蛋白质的生物合成（翻译）Protein Biosynthesis ，Translation 翻译——将核酸中由4 种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一级结构中20 种氨基酸的排列顺序。蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System 参与蛋白质生物合成的物质包括20 种氨基酸(AA) 作为原料酶及众多蛋白因子，如IF 、eIF ATP 、GTP 、无机离子一、翻译模板mRNA 及遗传密码mRNA 是遗传信息的携带者遗传密码表从mRNA 5 端起始密码子AUG 到3 端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架。1. 连续性(commaless) 2. 简并性(degeneracy) 2. 简并性(degeneracy) 3. 通用性(universal) 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。4. 摆动性(wobble) 密码子、反密码子配对的摆动现象二、核蛋白体是多肽链合成的装置核蛋白体的组成三、tRNA 与氨基酸的活化tRNA 的三级结构示意图蛋白质生物合成过程The Process of Protein Biosynthesis tRNA 与酶结合的模型氨基酰-tRNA 合成酶对底物氨基酸和tRNA 都有高度特异性。氨基酰-tRNA 合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。氨基酰-tRNA 的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet 真核生物：Met-tRNAiMet 原核生物：fMet-tRNAifMet 翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ) 一、肽链合成起始指mRNA 和起始氨基酰-tRNA 分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物。（一）原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA 在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA 的结合；核蛋白体大亚基结合。（二）真核生物翻译起始复合物形成二、肽链合成延长指根据mRNA 密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF) 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2 又称注册(registration) （二）成肽（三）转位延长因子EF-G 有转位酶( translocase ) 活性，可结合并水解1分子GTP ，促进核蛋白体向mRNA 的3' 侧移动。多聚核蛋白体(polysome) 蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation 主要包括从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。一、折叠新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。几种有促进蛋白折叠功能的大分子1. 分子伴侣(molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase, PDI) 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI) 二、一级结构的修饰（一）肽链N端的修饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰鸦片促黑皮质素原(POMC) 的水解修饰三、高级结构的修饰（一）亚基聚合（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接四、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。信号肽的一级结构（二）线粒体蛋白的靶向输送（三）细胞核蛋白的靶向输送蛋白质生物合成的干扰和抑制 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。它们就是通过阻断真核、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合成过程而起作用的。可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。嘌呤霉素作用示意图二、其他干扰蛋白质生物合成的物质毒素(toxin) 干扰素(interferon) 白喉毒素(diphtheria toxin) 的作用机理干扰素的作用机理2. 干扰素诱导病毒RNA 降解抗生素(antibiotics) 是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。抗代谢药物指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如：6-MP 。某些毒素也作用于基因信息传递过程。一、抗生素类抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究抗肿瘤药抑制氨基酰-tRNA 与小亚基结合改变构象引起读码错误、抑制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位与EFG-GTP 结合，抑制肽链延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰-tRNA 类似物，进位后引起未成熟肽链脱落原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体大亚基原核核蛋白体大亚基原核核蛋白体大亚基真核核蛋白体大亚基真核、原核核蛋白体四环素族（金霉素新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、新霉素氯霉素、林可霉素红霉素梭链孢酸放线菌酮嘌呤霉素应用作用原理作用点抗生素抗生素抑制蛋白质生物合成的原理四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线菌酮目录原核肽链合成终止过程U A G 5' 3' RF COO- 目录——使蛋白质合成高速、高效进行。目录电镜下的多聚核蛋白体现象目录第三节多肽链折叠为天然的三维结构一级结构的修饰高级结构修饰1. 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70 、HSP40 和GrpE 族2. 伴侣素(chaperonins) GroEL 和GroES 家族分子伴侣分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。HSP70 的结构蓝色：HSP70 ；绿色：待折叠片段热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用——结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成HSP70 和多肽片段依次结合、解离的循环。HSP40 结合待折叠多肽片段HSP70-ATP 复合物HSP40- HSP70-ADP- 多肽复合物ATP 水解GrpE ATP ADP 复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠HSP70 循环绿：HSP40 红：HSP70 灰：Grp-E 伴侣素GroEL/GroES 系统促进蛋白质折叠过程伴侣素的主要作用——为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。疯牛病(BSE) 初期症状：四肢抽搐，站立不稳人亦可感染称Creutzfeldt-Jakob disease 疯牛病脑组织显微照片脑组织中出现很多空洞，形成“海绵状脑”朊病毒Prion ：蛋白质传染源1982 年由Stanley Ben Prusiner 宣布发现，1997 年获奖朊病毒的致病过程朊病毒的解构特点被感染的蛋白质本应为α螺旋，被错误折叠为β折叠解构蛋白二硫键异构酶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，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。肽-脯氨酰顺反异构酶多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。N C 信号肽PMOC KR KR 103 肽( ？) ACTH -LT -MSH -MSH Endophin 蛋白质的靶向输送(protein targeting) 信号序列(signal sequence) Man-6-P （甘露糖-6- 磷酸）溶酶体蛋白-Ser-Lys-Leu- （PST 序列）过氧化体蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val- ，SV40 T 抗原）核蛋白N端靶向序列（20 ～35 氨基酸残基）线粒体蛋白信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL 序列) 内质网腔蛋白信号肽分泌蛋白信号序列或成分靶向输送蛋白靶向输送蛋白的信号序列或成分（一）分泌蛋白的靶向输送真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。信号肽(signal peptide) 各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网目录目录目录第四节桔黄色：tRNA 氨基酰-tRNA 合成酶反应示意图酶结合氨基酸和ATP 形成氨基酰-AMP 形成氨基酰-tRNA 释放氨基酰-tRNA 第一步反应氨基酸＋ATP-E —→氨基酰-AMP-E ＋AMP ＋PPi 目录第二步反应氨基酰-AMP-E ＋tRNA ↓氨基酰-tRNA ＋AMP ＋E 目录（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA 整个翻译过程可分为：翻译过程从阅读框架的5′-AUG 开始，按mRNA 模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。原核生物各种起始因子的功能转肽酶→酯酶介导EF-1/2 与核糖体相互作用EF-3 UAA 、UGA EF-2 UAA 、UAG EF-1 释放因子转位酶；卸载tRNA EF-G 调节亚基EF-Ts 促进进位EF-Tu 延长因子大、小亚基分离IF-3 促进fMet-tRNAfMet 结合小亚基IF-2 占据A位IF-1 起始因子IF-3 IF-1 1. 核蛋白体大小亚基分离目录A U G 5' 3' IF-3 IF-1 2. mRNA 在小亚基定位结合目录S-D 序列IF-3 IF-1 IF-2 GTP 3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet ) 结合到小亚基A U G 5' 3' 目录IF-3 IF-1 IF-2 GTP GDP Pi 4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成A U G 5' 3' 目录IF-3 IF-1 A U G 5' 3' IF-2 GTP IF-2 -GTP GDP Pi 目录核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA 结合；mRNA 在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。met 40S 60S Met Met 40S 60S mRNA eIF-2B 、eIF-3 、eIF-6 ①elF-3 ②GDP+Pi 各种elF 释放elF-5 ④ATP ADP+Pi elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB ③Met Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP 真核生物翻译起始复合物形成过程肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle) ，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位成肽转位EF-2 有转位酶活性，促进mRNA- 肽酰-tRNA 由A位前移到P位，促进卸载tRNA 释放EFG EF-1-βγ调节亚基EF-Ts EF-1-α促进氨基酰-tRNA 进入A位，结合分解GTP EF-Tu 对应真核延长因子生物功能原核延长因子肽链合成的延长因子（一）进位指根据mRNA 下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA 进入核蛋白体A位。目录延长因子EF-T 催化进位（原核