蛋白质的生物合成

第十五章蛋白质的生物合成
蛋白质的生物合成：将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。

1、遗传密码
1. 遗传密码和密码单位
1) 密码子：mRNA中的核苷酸序列与多肽链中氨基酸序列之间的对应
关系。

mRNA上每三个连续核苷酸对应一个氨基酸，这三个连续的核苷酸就称为一个密码子，或三联体密码。

2) 遗传密码：密码子的总和。

3) 64个密码子：其中61个代表20种氨基酸，3个代表终止密码子。

4) 遗传密码的破译
5) 遗传密码字表
起始密码：AUG（编码甲硫氨酸、甲酰甲硫氨酸），少数情
况 GUG；
终止密码：无义密码子，不编码氨基酸的密码子，它们单个
或串联在一起用于多肽链翻译的结束，没有相应的tRNA存
在，有UAA、UAG、UGA。

同义密码：编码相同氨基酸的不同密码子。

6) 遗传密码的基本特征
方向性：5’到3’，AUG。

遗传密码的连续性：密码子之间没有任何起“标点”作用的空
格，阅读是连续的，一次阅读3个核苷酸(碱基)。

遗传密码的不重叠性：在绝大多数生物中，阅读mRNA时是
以密码子为单位，不重叠地阅读；但少数噬菌体的的遗传密
码是重叠的。

兼并性：遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子
外，其余氨基酸有2~4个或多至6个密码子，这种由多个密码
子编码同一种氨基酸的现象。

密码的简并性往往表现在密码子的第三位碱基上。

密码的偏爱性：在不同生物中使用同义密码子的频率是不
相同的。

意义：减少有害突变，维持物种稳定。

密码的摆动性
tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对时，密码子的
第一位、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有
一定变动。

摆动性：tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的
第3位碱基配对时，并不严格遵循碱基配对规律，可以在
一定范围内变动的现象，又称变偶性。

密码子的表示法：
码子的专一性基本取决于前两位碱基，第三位碱基起的
作用有限。

通用性：指各种低等和高等生物，包括病毒、细菌及真核生
物基本上共用一套遗传密码。

密码的变异性：目前已知线粒体DNA和叶绿体的编码方式
与通用遗传密码子有所不同，如在一些线粒体中UGA不是
终止密码子，而是色氨酸的密码子。

密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

7) 密码的防错系统：密码子的碱基顺序与其相应Aa的物理化学性质之间存在巧妙的关系。

中间是U，Aa是非极性、疏水性的；
中间是C，Aa是非极性的或具有不带电荷的极性侧链；
中间是A或G，Aa是亲水性的；
第一位是A或G，第二位是A或G，Aa具有可解离的亲水侧链
并具碱性；
前二位是AG，Aa具酸性亲水侧链。

2. 阅读框
1) 一个蛋白质的氨基酸序列是由连续的三联体密码子的线性顺序决定的，这个序列的第一个密码子建立了一种阅读框。

2) 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，连续50个以上密码子排列编码无终止密码子，这段顺序称为开放阅读框架。

2、蛋白质合成体系
1. mRNA
1) 翻译的直接模板。

2) 编码序列：一条多肽链对应的mRNA序列，即位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列。

3) 原核生物的S-D序列：mRNA起始密码AUG上游约8~13个核苷酸处，有4~9个核苷酸组成的富含嘌呤的一段序列，以…AGGA…为核心，因发现者是Shine-Dalgamo而得名为S-D序列，又称为核糖体结合位点。

4) 真核生物
帽子结构：结合核糖体，增加稳定性；
poly(A) 尾：增加稳定性，提高翻译效率。

2. tRNA
1) 氨基酸的搬运工具， tRNA在翻译过程中起接合体作用。

2) tRNA的关键部位：3’端CCA接受氨基酸，形成氨酰-tRNA；反密码子部位与mRNA结合；氨酰tRNA合成酶的识别位点；核糖体识别位点。

3) tRNA的功能：将mRNA的核苷酸序列转换成蛋白质多肽链氨基酸序列的适配器。

4) tRNA与mRNA的识别部位：位于tRNA反密码子环上的三个特定碱基组成一个反密码子。

5) 翻译精确性的保证：密码子--反密码子--氨基酸
6) tRNA的种类
起始tRNA：真核生物tRNAMet，原核生物tRNAfMet
同工tRNA：携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA。

校正tRNA：生物体发生突变后，校正机制之一是通过校正基
因合成一类tRNA，经过其反密码子上发生某种突变，以“代
偿”或校正原有突变所产生的不良后果，以维持翻译作用译
码的相对正确性，从而翻译出正常蛋白质，这类tRNA称为校
正tRNA 。

可有多种校正tRNA携带同一种氨基酸。

3. 核糖体
1) 核糖体：由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种较大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。

2) 核糖体的功能部位
A位：氨酰-tRNA结合位点（aminoacyl-tRNA binding site，受
位）；
P位：肽酰基-tRNA结合位点（peptidyl-tRNA binding site，给
位）；
E位：空位(exit site)，专供tRNA离开（真核生物没有）；
mRNA结合位点：核糖体小亚基。

3) 核糖体在细胞内的存在形态：核糖体亚基、单核糖体和多核糖体。

多核糖体：一定数目的单个核糖体与一个mRNA分子结合而
成的念珠状结构；大约每隔40个核苷酸结合一个核糖体。

每个核糖体独立完成一条肽链的合成，在多核糖体上可同时
进行多条肽链的合成，提高翻译效率。

4. 氨酰-tRNA合成酶
1) tRNA的表示方法：
2) 反应机理
3) tRNA与酶的结合模型
4) 氨酰-tRNA合成酶的特点
专一性
对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶；只
作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸；消耗2个高能磷酸
键。

对tRNA 具有极高专一性（第二遗传密码系统），能识别
与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA 分子。

校对作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化
的氨基酸。

翻译过程的错误频率＜10-4。

5. 蛋白质因子
1) 起始因子：参与蛋白质合成的起始过程的蛋白质因子。

2) 原核起始因子：IF1、IF2和IF3。

IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。

IF-2：促进fMet-tRNAi与小亚基结合。

IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性。

3) 真核起始因子（eIF）
eIF1：功能与原核生物IF1相似。

eIF2：引导结合Met-tRNA与核糖体小亚基结合。

2α：与GTP结合
2β：功能尚不清楚
2γ：结合Met-tRNA
eIF3：参与43S核糖体复合物的形成，与原核生物的IF3功能
不同，它是第一个和小亚基结合因子。

eIF4：
4A：促使eIF4E从mRNA帽子结构上释放出来；
4B：促进eIF4B与mRNA结合；
4C：参与43S核糖体复合物的形成；
4E：与P220一起和eIF4A、mRNA结合形成复合物；
4F：是eIF4A-eIF4E-p220-mRNA复合物，特称为帽子结构结合蛋白复合物（CBPC），具ATP酶活力。

P220：促使eIF4A在帽子结构附近寻找结合位,引导 eIF4F-
mRNA复合物的生成。

eIF5：促使eIF4E 、eIF2、 eIF3离开48S起始复合物，引导60S
大亚基与40S小亚基结合，生成80S起始复合物。

eIF6：加速失活的80S解离。

4) 延长因子
原核：EF-Tu，EF-Ts，EF-G
EF-Tu：与氨基酰tRNA及GTP结合，引导Aa-tRNA结合在核
糖体的A位；
EF-Ts：结合EF-Tu，取代GDP，协助EF-Tu形成Aa-tRNA-
GTP-EF-Tu复合物；
EF-G：移位因子，帮助移位过程的进行。

真核： EF1α、EF1βγ、EF2
EF1α：促进Aa-tRNA与核糖体结合；
EF1βγ：促使EF1α 再循环；
EF2：作用与原核生物的EF-G相似。

5) 释放因子
原核： RF1 RF2 RF3
RF1：识别UAA、UAG；
RF2：识别UAA、UGA；
RF3：不识别终止密码子，加强RF-1 和RF-2 的作用，促进
肽链C端与tRNA3’-OH酯键水解。

真核：RF，具有三种原核释放因子的功能。

3、蛋白质的合成过程
1. 肽链延伸合成的方向和速度
1) 方向：N 端 → C 端；模版的方向为5’→ 3’。

2) 速度：肽链延伸的速度极快，一个核糖体合成一条完整的血红蛋白α-链(146个Aa)需3分钟，平均0.8Aa/秒；大肠杆菌 10-15个Aa/秒。

2. 原核生物蛋白质生物合成的过程
1) 起始（initiation）：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的过程。

70S核糖体的解聚；
IF1和IF3与30S核糖体形成复合物后结合mRNA；
起始氨酰-tRNA与小亚基结合，形成30S核糖体起始复合物；
结合核糖体大亚基，形成70S核糖体起始复合物。

2) 肽链延长：在核蛋白体上连续性循环进行，又称为核蛋白体循环，每次循环增加一个氨基酸，包括进位、成肽和转位三步。

进位：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。

转（成）肽：由转肽酶催化肽酰基从P位转到A位，形成肽键
的过程。

移位：核糖体沿mRNA 5’→3’移动一个密码子距离，P部位上
空载的tRNA经E位脱落，A位上的肽酰-tRNA又回到P位，A位
又空，再进行下一次循环。

3) 终止（termination ）
A位出现mRNA的终止密码子，终止因子识别终止密码子，与
终止密码子结合，并使转肽酶活性变成水解酶活性，水解了
P位点上多肽与tRNA之间的键，释放出多肽和tRNA，停止蛋
白质合成。

mRNA从核糖体中分离；
在IF参与下，大小亚基拆开，又进入翻译过程。

4) 翻译的特点
模板：mRNA的阅读方向：5’→ 3’；
原料：氨基酸；
肽链延长方向：N端 → C 端。

蛋白质合成消耗的能量：
AA活化 2个高能磷酸键（ATP）
肽链起始 1个（70S复合物形成，GTP）
进位 1个（GTP）
移位 1个（GTP）
3. 真核生物蛋白质生物合成的过程
帽子结构：结合核糖体，增加稳定性；
poly(A) 尾：增加稳定性，提高翻译效率。

1) 起始
40S前起始复合物的形成；
40S起始复合物与mRNA的结合，40S核糖体亚基迁移至正确
的起始密码子AUG；
80S起始复合物的形成。

2) 延伸：延伸循环与原核生物中的非常相似，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。

3) 终止：与原核生物中的非常相似。

4. 真核生物与原核生物蛋白质合成的差异
1) 起始复合物形成所参与的因子不同
原核：IF1、IF2、IF3、70S核糖体；
真核：9种起始因子参与（eIF1，eIF2，eIF3，EIF4（a、b、
c、d、e、f）eIF5，eEIF6）和80S核糖体。

2) 起始复合物形成的次序差异
原核：30S+mRNA，前起始复合物+50S，70S起始复合物；
真核：40S与eIF3和eIF4C形成40S复合物，再与mRNA结合形
成40S前起始复合物，再与60大亚基结合形成80S起始复合
物。

3) 延长和终止的差异
过程基本相似，但参与因子不同；
原核：EF-Tu 、EF-Ts、EF-G； RF1、RF2、RF3。

真核： EF1α、EF1βγ、EF2；RF。

4) 起始氨基酸： fMet、Met
5) 合成速度：真核慢，1-3个肽键/核糖体/秒；原核快，10-15个肽
键/核糖体/秒。

5. 蛋白质生物合成的抑制剂
4、蛋白质合成后的加工修饰
肽链从核糖体释放后，经过细胞内各种加工修饰处理，成为有活性的成熟蛋白质的过程。

1. 蛋白质前体的加工
1) 一级结构的加工修饰
氨基端和羧基端的修饰：N端甲酰蛋氨酸的甲酰基经酶水解
而除去，蛋氨酸或者氨基端的一些氨基酸残基常由氨肽酶催
化而水解除去；某些蛋白质分子氨基端要进行乙酰化，羧基
端也要进行修饰。

二硫键的形成：真核细胞合成的某些蛋白质，往往能自发地
折叠形成其天然构像，分子内的半胱氨酸的巯基之间形成共
价键（二硫键）。

二硫键在稳定蛋白质空间构型中起着重要
作用。

蛋白质自我剪接：切除蛋白内含肽的过程。

除去信号肽：某些蛋白质氨基端有一段15～30个氨基酸残基
的信号肽，与蛋白质传送到特定的细胞器、膜，或分泌出细
胞外有关。

信号肽在运送过程中由专一的酶催化而水解除
去。

磷酸化修饰：某些蛋白质分子中的丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸
残基在酶催化下被ATP磷酸化。

糖基化修饰：糖蛋白的糖链是蛋白质合成之后，在通过高尔
基体时，经过糖化而形成的。

羟基化反应：胶原蛋白中的脯氨酸与赖氨酸的羟基化，由相
应的羟基化酶催化完成。

甲基化反应：某些蛋白质中的赖氨酸残基需要甲基化，某些
谷氨酸残基的羧基也要甲基化，以除去负电荷。

蛋白质前体的裂解：一种蛋白质前体能产生多种多肽激素，
如垂体产生的几种小肽激素是来源于同一个大的蛋白质前
体。

2) 高级结构的修饰：亚基聚合、辅基连接、疏水脂链的共价连接
等。

2. 蛋白质的折叠
1) 分子伴侣：细胞内一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能结构域和整体蛋白质的正确折叠。

热休克蛋白：HSP70、HSP40和GreE家族；
伴侣素：包括 GroEL/GroES家族，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。

蛋白二硫键异构酶：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：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；肽酰-脯氨酰顺反异构
酶是蛋白质三维构象形成的限速酶。

5、蛋白质的定向运输
1. 运输途径和方式
1) 靶向输送：蛋白质在合成以后，定向到达其执行功能的目标地点的过程。

2) 分泌性蛋白质：穿出蛋白质合成所在部位，到达其他部位发挥作用的蛋白质。

3) 细胞内蛋白质运输的途径
已合成蛋白质翻译后转运
合成中蛋白质的翻译同步运转
细胞外蛋白质的胞吞途径
4) 细胞内蛋白质的运输方式
门控运输：细胞质基质-细胞核，分选信号-核孔复合体上相
应受体；
穿膜运输：细胞质基质-细胞器，分选信号-细胞器膜上相应
转运子；
小泡运输：细胞器-细胞器（细胞膜），分选信号-运输小泡
膜上相应受体。

2. 运输机制
1) 穿膜运输：蛋白质穿过细胞器的膜从细胞质基质进入细胞器内的运输方式。

靶细胞器膜上存在蛋白质转运子，识别分选信号。

2) 翻译-运转同步机制
信号肽（signal peptide）：分泌性蛋白质mRNA的5’端（通
常）编码的一段富含疏水氨基酸的短肽。

信号肽的特点：含有10—15个疏水氨基酸；疏水氨基酸前端近氨基末端有一个或多个正电荷的氨基酸；在羧基一端有一个极性的短序列氨基酸。

信号斑（plaque signal ）：位于多肽链不同部位的几个特定
氨基酸序列经折叠后形成的斑块区，具有分选信号的功能。

信号斑是一种三维结构。

完成分选任务后仍然存在。

可溶性蛋白质到内质网腔的运输
信号肽引导多肽链通过内质网膜上蛋白质转运子进入内质网，转运子的中央孔与核糖体大亚基的中央通道对齐，供多肽链穿入。

跨膜蛋白到内质网膜的运输
跨膜蛋白有多种插入内质网膜的方式，决定了转移到细胞器膜上以及质膜上后膜蛋白分布的不对称性。

3) 翻译后转运机制：前体蛋白和细胞器膜上的受体识别，通过蛋白
通道进入细胞器，在细胞器中去除前导肽序列，在分子伴侣的帮助下形成空间结构。

4) 门控运输
5) 小泡运输
小泡运输：细胞器之间通过运输小泡进行的蛋白质运输，该
过程需要消耗能量。