十八蛋白质的合成与加工

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第二节 蛋白质的合成过程
Protein Synthesis Process
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翻 译 过 程 从 开 放 阅 读 框 架 的 5-AUG 开 始 向 3 阅读，按mRNA上三联体密码的顺序指导蛋白质从 N端向C端合成，直至终止密码。
整个翻译过程可分为4个阶段 ：
氨基酸的活化 肽链合成的起始(initiation) 肽链的延长(elongation) 肽链合成的终止(termination )及释
ATP
mRNA
elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB
ADP+Pi
60S
①
eIF-3
40S
60S
Met
elF-5
④
48S前起始复合物
各种elF释放 GDP+Pi
80S翻译起始复合物
Met
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三、新生肽链通过核糖体循环而延长
肽链延长在核糖体上连续、循环式进行，称 为核糖体循环(ribosomal cycle)，每循环一 次肽链延长一个氨基酸残基，包括以下三步： – 进位(entrance) – 成肽(peptide bond formation) – 转位(translocation)
信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质分 子中20种氨基酸的排列顺序 。
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第一节 蛋白质合成体系的组成
Components Required for Protein Biosynthesis
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参与蛋白质生物合成的三种RNA：
mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核糖核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA） 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 辅助因子包括:
真核生物起始因子被称作eIF (eukaryotic
initiation factor) eIF-1、-2、-3、-4、5和-6
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翻译的起始因子
原核起始因子 IF-1 IF-2 IF-3
真核起始因子 eIF-1 eIF-2 eIF-2B eIF-3 eIF-4A
eIF-4B eIF-4E eIF-4G
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大肠杆菌蛋白质合成的5个阶段所需化合物
阶段 1．氨基酸的活化 2．起始
3．延长 4．终止与释放 5．折叠和翻译后的加工
必需化合物
20种氨基酸 20种氨基酰-tRNA 合成酶 32种（或多于32种）tRNA ATP 、Mg 2+ mRNA N -甲酰甲硫氨酰-tRNA fmer mRNA 上的起始密码子（AUG ） 30S核糖体亚基 50S核糖体亚基 起始因子（IF-1, I-F2, I-F3） GTP 、Mg 2+ 具有功能的70S核糖体（起始复合物） 密码子特异的氨基酰-tRNA 延长因子（EF -Tu , EF-Ts, EF-G ） GTP 、Mg 2+ mRNA 上的终止密码 释放因子（RF -1, RF-2, RF-3） 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 基结合到蛋白质上
起始密码(initiation codon): AUG 终止密码(termination codon):
UAA、UAG、UGA
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遗 传 密 码 表
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（二）遗传密码具有几个特性
1. 遗传密码具有通用性 (universal)
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。
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四、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子
20种氨基酸（AA） 酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成
酶、起始因子(initiation factor， IF) 、延长因子（elongation factor， EF）、释放因子（release factor， RF）。 ATP、GTP 无机离子
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原核生物核糖体 70 S Mt 2.7×106
真核生物核糖体 80S Mt 4.2×
核 糖 体 的 组 成
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•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mRNA的位点， 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tRNA结合的位点； A位点是氨基酰tRNA结合位点，P位点是肽酰 tRNA结合位点。通过将mRNA、氨基酰-tRNA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。核糖体是合成蛋白质的场所。
放
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一、氨基酸活化成氨基酰-tRNA
（一）氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸与 tRNA的连接
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酸 +
氨基酰- tRNA
ATP
AMP＋PPi
•氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)
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第一步反应: 氨基酸 ＋ATP-E —→ 氨基酰-AMP-E ＋ PPi
翻译，无标点、不重叠，即连续性 mRNA开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入或
缺失，可引起移码突变(frameshift mutation)。 翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。
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4. 遗传密码具有简并性(degeneracy)
简并性，即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。
起始因子(initiation factor, IF)
延长因子(elongation factor, EF)
释放因子（终止因子）(release factor, RF) 等
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一、mRNA是蛋白质/多肽链合成的模板
在遗传信息传递过程中，DNA转录生成mRNA， mRNA作为蛋白质合成的直接模板，指导蛋白质 多肽链的合成。
• 1961~1966年间，Nirencerg、Matthaei和Khorana先后确 定了64个遗传密码。
• 1973~1976年，麦胚无细胞体系、兔网织无细胞体系分 别建立，蛋白质合成的具体过程终于揭晓。
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蛋白质的生物合成，即翻译（translation） 翻译的过程就是将核酸中核苷酸序列编码的遗传
氨基酰-tRNA的表示方法： Ser-tRNASer Met-tRNAMet
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二、起始阶段形成翻译起始复合物
指在起始因子的作用下，mRNA和起始氨 基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始 复合物 (translational initiation complex)。
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原核生物中有3种起始因子(initiation factor， IF) ：IF-1、 IF-2、 IF-3
IF-2 GTP
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
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(4) 利用IF-2具有GTP酶的活性，催化GTP水解，起始因 子释放，50S大亚基与30S小亚基结合，形成70S起始复合 物，fMet-tRNAfMet位于核糖体上的P（peptidyl）位。
IF-2 GGDTPP Pi
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
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（一）原核生物在起始因子参与下组装翻译起 始复合物
1．原核生物翻译起始形成70S起始复合物
IF-1、IF-3结合解聚的核糖体30S小亚基 ； mRNA结合核糖体30S小亚基； 在IF-1的作用下， fMet-tRNA结合mRNA的起
始密码子； 50S核糖体大亚基参入复合物。
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肽链合成的起始氨基酰-tRNA: 原核生物： fMet-tRNAifMet 真核生物： Met-tRNAiMet
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（1）IF-3、IF-1结合解聚的30S核糖体小亚基
IF-3
IF-1
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（2）mRNA结合核糖体30S小亚基
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
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•S-D序列（Shine-Dalgarno sequence）又称核 糖体结合位点（ribosomal binding site, RBS）
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（3）在IF-1的作用下， fMet-tRNA结合mRNA的 起始密码子
• 1954年，Paul Zamecnik及其同事实验证明体内蛋白质是 由氨基酸合成的。1956年，他们发现了氨基酰-tRNA合 成酶。
• 1958年，M. B. Hoagland和Zamecnik又发现蛋白质生物 合成需要可溶性RNA为中介。
• 1961年，Howard Dintzis证明血红蛋白肽链合成方向是 从N-末端向C-末端进行。
蛋白质
AAA 3'
蛋白质
非翻译区 编码序列
核蛋白体结合位点
起始密码子
终止密码子
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（一）mRNA含有64种密码子
mRNA分子上每3个核苷酸构建一个密码子， 编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、 终止信号，称为三联体密码(triplet codon)， 也称遗传密码子(genetic codon)。
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摆动配对
U
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密码子、反密码子配对的摆动性
tRNA反密码子 第1位碱基
I
U
G AC
mRNA密码子 第3位碱基
U、C、A A、 G U、C U
G
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二、一种tRNA只能转运一种氨基酸但 一种氨基酸可由几种tRNA转运
氨基酸臂
反密码环
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tRNA的三级结构示意图
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三、rRNA与蛋白质组成核糖体 蛋白质—合—成场所
eIF-5
eIF-6
功能 防止tRNA过早地结合到A位 促进fMet-tRNAfMet结合到30S小亚基 结合30S小亚基，防止它过早地与50S大亚基结合，并提高P 位对fMet-tRNAfMet的特异性
功能 多功能因子，参与多个翻译步骤 促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合 又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDP交换成GTP 首先与40S小亚基结合的因子，并能加速后续步骤 具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA 5´ 端的发夹结构， 使其与40S小亚基结合。是eIF-4F的组成成分 与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUG 结合mRNA的帽子结构，是eIF4F的组成成分 一种接头蛋白，能与eIF-4E、eIF-3和poly A结合蛋白结合将 40 S的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是eIF4F的组成 成分 促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60S 大亚基结合形成80S起始复合物 促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基
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 密码子为其编码。
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简并性(degeneracy)
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5. 遗传密码具有摆动性（wobble）
编码同一氨基酸的不同密码子互称同义 密码子；同义密码子之间的差异通常只 在第3位碱基上，密码子第3位碱基与 tRNA反密码子不严格遵守碱基配对规律， 而是摆动碱基配对。
已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细 胞的叶绿体。
2. 密码子具有方向性(direction)
起始密码子总是位于mRNA开放阅读框架的5ˊ末 端，终止密码子位于3ˊ末端。
翻译的方向是从5ˊ到3ˊ末端。
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3. 遗传密码具有连续性(commaless)
密码子按5′→ 3′方向每3个一组阅读框架顺序
而不是N-甲酰甲硫氨酸。
3. AUG是真核生物中起始密码子，mRNA 的5ˊ末端AUG一般就是起始位点
4 . 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
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真核生物翻译起始复合物形成过程
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40S
elF-2-GTP
②
Met Met-tRNAiMet
Met
③
43S前起始复合物
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第二步反应:
氨基酰-AMP-E ＋ tRNA
↓
氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E
（Ⅱ型）
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（二）氨基酰-tRNA合成酶具有校读作用
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(editing activity)，即酯酶的活性 。
mRNA包括
–5-非翻译区(5-untranslated region, 5-UTR)
–开放阅读框架区(open reading frame, ORF)
–3-非翻译区(3-untranslated region, 3-
UTR)
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原核生物mRNA
5' PPP
3'
真核生物mRNA
5' mG - PPP
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IIF-2G-DGGPTTPPPi
5'
AUG
3'
IF-3
IF-1
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（二）真核细胞蛋白质合成起始机制与 原核相似但更复杂
真核细胞的蛋白质合成过程中 需要更多的蛋白质因子，步骤更为复杂， 但基本过程与原核细胞中相似。
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1 . 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，