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蛋白质生物合成
一、原核生物蛋白质的生物合成
1、蛋白质合成相关蛋白因子及其功能
起始因子：促成mRNA、起始tRNA和核糖体大小亚基装 配，形成起始复合体。
IF IF3 IF2 IF1 MW 22000 120000 9000 GTP结 合能力 + 生物学活性与功能 1.形成三元复合物.2.解离因子活性，使70S核 糖体颗粒解离为30S和50S亚基
• fMet-tRNAMet占据50S亚基肽
酰位(peptidyl site，P位或给 位)，而50S的氨基酰位 (aminoacyl site，A位或受位) 暂为空位。
原核生物起始复合物的形成
*
30S 5'? 此阶段消耗1个GTP 5'? IF3 IF1
fM
AUG AUG
3' 3'
GTP IF2
2、原核生物的蛋白质合成
1）肽链合成的起始 三元复合物（trimer complex）的形成 • IF-3结合30S小亚基，在Mg2+的参与形成稳定
•
的游离小亚基， 小亚基与mRNA起始信号部位结合形成IF3-30S 亚基-mRNA三元复合物。
30S前起始复合物的形成 (30S pre-initiation complex)
1、真核生物蛋白质合成因子
1）起始因子(Eucaryotic initiation factor，eIF)
类型 eIF1 elF2 elF3 分子量 15000 125000 ≥5×106 与E.coli IF 的对应关系 IF1 IF2
elF4A
elF4B elF4C elF4D elF5 elF2B
延伸因子：均具有GTPase活性
EF-Tu：按照mRNA序列将AA-tRNA带入大 亚基A位； EF-Ts：促使EF-Tu恢复活性状态； EF-G：负责肽基-tRNA从A位向P位转移.
终止因子：识别终止密码子，终止肽链
合成并释放核糖体
RF-1UAA & UAG，RF-2UAA & UGA， RF3促进RF-1 & RF-2
eIF-4E
eIF-5
帽子结合蛋白，识别帽子结构
与60S亚基结合，释放起始因子
起始因子IF和eIF比较
起始步骤 亚基分离 IF IF3 (IF1) eIF eIF3
mRNA就位
核酸－核酸、核酸－蛋白 质之间的辨认结合
eIF3，eIF1，eIF4A eIF4B，CBP-1 eIF4E (CBP-2)
起始tRNA 就位
IF2，GTP（IF1）
eIF2，co-eIF2-GTP eIF3，eIF4C
大亚基结合
各种IF脱落
eIF5，eIF4D
2、延伸因子
延伸因子 功 能 相应的原核因子 eEF-1 EF-Tu 结合AA-tRNA, GTPase eEF-1 EF-Ts 与eEF-1的GTP:GDP交换 eEF-1 GTP:GDP交换 eEF-2 EF-G 促进转位作用, GTPase
与起始tRNA结合并控制其进入30S小亚基,形 成30S前起始复合物
无特异功能，但具有加强 IF2和IF3的活性和 促进起始复合物稳定性的作用。
起始因子IF-3的功能
• 结合并稳定30S亚基； • 控制30S亚基与 •
mRNA的结合； IF-3可循环利用。
Initiation requires 30S subunits that carry IF-3.
IF3 IF1 核蛋白体 亚基的拆离 AUG 5'? IF3 IF1
mRNA 30S
3'
50S
5'?
50S
AUG
3'
fM
IF1-3源自文库
fM
IF1-3 GDP + Pi
翻译起始复合物
翻译起始的过程
The 30S subunit carries all the initiation factors, including IF-2, which is probably associated with the P site. IF-2 specifically forms a complex with fMet-tRNAf. This complex places the tRNA in the partial P site.
（一）进位
氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引， 在GTP和EF-T的协助下，进入核蛋白体 的A位。
5'? AUG 3'
fM
2
EF-T 协 助 进 位 的 Pi 机 制
2
Tu -GTP Ts Tu -GTP
2
GTP Tu Ts
Tu -GDP
Ts
GDP
（二）转肽与成肽
转肽酶催化肽键的形成。
5'? 5'?
AUG AU
3' 3'
OH fM
2
fM
（三）转位
tRNA脱落的同时，核蛋白体向mRNA的 3´-端移动一个密码子的距离。由EF-G中的 转位酶催化，此步骤需1个GTP。
5'? AUG AUG 5'? 3'
3'
OH 2
2 fM
3
OH
fM
进位、成肽、转位重复进行，肽链则不 断延长。 在肽链延长过程中，除第一个肽键形成 时, P位上是fMet-tRNA外，以后P位上总是 肽酰-tRNA, A位总是新进位的氨基酰-tRNA， 这就是P位和A位名称的由来。P位是转出肽 酰基，又叫“给位”，A位是接受肽酰基，叫 “受位”。
2）5肽链合成的延伸
进位——延伸的氨酰基-tRNA进入A位
• EF-Tu与GTP结合，再与氨基酰-tRNA形成三
元复合物；
• 三元复合物进入A位，GTP水解为GDP；
• EF-Tu、GDP二元复合物与氨基酰-tRNA解离。
延伸的氨酰基-tRNA进入A位
• EF-Tu-GTP places
aminoacyl-tRNA on the ribosome and then is released as EF-Tu-GDP. EF-Ts is required to mediate the replacement of GDP by GTP. The reaction consumes GTP and releases GDP.
• 在IF2作用下，甲酰蛋氨
酸-起始型tRNA（fMettRNAMet）与起始密码子 （AUG或GUG）结合，形 成30S前起始复合物，即 IF2-30S亚基-mRNAfMet-tRNAMef复合物。 此步需要fGTP和Mg2+参 与。
•
70S起始复合物形成
• 50S亚基与30S前起始复合物
结合，形成70S起始复合物， 即30S亚基-mRNA -50S亚基 -fMer-tRNA Met复合物。
• 核糖体循环因子RRF
结合于A位点；
• 转位因子EF-G促使
RRF转位并释放；
• 核糖体构象改变发生
解离。
肽链合成终止
• The RF (release factor) terminates protein synthesis by releasing the protein chain. • The RRF (ribosome recycling factor) releases the last tRNA, and EF-G releases RRF, causing the ribosome to dissocuate
形成43S核糖体复合物： eIF3、eIF-4C与40S小亚基结合， 并维持其解离状态；
形成eIF2-GTP-Met-tRNAiMet
三元复合体：由起始因子eIF-2、 GTP与Met-tRNAiMet组成；
形成43S前起始复合物：43S核
糖体复合物与三元复合体连接 而成；
形成48S前起始复合物： 43S
结论：每合成一个肽键至少消耗4个~P。
多聚核蛋白体：
一个mRNA分子可同
时有多个核蛋白体在进
行同一种蛋白质的合成，
这种mRNA和多个核
蛋白体的聚合物称为多
聚核蛋白体。
补充资料（动画配英文解说）
http://www.bbioo.com/video/2007/4 88.htm
二、真核生物蛋白质生物合成
功能；而甲酰基的存在，阻碍了fMet以其-NH2与其它氨基酸形成 肽键的可能性。
2）IF2能促使fMet-tRNA与起始密码子结合，而不能与tRNAMet反应， 而tRNAMet只能与延长因子TU(EF-TU)反应。因此，IF2与tRNAMet 的特异性反应亦有助于保证tRNAMet与起始密码子的结合。 3) SD（Shine-Dalgarno）顺序的作用。在mRNA分子中起始密码子的 上游8-13个核苷酸处有一段富含嘌呤核苷酸的顺序，它可以与30S 亚基中的16SrRNA3'端富含嘧啶的尾部互补，形成氢键结合，因此 有助于mRNA的翻译从起始密码子处开始。
•
•
转肽与肽键形成
肽基转移酶将位于 P位的fMet或AA转移到 A位的氨基酰-tRNA的 氨基上并形成第一个肽 键或新肽键。
转位
• EF-G和GTP结合上来； • GTP水解，使A位的肽基tRNA转移到P位，同时空载 tRNA离开P位进入E位； • 转位后EF-G和GDP需释放 出去，下一个氨基酰-tRNA 三元复合体才能进入A位；
与mRNA上SD序列结合； •AUG暴露在P位点； •在IF2的作用下，只有 fMet-tRNAf 才能进入P 位与AUG配备识别； •其它氨酰tRNA进入A位 需要完整的70S颗粒。
如何正确选择起始密码子
1）起始型蛋氨酸tRNA和中间型蛋氨酸tRNA的差异
• 二者在结构上存在差异； • fMet-tRNA具有将甲酰蛋氨酸引入mRNA起始密码子AUG位置的特异
前起始复合物结合于mRNA复 合物5’端。 此过程需要ATP水 解提供能量使复合体结合在 mRNA 5‘末端；
40S核糖体小亚基延mRNA
移动至AUG密码子；
tRNAfMet(N-formyl-methionyl-tRNA)的
• 甲酰化可以促进IF2与起
始tRNA的结合效率；
特点
• 受体臂末端两个碱基不配
对，一可阻止用于肽链延 伸，二是有利于甲酰化；
• 反密码子臂有三个连续的
GC对，对于起始tRNA进 入核糖体P位很关键。
3）起始密码子的识别
•在IF3作用下，30S亚基
50000
80000? 17000 125000 66000 IF2 IF3
真核生物起始因子的功能
起始因子 eIF-1 功 能 稳定mRNA和Met-tRNA复合物
eIF-2
eIF-2B eIF-3 eIF-4A eIF-4B eIF-4C eIF-4D
形成GTP-Met-tRNA三元起始复合物
促进eIF-2的再利用 促进40S 小亚基的形成 辅助mRNA结合 识别mRNA，具ATPase活性 与40S结合，促进80S复合物形成 不详
蛋白质生物合成起始中的几个问题
1）核糖体循环与起 始复合物的形成
• 细胞内的核糖体颗粒 •
与自由的亚基间处于 一种动态平衡状态； IF3与30S小亚基结合 可阻止核糖体大小亚 基间的结合。
2）肽链起始需要特殊的起始tRNA • 甲硫氨酸是所有蛋白质
• •
合成的起始氨基酸； 携带Met的tRNA有两种， 一种用于起始，另一种 在肽链延伸中识别AUG； 起始tRNA携带的甲硫 氨酸是甲酰化的，即 tRNAfMet ：N-formylmethionyl-tRNA ；
3）肽链合成的终止
1. RF与终止密码辨认结合
2. 肽链与tRNA分离 3. tRNA、mRNA及RF从核蛋白体脱落
5'? 5'? UAA UAA
RF RF
3' 3'
5'?
RF
3'
OH
n n-1
n n-1
RR
OH
4）原核生物蛋白质合成的能量计算
氨基酸活化：2个~P 起始： 延长： 终止： 1个 2个 1个 GTP GTP GTP ATP
3、终止因子
终止因子 eRF 功 能 相应的原核因子 RF1&RF2 识别终止密码子，促使肽基tRNA释放
2、真核生物翻译起始
1）起始步骤
形成mRNA复合物：帽结合蛋
白eIF-4E（CBP2）与mRNA 帽子结合，再与eIF-4G、eIF4A、eIF4B相互作用；mRNA 5’端在eIF-4A/4B作用下解螺 旋；
3、肽链合成的终止——两个阶段
1）肽链释放 • 终止密码子出现在A位，
•
•
没有相应的AA-tRNA能与 之结合； 释放因子RF1(UAA&UAG)和 RF2 (UGA&UAA)作用于A位 并识别终止密码子，激 活肽基转移酶，将肽基 转移到水分子上； 在RF3的作用下RF1和RF2 从核糖体释放。
2）tRNA、rRNA释放 与核糖体解离
一、原核生物蛋白质的生物合成
1、蛋白质合成相关蛋白因子及其功能
起始因子：促成mRNA、起始tRNA和核糖体大小亚基装 配，形成起始复合体。
IF IF3 IF2 IF1 MW 22000 120000 9000 GTP结 合能力 + 生物学活性与功能 1.形成三元复合物.2.解离因子活性，使70S核 糖体颗粒解离为30S和50S亚基
• fMet-tRNAMet占据50S亚基肽
酰位(peptidyl site，P位或给 位)，而50S的氨基酰位 (aminoacyl site，A位或受位) 暂为空位。
原核生物起始复合物的形成
*
30S 5'? 此阶段消耗1个GTP 5'? IF3 IF1
fM
AUG AUG
3' 3'
GTP IF2
2、原核生物的蛋白质合成
1）肽链合成的起始 三元复合物（trimer complex）的形成 • IF-3结合30S小亚基，在Mg2+的参与形成稳定
•
的游离小亚基， 小亚基与mRNA起始信号部位结合形成IF3-30S 亚基-mRNA三元复合物。
30S前起始复合物的形成 (30S pre-initiation complex)
1、真核生物蛋白质合成因子
1）起始因子(Eucaryotic initiation factor，eIF)
类型 eIF1 elF2 elF3 分子量 15000 125000 ≥5×106 与E.coli IF 的对应关系 IF1 IF2
elF4A
elF4B elF4C elF4D elF5 elF2B
延伸因子：均具有GTPase活性
EF-Tu：按照mRNA序列将AA-tRNA带入大 亚基A位； EF-Ts：促使EF-Tu恢复活性状态； EF-G：负责肽基-tRNA从A位向P位转移.
终止因子：识别终止密码子，终止肽链
合成并释放核糖体
RF-1UAA & UAG，RF-2UAA & UGA， RF3促进RF-1 & RF-2
eIF-4E
eIF-5
帽子结合蛋白，识别帽子结构
与60S亚基结合，释放起始因子
起始因子IF和eIF比较
起始步骤 亚基分离 IF IF3 (IF1) eIF eIF3
mRNA就位
核酸－核酸、核酸－蛋白 质之间的辨认结合
eIF3，eIF1，eIF4A eIF4B，CBP-1 eIF4E (CBP-2)
起始tRNA 就位
IF2，GTP（IF1）
eIF2，co-eIF2-GTP eIF3，eIF4C
大亚基结合
各种IF脱落
eIF5，eIF4D
2、延伸因子
延伸因子 功 能 相应的原核因子 eEF-1 EF-Tu 结合AA-tRNA, GTPase eEF-1 EF-Ts 与eEF-1的GTP:GDP交换 eEF-1 GTP:GDP交换 eEF-2 EF-G 促进转位作用, GTPase
与起始tRNA结合并控制其进入30S小亚基,形 成30S前起始复合物
无特异功能，但具有加强 IF2和IF3的活性和 促进起始复合物稳定性的作用。
起始因子IF-3的功能
• 结合并稳定30S亚基； • 控制30S亚基与 •
mRNA的结合； IF-3可循环利用。
Initiation requires 30S subunits that carry IF-3.
IF3 IF1 核蛋白体 亚基的拆离 AUG 5'? IF3 IF1
mRNA 30S
3'
50S
5'?
50S
AUG
3'
fM
IF1-3源自文库
fM
IF1-3 GDP + Pi
翻译起始复合物
翻译起始的过程
The 30S subunit carries all the initiation factors, including IF-2, which is probably associated with the P site. IF-2 specifically forms a complex with fMet-tRNAf. This complex places the tRNA in the partial P site.
（一）进位
氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引， 在GTP和EF-T的协助下，进入核蛋白体 的A位。
5'? AUG 3'
fM
2
EF-T 协 助 进 位 的 Pi 机 制
2
Tu -GTP Ts Tu -GTP
2
GTP Tu Ts
Tu -GDP
Ts
GDP
（二）转肽与成肽
转肽酶催化肽键的形成。
5'? 5'?
AUG AU
3' 3'
OH fM
2
fM
（三）转位
tRNA脱落的同时，核蛋白体向mRNA的 3´-端移动一个密码子的距离。由EF-G中的 转位酶催化，此步骤需1个GTP。
5'? AUG AUG 5'? 3'
3'
OH 2
2 fM
3
OH
fM
进位、成肽、转位重复进行，肽链则不 断延长。 在肽链延长过程中，除第一个肽键形成 时, P位上是fMet-tRNA外，以后P位上总是 肽酰-tRNA, A位总是新进位的氨基酰-tRNA， 这就是P位和A位名称的由来。P位是转出肽 酰基，又叫“给位”，A位是接受肽酰基，叫 “受位”。
2）5肽链合成的延伸
进位——延伸的氨酰基-tRNA进入A位
• EF-Tu与GTP结合，再与氨基酰-tRNA形成三
元复合物；
• 三元复合物进入A位，GTP水解为GDP；
• EF-Tu、GDP二元复合物与氨基酰-tRNA解离。
延伸的氨酰基-tRNA进入A位
• EF-Tu-GTP places
aminoacyl-tRNA on the ribosome and then is released as EF-Tu-GDP. EF-Ts is required to mediate the replacement of GDP by GTP. The reaction consumes GTP and releases GDP.
• 在IF2作用下，甲酰蛋氨
酸-起始型tRNA（fMettRNAMet）与起始密码子 （AUG或GUG）结合，形 成30S前起始复合物，即 IF2-30S亚基-mRNAfMet-tRNAMef复合物。 此步需要fGTP和Mg2+参 与。
•
70S起始复合物形成
• 50S亚基与30S前起始复合物
结合，形成70S起始复合物， 即30S亚基-mRNA -50S亚基 -fMer-tRNA Met复合物。
• 核糖体循环因子RRF
结合于A位点；
• 转位因子EF-G促使
RRF转位并释放；
• 核糖体构象改变发生
解离。
肽链合成终止
• The RF (release factor) terminates protein synthesis by releasing the protein chain. • The RRF (ribosome recycling factor) releases the last tRNA, and EF-G releases RRF, causing the ribosome to dissocuate
形成43S核糖体复合物： eIF3、eIF-4C与40S小亚基结合， 并维持其解离状态；
形成eIF2-GTP-Met-tRNAiMet
三元复合体：由起始因子eIF-2、 GTP与Met-tRNAiMet组成；
形成43S前起始复合物：43S核
糖体复合物与三元复合体连接 而成；
形成48S前起始复合物： 43S
结论：每合成一个肽键至少消耗4个~P。
多聚核蛋白体：
一个mRNA分子可同
时有多个核蛋白体在进
行同一种蛋白质的合成，
这种mRNA和多个核
蛋白体的聚合物称为多
聚核蛋白体。
补充资料（动画配英文解说）
http://www.bbioo.com/video/2007/4 88.htm
二、真核生物蛋白质生物合成
功能；而甲酰基的存在，阻碍了fMet以其-NH2与其它氨基酸形成 肽键的可能性。
2）IF2能促使fMet-tRNA与起始密码子结合，而不能与tRNAMet反应， 而tRNAMet只能与延长因子TU(EF-TU)反应。因此，IF2与tRNAMet 的特异性反应亦有助于保证tRNAMet与起始密码子的结合。 3) SD（Shine-Dalgarno）顺序的作用。在mRNA分子中起始密码子的 上游8-13个核苷酸处有一段富含嘌呤核苷酸的顺序，它可以与30S 亚基中的16SrRNA3'端富含嘧啶的尾部互补，形成氢键结合，因此 有助于mRNA的翻译从起始密码子处开始。
•
•
转肽与肽键形成
肽基转移酶将位于 P位的fMet或AA转移到 A位的氨基酰-tRNA的 氨基上并形成第一个肽 键或新肽键。
转位
• EF-G和GTP结合上来； • GTP水解，使A位的肽基tRNA转移到P位，同时空载 tRNA离开P位进入E位； • 转位后EF-G和GDP需释放 出去，下一个氨基酰-tRNA 三元复合体才能进入A位；
与mRNA上SD序列结合； •AUG暴露在P位点； •在IF2的作用下，只有 fMet-tRNAf 才能进入P 位与AUG配备识别； •其它氨酰tRNA进入A位 需要完整的70S颗粒。
如何正确选择起始密码子
1）起始型蛋氨酸tRNA和中间型蛋氨酸tRNA的差异
• 二者在结构上存在差异； • fMet-tRNA具有将甲酰蛋氨酸引入mRNA起始密码子AUG位置的特异
前起始复合物结合于mRNA复 合物5’端。 此过程需要ATP水 解提供能量使复合体结合在 mRNA 5‘末端；
40S核糖体小亚基延mRNA
移动至AUG密码子；
tRNAfMet(N-formyl-methionyl-tRNA)的
• 甲酰化可以促进IF2与起
始tRNA的结合效率；
特点
• 受体臂末端两个碱基不配
对，一可阻止用于肽链延 伸，二是有利于甲酰化；
• 反密码子臂有三个连续的
GC对，对于起始tRNA进 入核糖体P位很关键。
3）起始密码子的识别
•在IF3作用下，30S亚基
50000
80000? 17000 125000 66000 IF2 IF3
真核生物起始因子的功能
起始因子 eIF-1 功 能 稳定mRNA和Met-tRNA复合物
eIF-2
eIF-2B eIF-3 eIF-4A eIF-4B eIF-4C eIF-4D
形成GTP-Met-tRNA三元起始复合物
促进eIF-2的再利用 促进40S 小亚基的形成 辅助mRNA结合 识别mRNA，具ATPase活性 与40S结合，促进80S复合物形成 不详
蛋白质生物合成起始中的几个问题
1）核糖体循环与起 始复合物的形成
• 细胞内的核糖体颗粒 •
与自由的亚基间处于 一种动态平衡状态； IF3与30S小亚基结合 可阻止核糖体大小亚 基间的结合。
2）肽链起始需要特殊的起始tRNA • 甲硫氨酸是所有蛋白质
• •
合成的起始氨基酸； 携带Met的tRNA有两种， 一种用于起始，另一种 在肽链延伸中识别AUG； 起始tRNA携带的甲硫 氨酸是甲酰化的，即 tRNAfMet ：N-formylmethionyl-tRNA ；
3）肽链合成的终止
1. RF与终止密码辨认结合
2. 肽链与tRNA分离 3. tRNA、mRNA及RF从核蛋白体脱落
5'? 5'? UAA UAA
RF RF
3' 3'
5'?
RF
3'
OH
n n-1
n n-1
RR
OH
4）原核生物蛋白质合成的能量计算
氨基酸活化：2个~P 起始： 延长： 终止： 1个 2个 1个 GTP GTP GTP ATP
3、终止因子
终止因子 eRF 功 能 相应的原核因子 RF1&RF2 识别终止密码子，促使肽基tRNA释放
2、真核生物翻译起始
1）起始步骤
形成mRNA复合物：帽结合蛋
白eIF-4E（CBP2）与mRNA 帽子结合，再与eIF-4G、eIF4A、eIF4B相互作用；mRNA 5’端在eIF-4A/4B作用下解螺 旋；
3、肽链合成的终止——两个阶段
1）肽链释放 • 终止密码子出现在A位，
•
•
没有相应的AA-tRNA能与 之结合； 释放因子RF1(UAA&UAG)和 RF2 (UGA&UAA)作用于A位 并识别终止密码子，激 活肽基转移酶，将肽基 转移到水分子上； 在RF3的作用下RF1和RF2 从核糖体释放。
2）tRNA、rRNA释放 与核糖体解离