第十五章 蛋白质的合成

真核翻译起始复合物的形成
二、在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链
翻译起始复合物形成后，核糖体从mRNA的5′端向3′端移动，依据密码子顺序，从N端
开始向C端合成多肽链
在核糖体上重复进行进位、成肽和转位，每循环1次，肽链上即可增加1个氨基酸残基 真核生物的肽链延长机制与原核生物基本相同，但亦有差异，如二者所需延长因子不同， 真核生物需要eEF1、eEF1和eEF2这三类延长因子，其功能分别对应于原核生物的 EF-Tu、EF-Ts和EF-G。此外，在真核生物，一个新的氨酰-tRNA进入A位后会产生变 构效应，致使空载tRNA从E位排出。
Hsp70：在蛋白质翻译后加工过程中，Hsp70与未折叠蛋白的疏水区结合， 既可避免蛋白质因高温而变性，又可防止新生肽链过早折叠。Hsp70也可以 使一些跨膜蛋白在转位至膜前保持非折叠状态。有些Hsp70通过与多肽链结 合、释放的循环过程，使多肽链发生正确折叠。这个过程需要 ATP 水解供能， 并需要其他伴侣蛋白如Hsp40的共同作用。
POMC的水解修饰
三、氨基酸残基的化学修饰改变蛋白质的活性
体内常见的蛋白质化学修饰
化学修饰类型
磷酸化
被修饰的氨基酸残基
丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸
N-糖基化
O-糖基化
天冬酰胺
丝氨酸、苏氨酸
羟基化
甲基化
脯氨酸 赖氨酸
赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸
乙酰化
赖氨酸、丝氨酸
四、亚基聚合形成具有四级结构的活性蛋白质
氨酰- tRNA
氨基酸与tRNA连接的专一性由氨酰-tRNA合成酶决定。氨酰-tRNA 合成酶具有高度专一性，既能识别特异的氨基酸，又能辨认应该结 合该种氨基酸的tRNA。因此，氨酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和 tRNA都有高度特异性。
第一步反应
氨酰-tRNA合成酶催化ATP分解为焦磷酸与AMP；
eEF1γ
eEF2 eRF
与原核EF-Ts功能相似
与原核EF-G功能相似 识别所有终止密码
第二节
氨基酸与tRNA的连接 The Attachment of Amino Acid onto its tRNA
一、氨酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和tRNA

反应过程
氨酰-tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA ATP AMP＋PPi
chaperonin ：其主要作用是为非自发性折叠肽链提供正确折叠的微环境。
例如，在大肠杆菌，约有10%~15% 的细胞内蛋白质的正确折叠依赖伴侣系 统GroEL/GroES，热激条件下依赖该系统的蛋白质则高达 30%。在真核细胞，
与GroEL/GroES功能类似的伴侣蛋白是Hsp60。
Hsp70作用示意图
促进fMet-tRNAfMet与小亚基结合
阻止大、小亚基过早结合；增强P位结合fMet-tRNAfMet的特异性 促进氨酰-tRNA进入A位，结合并分解GTP EF-Tu的调节亚基 有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位； 促进tRNA卸载与释放
延长因子
RF1
特异识别终止密码UAA或UAG；诱导肽酰转移酶转变为酯酶 特异识别终止密码UAA或UGA；诱导肽酰转移酶转变为酯酶 具有GTPase活性，当新合成肽链从核糖体释放后，促进RF1或 RF2与核糖体分离
释放因子
RF2 RF3
真核生物肽链合成所需要的蛋白质因子
种类 eIF1 eIF1A eIF2 eIF2B，eIF3 eIF4A 起始因子 eIF4B eIF4E eIF4G eIF4F eIF5 eIF5B eEF1α 延长因子 释放因子 生物学功能 结合于小亚基的E位，促进eIF2-tRNA-GTP复合物与小亚基相互作用 原核IF1的同源物，防止tRNA过早结合于A位 具有GTPase活性，促进起始Met-tRNAMet与小亚基结合 最先与小亚基结合的起始因子；促进后续步骤的进行 eIF4F复合物成分，具有RNA解旋酶活性，解开mRNA二级结构，使其与小亚基结合 结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始密码AUG eIF4F复合物成分，结合于mRNA的5′-帽结构 eIF4F复合物成分，结合eIF4E和poly(A)结合蛋白(PABP) 包含eIF4A、eIF4E、eIF4G的复合物 促进各种起始因子从小亚基解离，从而使大、小亚基结合 具有GTPase活性，促进各种起始因子从小亚基解离，从而使大、小亚基结合 与原核EF-Tu功能相似
密码子（codon) 在mRNA的开放阅读框区域，每3个相邻的核苷酸为一组，编码 一种氨基酸，称为三联体密码（triplet code）或密码子。 起始密码子和终止密码子
起始密码子（initiation codon）：AUG 终止密码子（termination codon）：UAA、UAG、UGA
脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸
苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸
组氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺
天冬酰胺 天冬酰胺 赖氨酸 赖氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷氨酸
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精氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸
丝氨酸 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸
U C A G
遗传密码表
第1个核苷酸 （5′端） 第2个核苷酸 U C A G 第3个核苷酸 （3′端）
U
苯丙氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 亮氨酸
丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸
酪氨酸 酪氨酸 终止密码子 终止密码子
半胱氨酸 半胱氨酸 终止密码子 色氨酸
U C A G
C
亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸
异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 *甲硫氨酸 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸
密码子的摆动性
二、tRNA是氨基酸和密码子之间的特异衔接子
tRNA的作用
运载氨基酸：氨基酸各由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有 几种对应的tRNA，氨基酸结合在tRNA 3ˊ-CCA的位置，结合需 要ATP供能； 充当“适配器”：每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸 能准确地在mRNA上对号入座。
个密码子的距离，方可阅读下一个密码子，此过程为转位
肽链延长
三、终止密码子和释放因子导致肽链合成终止
肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要经过一次进位、成肽和转位反应。 如此往复，直到核糖体的A位对应到了mRNA的终止密码子上。
终止密码子不被任何氨酰-tRNA识别，只有释放因子RF能识别终止密
GroES/GroEL系统的作用原理
二、肽链水解加工产生具有活性的蛋白质或多肽
新生肽链的水解是肽链加工的重要形式。新生肽链N端的甲硫氨酸残基，
在肽链离开核糖体后，大部分即由特异的蛋白水解酶切除。
还有许多蛋白质在初合成时是分子量较大的没有活性的前体分子，如胰岛 素原、胰蛋白酶原等。这些前体分子也需经过水解作用切除部分肽段，才 能成为有活性的蛋白质分子或功能肽。 有些多肽链经水解可以产生数种小分子活性肽，如阿黑皮素原（proopiomelanocortin，POMC）。
一、新生肽链折叠需要分子伴侣
细胞中大多数天然蛋白质折叠并不是自发完成的，其折叠过程需要
其他酶或蛋白质的辅助，这些辅助性蛋白质可以指导新生肽链按特
定方式正确折叠，它们被称为分子伴侣（molecular chaperone）。 目 前 研 究 得 较 为 清 楚 的 分 子 伴 侣 是 热 激 蛋 白 70 （ heat shock protein 70, Hsp70）家族和伴侣蛋白（chaperonin）。
熟悉
蛋白质合成基本过程；原核生物与真核生物蛋白质合成的异 同；蛋白质合成后的靶向输送机制。
了解
分子伴侣的功能；各类蛋白质亚细胞定位分拣信号的特点； 抗生素和毒素对蛋白质合成的影响
第一节
蛋白质合成体系 Protein-synthesizing System
一、mRNA是蛋白质合成的模板
遗传密码（genetic code）
通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质； 具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体
（oligomer）；
辅基连接后形成完整的结合蛋白质； 结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。
五、蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位
三、核糖体是蛋白质合成的场所
核糖体类似于一个移动的多肽链“装配厂”
合成肽链时mRNA与tRNA的相互识别、肽键形成、肽链延长等
过程全部在核糖体上完成，核糖体沿着模板mRNA链从5′端向3′
端移动。
核糖体的功能位点
四、蛋白质合成需要多种酶类和蛋白质因子
酶类： 氨酰-tRNA合成酶 肽酰转移酶 转位酶
原核生物翻译起始复合物的形成
核糖体大小亚基分离
mRNA与核糖体小亚基结合 fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位
翻译起始复合物形成。
真核生物翻译起始复合物的形成
43S前起始复合物的形成
mRNA与核糖体小亚基结合 核糖体大亚基的结合
mRNA的S-D序列
原核翻译起始复合物的形成

真核生物
起始氨酰-tRNA: Met-tRNAiMet 参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet

原核生物
起始氨酰-tRNA: fMet-tRNAfMet
第三节
肽链的合成过程 Synthesis Process of Peptide Chain
一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成
码子而进入A位，这一识别过程需要水解GTP。
原核生物有3种RF RF1 识别 UAA 或 UAG ， RF2 识别 UAA 或 UGA ， RF3 则与 GTP 结合并
使其水解，协助RF1与RF2与核糖体结合。
真核生物仅有eRF一种释放因子 所有3种终止密码子均可被eRF识别。 真核生物中肽链合成完成后的水解释放过程尚未完全了解。
第二步反应
AMP、酶、氨基酸三者结合为中间复合体（氨酰-AMP-酶），其中 氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相联而活化；
第三步反应
活化氨基酸与tRNA 3′-CCA末端的腺苷酸的核糖2′或3′位的游离羟 基以酯键结合，形成相应的氨酰-tRNA。
氨酰-tRNA的合成
二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨酰-tRNA
三步反应
进位（positioning）： 氨酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入核糖体A位
的过程，又称注册
成肽（peptide bond formation）：核糖体A位和P位上的tRNA所携带的 氨基酸缩合成肽的过程
转位（ translocation）：成肽反应后，核糖体需要向mRNA的3′端移动一
多聚核糖体（polyribosome或polysome）：多个核糖体结合在1条mRNA链上 所形成的聚合物。多聚核糖体的形成可以使肽链合成高速度、高效率进行。
多聚核糖体
第四节
蛋白质合成后的加工和靶向输送 Processing and Targeting of Synthesized Proteins
蛋白质因子：
起始因子（initiation factor，IF） 延长因子（elongation factor，EF）
释放因子（release factor，RF）
原核生物肽链合成所需要的蛋白质因子
种类 IF1 生物学功能 占据核糖体A位，防止tRNA过早结合于A位
起始因子
IF2
IF3 EF-Tu EF-Ts EF-G
U C A G U C A G
A
G
遗传密码的特点：


方向性（directional）
连续性（ non-punctuated） 简并性（ degeneracy）


摆动性（ wobble）
通用性（ universal）
密码子的连续性
（a）氨基酸的排列顺序对应于mRNA中密码子的排列顺序； （b）核苷酸插入导致移码突变
第十五章
蛋白质的合成 Protein Biosynthesis
作者 : 孙露洋 倪菊华 单位 : 北京大学
目录
第一节 蛋白质合成体系
第二节 氨基酸与tRNA的连接
第三节 肽链的合成过程
第四节 蛋白质合成后的加工和靶向输送
第五节 蛋白质合成的干扰和抑制
重点难点
掌握
蛋白质合成的概念及特点；蛋白质合成体系的组成及各自功 能；遗传密码的特点；翻译后加工的主要方式。