蛋白质的生物合成（翻译）

Protein Biosynthesis ， Translation

第 十 二 章第 十 二 章

蛋白质的生物合成，即翻译，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中 20 种氨基酸的排列顺序 。

蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System

第 一 节

20 种氨基酸 (AA) 作为原料酶及众多蛋白因子，如 IF、 eIF ATP 、 GTP 、无机离子

参与蛋白质生物合成的物质包括参与蛋白质生物合成的物质包括 三种 RNA

–mRNA （ messenger RNA, 信使 RNA ）–rRNA （ ribosomal RNA, 核蛋白体 RNA ）–tRNA （ transfer RNA, 转移 RNA ）

一、翻译模板 mRNA 及遗传密码

mRNA 是遗传信息的携带者

•遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子 (cistron) 。

原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的 mRNA 可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子 (polycistron) 。

PPP5 3

蛋白质非编码序列 核蛋白体结合位点

起始密码子 终止密码子编码序列

非编码序列 核蛋白体结合位点起始密码子 终止密码子编码序列

PPPmG -5 3

蛋白质

真核 mRNA 只编码一种蛋白质，为单顺反子 (single cistron) 。

mRNA 上存在遗传密码

mRNA 分子上从 5 至 3 方向，由 AUG 开始，每 3 个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码 (triplet coden) 。

起始密码 (initiation coden): AUG 终止密码 (termination coden):UAA ， UAG ， UGA

遗传密码表

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，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF) 。

1. 连续性 (commaless)

遗传密码的特点

编码蛋白

质氨基酸序列

的各个三联体

密码连续阅读，

密码间既无间

断也无交叉。

•基因损伤引起 mRNA 阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变 (frameshift mutation) 。

2. 简并性 (degeneracy)

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、 3、4个或多至 6个三联体为其编码。

3. 通用性 (universal)

• 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。

• 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。

• 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

4. 摆动性 (wobble)

转运氨基酸的 tRNA 的反密码需要通过

碱基互补与 mRNA 上的遗传密码反向配对结

合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱

基配对规律，称为摆动配对。

U

摆动配对

密码子、反密码子配对的摆动现象

tRNA 反密码子第 1 位碱基 I U G A C

mRNA 密码子第 3 位碱基 U, C, A A, G U, C U G

二、核蛋白体是多肽链合成的装置

核蛋白体的组成

原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式 :

A 位：氨基酰位(aminoacyl site)

P 位：肽酰位(peptidyl site)

E位：排出位(exit site)

三、 tRNA 与氨基酸的活化

反密码环

氨基酸臂

tRNA 的三级结构示意图

氨基酸 + tRNA 氨基酰 - tRNAATP AMP＋ PPi

氨基酰 -tRNA 合成酶

（一）氨基酰 -tRNA 合成酶(aminoacyl-tRNA synthetas

e)

氨基酸的活化

两步反应氨基酸 ＋ ATP-E —→ 氨基酰 -AMP-E ＋ AMP ＋ PPi 氨基酰 -AMP-E ＋ tRNA —→氨基酰 -tRNA＋ AMP＋ E

在此反应中，特异的 tRNA3’端 CCA 上的 2’或 3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酸 tRNA ，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。

氨基酸 tRNA 的合成，可使氨基酸 ①活化；②搬运；③定位。

氨基酰 -tRNA 合成酶对底物氨基酸和 tRNA 都有高度特异性，这是保证 tRNA 能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。。

氨基酰 -tRNA 合成酶具有校正活性。 目前认为，该酶对 tRNA 的识别，是因为在 tRN

A 的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。

氨基酰 -tRNA 的表示方法：

Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet

真核生物： Met-tRNAiMet

原核生物： fMet-tRNAifMet

原核生物起始密码子需要在 Met-tRNAmetf

上进行甲酰化，而真核生物不需要。

（二）起始肽链合成的氨基酰 -tRNA

蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis

第 二 节

翻译的起始 (initiation)

翻译的延长 (elongation)

翻译的终止 (termination )

整个翻译过程可分为 ：

翻译过程从阅读框架的 5´-AUG 开始，按mRNA 模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。

一、肽链合成起始

指 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 (translational initiation complex) 。

多种蛋白质因子参与这个过程，称为起始因子（ initiation factor,IF ）

原核、真核生物各种起始因子的生物功能

促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6

促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5

eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PABeIF-4G

eIF-4F复合物成分，结合mRNA5＇帽子eIF-4E

结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUGeIF--4B

eIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结合小亚基

IF-4A

最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3

促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2

真核生物

促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性EIF-3

促进起始tRNA与小亚基结合EIF-2

占据A位防止结合其他tRNAIF-1原核生物

生物功能起始因子

促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6

促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5

eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PABeIF-4G

eIF-4F复合物成分，结合mRNA5＇帽子eIF-4E

结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUGeIF--4B

eIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结合小亚基

IF-4A

最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3

促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2

真核生物

促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性EIF-3

促进起始tRNA与小亚基结合EIF-2

占据A位防止结合其他tRNAIF-1原核生物

生物功能起始因子

（一）原核生物翻译起始复合物形成

核蛋白体大小亚基分离； mRNA 在小亚基定位结合； 起始氨基酰 -tRNA 的结合； 核蛋白体大亚基结合。

IF-3IF-1

1. 核蛋白体大小亚基分离

IF-1：占据 A 位防止结合其他 tRNA

IF-3：促使大小亚基分离，并提高 P 位对起始 tRNA 的敏感性

A U G5' 3'

IF-3

IF-1

2. mRNA 在小亚基定位结合

在原核生物 mRNA 的起始密码前 8～ 13 核苷酸的位置，有一非常保守的序列：－ AGGAGG-

1 、 S-D序列（核糖体结合序列）

mRNA 在核蛋白体上定位的机制：

S-D序列：在原核生物 mRNA 的起始密码前 8～13 核苷酸的位置，有一非常保守的序列，与核糖体小亚基上的 16S-rRNA 结合，引导 mRNA 进入核糖体，这样的序列称为 S-D序列。

2 、 S-D序列后的小核苷酸序列，可以被核蛋白体小亚基蛋白 rpS－ 1识别结合

RNA-RNA 与 RNA- 蛋白质相互作用使得 mRNA 在核蛋白体小亚基上精确定位

IF-3

IF-1

IF-2 GTP

3. 起始氨基酰 tRNA( fMet-tRNAimet ) 结合到

小亚基

A U G5' 3'

IF-2：常与 GTP 结合，促进起始 tRNA 与小亚基结合

IF-3

IF-1

IF-2GTP

GDPPi

4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成

A U G5' 3'

同时 IF-2 结合的 GTP水解放能，促使三种 IF 因子释放

IF-3

IF-1

IF-2

A U G5' 3'

IF-3

IF-1

IF-2

同时 IF-2 结合的 GTP水解放能，促使三种 IF 因子释放

（二）真核生物翻译起始复合物形成

核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰 -tRNA 结合； mRNA 在核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。

metmet

40S40S

60S60S

MetMet

MetMet

40S40S

60S60S

mRNA

eIF-2BeIF-2B 、、 eIF-eIF-33 、、 eIF-6 ①

elF-3elF-3

②

GDP+Pi

各种各种 elFelF 释放释放elF-5④

ATP

ADP+Pi

elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB

③Met

Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP

真核生物翻译起始复合物形成过程

二、肽链合成延长指根据 mRNA 密码序列的指导，依次添加氨

基酸从 N 端向 C端延伸肽链，直到合成终止的过程。

肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环 (ribosomal cycle) ，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：

– 进位 (entrance)– 成肽 (peptide bond formation)– 转位 (translocation)

延伸过程所需蛋白因子称为延长因子 (elongation factor, EF)

原核生物： EF-T (EF-Tu, EF-Ts)

EF-G

真核生物： EF-1 、 EF-2

原核延长因子 生物功能 对应真核延长因子

EF-Tu促进氨基酰 -tRNA 进入 A 位，结合分解 GTP

EF-1-α

EF-Ts 调节亚基 EF-1-βγ

EFG有转位酶活性，促进 mRNA- 肽酰 -tRNA 由 A 位前移到 P 位，促进卸载 tRNA释放

EF-2

肽链合成的延长因子

（一）进位

指根据 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。

又称注册 (registration)

延长因子 EF-T催化进位（原核生物）

EF-Tu促进氨基酰－ tRNA 进入 A位

( 失活 )

(活性 )

Tu 有两种形式 :Tu-GTP 和 Tu-GDP

Ts 为调节亚基

（二）成肽是由转肽酶 (transpeptidase)催化的肽

键形成过程。

（三）转位

延长因子 EF-G 有转位酶活性，可结合并水解 1分子 GTP ，促进核蛋白体向 mRNA 的 3' 侧移动 。

N端

进位

转位

成肽

肽链的延长在核蛋白体上连续循环进行，每加上一个氨基酸需要三步反应：

进位成肽转位

核蛋白体循环

真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相

似，但有不同的反应体系和延长因子。

另外，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。

（四）真核生物延长过程

三、肽链合成的终止

当 mRNA 上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰 -tRNA 中释出， mRNA 、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。

U A G5' 3'

RF

COO-

终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF)

一是识别终止密码，如 RF-1 特异识别 UAA 、 UAG；而 RF-2 可识别 UAA 、 UGA 。

二是诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子 -OH上，使肽链从核蛋白体上释放。

释放因子的功能

原核生物释放因子： RF-1 ， RF-2 ， RF-3 真核生物释放因子： eRF

原核肽链合成终止过程

核蛋白体沿 mRNA 链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。 1．识别： RF识别终止密码，进入核蛋白体的 A位。 2．水解： RF 使转肽酶变为酯酶活性，多肽链与 tRNA 之间的酯键被水解，多肽链释放。 3．解离：通过水解GTP ，使核蛋白体与 mRNA 分离， tRNA 、 RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。

多聚核蛋白体 (polysome)

——使蛋白质合成高速、高效进行。

电镜下的多聚核蛋白体现象

蛋白质合成后加工和输送 Posttranslational Processing & Protein

Transportation

第 三 节

从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。

主要包括多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰高级结构修饰

一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质

新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链 N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。

一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。

细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。

几种有促进蛋白折叠功能的大分子

1. 分子伴侣 (molecular chaperon)

2. 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI)

3. 肽 -脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)

1. 热休克蛋白 (heat shock protein, HSP)

HSP70 、 HSP40 和 GreE 族 2. 伴侣素 (chaperonins)

GroEL和 GroES家族

•分子伴侣 molecular chaperon

分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。

热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用——结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进

行折叠。形成 HSP70 和多肽片段依次结合、解离的循环。

HSP40 结合待折叠多肽片段 HSP70-ATP复合物

HSP40- HSP70-ADP- 多肽复合物

ATP水解

GrpE ATP

ADP

复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠

伴侣素 GroEL/GroES 系统促进蛋白质折叠过程

伴侣素的主要作用——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。

– Chaperon 是指欧洲中世纪少女成年后初次参加社会交际活动中陪伴她的年长妇女，这里借用来形容伴随新生肽链并帮助它折叠和成熟为具有完整结构和功能的蛋白质 ,显然十分贴切

实际上，分子伴侣并未加快折叠反应速度，而是通过消除不正确的折叠，增强功能性蛋白质折叠的产率促进天然蛋白质折叠

•蛋白二硫键异构酶

多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。

二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可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

多肽链中肽酰 -脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。

肽酰 -脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。

肽酰 -脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，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。

二、一级结构的修饰

（一）肽链 N端的修饰 天然蛋白质并不一定都以甲硫氨酸为 N端

第一个氨基酸，需进行修饰，而修饰可以在肽链合成过程中进行

（二）个别氨基酸的修饰

天然蛋白质中除了基本氨基酸外还有各种其他的修饰氨基酸，如羟脯氨酸、羟赖氨酸等等，有的蛋白需要磷酸化，或者二硫键的形成过程等

N C

信号肽 PMOCKR KR

103 肽 ( ？ ) ACTH -LT

-MSH -MSH

Endophin

（三）多肽链的水解修饰

鸦片促黑皮质素原 (POMC) 的水解修饰

三、高级结构的修饰

（一）亚基聚合 只有形成最高级结构才有蛋白质的功能

（二）辅基连接 天然蛋白质通常为结合型蛋白，含有金属离子、糖类等等的辅基

（三）疏水脂链的共价连接 某些蛋白质，如 G蛋白、 Ras 蛋白等，需要部分嵌入膜内发挥作用，所以需要在肽链特点位点共价连接一个或者多个疏水性强的脂链

蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。

四、蛋白质合成后的靶向输送

•蛋白质的靶向输送 (protein targeting)

所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信

号，主要为 N末端特异氨基酸序列，可引导蛋

白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为

信号序列 。

• 信号序列 (signal sequence)

靶向输送蛋白 信号序列或成分

分泌蛋白 信号肽

内质网腔蛋白 信号肽， C端 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列 )

线粒体蛋白 N端靶向序列（ 20～ 35氨基酸残基）

核蛋白 核定位序列（ -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-， S

V40 T抗原）

过氧化体蛋白 -Ser-Lys-Leu-（ PST序列）

溶酶体蛋白 Man-6-P（甘露糖 -6-磷酸）

靶向输送蛋白的信号序列或成分

（一）分泌蛋白的靶向输送

真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。

• 信号肽 (signal peptide)

各种新生分泌蛋白的 N端有保守的氨基酸序列称信号肽。

信号肽的一级结构

信号肽识别颗粒信号肽识别颗粒——signal recognition particles,SRP SRP 与新生肽链的 N端的信号肽（＋ GTP) 结合，并结合到核蛋白体上，使得翻译的延长暂时停止

SRP 存在于真核细胞的胞液中，内质网膜上有一种 SRP受体，可结合 SRP ，所以又称为 SRP对接蛋白（ DP ）

信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网

（二）线粒体蛋白的靶向输送

（三）细胞核蛋白的靶向输送

蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference & Inhibition of Protein

Biosynthesis

第 四 节

蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。

可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。

抗生素 (antibiotics)

是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。

抗代谢药物

指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如： 6-MP 。

某些毒素也作用于基因信息传递过程。

一、抗生素类

是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物

•四环素族•氯霉素•链霉素•嘌呤毒素•放线菌酮

抗生素 作用点 作用原理 应用四环素族（金霉素 新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、新霉素氯霉素、林可霉素

红霉素

梭链孢酸 放线菌酮

嘌呤霉素

原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体小亚基原核核蛋白体大亚基原核核蛋白体大亚基原核核蛋白体大亚基真核核蛋白体大亚基真核、原核核蛋白体

抑制氨基酰 -tRNA 与小亚基结合改变构象引起读码错误、抑制起始抑制转肽酶、阻断延长

抑制转肽酶、妨碍转位

与 EFG-GTP 结合，抑制肽链延长抑制转肽酶、阻断延长

氨基酰 -tRNA 类似物，进位后引起未成熟肽链脱落

抗菌药

抗菌药

抗菌药

抗菌药

抗菌药

医学研究

抗肿瘤药

抗生素抑制蛋白质生物合成的原理

嘌呤霉素作用示意图

嘌呤霉素与 Tyr-tRNATyr 相似 ,竞争性掺入肽链的延长过程，中断肽链的合成作用于真核及原核生物，无特异性，难作为抗菌药，而是试用于肿瘤治疗

氯霉素—与大亚基结合

链霉素和卡那霉素－－结合于小亚基

嘌呤霉素

放线菌酮—抑制转肽作用

四环素族 --抑制 tRNA 进入 A 位

二、其他干扰蛋白质生物合成的物质

毒素 (toxin)

——在肽链的延长过程中阻断蛋白质合成而引起毒性

干扰素 (interferon)

——真核细胞感染病毒后分泌的一类有抗病毒作用的蛋白质，它能抑制病毒繁殖

•白喉毒素 (diphtheria toxin) 的作用机理

N

CO

NH2

N+

OCH2O

OHOH

ADP

CO

NH2

白喉毒素

++

++

延长因子延长因子 -2-2

（有活性）

OCH2O

OHOH

ADP 延长因子延长因子 -2-2

（无活性）

白喉毒素使得延长因子 -2发生 ADP糖基化失活

•干扰素的作用机理

干扰素诱导的蛋白激酶

病毒等 dsRNA

1. 干扰素诱导 eIF2磷酸化而失活

ATP

eIF2

ADP

eIF2-P （失活）

Pi 磷酸酶 抑制病毒蛋白质的合成

2. 干扰素诱导病毒 RNA降解

降解 mRNA

dsRNA

干扰素A A

P

A

PPPP

2

5

2

5 52- 5A （ 2’-5’ 寡聚腺苷酸）

A

PPP

ATP

2-5A 合成酶

RNaseL RNaseL活化