第4章蛋白质的翻译-转运降解
现代分子生物学课件-第四章
tRNA上所运载的氨基酸必须靠近 位于核糖体大亚基上的多肽合成位 点，而tRNA上的反密码子必须与小 亚基上的mRNA相配对，所以分子中 两个不同的功能基团是最大限度分 离的。
4. 2. 2 tRNA的功能
转录过程是信息从一种核酸分子 （DNA）转移到另一种结构上极为相 似的核酸分子（RNA）的过程，信息 转移靠的是碱基配对。
C
酸
（Thr，T （Asn，N （Ser，
（Ile，I
）
）
S）
）
异亮氨
苏氨酸
赖氨酸
精氨酸
A
酸
（Thr，T （Lys，K （Arg，
（Ile，I
）
）
R）
）
甲硫氨
苏氨酸
赖氨酸
精氨酸
G
酸
（Thr，T （Lys，K （Arg，
（Met，
）
）
R）
M）
缬氨酸
丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸
U
（Val， （Ala，A （Asn，N （Gly，
亮氨酸
脯氨酸
谷氨酰胺 精氨酸
A
（Leu， （Pro，P （Gln，Q （Arg，
L）
）
）
R）
亮氨酸
脯氨酸
谷氨酰胺 精氨酸
G
（Leu， （Pro，P （Gln，Q （Arg，
L）
）
）
R）
异亮氨
苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸
U
酸
（Thr，T （Asn，N （Ser，
（Ile，I
）
）
S）
）
A
异亮氨
苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸
V）
）
）
G）
分子生物学-第四章蛋白质的翻译
教案首页课程名称分子生物学任课教师李市场第四章蛋白质翻译计划学时9教学目的和要求：掌握遗传密码的构成及特点。
遗传密码的破译；密码的简并性与变偶假说；密码子的使用频率；起始密码子与终止密码子；遗传密码的突变；重叠密码。
掌握原核生物和真核生物RNA的翻译过程。
核糖体及RNA的结构；氨基酸的激活与氨酰-tRNA的合成；原核生物的蛋白质的生物合成；GTP在蛋白质合成中的作用；真核生物的蛋白质的生物合成；蛋白质折叠与蛋白质生物合成中多肽链的修饰；蛋白质的易位与分泌。
重点：密码的简并性与变偶假说；密码子的使用频率；起始密码子与终止密码子；重叠密码。
核糖体及RNA的结构；氨基酸的激活与氨酰-tRNA的合成；原核生物的蛋白质的生物合成；GTP在蛋白质合成中的作用；真核生物的蛋白质的生物合成；蛋白质折叠与蛋白质生物合成中多肽链的修饰；蛋白质的易位与分泌难点：核糖体及RNA的结构；氨基酸的激活与氨酰-tRNA的合成；原核生物的蛋白质的生物合成；GTP在蛋白质合成中的作用；真核生物的蛋白质的生物合成；蛋白质折叠与蛋白质生物合成中多肽链的修饰；蛋白质的易位与分泌。
思考题：1、以Prok.为例，说明蛋白质翻译终止的机制。
2、简要说明真核生物蛋白质的不同转运机制。
3、说明Prok.和Euk.体内蛋白质的越膜机制。
4、简要说明Prok.与Euk.的翻译起始过程的差别。
第四章蛋白质翻译（Protein Translation）概述：蛋白质翻译是基因表达的第二步，tRNA在翻译过程中起“译员”的作用，参与翻译的RNA 除tRNA外，还有rRNA 和mRNA；tRNA既是密码子的受体,也是氨基酸的受体，tRNA 接受AA要通过氨酰tRNA合成酶及其自身的paracodon的作用才能实现，tRNA通过其自身的anticodon而识别codon，密码子有自身的特性，三联体前两个重要通用性摇摆性，有一定的使用效率；多种翻译因子组成翻译起始复合物，完成翻译的起始、延伸和终止，并且保证其准确性。
第四章蛋白质的翻译
色氨酸-tRNA的分离
用20种AA-tRNA做20组同样的实验， 每组都含20种AA-tRNA和各种三核苷 酸，但只有一种氨基酸用14C标记，看 哪一种AA-tRNA被留在滤膜上，进一 步分析这一组的模板是哪个三核苷酸， 从模板三核苷酸与氨基酸的关系可测 知该氨基酸的密码子。例如，模板是 UUU时，Phe-tRNA结合于核糖体上， 可知UUU是Phe的密码子。
摆动假说:
在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三 对碱基有一定的自由度，可以“摆动”，因而使某些tRNA可以识别1个 以上的密码子;
如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的 密码子都对应于各自独立的tRNA。原核有30-45种tRNA，真核有50种 tRNA。 I： Inosine is formed by deamination of adenosine after tRNA synthesis
4.2 tRNA
tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三 联密码子翻译成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将 所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体，所以，它又 被称为第二遗传密码。
tRNA参与多种反应，并与多种蛋白质和核酸相互识 别 ，这就决定了它们在结构上存在大量的共性。
4.2.1 tRNA的结构 1、tRNA的二级结构
1954年科学家对破译密码首先提出了设想： A. 若一种碱基对应与一种氨基酸，那么只可能产生4种氨基酸; B. 若2个碱基编码一种氨基酸的话，4种碱基共有42=16种不同的排列
组合; C. 3个碱基编码一种氨基酸，经排列组合可产生43=64种不同形式; D. 若是四联密码，就会产生44=256种排列组合。
贮 存 在 DNA 上 的 遗 传 信 息 通 过 mRNA 传 递 到 蛋 白 质 上 ， mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。 mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸， 这3个核苷酸就称为密码，也叫三联子密码。
蛋白质的合成与降解途径
蛋白质的合成与降解途径蛋白质是生物体内非常重要的一类生物大分子，它们参与了细胞的结构、代谢、信号传导和调节等各个方面。
蛋白质的合成与降解是维持生物体正常运转的关键过程。
本文将详细介绍蛋白质的合成与降解途径。
一、蛋白质的合成蛋白质的合成是指将氨基酸结合成多肽链的过程。
在生物体内，蛋白质的合成主要发生在细胞质内的核糖体中。
下面将分别介绍转录和翻译这两个步骤。
1. 转录转录是指将DNA上的遗传信息转录成RNA的过程。
在转录过程中，DNA的双链解旋，使得RNA聚合酶可以将核苷酸按照基因序列的顺序复制成RNA的互补链。
这个互补链称为信使RNA（mRNA），它将遗传信息从细胞核带到细胞质中的核糖体。
2. 翻译翻译是指在核糖体中将mRNA上的核苷酸序列翻译成氨基酸序列的过程。
在翻译过程中，mRNA的遗传信息被三个核苷酸一组一组地“读取”，每个三核苷酸序列称为一个密码子。
每个密码子对应一个特定的氨基酸。
tRNA分子则带有互补的反密码子，通过把正确的氨基酸带至核糖体中，使得氨基酸按照正确的顺序被连接起来，最终形成蛋白质的多肽链。
二、蛋白质的降解蛋白质的降解是指蛋白质分子被降解成小的碎片或氨基酸的过程。
生物体内的蛋白质降解主要通过泛素-蛋白酶体途径和泛素-溶酶体途径进行。
1. 泛素-蛋白酶体途径泛素-蛋白酶体途径是生物体内蛋白质降解的主要途径。
在这个过程中，蛋白质被泛素分子标记，然后被泛素连接酶附着在蛋白酶体上进行降解。
蛋白酶体是一种被膜包裹的细胞器，内部含有多种降解酶，可以将蛋白质降解成小片段或氨基酸。
2. 泛素-溶酶体途径泛素-溶酶体途径是生物体内少量蛋白质降解的过程。
在这个过程中，泛素分子标记蛋白质，然后将其转运至溶酶体进行降解。
溶酶体是细胞内含有消化酶的囊泡结构，可以降解细胞内的蛋白质、碳水化合物和脂类等物质。
三、蛋白质的合成与降解的调控蛋白质的合成与降解是由一系列信号通路和调控因子控制的。
合成过程中，转录因子和翻译因子的活性及其相互作用调节着转录和翻译的速率，进而决定蛋白质的合成速度。
名词解释蛋白质的翻译
名词解释蛋白质的翻译蛋白质的翻译是细胞中一个非常重要的过程，它与维持细胞活动、构建细胞结构以及遗传信息的传递密切相关。
在生物学中，蛋白质被视为生命的基石，是所有生物体内各种功能和活动的主要参与者。
本文将对蛋白质的翻译过程进行解释，并探讨其在细胞中的作用。
蛋白质是生命体中的基本分子之一，它们由氨基酸单元组成。
细胞内蛋白质的合成主要通过翻译过程实现。
翻译的开始是由于特定的mRNA（信使RNA）分子的存在。
mRNA是一种由DNA模板合成的分子，它携带了编码蛋白质合成顺序的信息，被称为编码序列。
翻译的过程可以分为三个主要阶段：起始、延伸和终止。
在起始阶段，细胞核中的mRNA与核糖体结合，并通过扫描编码序列上的起始密码子来确定合成蛋白质的起始点。
起始密码子通常是AUG，对应着编码氨基酸甲硫氨酸。
随后，延伸阶段开始，细胞内的转运RNA（tRNA）分子通过与mRNA上的密码子的互补碱基配对来逐渐引入氨基酸。
每个tRNA携带着特定的氨基酸，它们能够通过与mRNA上的密码子的互补配对来识别正确的位置。
这种配对是通过RNA 分子之间的碱基亲和性实现的。
随着tRNA的不断增加，翻译复合物沿着mRNA链逐渐滑动，将氨基酸连接在一起，形成新的蛋白质链。
这个过程是高度精确的，需要特定的酶、辅助因子和能量。
最后一个阶段是终止阶段，它发生在翻译到达终止密码子时。
终止密码子是UAA，UAG或UGA，并不编码任何氨基酸。
在终止阶段，特定的蛋白质因子识别终止密码子，此时翻译复合物解离，新合成的蛋白质从核糖体中释放出来。
蛋白质的翻译在细胞中是一个非常重要的过程，因为它决定了细胞中的蛋白质组成和功能。
蛋白质是细胞中许多生物学反应的媒介和催化剂，它们通过与其他分子相互作用来实现各种细胞功能，包括细胞信号传导、结构支持、代谢调控等。
此外，蛋白质的翻译还与细胞发育和分化密切相关。
在胚胎发育过程中，蛋白质的翻译调控起着关键作用，决定了细胞的特殊化和组织的形成。
蛋白质的合成与运转翻译的过程
一、准备（一）肽链的合成是由氨基端向羧基端进行的，速度很快，大肠杆菌每秒可聚合20个氨基酸。
信使RNA是从5’向3’翻译的。
（二）氨基酸的活化：由氨酰tRNA合成酶催化，分两步：1. 形成氨基酸－AMP－酶复合物：氨基酸的羧基与5’磷酸形成高能酸酐键而活化。
2.转移：氨基酸转移到转运RNA3’末端，与3’或2’羟基结合。
总反应为：氨基酸＋tRNA＋ATP=氨酰tRNA＋AMP＋PPi此酶专一性很高，只作用于L-氨基酸，每种氨基酸都有一个专一的酶。
酶有校对机制，一方面对转运RNA有专一性，另一方面还有水解位点，可水解错误酰化的氨基酸。
（三）转运RNA的作用：起接头作用，根据密码子决定氨基酸的去向。
转运RNA反密码子的某些突变可抵销一些有害突变，称为校正突变。
二、肽链合成的起始（一）起始信号：起始密码子是AUG，其上游约10个核苷酸处有一段富含嘌呤的序列，可与16S rRNA的3’端互补，与起始有关。
（二）起始复合物的形成：1.起始氨基酸：是N-甲酰甲硫氨酸，其转运RNA也有所不同，称为tRNAf，与甲硫氨酸结合后被甲酰化酶以甲酰四氢叶酸甲基化，生成fMet-tRNAf。
2.30S起始复合物：信使RNA先与小亚基结合，在起始因子3(IF3)的参与下形成mRNA-30S-IF3复合物，然后在IF1和IF2参与下与fMet-tRNAf和GTP结合，并释放IF3，形成30S起始复合物。
3.30S起始复合物与大亚基结合，水解GTP，释放IF1和IF2，形成70S起始复合物。
此时转运RNA占据肽酰位点，空着的氨酰位点可接受另一个转运RNA，为肽链延长作好了准备。
三、肽链的延伸（一）转运RNA进入氨酰位点：需ATP和两种延伸因子参加。
EFTu与GTP 结合，再与转运RNA形成复合物，才能与起始复合物结合。
然后释放出EFTu-GDP，与EFTs和GTP反应，重新生成EFTu-GTP，参加下一轮反应。
EFTu水解GTP前后构象不同，错误的转运RNA会离去，而正确的则与两种状态都有强相互作用。
(精选)蛋白质的翻译-转运降解
1
第五节 蛋白质转运机制
1、翻译－转运同步机制：分泌蛋白 ➢ 信号肽假说简图 ➢ 分泌蛋白质的合成和胞吐作用 2、翻译后转运机制：线粒体与叶绿体蛋白 ➢ 蛋白质向线粒体的定位机制 ➢ 蛋白质向叶绿体的定位机制 3、核定位蛋白质的转运机制
2
蛋白质N端信号肽的特点
1.完整的信号肽是保证蛋白质运转的必要条件；
E1-SH ATP
PPi
21
泛肽化酶(ubiquitination enzyme）
—蛋白酶体（proteasome）结构示意图
19S Regulatiry Subunit
UbqConjugate
148Å
113Å
20S Proteasome
Unfolding Cleavage
26S proteasome
第五节 蛋白质转运机制
几类主要蛋白质的运转机制
蛋白质性质 分泌蛋白
细胞器发育
膜的形成
运转机制 蛋白质在结合核糖体上合成， 以翻译－运转同步机制运输 蛋白质在游离核糖体上合成， 以翻译后运转机制运输 以上两种机制兼有
主要类别 免疫球蛋白、激素、水 解酶 核、叶绿体、线粒体等 细胞器中的蛋白质 质膜、内质网、类囊体 中的蛋白质
泛肽由多基因族编码， 不同生物Ub基因的数目和 种类有较大差异。
Gly76 Gly75 Arg74
Lys29
Lys49 Tyr49
Met1 Lys63
20
与泛肽活化有关的酶
泛肽活化酶(E1)：催化Ub
C-Amino Hydrolase
Target Protein
的C-末端与酶分子中巯基 结合
泛肽载体蛋白(E2)：作泛 肽的中间载体
2.细胞膜表面水解酶系统； 3. Caspase蛋白酶家族； 4.高度保守的泛素-蛋白水解酶复合体通路（ubiquitinproteasome pathway,UPP） ； 5.特殊细胞器的水解系统，如线粒体内La蛋白酶、高尔基体内 Keｘ2水解酶、叶绿体内ClpAP等.
蛋白质转运机制
蛋白质转运机制
1、翻译—转运同步机制：由信号肽介导协助转运。
蛋白质其实首先合成信号肽——SRP与信号肽结合，翻译暂停——SRP与SRP受体结合，核糖体与膜结合，翻译重新开始——信号肽进入膜结构——蛋白质过膜，信号肽被切除，翻译继续进行——蛋白质完全过膜，核糖体解离并回复翻译起始前状态。
2、翻译后转运机制：由前导肽介导协助转运，线粒体和叶绿体中的蛋白质。
蛋白质由外膜上的Tom受体复合蛋白识别与分子伴侣相结合形成转运多肽，通Tom和Tim组成的膜通道进入内腔——蛋白酶水解前导肽。
3、核定位蛋白的转运机制：细胞质中的蛋白质通过核孔到达细胞核（装配）——运回细胞质——进行转运。
如：RNA，DNA聚合酶，组蛋白，拓扑异构酶等。
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线粒体内外膜的接触点
C 类囊体蛋白前体
N 跨叶绿体膜运转
细胞质
叶绿体外膜
信号肽 C
可溶性蛋白水解酶切 除第一部分信号肽
N 跨类囊体膜运转
叶绿体内膜
信号肽
切除第二部分信号肽
折叠
类囊体
成熟类囊体蛋白
类囊体膜
叶绿体蛋白质跨膜转运
叶绿体的蛋白质定向转运
核定位蛋白跨细胞核膜 转运过程示意图
定位于不同亚细胞结构的细菌蛋白质信号肽序列
SecB
SecA
SecB
细胞质
SecYEG
周质空间
细菌中蛋白质的跨膜转运
第六节 蛋白质的更替
1.细胞内蛋白质降解的生物学意义
1、维持细胞内氨基酸代谢库的动态平衡 2、参与细胞程序性死亡和储藏蛋白质的动员； 3、按化学计量累计寡聚蛋白的亚基或脱辅基蛋白/辅助因 子比率； 4、蛋白质前体分子的水解裂解加工； 5、清除反常蛋白以免积累到对细胞有害的水平； 6、控制细胞内关键蛋白的浓度； 7、参与细胞防御机制。
泛肽由多基因族编码， 不同生物Ub基因的数目和 种类有较大差异。
Gly76 Gly75 Arg74
Lys29
Lys49 Tyr49
Met1 Lys63
与泛肽活化有关的酶
泛肽活化酶(E1)：催化Ub
C-Amino Hydrolase
Target Protein
的C-末端与酶分子中巯基 结合
泛肽载体蛋白(E2)：作泛 肽的中间载体
3.蛋白质降解的泛肽途径
蛋白质降解的泛肽途径是通过对不需要的蛋白质贴上标签(泛蛋白化 作用)来调节特定蛋白质的存在，这种分子标签是由一种名为泛素的多 肽组成。蛋白质被贴上标签的过程被称为“死亡之吻”，因为贴上标签 的蛋白质很快被送往细胞中名为蛋白质酶体的“垃圾桶”中，并在那里 被切碎、分解。
泛蛋白化作用是一个活跃的可逆过程，泛蛋白化和去泛蛋白化相互 平衡，对细胞进行着调控作用，包括蛋白质的降解、细胞周期控制、胁 迫反应、DNA修复、基因的转录、免疫反应、信号转导、翻译调控和胞 吞作用。
泛肽-蛋白连接酶(E3)：
E2-SH E3
E2-S
Ubiquitin
26S Proteasome
❖ ATP
Amino acid
C-Amino Hydrolase
直接或间接地与特定的靶 E1-SH
蛋白结合，直接或间接地
E1-S
将泛肽从硫酯中间物转移
E2-SH
到蛋白或多泛肽链上
AMP
E1--SAHMP-
2019年诺贝尔化学奖
化学奖授予两位以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿弗拉姆·赫尔 什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质 降解，也就是说他们发现了一种蛋白质死亡的重要机理。
阿龙·切哈诺沃 国籍：以色列 出生：1947年 学位：以色列工学院医学博士 现任职地点：以色列工学院
阿弗拉姆·赫尔什科 国籍：以色列 出生：1937年 学位：希伯来大学医学博士 现任职地点：以色列工学院
蛋白质降解的泛肽途径示意图
ATP AMP+PPi E1-S-
（ubiquitin）
E1 -SH
E2-SH E1-SH
E2-S-Байду номын сангаас
E3 E2-SH
去泛肽化酶
19S调节亚基
ATP
20S蛋白酶体
ATP
26S蛋白酶体
多泛肽化 蛋白
去折叠 水解
泛肽（ubiquitin）
泛肽是一种保守的蛋白 质，含76个氨基酸，所有 泛肽均有相同的三维结构， 主要定位于细胞溶胶和细 胞核，因其广泛存在于各 类细胞而命名为泛肽。
E1-SH ATP
PPi
泛肽化酶(ubiquitination enzyme）
—蛋白酶体（proteasome）结构示意图
19S Regulatiry Subunit
UbqConjugate
148Å
113Å
20S Proteasome
Unfolding Cleavage
26S proteasome
分泌蛋白质的合成和胞吐作用
芽泡
泡融入 质膜
泡
泡
核糖体
内质网
高尔基体
线粒体外膜 线粒体内膜
导肽
带有导肽的线粒体蛋白质前体 跨膜转运过程示意图
hsp70
Tom
内外膜接触位点的 蛋白质通道
Tom受体复合物
Tim 线粒体hsp70
ATP ADT+Pi
折叠
蛋白酶切 除导肽
线粒体的蛋白质转运装置 TOM和TIM复合体
2.细胞内蛋白质降解的特点
➢在大肠杆菌中，许多蛋白质的降解是通过一个依赖于ATP 的蛋白酶（称为Lon）来实现的。当细胞中存在有错误或半 衰期很短的蛋白质时，该蛋白酶就被激活。每切除一个肽 键要消耗两分子ATP。 ➢在真核生物中，蛋白质的降解需要泛素(Ubiquitin)，一个 有76个氨基酸残基组成极为保守的蛋白参与。与泛素相连 的蛋白将被送到一个依赖于ATP的蛋白酶体(Proteasome)。
2.细胞膜表面水解酶系统； 3. Caspase蛋白酶家族； 4.高度保守的泛素-蛋白水解酶复合体通路（ubiquitinproteasome pathway,UPP） ； 5.特殊细胞器的水解系统，如线粒体内La蛋白酶、高尔基体内 Keｘ2水解酶、叶绿体内ClpAP等.
2.细胞内蛋白质降解的特点
去泛肽化酶(deubiquitination enzyme，DUBs）
在泛肽途径中靶蛋白被26S蛋白酶体降解时，泛肽只 是降解信号，并未被降解，而是经去泛肽化酶(DUBs)再生 之后重新利用。去泛肽化酶是半胱氨酸蛋白酶，具有裂解 酯键、硫酯键以及泛肽C-端与Lys侧链-NH2形成的异肽键 的活力，亦被称为异肽酶。已在不同物种的许多组织中鉴 定出多种DUBs， DUBs由两个基因家族编码，一是泛肽C端水解酶（Ub carboxyl-terminal hydrolases,UCH）基 因家族，另一个是泛肽专一的加工蛋白酶（Ub specific processing proteases,UBP）基因家族。
➢细胞内蛋白质降解包括依赖能量的步骤，而且具有调控作用；
➢很难探测到胞内蛋白质降解的中间产物，这表明蛋白水解装置一 旦遇到合适目标，立即将其彻底消化，避免降解中间产物干扰正常 的生理活动；
➢蛋白酶的专一性较低，为了避免对细胞蛋白质造成随机破坏，必 须对它们进行严格控制和区域化；
➢细胞内蛋白质水解是高度选择性的，不同蛋白质的半衰期从数分 钟到数周，决定其半衰期的信号常常是小的、保守的结构模体，该 过程不仅是复杂的基因功能调控级联的最后步骤，而且是氨基酸再 循环系统的组成部分。
欧文.罗斯 国籍：美国 出生：1926年 学位：芝加哥大学博士 现任职地点：加州大学
在正常代谢条件下,细胞内合成和降解蛋白质必须有 精确的时空调节和选择,如果蛋白质降解速率和位点出现 异常，就会出现病态。目前已发现多种蛋白质降解途径:
1. 溶酶体途径，主要降解入胞蛋白（如受体介导的蛋白质胞 饮），应急状态下降解细胞内蛋白，尤其是结构蛋白；