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1、第15章 蛋白质的生物合成 （translation）,基本原料：20种编码氨基酸 模板：mRNA 运载工具：tRNA 合成场所：核糖体 主要酶和蛋白质因子：氨酰-tRNA合成酶、转肽酶、IF、EF、RF等 能源物质：ATP、GTP 无机离子：Mg2+、 K+,蛋白质合成体系：,一、mRNA的结构与功能,（一）mRNA的基本结构,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，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。,原核生物的多顺反子mRNA,真核生物的单顺反子,mRNA两个必须特征：ORF和核糖体结合位点RBS,（二）遗传密码,在mRNA的
2、开放阅读框区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。,起始密码子(initiation codon)：AUG 终止密码子(termination codon) ：UAA, UAG, UGA,1. 密码子（codon）64种,遗传密码表,(1) 通用性,从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码子。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,2. 遗传密码的特点,(2) 简并性(degenerate),一个氨基酸可以有几个不同的密码子。 编码同一种氨基酸的密码子称为同义密码子 。,各种氨基酸的密码子数目,(3) 摆动性,密码子中第三位碱基与
3、反密码子第一位碱基的配对有时不一定完全遵循A-U、G-C的原则， 这种现象称为摆动配对。,U,3 2 1,1 2 3,摆动配对,U,(4) 连续性,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)。,(5) 方向性阅读方向：5 3,二、核糖体的结构与功能,1. 核糖体的组成,由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白(ribosomal protein, r-protein)颗粒，是蛋白质生物合成的场所。,不同细胞核糖体的组成,16s rRNA 3端有CCU的保守序列，可与mRNA 5端的AGG的SD序列配对，保证对蛋白质合
4、成的准确起译；,2. 原核生物核糖体结构模式,核糖体复合物的活性中心： 1. 小亚基与mRNA的结合位点； 2. A位点：氨酰-tRNA结合位点； 3. P位点：肽酰-tRNA结合位点； 4. E位点：空载tRNA离开核糖体的出口位点；,tRNA的构象,三、tRNA的结构与功能,识别结合AARS,额外环： 型：3-5个Nt，占3/4 tRNA; 型：13-21Nt,结合5S rRNA,tRNA的“L“三维结构与功能,“L”构型的结构力 -二级结构中双链区的碱基堆积力和氢键 -二级结构中非双链区在“L“结构中，形成氢键结合 -TC环和DHU环位于“L“两臂的交界处，利于结构稳定 -“L“结构中碱
5、基堆积力大，使其拓扑结构趋于稳定,四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等,（一）重要的酶类,氨酰-tRNA合成酶(AARS)：催化氨基酸的活化； 转肽酶：催化核糖体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; 转位酶：催化核糖体向mRNA 3-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。,（二）原核生物的蛋白质因子,起始因子(initiation factor，IF):帮助生成核糖体mRNA起始tRNA三元复合物； 延长因子(elongation factor，EF) 释放因子(release factor，RF),原核生物蛋白质合成所需的辅助因子,参与
6、真核生物蛋白质合成的辅助因子,五、蛋白质的翻译 以原核生物为主： （一）氨基酸的活化 （二）肽链合成过程 起始延伸终止,反应过程,(一)、 氨基酸活化形成氨酰-tRNA,氨基酸与特异的tRNA结合形成氨酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。 参与氨基酸的活化的酶：氨酰-tRNA合成酶。,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：,真核生物：起始aa：Met 起始aa-
7、tRNA：Met-tRNAiMet 参与肽链延长的Met-tRNA：Met-tRNAMet原核生物：起始aa：N-甲酰甲硫氨酸fMet起始aa-tRNA: fMet-tRNAfMet 参与肽链延长的Met-tRNA：Met-tRNAMet,甲酰基来自于N10-甲酰四氢叶酸,起始(initiation) 延长(elongation) 终止(termination ),整个过程可分为 ：,(二)、原核生物的肽链合成过程,mRNA的读码方向按53方向 多肽链合成方向：N-端C-端延长,一）起始,生成核糖体mRNA起始氨酰tRNA三元复合物。,1. 核糖体大小亚基分离； 2. mRNA在小亚基定位结合
8、； 3. 起始氨基酰-tRNA的结合； 4. 核糖体大亚基结合。,IF-3,IF-1,1.核糖体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2. 30S小亚基通过SD序列与mRNA模板结合,IF-3,IF-1,3. 在IF-2和GTP的帮助下， fMet-tRNAfMet进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4.核糖体大亚基结合，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,1. 进位 2. 成肽 3. 转位,二）肽链的延长,肽链延长在核糖体上连续循环式进行，又称为核糖体循环(
9、ribosomal cycle)，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)， 是指在EF-Tu-GTP(或eEF-1-GTP)的协助下，将氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令带入到核糖体A位。,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,进位的反应过程：,成肽是在转肽酶(peptidase)的催化下，核糖体P位上起始氨基酰-tRNA的fMet转移到A位，并与A位上氨基酸结合形成肽键的过程。,2.成肽,3. 转位,已卸载的tRNA转移到E位；随后肽酰-tRNA移位到P位，空出A位点，核糖体沿mRNA移动3个碱基的距离，使下一个密
10、码子进入核糖体的A位。转位需要延长因子EF-G(eEF-2)参与。EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，释放的能量促进核糖体向mRNA的3侧移动。,肽链合成延长(核糖体循环)过程,三）终止,核糖体遇到终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分离的过程。 终止阶段占据A位点的是释放因子RF。 终止阶段需要释放因子RF-1、 RF-2和 RF-3参与。,RF-3有GTP酶活性，能促进RF-1、RF-2在翻译终止后，从核糖体中解离出来。,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
11、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，使肽链从核糖体上释放。,终止密码的使用也有偏爱性，功能基因往往使用强终止密码；UAA的终止效率高，UAG易被漏读。,原核肽链合成终止过程,多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。,四）多聚核糖体(polysome),1条mRNA模板链都可附着10100个核糖体，依次结合起始密码子并沿53方向读码移动，同时进行肽链合成，这种mRNA与多个核糖体形成的聚合物称为多聚核糖体(polysome) 。,多聚核糖体,（三）、真核生物的肽链合成过程,一）起始,1. 核糖体大小亚基分离； 2. 起
12、始氨基酰-tRNA的结合 3. mRNA在小亚基定位结合 4. 核糖体大亚基结合。,核糖体较大,为80； 起始因子较多； mRNA 5端具有m7Gppp帽子结构 Met-tRNAMet mRNA的5端帽子结构和3端polyA都参与形成翻译起始复合物；,真核生物蛋白质翻译起始的特点：,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物肽链合成的延长过程与原核生物基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。 另外，真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,二）延长,三）终止,真核生物翻译终止过程与原核生物相似，释放因子eRF，可识别所有终止密码子。,原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别,
13、六、蛋白质生物合成的抑制,Interference and Inhibition of Protein Biosynthesis,蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。 抗生素等就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能、干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。,影响翻译起始的抗生素影响翻译延长的抗生素,干扰进位的抗生素 引起读码错误的抗生素 影响肽键形成的抗生素 影响转位的抗生素,（一）抗生素类阻断剂,1. 常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用,四环素族,2.嘌呤霉素作用示意图,白喉毒素是真核细胞蛋白质合成的抑制剂，它作为一种修饰酶，可使eEF-2发生ADP糖基化共
14、价修饰，生成eEF-2腺苷二磷酸核糖衍生物，使eEF-2失活。,3白喉毒素(diphtheria toxin),白喉毒素的作用机理：,白喉毒素,+,+,（二）干扰素,干扰素(interferon, IFN)是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。 干扰素分为-（白细胞）型、-（成纤维细胞）型和-（淋巴细胞）型三大类，每类各有亚型，分别具有其特异作用。,干扰素抑制病毒的作用机制有两方面：,一是干扰素在某些病毒dsRNA存在时，能诱导特异的蛋白激酶活化，使eIF-2磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质合成； 二是mRNA降解。干扰素dsRNA激活2,5-腺嘌呤寡核苷酸
15、合成酶的合成， 2,5-腺嘌呤寡核苷酸激活核酸内切酶水解mRNA。,第四章 蛋白质加工、运输与降解,Posttranslational Modification and Targeting Transfer of Protein,翻译后修饰包括多肽链折叠为天然的三维构象及对肽链一级结构的修饰、空间结构的修饰等。翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。 包括：肽链一级结构修饰、多肽链的折叠、亚基聚合、辅基连接等。,一、新生肽链的折叠,折叠发生在肽链合成中和合成后。 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
16、蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。,几种有促进蛋白质折叠功能的大分子:,（一）分子伴侣 (molecular chaperon) （二）折叠酶1. 蛋白质二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI)2. 肽酰脯氨酸顺反异构酶 (peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI),（一）分子伴侣:,分子伴侣是细胞内一类可识别新生肽链，促进其功能域和整体蛋白质正确折叠的保守蛋白质。包括热休克蛋白(HSP)和伴侣素(chaperonin),分子伴侣有以下功能：,促进正确折叠 封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰促进蛋白质折叠 逆转错误折叠,1. 热休克蛋白(heat shock protein, HSP),热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。 热休克蛋白包括HSP70、HSP40和GrpE三族。,
