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1、蛋白质的生物合成 翻译 第12章 ProteinBiosynthesis Translation 蛋白质生物合成的概念 蛋白质生物合成 proteinbiosynthesis 也称翻译 translation 是生物细胞以mRNA为模板 按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程 定义 1 氨基酸的活化 2 肽链的生物合成 3 肽链形成后的加工和靶向输送 反应过程 本章重要知识点 翻译的概念mRNA tRNA 核蛋白体的作用遗传密码的特点氨基酰 tRNA合成酶的作用特点原核生物翻译过程分子伴侣的作用 翻译后修饰的形式信号肽及其作用 各类蛋白质靶向输送的特点抗生素 毒素和
2、干扰素抑制翻译的机制 第一节蛋白质生物合成体系 ProteinBiosynthesisSystem 基本原料 20种编码氨基酸模板 mRNA工厂 核蛋白体卡车 tRNA5 主要酶和蛋白质因子 氨基酰 tRNA合成酶 转肽酶 起始因子 延长因子 释放因子等6 能源物质 GTP ATP7 无机离子 Mg2 K 蛋白质生物合成体系 一 mRNA是蛋白质生物合成的直接模板 mRNA的基本结构 从mRNA5 端起始密码子AUG到3 端终止密码子之间的核苷酸序列 称为开放阅读框架 openreadingframe ORF 原核生物的多顺反子 真核生物的单顺反子 遗传密码 在mRNA的开放阅读框架区 以每3
3、个相邻的核苷酸为一组 代表一种氨基酸 或其他信息 这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子 起始密码子 initiationcodon AUG终止密码子 terminationcodon UAA UAG UGA 密码子 codon 起始密码子和终止密码子 遗传密码表 遗传密码的特点 1 方向性 directional 翻译时遗传密码的阅读方向是5 3 即读码从mRNA的起始密码子AUG开始 按5 3 的方向逐一阅读 直至终止密码子 2 连续性 non punctuated 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读 密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉 基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基
4、发生插入或缺失 可能导致框移突变 frameshiftmutation 许多真核生物基因转录后有一个对mRNA外显子加工的过程 可通过特定碱基的插入 缺失或置换 使mRNA序列中出现移码突变 错义突变或无义突变 导致mRNA与其DNA模板序列不匹配 使同一前体mRNA翻译出序列 功能不同的蛋白质 这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑 mRNAediting 3 简并性 degenerate 一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码 这一特性称为遗传密码的简并性 除色氨酸和甲硫氨酸仅有1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 为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密
5、码子 也称同义密码子 各种氨基酸的密码子数目 4 通用性 universal 从简单的病毒到高等的人类 几乎使用同一套遗传密码 因此 遗传密码表中的这套 通用密码 基本上适用于生物界的所有物种 具有通用性 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 5 摆动性 wobble 反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律 这种现象称为摆动配对 wobblebasepairing U 321 123 摆动配对 二 核蛋白体是蛋白质生物合成的场所 核蛋白体的组成 核蛋白体又称核糖体 是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖
6、核蛋白颗粒 是蛋白质生物合成的场所 不同细胞核蛋白体的组成 核蛋白体的组成 原核生物核蛋白体结构模式 三 tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器 tRNA的作用 运载氨基酸 氨基酸各由其特异的tRNA携带 一种氨基酸可有几种对应的tRNA 氨基酸结合在tRNA3 CCA的位置 结合需要ATP供能 充当 适配器 每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座 二级结构 三级结构 反密码环 氨基酸臂 tRNA的构象 四 蛋白质生物合成需要酶类 蛋白质因子等 一 重要的酶类 氨基酰 tRNA合成酶 aminoacyl tRNAsynthetase 催化氨基酸的活化
7、 转肽酶 peptidase 催化核蛋白体P位上的肽酰基转移至A位氨基酰 tRNA的氨基上 使酰基与氨基结合形成肽键 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 二 蛋白质因子 起始因子 initiationfactor IF 延长因子 elongationfactor EF 释放因子 releasefactor RF 参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能 参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能 蛋白质生物合成的能源物质为ATP和G
8、TP 参与蛋白质生物合成的无机离子有Mg2 K 等 三 能源物质及离子 第二节氨基酸的活化 ActivationofAminoAcids 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 tRNA的三级结构示意图 一 氨基酰 tRNA合成酶 aminoacyl tRNAsynthetase 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
9、合成酶具有校正活性 proofreadingactivity 氨基酰 tRNA的表示方法 Ala tRNAAlaSer tRNASerMet tRNAMet 氨基酰 tRNA合成酶 结构 氨基酰 tRNA合成酶的3个结合位点 氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷 氨基酰转移到tRNA上 tRNA负载了氨基酸 氨基酰 tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性 特性 氨基酰 tRNA的表示方法 丙氨酰 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
10、 tRNA氨基酸的三字母缩写 例如 具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后 甲硫氨酸很快被甲酰化为N 甲酰甲硫氨酸 N formylmethionine fMet 于是形成N 甲酰甲硫氨酰 tRNA fMet tRNAfMet 可以在mRNA的起始密码子AUG处就位 参与形成翻译起始复合物 起始密码子只能辨认fMet tRNAfMet 原核生物 起始氨基酰 tRNA fMet tRNAfMet fMet tRNAfMet的生成是一碳化合物转移和利用的过程之一 反应由转甲酰基酶催化 甲酰基从N10 甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的 氨基上 二 真核生物起始氨基酰 tRNA是Met tRNAi
11、Met 起始氨基酰 tRNA Met tRNAiMet 参与肽链延长的甲硫氨酰 tRNA Met tRNAMet 真核生物 为表示区别 RNA下标 i 第三节肽链的生物合成过程 TheBiosynthesisProcessofPeptideChain 翻译 肽链的生物合成过程 从mRNA的起始密码子AUG开始 按5 3 方向逐一读码 直至终止密码子 于是 合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始 从N端 C端延长 直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸 起始 initiation 延长 elongation 终止 termination 整个过程可分为 一 原核生物的肽链合成过程 一 起始 指mRNA
12、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的过程 1 核蛋白体大小亚基分离 2 mRNA在小亚基定位结合 3 起始氨基酰 tRNA的结合 4 核蛋白体大亚基结合 IF 3 IF 1 1 核蛋白体大小亚基分离 IF 3 IF 1 2 mRNA在小亚基定位结合 原核生物mRNA在核蛋白体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制 在各种mRNA起始AUG上游约8 13核苷酸部位 存在一段由4 9个核苷酸组成的一致序列 富含嘌呤碱基 如 AGGAGG 称为Shine Dalgarno序列 S D序列 又称核蛋白体结合位点 ribosomalbindingsite RBS 一条多顺反子mR
13、NA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S D序列和起始AUG S D序列 小亚基中的16S rRNA3 端有一富含嘧啶碱基的短序列 如 UCCUCC 通过与S D序列碱基互补而使mRNA与小亚基结合 mRNA序列上紧接S D序列后的小核苷酸序列 可被核蛋白体小亚基蛋白rpS 1识别并结合 IF 3 IF 1 3 起始氨基酰tRNA fMet tRNAfMet 结合到小亚基 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 IF 3 IF 1 IF 2 GTP GDP Pi 起始复合物形成过程 指在mRNA模板的指导下 氨基酸依次进入核蛋白体并聚合成多
14、肽链的过程 1 进位 positioning 注册 registration 2 成肽 peptidebondformation 3 转位 translocation 二 延长 肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行 又称为核蛋白体循环 ribosomalcycle 包括以下三步 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基 1 进位 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蛋白体A位的过程 进位需要延长因子EF Tu与EF Ts参与 Tu Ts GTP GDP Tu Ts GTP 进位的反应过程 2 成肽 成肽是在转肽酶 peptidase 的催化下
15、 核蛋白体P位上起始氨基酰 tRNA的N 甲酰甲硫氨酰基或肽酰 tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰 tRNA的 氨基结合形成肽键的过程 成肽的反应过程 3 转位 转位是在转位酶的催化下 核蛋白体向mRNA的3 端移动一个密码子的距离 使mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A位 而占据A位的肽酰 tRNA移入P位的过程 转位需要延长因子EF G参与 EF G有转位酶 translocase 活性 可结合并水解1分子GTP 释放的能量促进核蛋白体向mRNA的3 侧移动 使起始二肽酰 tRNA mRNA相对位移进入核蛋白体P位 而卸载的tRNA则移入E位 转位 fMet fMet 成肽
16、 转位 下一轮进位 肽链合成延长 核蛋白体循环 过程 三 终止 指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后 多肽链合成停止 肽链从肽酰 tRNA中释出 mRNA 核蛋白体大 小亚基等分离的过程 终止阶段需要释放因子RF 1 RF 2和RF 3参与 RF 3可结合核蛋白体其他部位 有GTP酶活性 能介导RF 1 RF 2与核蛋白体的相互作用 释放因子的功能 识别终止密码子 RF 1特异识别UAA UAG RF 2特异识别UAA UGA 诱导转肽酶转变为酯酶活性 催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解 使肽链从核蛋白体上释放 原核肽链合成终止过程 多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度 高效率进行 四 多聚核蛋白体 polysome 1条mRNA模板链都可附着10 100个核蛋白体 这些核蛋白体依次结合起始密码子并沿5 3 方向读码移动 同时进行肽链合成 这种mRNA与多个核蛋白体形成的聚合物称为多聚核蛋白体 polysome 多聚核蛋白体 电镜下的多聚核蛋白体 二 真核生物的肽链合成过程 一 起始 1 核蛋白体大小亚基分离 2 起始氨基酰 tRNA的结合 3 mRNA在小
