1、1蛋白質的生物合成第一節 蛋白質生物合成體系第二節 氨基酸的活化第三節 肽鏈的生物合成過程第四節 蛋白質翻譯后修飾和靶向輸送第五節 蛋白質生物合成的干擾和抑制2細胞內以mRNA為模板，將mRNA上的4種核苷酸排列順序轉變為蛋白質上20種氨基酸的排列順序的過程。mRNA是指導翻譯的直接模板，蛋白質是基因表達的最終產物。翻譯(translation)的概念：3第一節 蛋白質生物合成體系信使RNA（messenger RNA，mRNA) 核蛋白體（ribosomes) 轉運RNA（transfer RNA，tRNA) 酶（Enzyme）及多種蛋白因子起始因子(initiation factors,

2、IF)， 真核生物eIF延長因子(elongation factors, EF)釋放因子(release factors, RF)氨基酸（amino acids） 能量（ATP and GTP) 4一、mRNA是蛋白質生物合成的直接模板 mRNA是遺傳信息的攜帶者遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。真核mRNA只編碼一種蛋白質，為單順反子(single cistron) 。原核細胞中數個結構基因常串聯為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質，為多順反子(polycistron) 。原核生物的多順反子真核生物的單順反子非編碼序列核蛋白體結合位點起始密碼

3、子終止密碼子編碼序列PPP53蛋白質PPPmG -53蛋白質6 mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，每相鄰3個核苷酸為一組，編碼肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質合成的起始、終止信號，稱為三聯體密碼(triplet codon)。起始密碼(initiation coden): AUG 終止密碼(termination codon): UAA，UAG，UGA 7密碼子(codon)： mRNA上每3個相鄰核苷酸組成一個三聯體(triplet)，編碼一種氨基酸，稱之為。遺傳密碼(genetic code): mRNA中蘊藏遺傳信息的堿基序列稱為，它是密碼子的總和。 mRNA上存

4、在遺傳密碼9很重要的概念！ mRNA上從起始密碼子到終止密碼子之間的連續編碼序列或是DNA上與之對應的序列。一個ORF編碼一條完整的多肽鏈。A reading frame is uninterrupted by translation stop codons.不是任何一段從AUG到終止密碼子之間的序列都能稱為ORF，通常要求的長度是至少50個密碼子。開放閱讀框架(open reading frame，ORF)101. 方向性(direction)遺傳密碼的特點密碼子及組成密碼子的各堿基在mRNA序列中的閱讀方向只能是5到3。 112. 連續性(commaless)編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯

5、體密碼連續閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。 遺傳密碼的特點12 基因損傷引起mRNA閱讀框架內的堿基發生插入或缺失，可能導致移框突變 (frameshift mutation)。 133. 簡并性(degeneracy)遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯體為其編碼。編碼同一種氨酸酸的不同密碼子第1、2位堿基多相同，前2位堿基決定編碼氨基酸的特異性，僅第3位堿基差異。密碼的“偏愛性”：同一組密碼子的使用頻率不同 遺傳密碼的特點144. 通用性(universal)蛋白質生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 已發現少數例外，如動物細胞的線粒

6、體、植物細胞的葉綠體。密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。 遺傳密碼的特點線粒體密碼子165. 擺動性(wobble)tRNA上的反密碼與密碼間不嚴格遵守常見的堿基配對規律，稱為擺動配對。 擺動配對在反密碼子的第1位和密碼子的第3位間常見。遺傳密碼的特點擺動配對18密碼子、反密碼子配對的擺動現象tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U, C, AA, GU, CUG19二、核糖體是多肽鏈合成的裝置20原核生物真核生物核蛋白體小亞基大亞基核蛋白體小亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA

7、28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質rpS 21種rpL 36種rpS 33種rpL 49種原核、真核生物核蛋白體的組成 原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式A位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位(exit site)22三、 tRNA是氨基酸的運載工具反密碼環氨基酸臂T環DH環 23tRNA的三級結構示意圖24四、蛋白質生物合成需要的酶類、蛋白質因子等重要的酶： 氨基酰-tRNA合成酶，轉肽酶，轉位酶蛋白質因子：起始因子(initiation factors, IF)， 真核生物eIF延長因子(elongation

8、 factors, EF)，真核eEF釋放因子(release factors, RF) , 真核eRF能源物質及離子： ATP，GTP，Mg2+,K+25氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶 第二節 氨基酸的活化 氨基酸活化過程，即氨基酸與特異tRNA結合形成氨基酰-tRNA的過程。氨基酸ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi 第一步反應第二步反應28氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS)具有絕對專一性，及校正活性(editing activity)。只有20種. 一種tRNA

9、只能結合一種氨基酸，一種氨基酸可結合多種tRNA(稱為同功tRNA)。29舉例： Ala-tRNAAla Met-tRNAMet真核生物起始者tRNA(initiator-tRNA): tRNAiMet肽鏈延長中攜帶Met的tRNA： tRNAeMet原核生物起始者tRNA: tRNAfMetfMet： N-甲酰甲硫氨酸氨基酰-tRNA的表示法30第三節 肽鏈的生物合成過程是翻譯的中心環節，是活化氨基酸在核蛋白體上的縮合過程(核蛋白體循環，ribosomal cycle)核蛋白體循環（廣義）：起始、延伸、終止三個階段從5AUG開始直至終止密碼子核蛋白體沿著mRNA從5向3方向移動肽鏈的合成是從

10、N端到C末端31一、原核生物的肽鏈合成過程（一） 起始核蛋白體大、小亞基的分離mRNA與30S小亞基的結合fMet-tRNA與mRNA及30S小亞基的結合50S大亞基的結合起始復合物：fMet-tRNAfMet-mRNA-核蛋白體原核、真核生物各種起始因子的生物功能 促進核蛋白體分離成大小亞基eIF-6促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基eIF-5eIF-4F復合物成分，結合eIF-4E和PABeIF-4GeIF-4F復合物成分，結合mRNA5帽子eIF-4E結合mRNA，促進mRNA掃描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F復合物成分，有解螺旋酶活性，促進mRNA結合小亞基IF-4A

11、最先結合小亞基促進大小亞基分離eIF-2B，eIF-3促進起始tRNA與小亞基結合eIF-2真核生物促進大小亞基分離，提高P位對結合起始tRNA敏感性-3促進起始tRNA與小亞基結合-2占據A位防止結合其他IF-1原核生物生物功能起始因子促進核蛋白體分離成大小亞基eIF-6促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基eIF-5eIF-4F復合物成分，結合eIF-4E和PABeIF-4GeIF-4F復合物成分，結合mRNA5帽子eIF-4E結合mRNA，促進mRNA掃描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F復合物成分，有解螺旋酶活性，促進mRNA結合小亞基IF-4A最先結合小亞基促進大小亞基分離

12、eIF-2B，eIF-3促進起始tRNA與小亞基結合eIF-2真核生物促進大小亞基分離，提高P位對結合起始tRNA敏感性IF-3促進起始tRNA與小亞基結合IF-2占據A位防止結合其他tRNAIF-1原核生物1. 核蛋白體大小亞基分離IF-3IF-1AUG53IF-3IF-12. mRNA在30S小亞基定位結合mRNA 起始密碼子上游SD序列（核蛋白體結合位點，RBS）-AGGAGG-，使mRNA與小亞基結合。mRNA上SD序列后的核苷酸序列可被核蛋白體小亞基蛋白rps-1結合。SD序列(Shine-Dalgarno sequence )，也叫做核蛋白體結合位點(ribosomal bindi

13、ng site, RBS)2. mRNA在30S小亞基定位結合IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAfmet )的結合AUG534. 核蛋白體大亞基結合，起始復合物形成IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5338IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi39（二） 肽鏈的延伸又稱狹義的核蛋白體循環，每次循環增加一個氨基酸，包括以下三步：進位(entrance)或稱注冊(registration)成肽(peptide bond formation)轉位(translocation) 一、原核生物的肽鏈合成過程原核延長因子生物

14、功能對應真核延長因子EF-Tu促進氨基酰-tRNA進入A位，結合分解GTPEF-1EF-Ts調節亞基EF-1EF-G有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2延長因子(elongation factor, EF)又稱注冊 (registration)1. 進位指根據mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位。 延長因子EF-T：EF-Tu和EF-Ts亞基的二聚體。 2. 成肽由轉肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。3. 轉位463. 轉位延長因子EF-G有轉位酶( translocase )活性，可結合并

15、水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3側移動。起始二肽酰-tRNA-mRNA相對位移入核蛋白體P位，而卸載的tRNA移入E位。A位空留并對應下一組三聯體密碼，準備適當氨基酰-tRNA進位開始下一核蛋白體循環。進位轉位成肽fMetAUG53fMetTuGTP肽鏈的延伸49當mRNA上終止密碼出現后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。 （三） 終止一、原核生物的肽鏈合成過程50一是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。RF-3 具有GTP酶活性二是誘導轉肽酶改變為酯酶活性，相當于催化肽酰基

16、轉移到水分子-OH上，使肽鏈從核蛋白體上釋放。 釋放因子的功能釋放因子 (release factor, RF) 原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物釋放因子：eRF （三） 終止原核肽鏈合成終止過程 UAG53RFCOO-原核肽鏈合成終止過程 1氨基酸的活化20種氨基酸20種氨基酰-tRNA合成酶32種（或多于32種）tRNAATP、Mg2+2起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAfmermRNA上的起始密碼子（AUG）30S核糖體亞基50S核糖體亞基起始因子（IF-1, IF-2, IF-3）GTP、Mg2+3延長具有功能的70S核糖體（起始復合物）密碼子特異的氨基酰-

17、tRNA延長因子（EF-Tu, EF-Ts, EF-G）GTP、Mg2+4終止與釋放mRNA上的終止密碼釋放因子（RF-1, RF-2, RF-3）5折疊和翻譯后的加工特異酶、輔助因子、除去起始殘基和信號肽所需的化合物，水解過程，末端殘基的修飾，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或輔基結合到蛋白質上。階段必需化合物1氨基酸的活化20種氨基酸20種氨基酰-tRNA合成酶32種（或多于32種）tRNAATP、Mg2+2起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAfmermRNA上的起始密碼子（AUG）30S核糖體亞基50S核糖體亞基起始因子（IF-1, IF-2, IF-3）GTP、Mg2+3延長具有功能的7

18、0S核糖體（起始復合物）密碼子特異的氨基酰-tRNA延長因子（EF-Tu, EF-Ts, EF-G）GTP、Mg2+4終止與釋放mRNA上的終止密碼釋放因子（RF-1, RF-2, RF-3）5折疊和翻譯后的加工特異酶、輔助因子、除去起始殘基和信號肽所需的化合物，水解過程，末端殘基的修飾，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或輔基結合到蛋白質上。階段必需化合物大腸桿菌蛋白質合成的5個階段所需化合物54二、真核生物的肽鏈合成過程（一）起始核糖體大小亞基分離Met-tRNAimet與小亞基結合mRNA在核糖體小亞基上就位核糖體大亞基結合 特點： 40S小亞基先結合Met-tRNAiMet，再結合mRNA5

19、5Kozak規則起始密碼子AUG周邊堿基組成符合特定規則時翻譯的效率更高，稱為Kozak規則。若將起始AUG中的堿基分別標為1，2，3位，可描述如下： (1)第4位的偏好堿基為G； (2)5端約15bp范圍的側翼序列內不含堿基T； (3)在-3，-6和-9位置，G是偏好堿基； (4)除-3，-6和-9位，在整個側翼序列區，C是偏好堿基。 Kozak規則是基于已知數據的統計結果，不見得必須全部滿足，一般來說，滿足前兩項即可。 56真核生物肽鏈合成的延長過程與原核基本相似，但有不同的反應體系和延長因子。另外，真核細胞核蛋白體沒有E位，轉位時卸載的tRNA直接從P位脫落。（二）延長57（三）終止與原

20、核相似，但只一種釋放因子，可識別所有終止密碼子多聚核蛋白體(polysome)使蛋白質合成高速、高效進行。電鏡下的多聚核蛋白體現象翻譯一條氨基酸殘基數為N的多肽鏈所需的ATP氨基酸活化： ？肽鏈合成的起始： ？肽鏈延長時的進位： ？肽鏈延長時的轉位： ？翻譯的終止： ？總共需ATP數：61概念：翻譯，密碼子，遺傳密碼，ORF遺傳密碼的特點：方向性，連續性，簡并性，通用性，擺動性核蛋白體的組成原核(70S)：30S + 50S 真核(80S)：40S + 60SP位與A位氨基酸的活化翻譯的起始、延伸、終止小 結 62翻譯后加工和輸送第 四 節Posttranslational Processin

21、g & Protein Transportation63肽鏈合成后的加工多肽鏈折疊為天然的三維結構 肽鏈一級結構的修飾高級結構修飾 64一、多肽鏈折疊為天然功能構象的蛋白質肽鏈合成開始, 新生肽鏈的折疊即開始。一級結構是空間構象的基礎。天然蛋白質折疊通常需要其他酶、蛋白輔助。 65促進蛋白折疊功能的大分子1. 分子伴侶 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫鍵異構酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰順反異構酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)67分子伴侶是一類保守蛋白質，可識

22、別肽鏈的非天然構象。原核真核均有，類型多種，分多個家族，作用時需ATP供能。不同分子伴侶功能不盡相同：促進各功能域和整體蛋白質的正確折疊或組裝。防止新生多肽鏈或待組裝的蛋白亞基非正常聚集，避免形成無功能的結構（非正確折疊或組裝的大分子結構對細胞通常是有害的）幫助修復非正確折疊的蛋白質參與蛋白質跨膜轉運輔助蛋白質的降解伴侶素GroEL/GroES系統促進蛋白質折疊過程 69二、一級結構的修飾（一）肽鏈N端的修飾（二）個別氨基酸的修飾（三）多肽鏈的水解修飾70（一）肽鏈N端的修飾大多天然蛋白質不以甲硫氨酸為N端第一位氨基酸脫甲酰基酶或氨基肽酶可以除去N-甲酰基、N端甲硫氨酸或N端附加序列。約50%

23、的真核蛋白質會有N-端氨基酸的乙酰化71（二）個別氨基酸的修飾某些蛋白質肽鏈中存在共價修飾氨基酸殘基糖基化羥基化乙酰化甲基化磷酸化羧基化二硫鍵生成親脂性修飾72（三）多肽鏈的水解修飾某些無活性的蛋白前體可經蛋白酶水解，生成活性的蛋白質、多肽，如胰島素原酶解成胰島素。真核細胞某些大分子多肽前體，經水解生成數種小分子活性肽。前胰島素原加工成為有活性的胰島素前導序列的切除二硫鍵的生成C肽的切除鴉片促黑皮質素原(POMC)的水解修飾NC信號肽PMOCKRKR103肽 ( ？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin75三、高級結構的修飾（一）亞基聚合 （二）輔基連接76蛋白質合成后需要經過復雜機制，定向輸送到最終發揮生物功能的細胞靶部位，這一過程稱為蛋白質的靶向輸送。 四、蛋白質合成后的靶向輸送蛋白質的靶向輸送(protein targeting)77所有靶向輸送的蛋白質結構中存在分選信號，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質轉移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為信號序列 。 信號序列 (signal sequence)78（一）分泌蛋白的靶向輸送真核細胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進入內質網。 信號肽(signal peptide) ：未成熟蛋白質中可被細胞轉運系統識別的特征性氨基酸序列，一般由1040多個氨基酸殘基組成。信號肽的一級結構信號肽引