第十七章蛋白质的生物合成与修饰Protein Synthesis and modification

第一节 概述

主讲老师：华南师范大学生命科学学院　　　　　陈文利

生物体合成 mRNA后， mRNA中的遗传信息转变成为蛋白质中氨基酸排序的过程称为翻译。

翻 译

1 、  原料 20 种氨基酸条件：2 、  能量 ATP 和 GTP

3 、  催化剂： 酶、蛋白质因子、无机离子（ Mg+ ， K

+ ）4 、  运载工具： tRNA

5 、  模板： mRNA （每个 A.A 由三个碱基确定）6 、  装配机：核糖体 (rRNA 、蛋白质 )

第二节 遗传密码的破译

第三节 遗传密码的几个重要特性

遗传密码：mRNA分子上从 5’3’的方向，每三个碱基形成的三联体，组成一个遗传密码子（ codon ）。

遗传密码表：共有 64 个密码子，其中 61个是编码氨基酸。其中 AUG ↗起始密码子 ↘Met 的密码子。

有三个密码子是终止密码子：UAA 、 UAG 、 UGA ， 这三组密码子不能被 tRNA 阅读，只能被 肽链释放因子识别。

1、密码子的简并性2、密码子的连续性3、密码子的不重叠性4、密码子的摆动性5、密码子的通用性6、特殊密码子

遗传密码的基本特点（ 5个性）：

返回

一个氨基酸具有多个密码子的现象称为密码子的简并性（ degeneracy ）。 这些编码同一种氨基酸的多个密码子称为同义密码子（ synonymous codon ）

1、密码子的简并性

遗传密码的基本特点

要正确阅读密 码必须按一定的密码框架（ reading frame ） 从一个正确的起点开始，一个不漏地挨 着读下去，直到碰到终止信号为止。

2、密码子的连续性

遗传密码的基本特点

绝大多数生物中读码规则是不重叠的。少数大肠杆菌噬菌体的 RNA 基因组中，部分基因的遗传密码却是重叠的。

3 、密码子的不重叠性 (non-overlapping)

遗传密码的基本特点

密码子的第一、第二位专一性很强，第三位专一性就弱。 已证明，密码子的专一性主要由头两位碱基决定， Crick 对第三位碱基的这一特性给于一个专门的术语，称“摆动性” wobble.

4 、密码子的摆动性 P423

遗传密码的基本特点

1966 年 F.Crick 提出的摆动假说（ wobble hypothesis ）

tRNAs Secondary & Tertiary structure Isoacceptor tRNAs ( 同工受体 tRNA ） Different tRNAs carrying the same aa tRNA identity- “2nd genetic code” P431 Special sequence elements on tRNAs that

can be recognized by aaRS and then determine which aa is charged

Positive elements & Negative elements Some special tRNAs 1) Initiator tRNA: tRNAf Met & tRNAi

Met

2) Suppressor tRNA （校正 tRNA ） 3) tmRNA

遗传密码表属于完全通用 。

5、密码子的通用性

遗传密码的基本特点返回

General features With mRNA as template, tRNA as carrier

for aa, ribosome as assembly site Translational polarity 1) Extends in N-end → C-end how to prove? 2) Reads mRNAs in 5’ → 3’ Triplet codon 1) How many bases determine one aa? “three determine one” 2) Cracking of the genetic code 3) Features of the genetic code Ribosomes recognize aa-tRNA just by

virtue of the base-pairing interaction between codons and anticodons

Wobble hypothesis

The Nature of the Genetic Code

All the codons have meaning: 61 specify amino acids, and the other 3 are "nonsense" or "stop" codons

The code is unambiguous - only one amino acid is indicated by each of the 61 codons (wobble 密码子的摆动性 )

The code is degenerate - except for Trp and Met, each amino acid is coded by two or more codons ( 密码子的简并性 )

Codons representing the same or similar amino acids are similar in sequence

2nd base pyrimidine: usually nonpolar amino acid

2nd base purine: usually polar or charged aa

The code is not overlapping( 密码子的不重叠性 )

The base sequence is read from a fixed starting point, with no punctuation( 密码子的连续性 )

Universal & Unusual

第四节 蛋白质的生物合成

核糖体可以看作是一个大分子的机构，它具有许多精密的配合部分，来挑选并管理参与蛋白质合成的各个组分。它参与多肽链的启动，延长和终止的各种因子的识别。

一、核糖体（ ribosome ）是一个复杂的超分子结构

二、核糖体（ ribosome ）

原核生物核糖体

70S

50S

30S

5S rRNA ， 23S rRNA

34 种蛋白质16S rRNA

21 种蛋白质

真核生物核糖体

80S

60S

40S

5SrRNA ， 5.8SrRNA ， 28SrRNA

49 种蛋白质

18SrRNA

33 种蛋白质

二、转移 RNA 具有特征性结构

tRNA 是氨基酸的搬运工具。 氨基酸的同工受体：能够运输同一种氨基酸的多种 tRNA 分子。

tRNA 分子上与蛋白质生物合成有关的位点至少有四个 : 1)  3 端— CCA 上的氨基酸接受位点 2)    识别氨酰— tRNA 合成酶的位点 3)    核糖体识别位点，使延长中的肽链 附着于核糖体上 4)    反密码子位点

Functional sites on Ribosome

Three sites for tRNA

1) The A (acceptor) site - where aa-tRNAs come in (except the first one) and where peptidyl-tRNA is after peptide bond formation and before translocation.

2) The P (peptidyl-tRNA) site - where peptidyl-tRNA is before peptide bond formation.

3) The E (exit) site - where the uncharged tRNA from the P site goes after translocation.

Peptidyl transferase - the active site that catalyzes formation of the peptide bond (23S rRNA in Prokaryotes)

Polypeptide exit channel mRNA binding site

三、氨酰 -tRNA 合成酶和它们催化的反应

P429

四、一些氨酰 -tRNA 合成酶具有校对功能

氨酰— tRNA 合成酶 , 酶的专一性表现在：a)      识别氨基酸b)       识别 tRNA( 倒 L 型的三级结构 )c)       进行二次核对作用

E.Coli 蛋白质的生物合成 :

1. 氨基酸的活化： 由高度特异的氨酰 -tRNA 合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase) 催化，反应分两步

总反应式

五、氨酰 -tRNA 合成酶对 tRNA 的识别

六、多肽链的合成从氨基末端开始

七、一个特定氨基酸起始蛋白质的合成

起始氨酰 -tRNA的形成 (P432) 现已清楚，原核细胞中多肽的合成都有自甲硫氨酸开始，但并不是以甲硫氨酰 -tRNA 作起始物，而是以 N- 甲酰甲硫氨酰 -tRNA 的形式起始。

在 E.Coli 和其它原核生物中与这起始密

码（ AUG ）相对应的 tRNA 是甲酰甲

硫氨酰— tRNA （ fMet-tRNAf Met ），

这是起始 tRNA 。

起始 tRNA 怎样形成？由甲硫氨酰 -tRNA 甲酰化

tRNA

Met

Met-tRNA甲酰基转移酶

N10 －甲酰 FH4 FH4

Met tRNACO

H

（ fMet － tRNAf ）

甲酰基

Structure of N-formyl-methionyl-tRNA[Met]

Differences with other tRNAs

细胞内有 2 种可携带 Met 的 tRNA ，它们都识别同样的 AUG 密码子，但它们的一级结构和功能不同。

（ 2 ） tRNAmMet 带上 Met 后不能甲酰化，用

于肽链的内部，在肽链延伸中起作用。

（ 1 ） tRNAf Met 带上 Met 后能甲酰化，是起

始 tRNA ，用于肽链合成的起始。

所以 AUG 和 GUG 是兼职密码子，它们既可以作为起始密码子，作为肽链合成的起始信号，这时与之对应的氨基酸是甲酰 Met 。另外也可作肽链内部相应 aa 的密码，这时 AUG 编码 Met,GUG 编码 val 。

此反应须起始因子 3 （ IF3 ）P 位：肽基的结合部位A 位：氨酰基的结合部位起始密码定位在 P 位上SD 序列 Shine-Dalgarno 发现在 AUG的前方有一段富嘌呤 AG 区，与 30S 中的16SrRNA 富含嘧啶的区结合

八、多肽合成起始的三个步骤

1 、 30S-mRNA复合物的形成

mRNAsProkaryotic mRNAs Usually polycistronic

Eukaryotic mRNAs Usually monocistronic

Shine-Dalgarno Sequences recognized by E.coli ribosomes

2 ．肽链的起始： mRNA 中的起始密码是 AUG ，少数是 GUG 。起始密码子的上游约 10 个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列称 SD 序

列（ Shine-Dalgarno 序列），一般为 3 ～ 10 个核苷酸，它与核糖体 16srRNA

3ˊ 端的核苷酸序列互补，可促使核糖体与 mRNA 的结合。

消耗一个高能键IF1 起协助作用，促进 IF3,IF2 的作用，然后在 IF1 参与下， mRNA-30S-IF3 进一步与fMet-tRNAf,GTP相结合，并释 放出 IF3形成 一个 30S 起始复合物， 30S 核糖体—mRNA-fMet-tRNAf 。

2 、 30S 预起始复合物（ IF1,IF2,GTP）

肽键的合成

inactive 70S ribosome

SD sequence

30S initiation complex

70S initiation complex

GDP + Pi

肽链的延长需要一些延长因子或称延伸因子（ elongation factor,EF ）

原核生物的 EF 有 EF-T 和 EF-G 两类 :

EF-T ：延伸因子“ T” ，开始误认为这类延伸因子有肽基转移酶的活性 peptidyl transferase ，所以取转移酶的第一个字母“ T” 。

3. 肽链的延长：

EF-G ：这类延伸因子与核糖体结合时需要 GTP

，当 GTP 水解时，这类延伸因子就从核糖体上解离下来，总之涉及 GTP ，所以用 GTP 的第一个字母“ G” ， EF-G 。

EF-T 是由 Tu 和 Ts 两个亚基组成的二聚体，

EF-Ts ： s 是 stable 的意思，是稳定蛋白质，

EF-Tu: u 是 unstable ，不稳定蛋白质。

EF-Tu 直接参加了氨酰 -tRNA 与核糖体的结合。

氨酰 -tRNA 进入核糖体的 A 位 肽键的形成 移位

肽链的延长包括 3 步 :

这是个比较复杂的过程，需 Ts 、 Tu ，还要 消 耗 GTP 。 EF-Tu 与 GTP 和氨酰 -tNRA 首先形成三元 复合物，才能进入 A 位。

（ 1 ）氨酰 -tRNA 进入核糖体的 A 位

（ 2 ）肽键的形成

通过一个转肽作用（ transpeptidation ），由肽酰转移酶（ peptidyl

transferase ）催化，使一个酯键变成了肽键，肽基转移酶的活性由核糖体大亚基的 23s rRNA 承担（肽基转移酶是一种ribozyme ）。嘌呤霉素对蛋白质的抑制作用就发生在肽键形成这一步。

（ 3 ）移位（ translocation ） 移位包括三种运动 :

空载的 tRNA 离开 P 位。二肽基 tRNA 由 A 位移到 P 位

核糖体沿 mRNA

的 5ˊ→3ˊ 方向 移动一个密码子的距离。 移位需要 EF-G 和

GTP 。

4 ．肽链的终止与释放：

释放因子（ release factor RF ）能识别终止密码子与终

止密码子结合。

UAA

RF1 or RF2

终止密码子

RF-1 ：识别 UAA 和 UAG

RF-2 ：识别 UAA 和 UGA

RF-3 ： RF-3 和 GTP 形成复 合物，是一种 GTP 结合蛋 白，可促进核糖体与 RF-1

和 RF-2 的结合。

30S 起始复合物再与 50S亚基结合，形成一个有生物学功能的 70S 起始复合物，同时GTP水解成 GDP 和 Pi,IF1 、 IF2, 被释出。这时 fMet-tRNAf占据了核糖体上 P 位点 , 空着的 A 位点准备接受另一个氨酰 -tRNA, 为肽链延伸作好了准备。

3 、 70S 起始复合物

肽键的合成

EFTu先与 GTP 结合， 再与氨酰-tRNA 结合形成一个复合物，再与 70S起始复合物相结合，并释放出 EFTu-GDP,EFTu-GDP再与 EFTs 及 GTP 反应，重新形成很不稳定 EFTu-GDＰ……

九、延长阶段中肽键的形成1 、进位 （ EF-Ts,EF-Tu,GTP）

除了 fMet － tRNAf外，所有氨酰－ｔＲＮＡ必须与 EFTu,GTP 结合才能进入 70S 核糖体的 A 位。 肽键的合成

在 50S亚基上有肽基转移酶肽酰基从 P位点到 A 位点，同时形成一个新的肽键，需50S 上的肽酰转移酶参加。同时 P 位点上的tRNA卸下肽链而成为无负载的 tRNA,A 位点上的 tRNA所携带的是一个二肽，需较高浓度的 K+ 参加。

2 、转肽

肽键的合成

三种移动： ⑴空载的 tRNAf 移出 ⑵肽酰 - tRNA 从 A 位移到 P 位 ⑶mRNA 移动 3 个碱基—— 第三个 codon 进入 ribosome 的 A 位

移动是指核糖体沿 mRNA(5’——3’) 作相对移动。

3 、脱落；移位 （ EF-G,GTP ）

肽键的合成

终止因子，又叫释放因子（ RF-1 ， RF-2 ）

RF-1 可识别 UAA, UAG

RF-2 可识别 UAA, UGA

十一、多肽合成的终止1 、识别终止密码子

肽键的合成

肽基转移酶

RF-1 RF-2 能进入 A 位，诱导肽基转移酶的水解活性 R1,R2 可能还可以使 P 位点上的肽酰转移酶活力转变为水解活力，从而使肽酰 -tRNA 不再转移到氨酰 -tRNA 上，而转入水相中。

2 、水解

肽键的合成

一旦 tRNA 从 70S 核糖体上脱落，该核糖体就立即离开 mRNA,解离成 50S 与30S亚基，这样形成的肽链不一定具有生物活性，还需加工。

3 、释放

肽键的合成

三、肽链合成的速度和能量的消耗

.壹 速度

.贰 能量

原核生物蛋白质合成的过程

原核生物在短时间内能合成大量蛋白质，原因： 1 、  翻译过程与转录过程相偶联 2 、  一条 mRNA 链上可结合多核糖体进行连续的几个肽链的合成。 3 、  每个核糖体移动速度 15A.A/second

注释：多核糖体—多个核糖体同时翻译同一肽链 . cell利用 1 、 2 两种方式加快合成速度 5A.A/second

原核生物的转录还没有结束，蛋白就早已开始合成。

速度

多聚核糖体（ polyribosome ）肽链合成的速度和能量的消耗

5 ．多聚核糖体（ polyribosome, or polysome ）

能量由 ATP 、 GTP 来提供。 在翻译过程中， GTP 与 ATP 不同，它不涉及任何形成共价键的化学反应之中，所以它不是能量的供体，只能在多种翻译因子与核糖体结合的过程中起作用，一旦GTPGDP, 这些因子就释放出来了。

能量

肽链合成的速度和能量的消耗

①     n 个 A,A 的活化需 2n 个 ATP高能磷酸键。②     氨酰 -tRNA 进位需要 n-1 次进入 A 位 GTP——GDP+Pi③     肽基移位，需要 n-1 次进入 A 位 GTP——GDP+Pi④     起始复合物 +1GTP所以，从头合成含 n 个 A.A 的多肽至少需 4n-1 个高能磷酸键

合成 6个 A. A oooooo, 至少需消耗多少 ATP （每一个 A.A均需活化）？

能量

肽链合成的速度和能量的消耗

（四）蛋白质生物合成所需的能量：

若要合成 100 个 aa 组成的肽链要消耗多少能量？

aa 活化 1ATP （ 2 个～ 键）

起始 1GTP （ 1 个～ 键）

延长 2GTP （ 2 个～ 键）

终止 1GTP （ 1 个～ 键）

P

P

P

P

原核生物

几个主要差别：1 、 mRNA 一般是单顺反子， 一般只有一个起始密码子，一个终止密码子；2 、一般与 5 端的第一个 AUG 就是它的起始密码子；3 、寻找 AUG 起始密码子的方式不同。真核靠 cap(帽子结合蛋白 ) 就结合在 5’端

四、 真核生物蛋白质合成的某些特点

原核生物蛋白质合成的过程

（三）真核细胞蛋白质的生物合成：

真核细胞蛋白质的生物合成与原核细胞相似，但过程更复杂，参加的因子更多。

1 ．核糖体： 真核细胞核糖体更大，为 80S ，可解离成 60S 和 40S 两个亚基。 2 ．起始 tRNA ： 真核生物也有二种携带 Met 的 tRNA ，一种携带 Met 的

tRNA 为起始 tRNA ，即 tRNAiMet ，起始 tRNA 携带 Met 后

，并不甲酰化；另一种用于肽链内部的 tRNAMet 。

3. 起始密码子： 真核起始密码子总是 AUG ，它的上游无 SD 序列，通常把mRNA 上最靠近 5ˊ 端的 AUG 定为起始部位 , 40S 核糖体与mRNA 5ˊ 一端的帽子相结合，向 3ˊ 一方向移动，以便寻找AUG 密码子，这过程要消耗 ATP 。

真核细胞的起始因子很多，到目前为止发现的至少有 10

种，命名为 eIF-n ，“ e” 代表真核，有 eIF-1 ， eIF-2 ， eIF-

2A ， eIF-3 ， eIF4A 、 4B 、 4C 、 4D ， eIF-5 ， eIF-6 ，其中 eIF-2 是最重要的一种，它是一种帽结合蛋白质（ cap-

binding protein ）它与 GTP 与起始 tRNA 结合形成三元复合物，起始翻译。

4. 起始因子：

真核细胞的延伸因子为 EF-1α 和 EF-1βr ，相当于原核细胞中的 EF-Tu 和 EF-Ts 。真核生物的 EF-2 相当于原核生物的 EF-G （ EF-2 能催化 GTP 水解，供能，推动位移）。 真核细胞多肽合成的终止只有一种释放因子 eRF ，可识别 3 种终止密码子。

5 ．延伸因子和终止因子：

蛋白质合成总结

需很多酶和辅助因子参加。需很多酶和辅助因子参加。折叠和加工

终止密码eRF

GTP

终止密码RF-1, RF-2, RF-3

GTP

肽链的终止和释放

EF-1α ， EF-1βr ， GTP

肽酰转移酶EF-2 ， GTP

EF-Tu ， EF-Ts,GTP

K+, 肽酰转移酶EF-G ， GTP

肽链的延长（ 1 ）氨酰— tRNA 的结合（ 2 ）肽键的形成（ 3 ）位移

起始密码Met-tRNAi

Met

eIF-1 ～ eIF-6

GTP, ATP

起始密码， SD 序列fMet-tRNA

IF-1,IF-2,IF-3

GTP

肽链起始

氨酰— tRNA 合成酶， ATP ， Mg2+

氨酰— tRNA 合成酶， ATP ， Mg2+

aa 的活化

真核生物所需因子原核生物所需因子过程

嘌呤霉素： 嘌呤霉素的结构与氨酰 -tRNA3 末端上的 AMP残基的结构十分相似。肽酰转移酶也能促使氨基酸与嘌呤霉素结合，形成肽酰嘌呤霉素，其连键不是脂键，而是酰氨键。肽酰 - 嘌呤霉素复合物很易从核糖体上脱落，从而使 Protein 合成过程中断。

五、蛋白质合成的抑制剂

原核生物蛋白质合成的过程

除了嘌呤霉素外，还有许多抗菌素及毒素可抑制蛋白质合成。 氯霉素只结合 70S 核糖体，不与 80S 核糖体结合。 亚胺环己酮只作用于 80S 核糖体，所以只抑制真核细胞的转译。 氯霉素、四环素、链霉素只抑制原核细胞的转译，但不作用于真核细胞。

五、蛋白质合成的抑制剂

原核生物蛋白质合成的过程

新合成的多肽链往往是没有生物学活性的。

第五节 多肽链的折叠与加工

第六节 蛋白质投递和降解