蛋白质合成加工和定位

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蛋白质合成、加工和定位·

由GPT-5.6-Sol-Ultra生成

  • 蛋白质是细胞功能的主要承担者，参与各种生命活动
  • 蛋白质生物合成是复杂且高度有序的过程，需多类RNA和大量蛋白质共同参与
  • 主要内容
    1. 遗传密码及RNA对密码的解读
    2. 核糖体、tRNA和mRNA等翻译装置
    3. 多肽链的起始、延伸与终止
    4. 新生肽折叠、加工和修饰
    5. 翻译忠实性及蛋白质定位

遗传密码·

定义与破译依据·

  • 遗传密码（genetic code）

    核酸核苷酸序列与蛋白质氨基酸序列之间的对应关系。

  • 4种碱基若以三联体组合，可形成 $4^3=64$ 种密码，是编码20种氨基酸所需的最低碱基数

  • Crick等的移码实验

    • 插入或删除1、2、4个核苷酸 → 阅读框改变，基因失活
    • 相近位置插入和删除各1个核苷酸 → 阅读框恢复
    • 插入或删除3个核苷酸 → 阅读框仍可保持
    • 结论：遗传密码以三联体、非重叠、无标点方式连续阅读
    • 也是基因核苷酸序列与蛋白质氨基酸序列具有共线性的早期证据

  • 人工mRNA破译密码

    • poly U只指导多聚Phe合成 → UUU编码Phe
    • poly C指导多聚Pro → CCC编码Pro
    • poly A指导多聚Lys → AAA编码Lys
    • 无序共聚物可确定密码子的碱基组成，但不能确定排列顺序
    • 三核苷酸-核糖体结合技术可直接测定密码子与氨酰-tRNA的对应关系
    • 重复序列共聚物利用不同阅读框进一步确定密码子

  • 最终确定

    • 61个有义密码子编码20种氨基酸
    • 3个终止密码子不编码氨基酸

遗传密码的基本性质·

三联体、非重叠、无标点·

  • 密码子按mRNA的 $5’\rightarrow3’$ 方向阅读
  • AUG：编码Met，并通常作为起始密码子
  • UAA、UAG、UGA：终止密码子
  • 正确翻译必须从起始密码子开始，沿确定的阅读框连续读至终止密码子
  • 移码突变：插入或删除非3整倍数核苷酸，使突变点后的读码错位
  • 绝大多数基因不重叠；少数病毒虽有重叠基因，每个开放阅读框仍按三联体连续读码

简并性·

  • 密码子的简并性（degeneracy）

    同一种氨基酸由两个或更多密码子编码的现象。

  • 同义密码子：编码同一种氨基酸的不同密码子
  • 只有Met和Trp各有1个密码子，其余氨基酸均有2～6个密码子
密码子数 氨基酸
1 Met、Trp
2 Asn、Asp、Cys、Gln、Glu、His、Lys、Phe、Tyr
3 Ile
4 Ala、Gly、Pro、Thr、Val
6 Arg、Leu、Ser
  • 生物学意义
    1. 增加碱基改变后仍编码原氨基酸的概率，减少有害突变
    2. 降低突变直接产生终止密码子的可能性
    3. 允许不同生物DNA的G+C含量发生较大变化，而仍能编码相同多肽
    4. 有利于物种遗传信息的稳定
  • 常用氨基酸倾向于拥有较多密码子，但密码子数与使用频率并无严格对应关系

摆动性·

  • 简并性常发生在密码子第三位，密码子专一性主要由前两位决定
  • 密码子与反密码子反向互补
  • 摆动性/变偶性（wobble）

    密码子前两位与反密码子严格配对，而反密码子第一位与密码子第三位可在一定范围内变动。

反密码子第一位 可识别的密码子第三位
A U
C G
G U、C
U A、G
I U、C、A
  • 次黄嘌呤I可与U、C、A配对，使一个tRNA识别多个同义密码子
  • 摆动性使细胞约用32种tRNA即可识别61个有义密码子
  • 少数反密码子第一位可与密码子第三位的任意4种碱基配对，称为“三配二”

通用性与例外·

  • 生物界基本共用一套高度保守的遗传密码，但通用性并非绝对
  • 线粒体密码的典型变化
密码子 通用含义 脊椎动物线粒体含义
UGA 终止 Trp
AUA Ile Met
AGA、AGG Arg 终止

  • 脊椎动物线粒体以22种tRNA识别全部氨基酸密码子，每种tRNA可识别2个或4个密码子

  • 其他例外

    • 支原体UGA编码Trp
    • 少数纤毛类原生动物UAA、UAG编码Gln
    • 大肠杆菌GUG、UUG位于特殊起始位置时，可被起始 $tRNA^{fMet}$ 识别

  • 硒代半胱氨酸（Sec）

    • 不由翻译后修饰产生，而是在翻译过程中掺入
    • 特殊Ser-tRNA先携带Ser，再经酶作用转为Sec-tRNA
    • 只在特定mRNA环境中识别阅读框内的UGA，不识别一般终止UGA
    • SECIS二级结构帮助Sec-tRNA识别UGA
      • 细菌：SECIS位于mRNA编码区
      • 真核生物：SECIS位于 $3’$ 非编码区
    • 细菌SelB帮助Sec-tRNA进入核糖体A位点
    • 教材认为Sec可视为第21种氨基酸

防突变性·

  • 密码子中第二位碱基常与氨基酸物理化学性质相关，第三位主要决定简并性
  • 一个碱基被替换后
    • 可能仍编码相同氨基酸
    • 或改为物理化学性质相近的氨基酸
  • 因此密码表具有降低突变危害的故障-安全特征

RNA对遗传密码的解读·

  • RNA并非只被动传递信息，还参与信息的选择、加工、纠错、翻译与调节
  • 主要环节
    1. 从基因组中选择性转录信息
    2. 抽取并重新组合有用信息
    3. 消除差错、防止信息失真
    4. 把核酸语言转换为蛋白质语言
    5. 调节遗传信息流

选译性转录·

  • 细胞依环境、时空条件和分化状态选择表达不同基因
  • 教材举例：哺乳动物胚胎细胞约30%的基因产生成熟mRNA，分化细胞约10%的基因发生转录
  • 转录形成的初级转录物与被转录DNA的序列基本一致，之后还需加工为成熟、有功能的RNA

一般加工与遗传信息加工·

加工类型 主要方式 是否改变编码信息
一般加工 切割、修剪、附加、修饰、异构化 通常不改变，主要激活RNA功能
遗传信息加工 可变转录、剪接、编辑、再编码 改变RNA序列或读码方式，可产生不同产物
  • 可变转录：一个基因使用不同起点、终点或模板滑动产生不同转录物
  • 选择性剪接：以不同方式组合外显子，使一个基因产生多个产物
    • 外显子可对应结构域、亚结构域或基序等基本结构模块
    • 压缩所需基因数目
    • 可保留原有剪接方式，降低形成新产物的进化代价
    • 支持不同细胞的发育和分化
  • RNA编辑：插入、删除或化学改变碱基，可校正突变或增加产物多样性
    • 插入或删除核苷酸的信息来自指导RNA（gRNA）
    • 帮助修饰酶识别编辑位点的信息可来自被编辑RNA自身
  • 再编码：变异tRNA、mRNA特殊结构及核糖体移码改变常规读码方式
    • 程序性阅读框移位可在特定位点作 $-1$、$+1$ 移动，甚至跳过50 nt
    • mRNA的假结或茎环结构可影响常规读码

RNA纠错·

突变类型 结果
同义/沉默突变 氨基酸不变，但可能影响翻译效率
错义突变 氨基酸被替换，多数中性，少数有害
移码突变 突变点后读码改变，通常使产物失活
无义突变 氨基酸密码子变为终止信号，翻译提前终止
  • RNA编辑可插入或删除核苷酸，恢复移码后的阅读框，也可改变无义密码子
  • 校正tRNA（suppressor tRNA）
    • 多由反密码子变化产生
    • 可识别终止密码子并加入氨基酸，使翻译继续
    • UAG、UAA、UGA无义突变分别称琥珀型、赭石型、乳白型
    • 加入的氨基酸不一定与突变前相同，通常只部分恢复蛋白质活性
    • 反密码子区改变为读取二联体或四联体时，可校正 $-1$ 或 $+1$ 移码

三类RNA的翻译分工·

  • tRNA：转换器

    携带氨基酸，以反密码子识别mRNA密码子。

  • rRNA：装配者

    与蛋白质组成核糖体，使mRNA和tRNA定位，并催化肽键形成。

  • mRNA：指导者

    携带决定蛋白质氨基酸序列的遗传信息。

RNA与表型形成·

  • 表型：基因型在一定环境条件下表现出的可观察性状
  • RNA参与遗传信息的加工、纠错、翻译和调节，并控制遗传信息流
  • 中心法则只指出 $DNA\rightarrow RNA\rightarrow 蛋白质$ 的信息流方向，并未体现RNA对信息的加工处理
  • 教材据此认为，遗传信息并非被动流经RNA，RNA在表型形成中起主导作用

蛋白质合成有关RNA和装置·

核糖体·

组成与结构·

  • 核糖体（ribosome）：进行蛋白质合成的核糖核蛋白颗粒，由大、小两个亚基组成
  • 大肠杆菌70S核糖体
结构 rRNA 蛋白质
30S小亚基 16S rRNA 21种
50S大亚基 5S、23S rRNA 36种
  • 哺乳动物80S核糖体
结构 rRNA 蛋白质
40S小亚基 18S rRNA 33种
60S大亚基 5S、5.8S、28S rRNA 47种
  • 真核核糖体与原核核糖体功能相似，但更大、更复杂
  • rRNA和核糖体蛋白可在体外自发装配为核糖体亚基和完整核糖体
  • mRNA穿过小亚基裂缝，tRNA在A、P、E位点依次发挥作用

细菌核糖体及A、P、E位点

rRNA的核心作用·

  • 核糖体外形主要由rRNA三级结构决定，蛋白质多分布于外表
  • 肽基转移酶中心仅含RNA，不含蛋白质
    • A位和P位tRNA的CCA末端分别与23S rRNA的A突环（螺旋92）和P突环（螺旋80）配对
    • 使A位氨酰-tRNA的 $\alpha$-氨基正好攻击P位肽酰-tRNA的羰基碳
    • 肽键形成由大亚基rRNA催化，核糖体本质上具有核酶性质
    • 活性中心的A2451（大肠杆菌）或A2486（嗜盐古菌）N3可能参与催化
  • 大亚基背面有与活性中心相连的肽链出口隧道，新生肽由此离开核糖体

小亚基译码与校对·

  • S3、S4、S5可帮助去除mRNA二级结构
  • A位点译码中心识别密码子-反密码子配对
    • A1493识别第1个碱基对
    • A1492和S12识别第2个碱基对
    • G530主要识别第3个碱基对，敏感性较低，允许摆动
  • 不匹配tRNA不被小亚基接纳，对翻译忠实性至关重要

多核糖体·

  • 多核糖体（polysome）

    多个核糖体依次结合在同一条mRNA上，沿 $5’\rightarrow3’$ 方向移动，同时合成多条多肽链。

  • 意义：显著提高一条mRNA的翻译效率

多核糖体


tRNA与氨酰-tRNA合成酶·

tRNA结构与功能·

  • tRNA长60～95 nt，最常见约76 nt；二级结构呈三叶草形，三级结构呈倒L形
  • 稳定作用力包括非Watson-Crick配对，以及碱基、磷酸基和核糖 $2’$-OH间的氢键
  • 反密码子与接受氨基酸的CCA末端位于倒L形两端
  • 核心作用：携带活化氨基酸到核糖体，并把mRNA密码子翻译为氨基酸
  • 其他功能举例
    • 参与某些不依赖核糖体的多肽或细胞结构合成
    • 叶绿素和硒代半胱氨酸可在tRNA上合成
    • 作为逆转录病毒逆转录引物
    • 某些tRNA还可参与转录调节

氨酰化反应·

  • 20种氨基酸相应有20种氨酰-tRNA合成酶（aaRS）
  • 每种aaRS特异识别一种氨基酸及一种或多种相关tRNA

  1. 氨基酸活化

    $$ \mathrm{氨基酸+ATP\rightleftharpoons 氨酰\text{-}AMP+PP_i} $$

  2. 氨酰基转移到tRNA

    $$ \mathrm{氨酰\text{-}AMP+tRNA\rightleftharpoons 氨酰\text{-}tRNA+AMP} $$

  • 总反应

    $$ \mathrm{氨基酸+tRNA+ATP\rightarrow 氨酰\text{-}tRNA+AMP+PP_i} $$

  • 氨基酸可先连接tRNA末端 $2’$-OH或 $3’$-OH，但参与肽键形成时必定为 $3’$ 羟基酯

  • PPi水解推动反应完成

  • 氨酰-tRNA为高能化合物，氨基酸与tRNA间的酯键为后续肽键形成提供能量

  • 两步反应的平衡常数均接近1

  • 氨基酸与tRNA间酯键水解的 $\Delta G^{\ominus’}=-29\ \mathrm{kJ/mol}$

  • 每生成1分子氨酰-tRNA，消耗2个高能磷酸键

两套遗传密码·

  • 第一套：mRNA三联体密码，由tRNA反密码子识别
  • 第二套：tRNA的个性要素，由特异aaRS识别
    • 以tRNA空间结构编码
    • aaRS接触位点主要位于倒L形tRNA内侧凹面
    • 受体臂通常最关键，包括螺旋碱基对和CCA前的鉴别碱基
    • 反密码子环和其他茎环也可参与，但不同tRNA无统一规则
    • $tRNA^{Ala}$ 最关键的个性要素为受体茎G3-U70碱基对

两类氨酰-tRNA合成酶·

特征 类群I 类群II
酶的种类 10种 10种
常见聚合状态 多为单体，少数二聚体 多为二聚体，少数四聚体
催化核心 Rossmann折叠 7条反平行 $\beta$ 片层，外侧3个螺旋
结合tRNA受体臂 浅沟 深沟
CCA末端 回折 不回折
首先参与氨酰化的羟基 $2’$-OH $3’$-OH
反密码子识别 必定识别 部分酶不识别
教材的进化判断 可能较晚出现 可能较古老
  • 类群I：Arg、Cys、Gln、Glu、Ile、Leu、Met、Trp、Tyr、Val
  • 类群II：Ala、Asn、Asp、Gly、His、Lys、Pro、Phe、Ser、Thr

mRNA·

  • mRNA：从DNA获得遗传信息并将其送到核糖体，作为蛋白质合成模板的不稳定RNA

  • 原核与真核mRNA比较

特征 原核mRNA 真核mRNA
顺反子 常为多顺反子 通常为单顺反子
起始密码子 AUG或GUG AUG
核糖体结合位点 有SD序列 无SD序列，从 $5’$ 端扫描起始区
$5’$ 端/起始区 各ORF起始密码子前有RBS 有 $m^7G$ 帽
$3’$ 端 教材本段未列特征尾 有poly(A)尾及AAUAAA加工信号
调节 mRNA二、三级结构影响翻译 $5’$、$3’$ UTR含多种调控及定位序列
  • 原核mRNA
    • 功能相关基因常组成操纵子并转录为多顺反子mRNA
    • 每个编码区为开放阅读框（ORF），由起始密码子开始，以终止密码子结束，读框为3的整倍数
    • mRNA二、三级结构会在小亚基移动时被解开，但其存在会影响翻译速度
    • Shine-Dalgarno（SD）序列
      • 富含嘌呤，长4～9 nt
      • 位于起始密码子上游3～11 nt
      • 与30S小亚基16S rRNA的 $3’$ 端互补，使起始密码子定位
  • 真核mRNA
    • $5’$ 端有甲基鸟苷帽，$3’$ 端有平均约200 nt的poly(A)尾
    • 无SD序列，AUG附近的序列和二级结构共同影响起始效率
    • 最适起始区序列例：ACCAUGG
    • $5’$、$3’$ 非翻译区可结合调节因子，$3’$ UTR还含mRNA定位信号
  • 某些病毒基因可组成操纵子、彼此重叠或编码多聚蛋白；多聚蛋白需在翻译后切开

原核与真核mRNA结构比较

蛋白质合成的步骤·

合成方向与基本阶段·

  • 多肽链由 N端向C端 合成；核糖体沿mRNA的 $5’\rightarrow3’$ 方向移动
  • 蛋白质合成速度快且精确，教材本节所列错误率低于 $10{-4}\sim10{-3}$
  • Dintzis的标记实验
    • 用 $^3H$-亮氨酸标记正在合成的血红蛋白 $\alpha$ 链
    • 短时间标记只出现在羧基端肽段；随时间延长，标记由C端逐渐扩展至N端
    • 证明新氨基酸不断加到肽链C端，即肽链按 N端 $\rightarrow$ C端 延长
  • 蛋白质生物合成分为5个阶段
    1. 氨酰-tRNA合成
    2. 多肽链合成的起始
    3. 多肽链合成的延伸
    4. 多肽链合成的终止
    5. 多肽链的折叠、加工和修饰

氨酰-tRNA的合成·

  • 氨酰-tRNA合成酶把氨基酸连接到相应tRNA上，同时完成两项任务

    1. 建立氨基酸与密码子的正确对应关系
    2. 把ATP的能量储存在氨基酸与tRNA之间的高能酯键中

  • 总反应

    $$ \mathrm{氨基酸+tRNA+ATP\rightarrow 氨酰\text{-}tRNA+AMP+PP_i} $$

  • $PP_i$ 随后水解，使反应趋于完成；每形成1分子氨酰-tRNA消耗 2个高能磷酸键


多肽链合成的起始·

起始氨基酸与起始tRNA·

  • 所有多肽链均以Met起始，但起始残基可在翻译后保留或切除

  • 起始密码子通常为AUG；细菌有时为GUG，偶尔为UUG

  • 两类Met-tRNA

    • $tRNA_i^{Met}$：识别起始密码子
    • $tRNA_m^{Met}$：识别阅读框内部的AUG
    • 二者由同一种甲硫氨酰-tRNA合成酶氨酰化

  • 细菌和原核生物细胞器的起始Met通常被甲酰化

    $$ N^{10}\text{-甲酰四氢叶酸}+\mathrm{Met\text{-}tRNA_f} \rightarrow\text{四氢叶酸}+\mathrm{fMet\text{-}tRNA_f} $$

    • 甲酰化封闭Met的氨基，使起始tRNA不能参与延伸，可防止其误读内部密码子
    • 真核起始Met不甲酰化，依靠起始因子严格识别起始AUG

原核生物的起始·

  • 参与成分：30S、50S、mRNA、$fMet\text{-}tRNA_f$、IF-1、IF-2、IF-3、$Mg^{2+}$ 和1分子GTP
  1. 形成30S-mRNA复合物
    • IF-1占据A位点，空出P位点供 $fMet\text{-}tRNA_f$ 进入，并妨碍50S过早结合
    • IF-3是抗结合因子，阻止30S与50S结合，同时促进30S结合mRNA
    • 16S rRNA的 $3’$ 端与SD序列互补，使起始密码子位于P位点
  2. 起始tRNA进入P位点
    • IF-2-GTP特异结合 $fMet\text{-}tRNA_f$，将其送入P位点
    • 起始tRNA的反密码子与起始密码子配对
    • IF-2送起始tRNA进入P位点；EF-Tu送一般氨酰-tRNA进入A位点
  3. 50S大亚基加入
    • IF-3先离开，50S与30S结合形成70S核糖体
    • IF-1、IF-2随后离开；IF-2所带GTP水解，推动核糖体形成活化的起始复合物

原核生物多肽链合成的起始

真核生物的起始·

  • 与原核生物的主要差异
    • 起始Met不甲酰化
    • 起始因子有10多种
    • mRNA无SD序列，常见起始区序列为GCCAGCCAUGG
    • $Met\text{-}tRNA_i$ 先于mRNA结合40S小亚基
    • 40S从mRNA的 $5’$ 端扫描至起始区；扫描时水解ATP以解开mRNA二级结构
起始因子 主要功能
eIF1、eIF1A 帮助40S沿mRNA扫描
eIF2-GTP 将 $Met\text{-}tRNA_i$ 送入P位点
eIF2B 以GTP交换eIF2上的GDP
eIF3 结合40S，阻止60S过早结合
eIF4A RNA解旋酶
eIF4B 结合ATP，促进eIF4A与mRNA结合
eIF4E 直接识别并结合mRNA的 $5’$ 帽
eIF4G 衔接eIF3、eIF4A、eIF4E和PABP
eIF5 促进60S与40S结合
eIF6 结合60S，阻止大小亚基过早结合
PABP 结合poly(A)，并与eIF4G相连
  1. eIF3结合40S；eIF2-GTP将 $Met\text{-}tRNA_i$ 送入P位点。eIF4E结合 $5’$ 帽，PABP结合poly(A)，二者通过eIF4G与其他因子联系；eIF2所带GTP在因子解离时水解
  2. eIF3与eIF4G结合，使40S装载到mRNA上；在eIF1、eIF1A帮助下，40S扫描至起始密码子
  3. 起始tRNA识别AUG，已完成功能的因子脱落；eIF5促进60S加入，形成80S起始复合物

真核生物多肽链合成的起始


多肽链合成的延伸·

  • 每轮延伸在肽链C端增加1个氨基酸残基，依次经过 结合、转肽、移位
  • 细菌的3种延伸因子为EF-Tu、EF-Ts和EF-G

1. 氨酰-tRNA进入A位点·

  1. EF-Tu-GTP与非起始氨酰-tRNA形成三元复合物，并将其送入A位点
  2. 反密码子与密码子正确配对，引起核糖体构象改变，使tRNA稳定结合并触发GTP水解
  3. EF-Tu-GDP释放，氨基酸进入50S的肽基转移酶中心
  4. EF-Ts置换EF-Tu上的GDP，随后GTP置换EF-Ts，使EF-Tu-GTP再生
  • 忠实性控制
    • 不配对的氨酰-tRNA可迅速离开A位点
    • EF-Tu水解GTP及EF-Tu-GDP释放均相对较慢，为排除错误tRNA提供两次机会

2. 转肽反应·

  • 催化者是大亚基23S rRNA，而非蛋白质酶
  • A位点氨酰-tRNA的氨基亲核攻击P位点肽酰-tRNA酯键的羰基
  • P位点的肽酰基转移至A位点氨酰-tRNA上，肽链在C端延长
  • 肽键形成本身不另行消耗ATP或GTP，所需能量来自氨酰-tRNA的高能酯键

第一个肽键的形成

3. 移位·

  • EF-G-GTP驱动核糖体沿mRNA的 $5’\rightarrow3’$ 方向移动1个密码子
  • 位点变化
    • 脱酰tRNA：P位点 $\rightarrow$ E位点 $\rightarrow$ 离开核糖体
    • 肽酰-tRNA：A位点 $\rightarrow$ P位点
    • A位点重新空出，接受下一分子氨酰-tRNA
  • 移位时可先形成 $50S_E/30S_P$ 和 $50S_P/30S_A$ 杂合位点
  • mRNA依靠密码子-反密码子配对随tRNA移动，移动过程中不需重新配对
  • EF-Tu与EF-G不能同时结合核糖体；EF-G的结构可模拟氨酰-tRNA-EF-Tu复合物

原核生物多肽链延伸循环

真核生物的延伸因子·

原核因子 真核对应因子 功能
EF-Tu eEF1A 运送氨酰-tRNA进入A位点
EF-Ts eEF1B 促进eEF1A再生
EF-G eEF2 促进移位
  • 按教材表述，真核生物核糖体无E位点，脱酰tRNA直接由P位点离开
  • 白喉毒素可利用 $NAD^+$ 使eEF2发生ADP-核糖基化而失活

多肽链合成的终止·

  • 终止密码子进入A位点后，由释放因子而非tRNA识别
  • 释放因子促使肽酰基转移给水分子，使完整多肽从P位点tRNA上水解释放
生物类型 释放因子 作用
原核 RF-1 识别UAA、UAG
原核 RF-2 识别UAA、UGA
原核 RF-3-GTP 水解GTP，促使RF-1或RF-2离开
真核 eRF1 识别全部3种终止密码子并促进肽链水解
真核 eRF3-GTP 水解GTP，促使eRF1离开
  • RF-1、RF-2及eRF1外形类似tRNA，可进入A位点
  • eRF1顶端的GGQ序列位于氨酰基所处位置，其中Gln帮助结合水分子
  • 原核核糖体释放肽链后，由 RRF、EF-G和IF-3 共同完成再循环，并消耗GTP

新生肽链的折叠、加工和修饰·

新生多肽链的折叠·

  • 新生肽在合成过程中或合成后，通过氢键、范德华力、离子键和疏水相互作用形成天然构象
  • 新生肽通常边合成边折叠，并不断调整已经形成的结构
    • 约4个残基即可形成二级结构
    • 约10个残基可形成超二级结构
    • 40个以上残基的凝聚力才可产生结构域

Anfinsen的RNase A实验·

  1. RNase A在含 $\beta$-巯基乙醇的8 mol尿素中变性，二硫键被还原，酶失去天然构象
  2. 除去尿素和还原剂，再于pH 8用 $O_2$ 氧化，酶活性和物理性质完全恢复
  3. RNase A含124个残基和8个Cys，随机配对可形成105种二硫键组合，活性形式理论上最多仅占1%；痕量 $\beta$-巯基乙醇可打开错误二硫键，使其重新配对

结论：蛋白质的一级结构决定三级结构；在生理条件下，蛋白质可自发折叠形成天然构象。

  • 帮助调整折叠的酶
    • 蛋白质二硫键异构酶（PDI）：通过二硫键交换纠正错误二硫键
    • 肽基脯氨酰异构酶（PPIase）：调整Pro残基的顺、反构型；教材所列约6%的Pro为顺式

分子伴侣·

  • 分子伴侣（molecular chaperone）

    帮助蛋白质折叠和组装，但不成为最终结构组成的蛋白质。

  • 作用特点
    • 对底物专一性不高，同一分子伴侣可作用于多种多肽
    • 不直接促进“正确折叠”，而是防止错误折叠及疏水区段聚集
    • 可参与新生肽折叠、跨膜蛋白解折叠与再折叠、错折叠蛋白重折叠及蛋白质组装
  • 一般循环：携ATP的分子伴侣结合多肽疏水区段 $\rightarrow$ ATP水解后脱落 $\rightarrow$ ADP被ATP置换后再次结合，直至多肽完成折叠
  • 许多分子伴侣属于热激蛋白（HSP）：升温或其他刺激可提高其合成速率，以恢复热变性蛋白或防止不利条件下的错误折叠
类型 成员 结构或功能
Hsp70家族 Hsp70/DnaK 单体，ATPase，结合未折叠或部分折叠多肽
Hsp70家族 Hsp40/DnaJ 促进Hsp70的ATPase作用
Hsp70家族 GrpE 促进Hsp70上的ADP与ATP交换
Hsp70家族 Hsp90 水解ATP，专一作用于信号转导蛋白
I类伴侣蛋白 Hsp60/GroEL 14聚体，形成两个七聚体环
I类伴侣蛋白 Hsp10/GroES 七聚体帽状结构
II类伴侣蛋白 TRiC 形成两个八聚体环

GroEL/GroES折叠机制·

  1. GroEL由上下两个七聚体环组成中空圆筒，每个亚基可结合1个ATP
  2. 圆筒内表面的疏水区段结合未完成折叠的多肽
  3. GroES七聚体盖住筒口，使多肽在隔离空间内折叠
  4. ATP水解后GroES打开并释放底物；未完成折叠者可再次进入
  5. 上下两环交替工作，使一个环准备时另一个环可进行折叠

GroEL-GroES伴侣蛋白复合物


翻译后的加工和修饰·

加工类型 主要内容
N端和C端修饰 甲酰基、起始Met、多个N端残基或C端残基可被切除；约50%的真核蛋白N端被N-乙酰化
信号肽切除 分泌蛋白和膜蛋白的信号肽引导穿膜，随后由信号肽酶切除
个别残基修饰 Ser、Thr、Tyr可磷酸化；Glu可发生 $\gamma$-羧化；Lys及Glu可甲基化
糖基化 可在翻译中或翻译后发生，形成N-连接或O-连接糖链
异戊二烯基化 增加蛋白质C端疏水性，使其锚定于膜
连接辅基 以共价键或配位键结合金属离子、血红素或含核黄素辅基等
蛋白酶解加工 较大的无活性前体经选择性切割形成一种或多种活性蛋白质
二硫键形成 链内或链间Cys形成二硫键，稳定天然构象并增强抗变性能力
  • 个别残基修饰要点
    • 激酶利用ATP使Ser、Thr、Tyr的羟基磷酸化
    • 许多酶和调节蛋白可通过磷酸化与去磷酸化改变活性
    • 凝血酶原N端Glu的 $\gamma$-羧化由羧化酶催化、维生素K参与，可增加 $Ca^{2+}$ 结合
    • Lys的 $\varepsilon$-氨基可发生单、二或三甲基化；Glu的 $\gamma$-羧基可甲基化形成酯
  • 糖链连接位置
    • N-连接寡糖：Asn
    • O-连接寡糖：Ser、Thr、Hyl、Hyp
    • 少数糖链可连接Asp、Glu或Cys
  • Ras的Cys可与法尼基焦磷酸形成硫酯键，使蛋白质锚定于膜；教材指出阻止Ras法尼基化可使其失去致癌性
  • 蛋白酶解加工既可激活酶原、激素前体，也可由一个前体选择性产生多种蛋白质

蛋白质合成的忠实性·

忠实性的能量代价·

  • 每形成1个肽键至少消耗 4个高能磷酸键
环节 能量消耗
氨酰-tRNA合成 ATP提供2个高能磷酸键
氨酰-tRNA进入A位点 1个GTP
核糖体移位 1个GTP

  • 总能量消耗

    $$ 4\times(-30.5\ \mathrm{kJ/mol})=-122\ \mathrm{kJ/mol} $$

  • 教材所列肽键水解的标准自由能变化为 $-21\ \mathrm{kJ/mol}$，肽键合成的净自由能变化为 $-101\ \mathrm{kJ/mol}$

  • 错误产物被水解并重新合成还会额外消耗ATP；额外能量主要用于保证翻译忠实性


氨酰-tRNA合成酶的校对·

  • aaRS需同时完成两种选择
    • 从20种氨基酸中选择正确氨基酸
    • 从数十至上百种tRNA中选择1～3种相关tRNA
  • 教材所列错误率
    • tRNA选择：约 $10^{-6}$
    • 氨基酸选择：约 $10{-5}\sim10{-4}$

动力学校对·

  • 正确tRNA与酶结合快、解离慢，可引起酶构象改变并迅速发生氨酰化
  • 错误tRNA与酶结合慢、解离快，不能引起相同的酶构象改变，氨酰化缓慢，进入活性部位后仍可在随后被排除

化学校对·

  • aaRS按底物空间结构鉴别错误氨基酸
  • 两个阶段均可校对
    • 水解错误的氨酰-AMP
    • 水解错误的氨酰-tRNA
  • 异亮氨酰-$tRNA^{Ile}$ 合成酶的双重筛选
    1. Leu比Ile大，不能进入合成位点
    2. Val比Ile小，可进入合成位点，但形成的错误 $Val\text{-}tRNA^{Ile}$ 会进入较小的校正位点并被水解
    3. Ile能进入合成位点，但不能进入较小的校正位点，因此得以保留
  • tRNA氨酰化末端核苷酸链具有柔性，可把氨基酸从合成位点送至校正位点；许多aaRS具有此类校正位点
  • 少数aaRS虽无校对功能，也可高度精确选择底物；如Tyr-tRNA合成酶对Tyr的结合能力为Phe的 $10^4$ 倍

核糖体的校对·

  • 蛋白质合成的两个主要易错环节
    1. aaRS把氨基酸连接到tRNA
    2. A位点反密码子与密码子配对
  • 教材在本节所列蛋白质合成误差通常小于 $10^{-5}$
  • 核糖体的校对机制
    • 16S rRNA的两个碱基接触密码子-反密码子螺旋前两个碱基对的浅沟，稳定正确配对
    • 正确配对使氨酰-tRNA稳定在A位点，并以rRNA构象改变触发EF-Tu水解GTP
    • 不配对氨酰-tRNA的解离速度约为正确配对者的5倍
    • 延迟转肽可增加错误tRNA脱离的机会

降低反应速度可提高翻译忠实性。

蛋白质的定位·

定位方式概况·

  • 蛋白质合成后必须被运送到特定区域，才能发挥相应功能
  • 信号肽/导肽序列

    蛋白质中引导其到达特定位置的氨基酸序列。

蛋白质去向 主要合成与转运方式
分泌蛋白、溶酶体蛋白、膜蛋白 在内质网膜结合核糖体上合成，边翻译边穿膜
大部分线粒体、叶绿体蛋白 在胞质游离核糖体上合成，翻译后再输入细胞器
核蛋白 在胞质合成后，经核孔转运入核
细菌分泌蛋白和膜蛋白 可进行共翻译转运或翻译后转运
  • 大肠杆菌蛋白质可留在胞质，也可定位于质膜、外膜、周质空间或分泌到胞外

信号肽和跨膜运输·

内质网信号肽·

  • 真核细胞核糖体起初均游离于胞质
    • 合成胞质、线粒体或叶绿体蛋白的核糖体保持游离
    • 合成分泌蛋白、溶酶体蛋白或膜蛋白时，新生肽信号引导核糖体结合内质网
  • 典型内质网信号肽通常位于新生肽N端，成熟时常被切除
  • 结构特征
    1. 长约10～40个氨基酸残基
    2. N端至少有1个带正电荷的氨基酸
    3. 中部有10～15个高度疏水的氨基酸，疏水区对功能最关键；其中残基被极性氨基酸替换可使信号肽失去功能
    4. C端有信号肽酶识别位点；切点上游常有疏水五肽，第 $-1$、$-3$ 位常为Ala等小侧链氨基酸
  • 信号肽也可位于蛋白质内部，如卵清蛋白第24～45位残基的信号序列可发挥定位作用，但不被切除

SRP介导的共翻译转运·

  • 信号识别颗粒（SRP）：相对分子质量约325 000，由1分子约300 nt的7SL RNA和6种不同多肽组成
  • 两个功能域
    • 识别新生肽的信号肽
    • 干扰氨酰-tRNA进入核糖体及肽基转移酶反应，使翻译暂停或显著减慢
  1. N端信号肽刚伸出核糖体即被SRP识别
  2. SRP同时结合信号肽和核糖体，使肽链延伸暂停或减慢
  3. SRP-核糖体复合物移至内质网，与SRP受体/停泊蛋白结合；受体由69 000的 $\alpha$ 亚基和30 000的 $\beta$ 亚基组成
  4. 翻译恢复，携新生肽的核糖体被送到多肽转运装置，SRP释放回胞质
  5. SRP和SRP受体均结合GTP，二者解离伴随GTP水解
  6. 新生肽在ATP驱动下穿过含核糖体受体蛋白I、II的转运装置，进入内质网腔
  7. 信号肽被信号肽酶切除，肽链继而折叠、糖基化并形成二硫键

蛋白质在信号肽引导下边翻译边穿过内质网膜，称为共翻译转运（cotranslational translocation）。

信号肽识别与内质网共翻译转运

  • 膜蛋白的锚定
    • 肽链C端常有11～25个疏水氨基酸，随后紧接碱性氨基酸
    • 该锚序列使膜上核糖体受体和孔道解聚，停止继续转运，使肽链锚在内质网膜上

细菌蛋白质转运·

  • 细菌也依靠信号肽转运分泌蛋白和膜蛋白，兼有共翻译转运和翻译后转运
  • 细菌SRP途径
    • 教材所列组成为4.5S RNA、Ffh和FtsY蛋白
    • 将携新生肽的核糖体带到内膜转运子，转运子形成肽链通过的孔道
  • Sec转运系统包括SecA、SecB、SecD、SecF和SecYEG
    • SecB：分子伴侣；结合信号肽或其他特征序列，防止肽链继续折叠，并把肽链递送给SecA
    • SecA：位于内膜表面，既是受体，又是转运ATPase
    • SecD和SecG协助SecA作用，SecYEG形成膜转运复合物
  1. SecB保持底物未折叠，并凭借对SecA的高亲和力将其送至膜表面
  2. 多肽链按 $SecB\rightarrow SecA\rightarrow SecYEG$ 的次序转移
  3. SecA水解ATP并改变构象，把肽链逐步推入孔道
  4. 每水解1分子ATP，肽链约前进20个氨基酸残基
  5. 锚序列可使多肽链插入细菌内膜或外膜

细菌Sec蛋白质转运系统


糖基化与蛋白质定位·

  • 蛋白质糖基化主要发生在内质网和高尔基体
  • 内质网中的糖基化位于膜的腔内侧
  • 新生肽进入内质网腔后，可依次发生信号肽切除、折叠、二硫键形成和糖基化

N-连接核心寡糖的形成·

  • 多萜醇磷酸酯是内质网膜上的寡糖载体
  • 核心寡糖由UDP-GlcNAc、GDP-Man和UDPG逐步合成，共含14个残基
  • 完整核心寡糖被转移给蛋白质，以 N-糖苷键连接Asn
  1. 在内质网膜胞质侧的多萜醇磷酸酯上依次加入2个GlcNAc和5个Man
  2. 寡糖由胞质侧转至内质网腔侧
  3. 在腔侧完成14残基核心寡糖的合成
  4. 核心寡糖从载体转移至蛋白质的Asn残基
  5. 多萜醇焦磷酸酯翻回胞质侧，水解除去磷酸基，重新生成多萜醇磷酸酯

N-连接核心寡糖的合成

高尔基体加工和分选·

  1. 内质网形成运输泡，将腔内蛋白送到高尔基体
  2. 高尔基体形成O-连接寡糖，并继续修饰N-连接寡糖
  3. 糖基化蛋白按结构特征被识别和分选
  4. 蛋白质分别进入分泌粒、运输泡或溶酶体，最终被分泌、送至质膜或保留于溶酶体

线粒体和叶绿体蛋白质的定位·

  • 两种细胞器基因组可编码其自身全部RNA，但只能编码少量蛋白质；大部分蛋白由核基因编码
  • 这些核编码蛋白先在胞质游离核糖体上完成合成，再输入细胞器，属于翻译后转运
  • 引导定位的N端序列称导向序列、导肽、前导序列或前导肽

线粒体蛋白质输入·

  • 线粒体前导肽一般长25～35个残基，富含Ser、Thr和碱性氨基酸
  • Hsp70或MSF结合前体蛋白，使其保持未折叠状态
  • 前体与膜受体结合后，经通道蛋白进入线粒体基质
  • 定位能量来自
    • 线粒体Hsp70与ATP水解偶联
    • 线粒体内膜的跨膜电化学梯度
  • 前导肽进入基质后被特异蛋白酶切除，肽链再折叠为成熟蛋白质

连续信号决定最终位置·

  • 线粒体具有外膜、内膜、膜间隙和基质4个定位区域
    1. 第一段信号先引导前体进入基质，随后被切除；基质蛋白到此完成定位
    2. 第一段信号切除后，第二段信号成为N端序列，再把蛋白引导到外膜、内膜或膜间隙
    3. 穿膜时若遇到可使转移停止的疏水肽段，蛋白可锚定在膜内；某些穿过内膜的前体也可加工成膜间隙可溶性蛋白
    4. 完成第二次转运后，第二段信号也被切除
  • 叶绿体前导肽也可分成多个功能肽段
    • 叶绿体蛋白可定位于内外膜、膜间隙、基质、类囊体膜或类囊体腔
    1. 第一段引导前体进入叶绿体基质并被切除
    2. 第二段信号决定前体穿过类囊体膜或再次穿过叶绿体膜
    3. 越膜后第二段信号被切除，形成成熟蛋白质

线粒体和叶绿体蛋白质的定位


核蛋白质的定位·

核孔复合物·

  • 核外膜带有核糖体并与内质网局部相连，核膜间隙可与内质网腔相通
  • 核孔复合物贯穿核被膜，呈8重对称，由上下两圈环状结构组成，每圈含8个亚基
  • 圆环直径约120 nm，中央小孔约10 nm，整个复合物由数百个蛋白质分子组成
  • 离子、核苷酸等水溶性小分子可自由通过
  • 相对分子质量约 $(5\sim50)\times10^3$ 的大分子也可扩散，速度与分子大小成反比
  • 核糖体亚基和核糖核蛋白颗粒等大于20 nm的复合物也可在核孔扩大或自身构象改变后通过
  • RNA输出、蛋白质输入及核质间穿梭的大分子通常进行耗能的主动运输，能量来自ATP或GTP水解

运输受体与定位信号·

运输受体 方向或作用
exportin 将底物输出细胞核
importin 将底物输入细胞核
transportin 在核质间双向转运
  • 运输受体既能识别底物，又能结合核孔蛋白
    • importin $\alpha\beta$：$\alpha$ 亚基结合底物，$\beta$ 亚基结合核孔蛋白
    • 单链受体由不同结构域分别完成两种结合
  • 核定位信号（NLS）：短且富含碱性氨基酸；其上游常有可中断 $\alpha$ 螺旋的Pro
  • 核输出信号（NES）：典型长度约10个氨基酸，并含特定Leu
  • 携NLS或NES的蛋白质可把与其结合的其他蛋白质或RNA一同转运

Ran控制运输方向·

  • Ran是具有GTPase活性的小单体G蛋白，可结合GTP或GDP
  • Ran-GAP位于胞质：促进 $Ran\text{-}GTP\rightarrow Ran\text{-}GDP$
  • Ran-GEF位于细胞核：促进Ran-GDP释放GDP并结合GTP
方向 教材所述过程
核内 $\rightarrow$ 胞质 核内形成底物-受体-Ran-GTP三元复合物；到达胞质后GTP水解，底物与受体解离
胞质 $\rightarrow$ 核内 胞质形成底物-受体-Ran-GDP三元复合物；进入核内后GDP交换为GTP，复合物解离
  • 教材将上述过程称为 Ran控制下的主动扩散过程
  • 核定位信号在运输后不切除，这是其与内质网、线粒体和叶绿体定位信号的重要区别

核蛋白质的运输和定位

蛋白质合成的抑制物·

  • 研究翻译抑制物可用于揭示蛋白质合成机制
  • 部分抑制物可抑制或杀死病原体，用作抗生素或实验室抗菌制剂
抑制物 主要对象 作用方式
春日霉素 原核 抑制 $fMet\text{-}tRNA_f$ 结合，阻止30S起始复合物形成
链霉素、新霉素、卡那霉素 原核 结合30S，阻止起始复合物形成并造成译码错误
四环素 原核 结合30S并封闭A位点，阻止氨酰-tRNA进入
氯霉素 原核 抑制50S的肽基转移酶活性
红霉素、麦迪霉素、螺旋霉素 原核 结合50S，抑制移位
环己酰亚胺 真核 作用于60S，抑制肽基转移酶活性
梭链孢酸 原核和真核 阻止EF-G·GDP从核糖体解离，抑制移位
白喉毒素 真核 使eEF2发生ADP-核糖基化而失活
嘌呤霉素 原核和真核 作为氨酰-tRNA类似物接受肽基，使肽链提前终止
蓖麻毒素 真核 使核糖体大亚基失活

易混抑制机制·

  • 链霉素、新霉素、卡那霉素
    • 改变30S构象，使密码子-反密码子配对变松，增加误读
  • 春日霉素
    • 作用于30S的16S rRNA，专一抑制起始复合物形成，但不引起误读
  • 四环素
    • 四环素族包括金霉素、土霉素和四环素，均通过封闭30S的A位点阻断延伸
    • 真核核糖体也对四环素敏感，但四环素不能穿过真核细胞膜，故不抑制真核细胞蛋白质合成
  • 氯霉素与环己酰亚胺
    • 氯霉素选择性作用于原核50S，也可作用于真核线粒体大亚基，其毒性源于此
    • 环己酰亚胺作用于真核60S
  • 红霉素、麦迪霉素和螺旋霉素属于大环内酯类抗生素；梭链孢酸属于甾环化合物
  • 嘌呤霉素
    • 结构类似氨酰-tRNA的 $3’$ 端，可接受P位点肽酰基
    • 形成的肽酰-嘌呤霉素容易脱离核糖体，使翻译提前终止

蓖麻毒素·

  • 蓖麻毒素是由A、B两个亚基组成的剧毒糖蛋白，二者相对分子质量分别约为 $32\times10^3$ 和 $33\times10^3$
    • B链：植物凝集素，结合细胞表面糖蛋白和糖脂的特异糖部分，介导内吞
    • A链：具有N-糖苷酶活性，使真核28S rRNA特定位点的一个N-腺苷键水解
  1. B链结合细胞表面糖复合物，毒素经内吞进入细胞
  2. A、B链间二硫键打开，A链释放到细胞质
  3. A链催化28S rRNA损伤，使核糖体大亚基失活
  4. 1条A链约可使50 000个核糖体失活，并杀死一个真核细胞

本章名词·

移码突变｜frameshift mutation　⭐真题

指一种突变, 其结果可导致核苷酸序列与相对应蛋白质的氨基酸序列之间的正常关系发生改变。移码突变是由删去或插入一个核苷酸的“点突变”构成的, 突变位点之前的密码子不发生改变, 但突变位点以后的所有密码子都发生变化, 编码的氨基酸出现错误。

校正tRNA｜suppressor tRNA　⭐真题

校正tRNA是一类发生变异的tRNA，其反密码子环碱基或决定tRNA特异性的碱基发生改变，从而改变译码规则。这类tRNA可在错义突变或无义突变位点引入与原来相同或性质相近的氨基酸，恢复或部分恢复蛋白质活性，亦可通过阅读二联体或四联体密码子消除-1或+1移码突变的效应。

嘌呤霉素｜puromycin

嘌呤霉素是一种类似氨酰-tRNA末端的氨基核苷类抗生素。它能作为氨酰-tRNA的类似物进入核糖体A位点，参与转肽反应，使正在合成的肽链过早从核糖体上释放，导致翻译终止。其对原核和真核细胞的蛋白质合成均有抑制作用。

起始复合物｜initiation complex

起始复合物是蛋白质合成起始阶段组装的功能性复合体。在原核生物中，该复合物由30S小亚基、mRNA、fMet-tRNA_f和50S大亚基在起始因子协助下依次结合而成。它的形成标志着翻译起始的完成，并为肽链延伸奠定基础。

同义密码子｜synonymous codon

同义密码子是指编码同一种氨基酸的不同密码子。它是密码子简并性的具体体现，除色氨酸和甲硫氨酸外，每种氨基酸均对应两个或更多同义密码子。同义密码子的存在可以减少有害突变对蛋白质合成的影响。

核糖体结合位点｜ribosome binding site

核糖体结合位点（ribosome binding site）是原核生物mRNA上的一段保守序列，主要负责与核糖体小亚基中的16S rRNA互补配对，从而将核糖体招募至mRNA的正确位置以起始翻译。该位点通常位于起始密码子AUG上游，其典型特征为富含嘌呤的Shine-Dalgarno序列，通过与核糖体的识别与结合，确保翻译起始的准确性和效率。

卡那霉素｜kanamycin

卡那霉素是一种氨基环醇类抗生素，能与原核生物核糖体30S亚基结合，阻止翻译起始复合物的形成，并引起氨酰-tRNA与mRNA密码子配对错误，从而抑制蛋白质合成。其抗性基因编码的卡那霉素激酶可通过磷酸化作用使其失活，常用作选择标记。

抗沉默功能｜anti-silencing

抗沉默功能是指生物体内对抗基因沉默、维持染色质活性状态或恢复沉默基因表达的一系列调控机制，常见于防止异染色质扩散、维持常染色质结构或抵消DNA甲基化等沉默信号，从而确保基因在特定时空正确表达。

链霉素｜streptomycin

链霉素是一种氨基环醇类抗生素,能与原核生物核糖体的30S亚基结合,阻止起始复合物的形成,同时引起核糖体构象改变,使氨酰-tRNA与mRNA密码子配对松弛,易发生错误,从而抑制蛋白质合成。

模块｜module

模块（module）指生物系统中由多个组分构成的、结构和功能相对独立的基本单位。例如，紫色细菌的光合机构由三个基本模块组成，包括一个单反应中心（P870）及其周围的天线色素系统等，这些模块协同完成光能捕获与电子传递等功能。

起始因子｜initiation factor

起始因子是在翻译起始阶段发挥作用的一类蛋白质因子。在原核生物中，它协助30S小亚基、mRNA、fMet-tRNAf和50S大亚基依次结合形成起始复合物，并控制70S核糖体的解离平衡，起抗结合因子作用；其中IF-2负责将起始氨酰-tRNA运送至核糖体。

四联体｜G-quadruplex

四联体（G-quadruplex）是由富含鸟嘌呤的DNA或RNA序列形成的非典型核酸二级结构，其核心单元为多个鸟嘌呤通过Hoogsteen氢键配对构成的G-四分体平面，多个四分体堆叠并由一价阳离子稳定，可参与端粒维持、基因表达调控等过程。

释放因子｜release factor

释放因子是在蛋白质翻译终止阶段发挥作用的一类蛋白质因子，可识别mRNA上的终止密码子，并催化肽酰-tRNA酯键水解，使新合成的多肽链从核糖体释放。在真核生物中，eRF1能识别全部三种终止密码子，其空间结构近似tRNA，进入核糖体A位点后，通过顶端GGQ基序中的谷氨酰胺结合水分子，促进肽酰基转移而水解；eRF3为GTP结合蛋白，协助eRF1作用并水解GTP驱动其离开核糖体。

移位｜translocation

移位（translocation）是在蛋白质合成延伸阶段，核糖体沿mRNA由5’向3’方向移动一个密码子的过程。移位后，肽基-tRNA从A位点移至P位点，脱酰tRNA由P位点转至E位点并脱落。该过程可能通过大、小亚基交错运动形成杂合位点分两步完成，以推动核糖体阅读下一密码子，继续多肽链合成。

忠实性｜fidelity

蛋白质生物合成的高度精确性，一般误差低于10⁻⁵。易出错步骤为氨酰-tRNA合成酶对氨基酸与tRNA的识别，以及核糖体上密码子-反密码子配对。合成酶通过校正功能将前者错误率降至10⁻⁵以下；核糖体则借助译码中心的结构识别与动力学校对机制，增强密码子-反密码子相互作用，从而维持整体忠实性。

氨酰-tRNA合成酶｜aminoacyl-tRNAsynthetase

是一类催化氨基酸与tRNA相结合的特异性酶。

靶定位｜targeting

靶定位是指蛋白质在合成后被转运至特定细胞器（如线粒体、叶绿体）的过程，该过程依赖一段位于N端的信号序列——导向序列或导肽进行引导，以实现跨膜运输。

白喉毒素｜diphtheria toxin

白喉毒素是由白喉杆菌分泌的一种外毒素，可催化真核生物肽链延伸因子eEF-2发生ADP-核糖基化修饰，使其失活，从而阻断蛋白质合成，对真核细胞有强烈毒性。

摆动性｜wobble

摆动性是指在蛋白质翻译过程中，tRNA反密码子与mRNA密码子配对时，前两位碱基严格遵循标准配对，而第三位碱基允许有一定变动（如非标准配对）的现象。它解释了密码子简并性，即一种tRNA能够识别多个同义密码子，反密码子第一位常出现的次黄嘌呤（I）可与U、A、C配对，进一步扩大了识别范围。

伴侣蛋白家族｜chaperone family

伴侣蛋白家族是一类辅助蛋白质正确折叠和寡聚蛋白组装的蛋白质，也称为分子伴侣。它们参与新生肽链的折叠过程，确保蛋白质获得天然构象。

程序性阅读框架移位｜programmed frameshifting

程序性阅读框架移位是翻译过程中核糖体在mRNA特定位置发生“打嗝”或“跳跃”而改变阅读框架的现象，属于RNA再编码的一种方式，可使一条mRNA模板合成不同于原开放阅读框编码的蛋白质。

程序性阅读框架移位和跳跃｜programmed frameshifting and skipping

程序性阅读框架移位和跳跃是翻译过程中核糖体在mRNA特定位点上发生的阅读框架改变现象，属于RNA再编码的一种方式。核糖体遇到特定信号时进行“打嗝”（移码）或“跳跃”，进而以不同于标准三联密码的方式解读遗传信息，可改变编码序列的阅读框架。

多联体｜concatemer

多联体（concatemer）是指由多个相同的DNA分子单元通过头尾相连的方式串联而成的线性多聚体结构，常见于某些病毒DNA复制或滚环复制过程中。在分子克隆中，多联体也可作为外源DNA片段多拷贝插入的中间产物。

多肽转运装置｜peptide transporter

多肽转运装置是位于内质网膜上的蛋白质复合体，负责将带有信号肽的新生肽链从核糖体跨膜转运进入内质网腔或整合到膜中。它识别信号识别颗粒（SRP）所携带的核糖体-新生肽链复合物，使SRP释放后肽链继续延长并穿过膜通道。该装置由核糖体受体和蛋白质传导孔道等成分组成，是共翻译转运过程的核心结构。

翻译后转运｜post-translational translocation

翻译后转运是指蛋白质在细胞质游离核糖体上完全合成后，再被转运到线粒体或叶绿体等细胞器的过程。该过程需要N端信号序列的引导，与内质网上边翻译边转运的共翻译转运方式不同。

翻译移码｜translational frameshift

翻译移码（translational frameshift）是指在蛋白质翻译过程中，核糖体在mRNA的特定位点发生滑动或跳跃，从而改变原有阅读框架的现象。这一过程可由mRNA的特殊序列或结构诱导，导致核糖体在移位时发生-1或+1的位移，使得后续密码子以新的三联体方式解读，产生不同于标准解码的蛋白质产物。翻译移码属于RNA再编码的一种方式，可被校正tRNA通过阅读二联体或四联体密码子所纠正，从而消除移码效应。

范德华引力｜van der Waals force

范德华引力是存在于分子或原子间的弱相互作用力，属于非共价相互作用。在蛋白质折叠过程中，新生肽链借助范德华引力与氢键、离子键等共同作用，形成并稳定天然构象。在酶与底物的识别中，范德华引力参与互补空间结构的形成，促进特异性结合。

共翻译转运｜cotranslational translocation

共翻译转运是指分泌蛋白或膜蛋白在核糖体上合成尚未完成时，即通过信号肽引导、边合成边转运至内质网的过程。其关键步骤是：新生肽链N端的信号肽被信号识别颗粒（SRP）识别，随后核糖体被带到内质网膜上的多肽转运装置，SRP释放，肽链继续延长并穿过膜进入内质网腔或整合到膜中。该方式不同于线粒体等细胞器的翻译后转运。

GrpE｜GrpE

GrpE是一种分子伴侣，作为核苷酸交换因子参与Hsp70（DnaK）伴侣系统循环，通过促进ADP释放和ATP结合来调节底物蛋白的折叠与解聚。

Hsp70｜Hsp70

Hsp70（热休克蛋白70）是一类高度保守的分子伴侣，主要参与蛋白质的折叠、装配、跨膜运输及降解等过程。它通过识别并结合新生多肽链或变性蛋白质暴露的疏水区域，以ATP依赖的方式协助其正确折叠或阻止聚集，并在应激条件下发挥保护作用，维持细胞内蛋白质稳态。

核孔蛋白｜nucleoporin

核孔蛋白是构成核孔复合体的蛋白质组分，参与调控核质之间的物质运输。

核孔复合物｜nuclear pore complex

核孔复合物是嵌在细胞核膜上的大型蛋白质通道复合体，由多种核孔蛋白组装形成八重对称结构，中央为亲水性孔道。它介导细胞核与细胞质之间的物质运输，允许水溶性小分子和离子自由扩散，而对大分子和颗粒物质进行选择性主动转运。核孔复合物是核质间双向运输的关键控点，参与蛋白质入核、RNA及核糖体亚基出核等过程，在基因表达调控中起重要作用。

核输出信号｜nuclear export signal

核输出信号是蛋白质分子内的一段富含亮氨酸等疏水氨基酸的短肽序列，能被核输出受体识别并结合，从而介导蛋白质经核孔复合物从细胞核主动转运到细胞质。

核糖核蛋白质颗粒｜ribonucleoprotein particle

核糖核蛋白质颗粒是由RNA与蛋白质结合形成的复合物，在遗传信息表达中参与RNA加工、翻译调控等过程。

核糖体失活蛋白｜ribosome-inactivating protein

核糖体失活蛋白是一类能够催化核糖体大亚基失活的毒蛋白，常见于植物，如蓖麻毒蛋白。它通常由A链和B链组成，其中A链在进入细胞后释放，可专一性地作用于核糖体大亚基，使其丧失功能，从而抑制蛋白质合成。

核糖体再循环因子｜ribosome recycling factor

核糖体再循环因子是在翻译终止阶段促进核糖体与mRNA及脱酰tRNA解离的蛋白质因子，其功能是完成核糖体循环，为新一轮翻译做准备。在原核生物中，该因子与EF-G协同作用拆分核糖体亚基；在真核生物中，相关的再循环过程涉及ABCE1等因子。

校对功能｜proofreading

校对功能是生物大分子合成过程中确保高精确性的纠正机制。在蛋白质合成中，氨酰-tRNA合成酶通过校正功能将错误氨基酸连接tRNA的概率降至极低；核糖体则依靠译码中心识别正确密码子-反密码子配对，并借助动力学校对使错误配对的氨酰-tRNA在多个步骤脱离。在转录过程中，RNA聚合酶能够向后倒退切除包含错配碱基的RNA片段，然后重新开始合成，从而校正错误。

校对位点｜proofreading site

校对位点是DNA聚合酶或氨基酰-tRNA合成酶中具有校正功能的活性部位，通过切除错误掺入的核苷酸或氨基酸，显著提高复制或翻译的忠实性，确保遗传信息传递的精确性。

抗结合因子｜anti-binding factor

抗结合因子（anti-binding factor）是参与原核生物蛋白质合成起始的一种蛋白质因子。它能与核糖体30S小亚基结合，阻止其与50S大亚基提前结合形成70S核糖体，从而控制核糖体解离平衡，确保起始复合物的正确有序装配。

跨膜蛋白｜transmembrane protein

跨膜蛋白是一类贯穿生物膜脂双层的蛋白质，其肽链中通常含有一段或多段由疏水性氨基酸组成的跨膜α螺旋，使其稳定地锚定在膜上。此类蛋白可参与物质运输、信号转导和能量转换等关键膜功能，如离子通道、载体蛋白和受体等。

冷冻电镜｜cryo-electron microscopy

冷冻电镜是将生物样品快速冷冻在玻璃态冰中，在低温下使用透射电子显微镜成像的技术，可实现近原子分辨率的三维结构解析，无需晶体，适用于复杂的大分子复合物。

酶解加工｜enzymatic processing

酶解加工是指多肽链合成后，由特定蛋白酶催化切除部分氨基酸序列，使蛋白质转变为活性形式的过程。主要包括切除N端甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸、切除信号肽以及将无活性前体蛋白切割为活性形式等。此类加工是翻译后修饰的重要环节，确保蛋白质正确折叠、定位和功能发挥。

胚原型｜embryonic prototype

胚原型指胚胎发育早期出现的原始结构或细胞团，可进一步分化形成特定组织或器官，代表个体发育中形态建成的初始模板。

偏爱密码子｜preferred codon

偏爱密码子是指在简并密码子中，编码同一种氨基酸的多个同义密码子被生物体以非随机的频率选择性使用的现象，反映了特定物种或基因对不同密码子的偏好性。

输出蛋白｜exportin

输出蛋白(exportin)是一类识别并结合带有核输出信号的蛋白质或RNA等货物分子，介导它们从细胞核通过核孔复合体转运到细胞质的核转运受体蛋白。

SRP受体停泊蛋白｜SRP receptor

SRP受体（SRP receptor）是内质网膜上的蛋白质，能识别并与信号识别颗粒（SRP）-核糖体-新生肽链复合物结合，介导核糖体锚定到内质网转运装置，从而启动分泌蛋白或膜蛋白的共翻译转运过程。

三联体｜triplet

三联体（triplet）是遗传密码的基本单位，指信使RNA（mRNA）分子上按5’→3’方向编码、不重叠、无标点的三个相邻核苷酸序列。每个三联体构成一个密码子，对应一种氨基酸或作为翻译的起始（如AUG）与终止（如UAA、UAG、UGA）信号，从而指导蛋白质多肽链的合成。

热激蛋白｜heat shock protein

热激蛋白是一类在应激条件下表达上调的分子伴侣，能帮助其他蛋白质正确折叠，防止变性或聚集，维持细胞蛋白质稳态。例如，热激蛋白Hsp90可与突变蛋白结合，使其按正常方式折叠，从而掩盖潜在的有害突变；其活性降低会导致被掩盖的突变暴露，引发异常表型。在非应激细胞中，Hsp90还与热休克因子HSF1结合，调节应激反应。

羧基端结构域｜carboxy-terminal domain

羧基端结构域（carboxy-terminal domain, CTD）是真核生物RNA聚合酶II最大亚基RBP1的羧基端尾巴，含有许多七氨基酸（YSPTSPS）重复序列。在转录起始时，CTD被磷酸化，促使聚合酶离开启动子并与延伸因子结合，进入转录延伸阶段；转录结束时，CTD去磷酸化，延伸因子解离，转录终止。CTD的磷酸化与去磷酸化是调控转录延伸的关键。

tRNA个性要素｜tRNA identity elements

tRNA个性要素指tRNA分子中被氨酰-tRNA合成酶特异性识别、决定其接受何种氨基酸的结构和序列特征，主要包括反密码子、接纳茎上的特定碱基对及其他部位的识别核苷酸，它们确保氨基酸与tRNA的正确连接，维持翻译的忠实性。

tRNA核苷酰转移酶｜tRNA nucleotidyltransferase

tRNA核苷酰转移酶是一种催化在tRNA前体3’端添加胞苷酸-胞苷酸-腺苷酸（-CCA）序列的酶，该反应是tRNA前体加工成熟的关键步骤之一，确保tRNA具备接受和携带氨基酸的功能。

肽基脯氨酰异构酶｜peptidyl-prolyl isomerase

肽基脯氨酰异构酶是催化蛋白质或多肽中脯氨酸残基的肽键发生顺反异构化的酶，可加速蛋白质折叠过程中限速步骤的进行，从而促进新生多肽链或变性蛋白质的正确折叠。

肽链出口｜peptide exit tunnel

肽链出口是位于核糖体大亚基背面的一个通道出口，通过内部隧道与肽基转移酶活性中心相连。在蛋白质合成过程中，新合成的肽链由此离开核糖体，进入后续折叠或转运途径。

肽酰基｜peptidyl group

肽酰基是指多肽链羧基端的酰基基团，在蛋白质合成中，它通过酯键与tRNA连接形成肽酰-tRNA。在转肽反应时，肽酰基从肽酰-tRNA的tRNA上转移到氨酰-tRNA的氨基上，形成新的肽键；在翻译终止时，肽酰基被水解释放，多肽链从核糖体上脱落。

糖体移码｜ribosomal frameshifting

糖体移码是指在蛋白质合成过程中，核糖体在遇到mRNA上的特定信号时，通过在翻译位点发生“打嗝”或“跳跃”而改变原有三联体阅读框架的现象。该过程属于RNA再编码的一种方式，允许以不同于标准三联体解码的方式翻译遗传信息，从而可能产生不同的蛋白质产物。

通用因子｜general factor

通用因子又称基本转录因子，是一类与启动子核心元件（如TATA框）结合、与RNA聚合酶共同形成转录起始复合物的蛋白质，为RNA聚合酶Ⅱ转录起始所必需，属于组成型转录调控因子。

同义突变｜synonymous mutation

是指碱基的改变不引起氨基酸的改变的突变。

突变蛋白质｜mutant protein

突变蛋白质是由发生突变的基因编码的蛋白质，其氨基酸序列与野生型蛋白质相比存在差异，可能源于错义突变导致氨基酸置换，无义突变使翻译提前终止，或移码突变引起阅读框架改变，通常会造成蛋白质功能改变或丧失。

未负载tRNA｜uncharged tRNA

未负载tRNA指3’端未与氨基酸形成酯键的tRNA分子。在蛋白质合成中，tRNA需经氨酰-tRNA合成酶催化，与相应氨基酸连接成为氨酰-tRNA，未负载状态是负载前或脱酰后的形式。

硒蛋白｜selenoprotein

硒蛋白是一类含有硒代半胱氨酸的蛋白质。在翻译过程中，mRNA中的UGA终止密码子被特异识别为硒代半胱氨酸的编码信号，该识别需要mRNA上存在一段称为硒代半胱氨酸插入序列（SECIS）的二级结构，并由一种携带丝氨酸后转变为硒代半胱氨酸的特殊tRNA介导完成插入。

硒酶｜selenoenzyme

硒酶是一类含有硒代半胱氨酸残基的酶。在翻译过程中，UGA密码子（通常作为终止信号）在特定的mRNA二级结构即硒代半胱氨酸插入序列（SECIS）的指导下被解码为硒代半胱氨酸，使其插入肽链。硒代半胱氨酸由丝氨酸经酶促转化而来，并由特殊的tRNA携带识别。硒酶常以硒代半胱氨酸作为活性中心的关键残基参与催化。

延伸蛋白｜elongin

延伸蛋白是真核生物转录延伸因子SIII，由三个亚基组成，相对分子质量分别约为15 000、18 000和110 000。它在RNA聚合酶Ⅱ延伸阶段与酶结合，参与调节转录延伸过程。

新生霉素｜novobiocin

新生霉素是一种香豆素类抗生素，通过结合细菌DNA旋转酶（拓扑异构酶II）的B亚基，抑制ATP酶活性，从而阻断DNA复制和转录，导致细菌死亡。

信号识别颗粒｜signal recognition particle

信号识别颗粒(signal recognition particle, SRP)是一种能够识别新生肽链氨基端信号肽的核糖核蛋白复合体。在蛋白质合成过程中，SRP与带有信号肽的核糖体结合，将其引导至内质网膜上的多肽转运装置，随后SRP被释放到胞浆中，使新生肽链继续延长并完成跨膜转运。

信号肽酶｜signal peptidase

信号肽酶是催化切除分泌蛋白或膜蛋白N端信号肽的酶。信号肽是位于这些蛋白质氨基端的一段15至30个氨基酸残基的序列，指导新合成的肽链穿越质膜（原核生物）或内质网膜（真核生物）。在跨膜转运后，信号肽酶将信号肽切除，从而释放成熟的蛋白质。

信号序列｜signal sequence

信号序列是蛋白质中一段特定的氨基酸序列，常位于N端，负责引导蛋白质靶向运输至细胞的特定区域（如内质网、线粒体、叶绿体等）。它可被信号识别颗粒识别，参与共翻译或翻译后跨膜转运过程。在引导蛋白质到达正确位置后，信号序列通常会被切除。

遗传霉素｜geneticin

遗传霉素（geneticin，商品名G418）是一种氨基糖苷类抗生素，能与细菌30S核糖体亚基结合从而抑制蛋白质合成。在基因工程中，它常作为选择剂用于筛选表达新霉素磷酸转移酶基因（neo）的真核细胞，因为该酶可通过磷酸化作用使遗传霉素失活，赋予细胞抗性。

香豆霉素｜coumermycin

香豆霉素（coumermycin）是一种香豆素类抗生素，主要抑制细菌DNA促旋酶（拓扑异构酶II）的活性，从而阻断DNA复制，常用于研究DNA拓扑异构酶的功能。

译码中心｜decoding center

译码中心是位于核糖体小亚基的一个功能区域，负责在翻译过程中对mRNA密码子与tRNA反密码子的配对进行忠实性校对。该中心主要由RNA构成，蛋白质起次要作用，其中蛋白质S3、S4和S5可作为解旋酶去除mRNA二级结构，协助A位点tRNA反密码子与mRNA密码子的准确识别与配对。

翼状｜winged

翼状（winged）通常指翼状螺旋-转角-螺旋（winged helix-turn-helix）结构基序，是一种蛋白质结构域，由螺旋-转角-螺旋核心和附加的翼状环或β-折叠片组成，常见于多种转录因子，参与识别和结合特定DNA序列。

运输泡｜transport vesicle

运输泡是细胞内由生物膜形成的封闭小泡，负责在细胞器之间或细胞内外定向运输蛋白质、脂质等物质，其形成和融合依赖膜动力和信号识别。

中央突起｜central protuberance

中央突起是核糖体大亚基顶部的一个突出结构，参与核糖体组装和功能，但具体细节在此未提供。

忠实性校对｜proofreading

忠实性校对是指在蛋白质合成过程中，核糖体小亚基的译码中心对氨酰-tRNA反密码子与mRNA密码子的配对进行监督和筛选的功能，通过识别正确碱基配对及动力学校对机制，使错误配对的氨酰-tRNA在多个步骤脱离，从而确保翻译的高度精确性，使错误率低于10⁻⁵。

终止密码子｜stop codon

终止密码子是信使RNA上不编码任何氨基酸、作为翻译终止信号的三个三联体密码子，即UAA、UAG和UGA。它们位于编码序列的末端，当核糖体沿mRNA移动至终止密码子时，多肽链合成终止并释放完整肽链。在64个密码子中，除61个编码氨基酸外，其余3个为终止密码子，可确保蛋白质合成的正确终止。在极少数特殊情况下，如硒代半胱氨酸掺入时，UGA可被重编码为有意义密码子，但通常仅作为终止信号。

转肽反应｜transpeptidation

转肽反应是蛋白质合成延伸阶段的关键步骤，指在核糖体大亚基上，由 rRNA 催化，将 P 位肽酰-tRNA 上的肽链转移至 A 位氨酰-tRNA 的氨基上，形成新的肽键，使肽链延长一个氨基酸残基。此反应无需蛋白质酶参与，是核酶催化的核心反应之一。转肽后核糖体随即沿 mRNA 移位，进入下一延伸循环。