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1、1,蛋白质的生物合成(翻译)Protein Biosynthesis,Translation,第 十 二 章,2,蛋白质的生物合成,即翻译,就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息,通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。,3,蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System,第 一 节,4,20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子,如IF、eIF ATP、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) tRN
2、A(transfer RNA, 转移RNA),5,一、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) 。,6,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,目 录,7,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(trip
3、let coden)。,起始密码(initiation coden): AUG,终止密码(termination coden): UAA,UAG,UGA,8,遗传密码表,目 录,9,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,称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。,10,1. 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。,11,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 mutat
4、ion)。,12,2. 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,13,2. 简并性(degeneracy),目 录,14,3. 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。 已发现少数例外,如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,15,4. 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。,16,U
5、,摆动配对,目 录,17,密码子、反密码子配对的摆动现象,18,二、核蛋白体是多肽链合成的装置,目 录,19,不同细胞核蛋白体的组成,20,核蛋白体的组成,目 录,21,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,22,三、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,23,tRNA的三级结构示意图,24,(一)氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,25,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E
6、AMP PPi,目 录,26,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,目 录,27,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,28,真核生物: Met-tRNAiMet 原核生物: fMet-tRNAifMet,(二)起始肽链合成的氨基酰-tRNA,29,蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,第 二 节,
7、30,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。,31,一、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)。,32,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,33,(一)原核生物翻译起始复合物形成,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。,34,
8、IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,目 录,35,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,目 录,36,S-D序列,37,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基,目 录,38,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,39,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,目 录,40,(二)真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离; 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。,41,真核生物翻译起始复合物形成
9、过程,42,二、肽链合成延长,指根据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。,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) 转位(translocation),43,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-2,44,肽链合成的延长因子,45,又称注册(registr
10、ation),(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。,目 录,46,延长因子EF-T催化进位(原核生物),目 录,47,48,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,目 录,49,(二)成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,50,(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 。,51,fMet,fMet,目 录,52,53,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
11、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,54,三、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,mRNA、核蛋白体等分离,这些过程称为肽链合成终止。,55,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,56,原核肽链合成终止过程,5
12、7,RF,目 录,58,多聚核蛋白体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,目 录,59,电镜下的多聚核蛋白体现象,目 录,60,蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation,第 三 节,61,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,62,一、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
13、即开始。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、结构域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可能大部分都不是自动完成,而需要其他酶、蛋白辅助。,63,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),64,1. 热休克蛋白(heat sh
14、ock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侣素(chaperonins) GroEL和GroES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。,65,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。,66,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供能折叠形成天然空间构象的微环境。,67,蛋白二硫键异构酶,多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然
15、构象十分重要,这一过程主要在细胞内质网进行。,二硫键异构酶在内质网腔活性很高,可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接,最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。,68,肽-脯氨酰顺反异构酶,多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体,空间构象明显差别。,肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。,肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶,在肽链合成需形成顺式构型时,可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。,69,二、一级结构的修饰,(一)肽链N端的修饰 (二)个别氨基酸的修饰 (三)多肽链的水解修饰,70,鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,7
16、1,三、高级结构的修饰,(一)亚基聚合 (二)辅基连接 (三)疏水脂链的共价连接,72,蛋白质合成后需要经过复杂机制,定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位,这一过程称为蛋白质的靶向输送。,四、蛋白质合成后的靶向输送,蛋白质的靶向输送(protein targeting),73,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号,主要为N末端特异氨基酸序列,可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位,这一序列称为信号序列 。, 信号序列(signal sequence),74,靶向输送蛋白的信号序列或成分,75,(一)分泌蛋白的靶向输送,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,信号肽(signal peptide),各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。,76,信号肽的一级结构,77,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,目 录,78,(二)线粒体蛋白的靶向输