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1、第十七章 蛋白质的生物合成（翻译） Protein synthesis，Translation 生化教研室 崔安芳 mRNA 蛋白质的生物合成过程就是将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)。 n第一节 蛋白质生物合成体系 n第二节 氨基酸与tRNA的连接 n第三节 肽链的生物合成过程 n第四节 蛋白质合成后加工和靶向输送 n第五节 蛋白质生物合成的干扰和抑制 本章主要内容 蛋白质生物合成的体系 Protein Biosynthesis System 第 一 节 蛋白质合成的模板： 模板与氨
2、基酸之间的接合体： 蛋白质合成的场所：核糖体 mRNA tRNA 酶及众多蛋白因子 如IF、eIF 能量：ATP、GTP 蛋白质合成的原料： 20种氨基酸 一、mRNA是蛋白质生物合成的信息模板 mRNA结构简图 l 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 1968 Nobel Prize in Physiology
3、 并受释放因子的作用后发生变构，表现出 酯酶的水解活性，使P位上的肽链与tRNA分离； 转位酶(translocase)，催化核蛋白体向mRNA3-端移 动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。 目录 36 起始因子（initiation factor，IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF） 目录 37 参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能 种类生物学功能 起始因子IF-1 占据核糖体A位，防止A位结合其他tRNA IF-2促进fMet-tRNAfMet与小亚基结合 IF-3促进大、小亚基分离；提高P位对结
4、合fMet- tRNAfMet的敏感性 延长因子EF-Tu 促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并分解GTP EF-TsEF-Tu的调节亚 基 EF-G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 释放因子RF-1特异识别 UAA、UAG，诱导转肽 酶转变为酯 酶 RF-2特异识别 UAA、UGA，诱导转肽 酶转变为酯 酶 RF-3具有GTP酶活性，介导RF-1及RF-2与核糖体的相 互作用 参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能 种类生物学功能 起始因子eIF-1 多功能因子，参与翻译的多个步骤 eIF-2促进Met-tRNAiMet与小亚基结合
5、 eIF-2B结合小亚基，促进大、小亚基分离 eIF-3结合小亚基，促进大、小亚基分离；介导eIF-4F复合物-mRNA 与小亚基结合 eIF-4A eIF-4F复合物成分；有RNA解螺旋酶活性，解除mRNA 5-端的 发夹结 构，使其与小亚基结合 eIF-4B结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUG eIF-4EeIF-4F复合物成分，识别结 合mRNA 的5帽结构 eIF-4G eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和PAB eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离 eIF-6促进大、小亚基分离 延长因子eIF1- 促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP，相当于EF-
6、Tu eIF1-调节亚 基，相当于EF-Ts eIF-2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，相当于EF-G 释放因子eRF 识别 所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能 第二节 氨基酸的活化 20种不同的氨基酸在氨酰-tRNA合成酶作用下 分别与相应的tRNA发生酯化反应，生成氨酰- tRNA 目录 40 第二节 氨基酸与tRNA的连接 目录 41 氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的 过程称为氨基酸的活化。 参与氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合成酶。 氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰-t
7、RNA合成酶 一、氨基酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和 tRNA l氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和 tRNA都有高度特异性。 第一步反应 氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi n步骤 第二步反应 氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E ATP l氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度 特异性。 l氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity)当发生错配时，可以水解酯键，再重新 与正确的底物结合。 l蛋白质合成的错误率在1/10000，比DNA合成错误率 高很多。 目录 48 n氨基酰-tRNA的表示方法 丙氨
8、酰-tRNA：Ala-tRNAAla 精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg 甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet 各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的 氨基酰-tRNA表示为： 氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写 例如： n氨基酰-tRNA的书写： nAla-tRNAAla nMet-tRNAMet nfmet-tRNAfmet nMet-tRNAiMet 真核生物： Met-tRNAiMet(initiator-tRNA) 原核生物： fMet-tRNAfMet (N-formyl methionine) 与甲硫氨酸结合的tRNA，在真核生物中至少有两 种：tRNA
9、imet和tRNAmet ； 原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸 ，即N-甲酰甲硫氨酸（ fMet ）。 二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨基 酰-tRNA 肽链的生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis 第 三 节 52 l翻译过程包括起始（initiation）、延长 （elongation）和终止（termination）三 个阶段。 l真核生物的肽链合成过程与原核生物的 肽链合成过程基本相似，只是反应更复 杂、涉及的蛋白质因子更多。 l起始(initiation) l延长(elongation) l终止(termination ) 一
10、、原核生物的肽链合成过程： 模板mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体 结合而形成翻译起始复合物的过程。 一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成 （一）原核生物翻译起始复合物的形成 55 需要 1. 30S小亚基 2. mRNA 3. 起始fMet - tRNAfMet 4. 起始因子(IF1,IF2,IF3) 5. ATP，GTP 6. 50S大亚基 起始过程： 1. 核糖体大小亚基分离； 2. 核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子 附近； 3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位 ； 4. 核糖体大亚基结合形成起始复合物。 IF-3 IF-1 1. 核糖体大小亚基分离 防止大亚
11、基过早结合 A U G53 IF-3 IF-1 mRNA如何准确定位？ 2. 核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近 S-D序列：mRNA起始密码上游的一段富含嘌 呤碱基的特殊保守序列，可与核糖体小亚基 16S-rRNA上富含嘧啶碱基的短序列相结合。 起始AUG由于与S-D序列邻近而与其它的AUG区别开来 Shine-Dalgarno sequence 61 lmRNA上邻近RBS下游，还有一段短核苷酸 序列，可被小亚基蛋白rpS-1识别并结合。 l通过上述RNA-RNA、RNA-蛋白质相互作 用，小亚基可以准确定位mRNA上的起始 AUG。 IF-3 IF-1 IF-2 GTP 3. f
12、Met-tRNAfMet结合在核糖体P位 A U G53 防止fMet-tRNAfMet进入A位 IF-3 IF-1 IF-2 GTPGDP Pi 4. 核糖体大亚基结合形成起始复合物 AUG 53 IF-3 IF-1 AUG 53 IF-2 GTP IF-2GDP Pi 翻译起始复合物：完整核糖体mRNAfMet-tRNAfMet （二）真核生物翻译起始复合物的形成 1. 核糖体大小亚基分离； 2. Met-tRNAiMet定位结合于小亚基P位； 3. mRNA与核糖体小亚基定位结合； 4. 核糖体大亚基结合。 metmet 40S40S 60S60S MeMet t MetMet 40S4
13、0S 60S60S mRNA eIF-2BeIF-2B、eIF-3eIF-3、 eIF-6 GDP+Pi 各种各种elFelF释放释放 elF-5 ATP ADP+Pi 帽子结合蛋白复合物（ elF4E, elF4G, elF4A）, elF4B,PAB Met Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP 图-真核生物翻译起 始复合物形成过程 66 67 真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂 ； 起始因子有数十种（命名较混乱），但只有2种 延长因子和1种终止因子。 起始氨基酸为Met，不是fMet。（如何与内部 Met区别？） 肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首先识别 mRNA的5端
14、-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG； 68 eIF-2B, eIF-3促进大小亚基分离（未显示） Met-tRNAiMet在结合了GTP的eIF2等起始因子协助下 结合于40S小亚基P位。 eIF4F复合物（组组成：eIF4E, eIF4G, eIF4A）结结合于 mRNA 5- CAP。 40s小亚基在eIF3协助下与mRNA及eIF4G结合。 真核生物翻译起始前复合物的形成： Met 69 ATP水解释放能量推动翻译 起始前复合物向3端前进“扫 描”，使Met-tRNAiMet准确定 位在起始密码子（机制？） eIF5促使结合于eIF2上的 GTP水解，并促使起始因子 的解离。 60S大
15、亚基加入，形成完整 80S核蛋白体，翻译开始。 Met Met Met 70 Kozak序列 Marilyn Kozak Kozak序列是位于真核生物mRNA 5端帽子结构后面的一段核酸序列 ，通常是ACCACCAUGG，为18S rRNA提供识别和结合位点。对应 于原核生物的SD序列。 真核生物翻译起始复合物 Pab1p 72 l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。 二、在核糖体上重复进行的三步反应 延长肽链 根据mRNA密码序列的指导，次序添 加氨基酸，从N端向C端延伸肽链，直到 合成终止的过程，又称核糖体循环。 n 包括
16、以下三步： 1. 进位 (entrance) 2. 成肽 (peptide bond formation) 3. 转位 (translocation) 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。 n 延长过程所需的蛋白因子称为延长 因子(elongation factor, EF) l真核生物：eEF-1 、 eEF-1 、 eEF-2 目录 75 1. 进位（entrance） 又称注册(registration)， 是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进 入并结合到核糖体A位的过程。 目录 76 真核生物肽链延长过程 目录 77 2.成肽 成肽是指肽基转移酶（转肽酶）催化两 个氨基酸间肽键形成的反应。 肽基转移酶的化学本质：RNA，属于一种 核酶。 成肽 由转肽酶（rRNA核酶）催化的 肽键形成过程 目录 79 真核生物肽链延长过程 目录 80 3. 转位 指的是核糖体沿着mRNA的移位。 移位
