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1、蛋白质的生物合成 （翻译） Protein Biosynthesis，Translation,第 十 二 章,蛋白质生物合成（翻译）,蛋白质生物合成是指以mRNA为模板合成蛋白质多肽链的过程；多肽链中的氨基酸排列顺序是由模板mRNA中的密码子决定的，因此这一过程又称翻译。,1,DNA,RNA,蛋白质,转录,翻译,逆转录,复制,遗传信息传递 的中心法则：,蛋白质的生物合成 （翻译）,翻译后的修饰,蛋白质合成后 的定向运输,抗菌药物,（-）,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、
2、GTP、无机离子,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) 。 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 (19611965年
3、 Marshall Nirenberg等1968年 Robert W. Holley，Har Gobind Khorana，Marshall W. Nirenberg）,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 codon)。,起始密码(initiation codon): AUG （GUG少数原核）,终止密码(termination codon): UAA，UAG，UGA,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
4、阅读框架(open reading frame, ORF)。,5.UAAAGGGUAUG.UAAAGAAAGA3,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。,UAAGAUGAACAGCUUAUGAUGC,AUG,AGC,AAC,UUA,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)。,赏花归去马如飞， 去马如飞酒力微。 酒力微醒时已暮， 醒时已暮赏花归。,赏花归去马如飞酒力微醒时已暮 采莲人在绿杨津一阙新歌声嗽玉,重叠基因 （噬菌体、线粒体DN
5、A 、质粒DNA、细菌染色体、病毒）,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。,目 录,简并性(degeneracy),目 录,偏爱性,大肠杆菌核糖体蛋白中亮氨酸（89）使用频率 1209个密码子 UUA UUG CUU CUC CUA CUG 1 2 4 3 0 79,3. 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。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,4. 摆动性(wobble),转运氨基酸
6、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,目 录,密码子、反密码子配对的摆动现象,二、核蛋白体是多肽链合成的装置,目 录,1950年，,不同细胞核蛋白体的组成,核蛋白体的组成,目 录,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),目 录,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,tRNA与酶结合的模型,tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,
7、ATP,氨基酸,（一）氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi,目 录,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,目 录,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。 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
8、,（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)。,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,（一）原核生物翻译起始复
9、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-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,目 录,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,目 录,S-D序列 （Shine-Dalgarno序列，核蛋白体结合位点）,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基,目 录,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,目 录,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,目 录,（二）真核生物翻译起始复合物形成,核蛋
10、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。,eIF-3,eIF-2B,1. 核蛋白体大小亚基分离,目 录,60S,40S,eIF-6,IF-1,2.起始氨基酰-tRNA结合,IF-6,40S,IF-3,3. mRNA在小亚基定位结合,目 录,eIF-6,40S,eIF-3,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,目 录,目 录,40S,Met,5帽子,3PolyA尾,终止密码子,AUG,60S,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
11、，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,肽链合成的延长因子,又称注册(registration),（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。 核蛋白体对氨基酰-tRNA进位具有校正作用,目 录,延长因子EF-T催
12、化进位（原核生物）,目 录,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,目 录,（二）成肽,是由（数种大亚基蛋白）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( translocase )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 。,fMet,fMet,目 录,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
13、，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,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,RF,目 录,核蛋白体循环（广义）：,指核蛋白体从肽链合成起始到肽链合成终止释放后，又重新合成新的肽链的循环过程。,翻译的能量消耗： 活化 ：2ATP 进位 1GTP 转位 1
14、GTP 合成一个AA至少需要 4 ATP,多聚核蛋白体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,目 录,电镜下的多聚核蛋白体现象,目 录,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
15、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(motif)、结构域(domain)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GrpE族 2. 伴侣素(chaperonins) GroEL(Hsp60)和GroES(hsp10)家族,分子伴侣,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。,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
