶的活性 。l氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法：的表示方法：Ser-tRNASerMet-tRNAMet（二）氨基酰（二）氨基酰-tRNA合成酶具有校读作用合成酶具有校读作用二、起始阶段形成翻译起始复合物二、起始阶段形成
18、翻译起始复合物指指在在起起始始因因子子的的作作用用下下，mRNA和和起起始始氨氨基基酰酰-tRNA分分别别与与核核糖糖体体结结合合而而形形成成翻翻译译起起始始复复合合物物(translational initiation complex)。l原核生物中有原核生物中有3种种起始因子起始因子(initiation factor，IF)：IF-1、IF-2、IF-3l真核生物起始因子被称作真核生物起始因子被称作eIF(eukaryotic initiation factor)eIF-1、-2、-3、-4、-5和和-6 翻译的起始因子翻译的起始因子真核起始因子真核起始因子功能功能eIF-1 多功能因子
19、，参与多个翻译步骤多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2 促进起始促进起始Met-tRNAMet与核糖体与核糖体40S小亚基结合小亚基结合eIF-2B 又称鸟苷酸交换因子，将又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的上的GDP交换成交换成GTP eIF-3 首先与首先与40S小亚基结合的因子，并能加速后续步骤小亚基结合的因子，并能加速后续步骤eIF-4A 具有具有RNA解旋酶的活性，能解除解旋酶的活性，能解除mRNA 5端的发夹结构，端的发夹结构，使其与使其与40S小亚基结合。是小亚基结合。是eIF-4F 的组成成分的组成成分eIF-4B 与与mRNA结合，对结合，对mRNA进行扫描并定位第一个进行
20、扫描并定位第一个AUGeIF-4E 结合结合mRNA的帽子结构，是的帽子结构，是eIF4F的组成成分的组成成分eIF-4G 一种接头蛋白，能与一种接头蛋白，能与eIF-4E、eIF-3和和poly A结合蛋白结合将结合蛋白结合将40 S的小亚基富集至的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是，而刺激翻译。是eIF4F的组成的组成成分成分eIF-5 促进上述起始因子从促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便小亚基脱落，以便40S小亚基与小亚基与60S大亚基结合形成大亚基结合形成80S起始复合物起始复合物eIF-6 促进无活性的促进无活性的80S核糖体解聚生成核糖体解聚生成40S小亚基和小亚基和60S
21、大亚基大亚基原核起始因子原核起始因子功能功能IF-1 防止防止tRNA过早地结合到过早地结合到A位位IF-2 促进促进fMet-tRNAfMet结合到结合到30S小亚基小亚基IF-3 结合结合30S小亚基，防止它过早地与小亚基，防止它过早地与50S大亚基结合，并提高大亚基结合，并提高P 位对位对fMet-tRNAfMet的特异性的特异性真核起始因子真核起始因子功能功能eIF-1 多功能因子，参与多个翻译步骤多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2 促进起始促进起始Met-tRNAMet与核糖体与核糖体40S小亚基结合小亚基结合eIF-2B 又称鸟苷酸交换因子，将又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上
22、的上的GDPGTP eIF-3 首先与首先与40S小亚基结合的因子，并能加速后续步骤小亚基结合的因子，并能加速后续步骤eIF-4A 具有具有RNA解旋酶的活性，能解除解旋酶的活性，能解除mRNA 5端的发夹结构，端的发夹结构，使其与使其与40S小亚基结合。是小亚基结合。是的组成成分的组成成分eIF-4B 与与mRNA结合，对结合，对mRNA进行扫描并定位第一个进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E 结合结合mRNA的帽子结构，是的帽子结构，是的组成成分的组成成分eIF-4G 一种接头蛋白，能与一种接头蛋白，能与、eIF-3和和poly A结合蛋白结合将结合蛋白结合将40 S的小亚基富集至的小亚
23、基富集至mRNA，而刺激翻译。是，而刺激翻译。是eIF4F的组成的组成成分成分eIF-5 促进上述起始因子从促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便小亚基脱落，以便40S小亚基与小亚基与60S大亚基结合形成大亚基结合形成80S起始复合物起始复合物eIF-6 促进无活性的促进无活性的80S核糖体解聚生成核糖体解聚生成40S小亚基和小亚基和60S大亚基大亚基原核起始因子原核起始因子功能功能IF-1 防止防止tRNA过早地结合到过早地结合到A位位IF-2 促进促进fMet-tRNAfMet结合到结合到30S小亚基小亚基IF-3 结合结合30S小亚基，防止它过早地与小亚基，防止它过早地与50S大亚基结
24、合，并提高大亚基结合，并提高P 位对位对fMet-tRNAfMet的特异性的特异性（一）（一）原核生物在起始因子参与下组装翻译起原核生物在起始因子参与下组装翻译起始复合物始复合物 1 1原核生物翻译起始形成原核生物翻译起始形成70S70S起始复合物起始复合物lIF-1、IF-3结合解聚的核糖体结合解聚的核糖体30S小亚基小亚基；lmRNA结合核糖体结合核糖体30S小亚基；小亚基；l在在IF-1IF-1的作用下，的作用下，fMet-tRNA结合结合mRNA的的起始密码子；起始密码子；l50S核糖体大亚基参入复合物。核糖体大亚基参入复合物。原核生物原核生物：fMet-tRNAifMet真核生物真核
25、生物：Met-tRNAiMet肽链合成的起始氨基酰肽链合成的起始氨基酰-tRNA:-tRNA:IF-3IF-1（1）IF-3、IF-1结合解聚的结合解聚的30S核糖体小亚基核糖体小亚基 目目 录录A U G53IF-3IF-1（2）mRNA结合核糖体结合核糖体30S小亚基小亚基 目目 录录S-D序列（序列（Shine-Dalgarno sequence）又称核糖又称核糖体结合位点（体结合位点（ribosomal binding site,RBS）IF-3IF-1IF-2GTP（3）在在IF-1的作用下，的作用下，fMet-tRNA结合结合mRNA的的 起始密码子起始密码子 A U G53目目
26、录录IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi(4)利用利用IF-2具有具有GTP酶的活性，催化酶的活性，催化GTP水解，起始因水解，起始因子释放，子释放，50S大亚基与大亚基与30S小亚基结合，形成小亚基结合，形成70S起始复合起始复合物，物，fMet-tRNAfMet位于核糖体上的位于核糖体上的P（peptidyl）位。）位。A U G53目目 录录IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目目 录录（二）真核细胞蛋白质合成起始机制与（二）真核细胞蛋白质合成起始机制与 原核相似但更复杂原核相似但更复杂 真核细胞的蛋白质合成过程中需要更真核细胞的蛋白质合成过程中需要
27、更多的蛋白质因子，步骤更为复杂，但基本多的蛋白质因子，步骤更为复杂，但基本过程与原核细胞中相似。过程与原核细胞中相似。1.真核生物的核糖体为真核生物的核糖体为80S 2.真核生物的起始氨基酸是甲硫氨酸，真核生物的起始氨基酸是甲硫氨酸，而不是而不是N-甲酰甲硫氨酸。甲酰甲硫氨酸。3.AUG是真核生物中起始密码子，是真核生物中起始密码子，mRNA 的的5末端末端AUG一般就是起始位点一般就是起始位点4.真核较原核有更多的起始因子（用真核较原核有更多的起始因子（用 elf表示），而且相互作用更复杂表示），而且相互作用更复杂 真核生物翻译起始复合物形成过程真核生物翻译起始复合物形成过程Met40S60
28、SMetMet40S60SmRNAeIF-3elF-2-GTPGDP+Pi各种各种elF释放释放elF-5ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PABMetMet-tRNAiMet43S前起始复合物前起始复合物48S前起始复合物前起始复合物80S翻译起始复合物翻译起始复合物三、新生肽链通过核糖体循环而延长三、新生肽链通过核糖体循环而延长 l肽链延长在核糖体上连续、循环式进行，称肽链延长在核糖体上连续、循环式进行，称为为核糖体循环核糖体循环(ribosomal cycle)，每循环一次，每循环一次肽链延长一个氨基酸残基，包括以下三步：肽链延长一个氨基酸残基，包括以下三
29、步：进位进位(entrance)成肽成肽(peptide bond formation)转位转位(translocation)l延伸过程所需蛋白因子称为延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延长因子(elongation factor,EF)。原核生物：原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：真核生物：EF-1、EF-2 A U G53翻译起始复合物翻译起始复合物A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)目目 录录又称注册又称注册(registration)指根据指根据mRNA下一下一组遗传密码指导，使相组遗传
30、密码指导，使相应氨基酰应氨基酰-tRNA进入核进入核糖体糖体A位。位。目目 录录（一）（一）氨基酰氨基酰-tRNA在在EF-Tu-GTP协助下进入协助下进入A位（即进位）位（即进位）延长因子延长因子EF-T催化催化进位（原核生物）进位（原核生物）第二个氨基酰第二个氨基酰-tRNA在在EF-Tu-GTP引导下进入核糖体的引导下进入核糖体的A位，伴随位，伴随GTP水解、水解、Tu-GDP脱离脱离tRNA,而结合而结合Ts和和GTP，引导下一个氨基酰引导下一个氨基酰-tRNA进位。进位。Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP目目 录录由肽基转移酶催化肽键形成由肽基转移酶催化肽键形成（二）
31、（二）P位氨基酰基位氨基酰基/肽酰基与肽酰基与A位氨基酰位氨基酰-tRNA氨基形成肽键（即成肽）氨基形成肽键（即成肽）（三）在延长因子（三）在延长因子EF-G和和GTP参与下促进参与下促进 核糖体沿核糖体沿mRNA移动移动/转位转位 l在原核生物，转位依赖延长因子在原核生物，转位依赖延长因子EF-G；l在真核生物，则依赖在真核生物，则依赖GTP和和EF-G的相应的相应蛋白质蛋白质EF-2。fMetA U G53fMetTuGTP目目 录录进进位位转转位位成肽成肽（四）（四）核糖体在肽链延长阶段有校读作用核糖体在肽链延长阶段有校读作用 l 核糖体的校读功能建立在正确的密码子与核糖体的校读功能建立
32、在正确的密码子与反密码子相互作用的基础上。反密码子相互作用的基础上。四、肽链合成终止阶段释放新生的肽链四、肽链合成终止阶段释放新生的肽链肽链合成的终止包括终止密码的识别，肽链合成的终止包括终止密码的识别，肽链从肽酰肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，从核糖体分离从核糖体分离出出mRNA和大、小亚基拆开。和大、小亚基拆开。终止过程需要的蛋白因子称为终止过程需要的蛋白因子称为释放因子释放因子(release factor,RF)1.识识别别终终止止密密码码，如如RF-1特特异异识识别别UAA、UAG；而；而RF-2可识别可识别UAA、UGA。2.帮助完成合成的多肽从帮助完成合成的多肽从P位点的位点
33、的tRNA释放。释放。释放因子的功能：释放因子的功能：原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1、RF-2、RF-3 真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF 原原核核生生物物肽肽链链合合成成终终止止过过程程 U A G53RFCOO-目目 录录多聚核蛋白体多聚核蛋白体(polysome)：mRNA与多个核糖体的聚合物与多个核糖体的聚合物使蛋白质合成以高速使蛋白质合成以高速度、高效率进行。度、高效率进行。目目 录录电镜下的多聚核糖体现象电镜下的多聚核糖体现象目目 录录翻译后的折叠和加工修饰翻译后的折叠和加工修饰Folding and PosttranslationalProcessing第
34、三节第三节从核糖体释放出的新生多肽链不一定是具备从核糖体释放出的新生多肽链不一定是具备生物活性的成熟蛋白质，必需经过各种翻译后修生物活性的成熟蛋白质，必需经过各种翻译后修饰、加工过程才转变为有活性的成熟蛋白。饰、加工过程才转变为有活性的成熟蛋白。主要包括：主要包括：l蛋白质折叠蛋白质折叠（protein folding）l翻译后加工翻译后加工（post-translation processing）一、新生肽链经历翻译后修饰一、新生肽链经历翻译后修饰（一）肽链（一）肽链N端和端和C端的切除和端的切除和/或化学修饰或化学修饰l细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以去除细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以去
35、除N-甲酰基、甲酰基、N-末端蛋氨酸或末端蛋氨酸或N-末端的一段末端的一段肽链。肽链。l在真核细胞，在真核细胞，50%的蛋白质在翻译后，氨的蛋白质在翻译后，氨基末端的氨基发生乙酰化。基末端的氨基发生乙酰化。l有些情况下，羧基末端的残基也可被酶切有些情况下，羧基末端的残基也可被酶切除。除。（二）水解加工包括多蛋白水解加工和内含（二）水解加工包括多蛋白水解加工和内含肽的剪接肽的剪接1多蛋白水解加工可产生多种肽链多蛋白水解加工可产生多种肽链一些蛋白质在合成之初是含有一系列头尾一些蛋白质在合成之初是含有一系列头尾相连的蛋白质的长多肽链。多肽链的水解将裂相连的蛋白质的长多肽链。多肽链的水解将裂解释放出各
36、种蛋白质，释放出的蛋白质可能具解释放出各种蛋白质，释放出的蛋白质可能具有完全不同的功能，这些蛋白质称为有完全不同的功能，这些蛋白质称为多蛋白多蛋白。阿皮素原阿皮素原(POMC)的水解加工：的水解加工：NC信号肽信号肽KRKR103肽肽ACTH-LT-MSH-MSHEndophin2 2内含肽切除导致外显肽连接内含肽切除导致外显肽连接 内含肽是蛋白质的内部片段，翻译后很快内含肽是蛋白质的内部片段，翻译后很快被剪切，两个外显肽连接到一起。内含肽的长被剪切，两个外显肽连接到一起。内含肽的长度一般在度一般在300 300 600 600个氨基酸之间。个氨基酸之间。剪接是由内含肽自我催化的。剪接是由内含
37、肽自我催化的。l1.个别氨基酸可进行甲基化和乙酰化修饰个别氨基酸可进行甲基化和乙酰化修饰 l2.蛋白质糖基化（蛋白质糖基化（glycosylation）修饰）修饰是一种是一种 复杂的化学修饰复杂的化学修饰 l3.某些蛋白质加入异戊二烯基团某些蛋白质加入异戊二烯基团l4.结合蛋白质加入辅基结合蛋白质加入辅基l5.大多数蛋白质有二硫键的形成大多数蛋白质有二硫键的形成（三）氨基酸残基的化学修饰有多种形式（三）氨基酸残基的化学修饰有多种形式二、折叠是肽链高级结构形成的过程二、折叠是肽链高级结构形成的过程l第一种模式第一种模式认为是按等级进行的认为是按等级进行的：新生肽链随着序列的新生肽链随着序列的不断
38、延伸按等级逐步折叠，产生正确的二级结构、模序不断延伸按等级逐步折叠，产生正确的二级结构、模序直至形成结构域和多肽链。直至形成结构域和多肽链。l第二种模式：第二种模式：多肽链通过非极性残基间疏水作用介导多肽链通过非极性残基间疏水作用介导,自自动折叠成动折叠成“熔球（熔球（molten globule)”的紧密结构。的紧密结构。l细胞内大多数天然蛋白质折叠需要一些辅助性蛋白。细胞内大多数天然蛋白质折叠需要一些辅助性蛋白。（一）多肽链通过分步反应快速地进行折叠（一）多肽链通过分步反应快速地进行折叠核糖体结合的分子伴侣：核糖体结合的分子伴侣：触发因子（触发因子（trigger factor，TF）新生
39、链相关复合物（新生链相关复合物（nascent chain-associated complex，NAC）非核糖体结合的分子伴侣：非核糖体结合的分子伴侣：70kD/40kD热休克蛋白（热休克蛋白（heat shock protein,Hsp）家族）家族 60kD/10kD热休克蛋白家族热休克蛋白家族 蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶 肽酰脯氨酸异构酶肽酰脯氨酸异构酶1 1分子伴侣有核糖体结合和非核糖体结合两类分子伴侣有核糖体结合和非核糖体结合两类（二）分子伴侣参与蛋白质折叠（二）分子伴侣参与蛋白质折叠细胞内分子伴侣完成以下功能：细胞内分子伴侣完成以下功能：l封闭待折叠蛋白暴露的疏水区段；封
40、闭待折叠蛋白暴露的疏水区段；l创建一个隔离的环境，蛋白质可互不干创建一个隔离的环境，蛋白质可互不干扰在此折叠；扰在此折叠；l促进折叠和去聚合；促进折叠和去聚合；l遇到应激，使已折叠的蛋白质去折叠。遇到应激，使已折叠的蛋白质去折叠。（1）热休克蛋白）热休克蛋白70(Hsp70)的两个主要功能域为的两个主要功能域为折叠所必需折叠所必需还需要辅助因子还需要辅助因子Hsp40和和Grp E非核糖体结合的分子伴侣非核糖体结合的分子伴侣 Hsp70Hsp70反应循环反应循环（2）大肠杆菌的）大肠杆菌的Gro EL属于热休克蛋白属于热休克蛋白60（Hsp60）家族家族需要辅分子伴素需要辅分子伴素10(coc
41、haperonin 10)Gro ES的帮助的帮助（3 3）二硫键异构酶催化链内或链间二硫键形成二硫键异构酶催化链内或链间二硫键形成多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可加速二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可加速形成正确配对的二硫键形成正确配对的二硫键 ，从而促进蛋白质折叠的，从而促进蛋白质折叠的全过程。全过程。（4 4）脯氨酰顺脯氨酰顺-反异构酶催化顺反异构加速折叠反异构酶催化顺反异
42、构加速折叠多肽链中肽酰多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象差别明显。种异构体，空间构象差别明显。脯氨酰顺脯氨酰顺-反异构酶可促进上述顺反两种异构反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。体之间的转换。脯氨酰顺脯氨酰顺-反异构酶催化这种异构化的过程，反异构酶催化这种异构化的过程，可加速蛋白质的折叠。可加速蛋白质的折叠。2.目前对大肠杆菌的蛋白质折叠过程了解较多目前对大肠杆菌的蛋白质折叠过程了解较多（1 1）折叠过程首先经历折叠过程首先经历Hsp70Hsp70反应循环反应循环Hsp40结合未折叠蛋白结合未折叠蛋白Hsp70-ATP复合物复合物Hsp
43、70-ADP-未折叠蛋白复合物未折叠蛋白复合物Grp E ADP释放释放ATP结合结合Hsp70，释出完成部分折叠的蛋白质，释出完成部分折叠的蛋白质Hsp40-Hsp70-ATP-未折叠蛋白未折叠蛋白复合物复合物ATPADP（2）部部分分折折叠叠的的蛋蛋白白质质尚尚需需经经历历GroEGro ES 反反应循环应循环三、亚单位聚合形成多亚基蛋白质三、亚单位聚合形成多亚基蛋白质由一条以上肽链构成的蛋白质和带有辅由一条以上肽链构成的蛋白质和带有辅基的结合蛋白质，肽链之间或多肽链与辅基基的结合蛋白质，肽链之间或多肽链与辅基之间需要聚合，方可成为活性蛋白质。之间需要聚合，方可成为活性蛋白质。四、蛋白质合
44、成后经靶向输送到细胞特异区间四、蛋白质合成后经靶向输送到细胞特异区间 新合成的蛋白质新合成的蛋白质/多肽链须经分选、靶向输送多肽链须经分选、靶向输送到细胞特异区间或亚细胞器，在那里进行翻译后到细胞特异区间或亚细胞器，在那里进行翻译后加工或发挥作用。加工或发挥作用。大肠杆菌新合成的多肽，一些仍停留在胞浆大肠杆菌新合成的多肽，一些仍停留在胞浆之中，一部分则被送到质膜、外膜或质膜与外膜之中，一部分则被送到质膜、外膜或质膜与外膜之间的空隙。有的也可分泌到胞外。之间的空隙。有的也可分泌到胞外。真真核核细细胞胞中中新新合合成成的的多多肽肽被被送送往往溶溶酶酶体体、线线粒粒体体、叶叶绿绿体体、细细胞胞核核等
45、等亚亚细细胞胞器器。所所以以新新合合成成的多肽的输送是有特异靶向的的多肽的输送是有特异靶向的。一部分核糖体一部分核糖体以游离状态停留在胞质中，它们只合成以游离状态停留在胞质中，它们只合成供装配线粒体及叶绿体膜的蛋白质。供装配线粒体及叶绿体膜的蛋白质。另另一一部部分分核核糖糖体体，受受新新合合成成多多肽肽的的N端端上上的的信信号号肽肽（signal peptide）的的控控制制而而进进入入内内质质网网，使使原原来来表表面面平平滑滑的的内内质质网网（smooth ER）变变成成有有局局部部凸凸起起的的粗粗糙糙内内质质网网（rough ER）。与与内内质质网网相相结结合合的的核核糖糖体体可可合合成成
46、3类类主主要要的的蛋蛋白白质质溶溶酶酶体体蛋蛋白白、分分泌泌到到胞胞外外的的蛋蛋白白和和构构成成质质膜膜骨骨架架的的蛋蛋白白。信信号号识识别别体体(signal recognition particle,SRP)识识别别信号肽信号肽。蛋白质生物合成与医学的关系蛋白质生物合成与医学的关系Clinical Relatives in Protein Synthesis第四节第四节一、病毒利用宿主蛋白质合成体系进行复制一、病毒利用宿主蛋白质合成体系进行复制 l某些病毒的翻译比宿主有效得多某些病毒的翻译比宿主有效得多(例如例如Mengo病病毒和大脑心肌炎病毒毒和大脑心肌炎病毒)。l某些病毒某些病毒mRN
47、A比宿主细胞比宿主细胞mRNA具更强的竞具更强的竞争优势。争优势。l某些病毒还可阻止某些病毒还可阻止mRNA与与40S核糖体结合，核糖体结合，从而抑制宿主细胞的蛋白质合成。从而抑制宿主细胞的蛋白质合成。二、许多抗生素通过抑制细菌蛋白质二、许多抗生素通过抑制细菌蛋白质合成发挥作用合成发挥作用l许多细菌感染的病理生理过程可能与破坏许多细菌感染的病理生理过程可能与破坏宿主的蛋白质合成有关；宿主的蛋白质合成有关；l抑制或破坏细菌蛋白质的合成是许多抗生抑制或破坏细菌蛋白质的合成是许多抗生素素(antibiotics)的作用机制。的作用机制。抗生素抗生素作用点作用点作用原理作用原理应用应用四环素族（金霉素
48、四环素族（金霉素 新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、链霉素、卡那霉素、新霉素新霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素 放线菌酮放线菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素原核核糖体原核核糖体小亚基小亚基原核核糖体原核核糖体小亚基小亚基原核核糖体原核核糖体大亚基大亚基真核核糖体真核核糖体大亚基大亚基真核、原核真核、原核核糖体核糖体 抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA-tRNA与小亚基与小亚基结合结合改变构象引起读码错误、抑改变构象引起读码错误、抑制起始制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA类似物，进位类似物，进位后引起未成熟肽
49、链脱落后引起未成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究医学研究抗肿瘤药抗肿瘤药嘌呤霉素嘌呤霉素作用示意图作用示意图四四环环素素族族氯霉素氯霉素链霉素族链霉素族嘌呤霉素嘌呤霉素放线菌酮放线菌酮目目 录录三、三、某些活性物质通过抑制细胞或某些活性物质通过抑制细胞或病毒的蛋白质合成发挥作用病毒的蛋白质合成发挥作用白喉毒素白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机制的作用机制:白白喉喉毒毒素素+延长因子延长因子延长因子延长因子-2-2（有活性有活性）延长因子延长因子延长因子延长因子-2-2（无活性无活性）干扰素干扰素(interferon)的作用机制：的作用机制：干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导干扰素诱导eIF-2磷酸化而失活磷酸化而失活ATPeIF-2ADPeIF-2-PPi磷酸酶磷酸酶+eIF-2B eIF-2 -PeIF-2B死端复合物死端复合物死端复合物死端复合物干扰素诱导病毒干扰素诱导病毒RNARNA降解降解降解降解mRNA干扰素干扰素AAPAPPPP2 5 2 5 5 2-5 AAPPPATP2-5A合成酶合成酶RNaseLRNaseL活化活化+