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1、第十四章蛋白质的生物合成-翻译(translation),遗传密码 蛋白质合成的分子基础 蛋白质合成的分子机制 氨基酸的活化 肽链合成的起始 肽链合成的延长 肽链合成的终止和释放,2,中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息,到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译(translation)。 翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白质构成核糖体，是合
2、成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为NC端。,3,遗传信息流动示意图,4,5,一、 遗传密码（genetic code) 1 、概念 遗传密码: DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。 密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码 (triplet coden)。 。,遗 传 密 码 表,7,2. 遗传密码的基本特点,密码子是近于完全通用(universal)的。 密码间无标点符号且相邻密码子互不重叠。 密码的简并性(degeneracy) ：由一种以上密码子编码同一个 氨基
3、酸的现象称为简并，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(Synonymous codon)。 密码子的摆动性(wobble) :转运氨基酸的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。 64组密码子中，AUG既是的密码，又是起始密 码；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子：UAG、UAA、UGA。,基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致移码突变(frameshift mutation)。,插入,缺失,9,密码子、反密码子配对的摆动现象,10,二、蛋白质合成的分子基础,核
4、糖体是蛋白质合成的工厂 tRNA是氨基酸的转运工具,mRNA是模板,11,（一）mRNA是蛋白质合成的模板,mRNA(messenger RNA)是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。 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) 。,12,原核细胞mRNA的结构特点,5,3,先导区,AGGAGGU,SD区,半衰期短 许多原核生物mRNA以多顺反子
5、形式存在 AUG作为起始密码；AUG上游712个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区， 16S rRNA3- 端反向互补而使mRNA与核糖体结合。,13,SD序列(shine-Dalgarno序列):-原核生物 1.位于起始密码上游约10个核苷酸处， 2.序列富含嘌呤(如AGGA /GAGG） 3.能和原核生物核糖体小亚基的16s rRNA相应 互补。 4.在IF3、IF1促进下和30S亚基结合。,14,起始密码,SD序列,15,真核细胞mRNA的结构特点,m7G-5ppp-N-3 p,帽子结构功能 使mRNA免遭核酸酶的破坏 使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因
6、子所识别，从而促进蛋白质的合成。,Poly(A)尾巴的功能 是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式 它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性,AAAAAAA-OH,16,(二). tRNA（transfer ribonucleic asid） tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。,1.tRNA的结构: (1) 3端的氨基酸结合位点 (2) 识别氨酰-tRNA合成酶位点 (3) 核糖体识别位点 (4) 反密码子,18,2.反密码子与密码子的”摆动配对”,19,密码,mRNA,5,3,3,5,反密码
7、,tRNA,G,C,U,C,G,I,C,A,tRNA的反密码子与mRNA分子上的密码子摆动配对,1,2,3,1,2,3,自由度的大小由tRNA反密码子第一位碱基的种类决定,20,3、”第二套遗传密码”,贮存在mRNA的遗传密码称为第一套遗传密码 氨酰-tRNA合成酶只催化一种氨基酸和其相对应的一种和几种tRNA结合. 原核细胞内至少有32种tRNA tRNA分子上某些碱基能决定其携带氨基酸的专一性. 氨酰-tRNA合成酶和tRNA之间的相互作用和tRNA分子中某些碱基对决定携带专一氨基酸的作用称为第二套遗传密码,21,(三)、核糖体,1.核糖体的组成,22,2.核糖体的结构,原核细胞70S核糖
8、体的A位、P位及mRNA结合部位示意图,30S,23,25,三 蛋白质合成的分子机制（原核生物）,氨基酸的活化 肽链合成的起始 肽链的延长 “核糖体循环” 肽链合成的终止 蛋白质的加工、修饰,26,(一)、氨基酸的活化,在氨酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)的催化下进行,27,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨酰-AMP-E PPi,28,第二步反应,氨酰-AMP-E tRNA 氨酰-tRNA AMP E,29,tRNA与酶结合的模型,tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,ATP,30,(二)、肽链合成的起始复合物的形成,1.所需的条件,游离的核糖体大小亚基
9、mRNA 5端的起始信号 起始fmet-tRNAmet GTP 三种可溶性起始因子(initiation factors IF),31,2.N-甲酰甲硫氨酰-tRNAtMet的形成,转甲酰基酶,N10-甲酰FH4,FH4,Met-tRNAtMet,fMet-tRNAtMet,32,3.三种起始因子 IF1 IF2 IF3,辅助IF3 有GTP酶活性 特异识别fmet-tRNAimet 形成fmet-tRNAimet- IF2-GTP 促进30S小亚基结合mRNA 终止时：促使核糖体解离,33,1.核糖体亚基的拆离 2.mRNA在小亚基上就位 3.fmet-tRNAfmet的结合,起始序列（SD
10、 序列） 30S小亚基与mRNA识别、结合 IF1、IF3协助 fmet-tRNAfmet -IF2-GTP 通过其反密码与mRNA上的起始密码AUG相配对,4.30s起始复合物形成,34,IF3脱落 50S大亚基结合 GTP GDP+Pi IF2、IF1脱落,大小亚基 mRNA fmet-tRNAimet （结合于核糖体的P位）,5.70s起始复合物形成,70s起始复合物组成,IF-3,IF-1,核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,mRNA在小亚基定位结合,IF-3,IF-1,起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP
11、,Pi,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,30S,50S,41,(三).肽链的延长（进位、成肽、移位）,所需的条件,70S起始复合物 延长tRNA转运氨基酸 延长因子(elongation factors EF) GTP,肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，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) 移位(translocation),42,1. 进位 氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，进入核糖体的受位。又称注
12、册(registration),参与的延长因子 EF-Tu：协助AA-tRNA进入A位具有GTP酶活性 EF-Ts：促进EF-Tu的再利用,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,45,2. 成肽,酶 肽键 位置,肽酰基转移酶（大亚基） P位：f-met-（肽酰）的-COO- + A位：氨基酰的-NH4+ 形成肽键 A位：反应在此位上进行 （P位上的f-met退至A位） 生成的二肽在A位上。 P位：无负载tRNA,47,3. 移位 在A位的二肽链连同mRNA从A位进入P位,酶 位置 方向 结果,移位因子-EFG 有GTP酶活性 协助核糖体沿mRNA前移,游离tRNA释放 P位：肽-tR
13、NA-mRNA A位：空留,下一个氨酰-tRNA进入 mRNA： 从5 3 移动 1个带有肽链的tRNA：从A位 B位 肽链合成： 从N端 C端延长 P位上无负载的tRNA在肽键形成前从E位脱落。,48,fMet,fMet,50,合成中能量的消耗,70S复合物形成时的能量消耗 延长时的能量消耗,活化:2个ATP 70S复合物形成时消耗1个ATP 每合成一个肽键， 消耗4个高能磷酸键 活化：2个ATP 进位：1个GTP 移位：1个GTP,51,(四). 肽链合成的终止和释放,终止密码的辨认 肽链从肽酰-tRNA水解出 mRNA从核糖体中分离及大小亚基的拆开 终止因子(release factor
14、s)的参与,UAA、UAG、UGA GTP GDP+Pi IF3结合30小亚基 RF1：作用于UAA、UAG RF2：作用于UGA RF3：促进释放 结合GTP/GTP酶活性,RF,53,多核糖体,一条mRNA链上同时具有许多个核糖体 （每隔80核苷酸有一个核糖体） 一条mRNA可同时合成多条多肽链,54,(五).翻译后加工,一级结构的修饰: N-端Met(fMet)去除 二硫键的形成 个别氨基酸的修饰 蛋白质前体中不必要肽段的切除 多蛋白的加工,羟化作用:羟脯氨酸 羟赖氨酸 酶活性中心的磷酸化 分泌性蛋白 一条合成后的多肽链经加工产生多种不同活性的蛋白质/多肽,55,分泌性蛋白的加工,分泌性
15、蛋白合成时带有“信号肽”（signal peptide) 有些蛋白质前体在合成结束后仍需切除其他肽段 例如：胰岛素的加工,56,信号肽(signal peptide): (1)在真核生物未成熟分泌性蛋白质中,可被 细胞转运系统识别的特征性氨基酸序列, 约15-30 AA(含疏水AA较多)。 (2)作用：把合成的蛋白质移向粗面内质网膜 与粗面内质网膜结合(信号肽颗粒识别、结合) 把合成的蛋白质送入粗面内质网膜 (3)信号肽对靶向输送有决定作用。,57,信号肽颗粒识别、结合,胞浆,带有信号肽的分泌蛋白,粗面内质网,通道识别,信号肽酶切除信号肽,肽链合并,高尔基体,进一步加工,分泌出胞外,带有信号肽
16、的分泌性蛋白的加工、分泌的过程,SRP:信号识别体,信号肽的识别过程,胰岛素的加工过程,多蛋白的加工,一条合成后的多肽链经加工产生多种不同活性的蛋白质/多肽,61,高级结构的修饰: 亚基的聚合 结合蛋白质的合成 辅基连接,HbA亚单位聚合 糖蛋白的合成 辅基(辅酶)与肽链的结合,62,四.真核生物翻译的特点：,核糖体 起始tRNA 合成过程 线粒体,原核生物 简单 fmet-tRNAimet 需ATP、GTP IF1、IF2、IF3 EF-TU、EF-TS、EFG RF1、RF2、RF3,真核生物 大而复杂 Met-tRNAimet 需ATP 起始因子多 延长因子少 （EFT1、EFT2） 一种释放因子 独立的蛋白质合成系统,63,五. 蛋白质合成与医学,(一)、分子病： 蛋白质分子中氨基酸序列异常的遗传病。 例如：镰刀
