11 蛋白质的生物合成

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1、蛋白质的生物合成（翻译） Protein Biosynthesis，Translation,生物化学与分子生物学教研室朱利娜,十三章,将mRNA分子中 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过程，称为蛋白质的生物合成或翻译（translation）。,参与蛋白质生物合成的物质 翻译模板mRNA及遗传密码核蛋白体是多肽链合成的装置tRNA和氨基酸的活化 蛋白质的生物合成过程 蛋白质合成后加工和输送 蛋白质生物合成的干扰与抑制,第一节,蛋白质生物合成体系 Protein Biosynthesis System,参与蛋白质合成的物质,原料：

2、20种氨基酸 模板：mRNA 运载体：tRNA 场所：核蛋白体（rRNA与蛋白质构成） 蛋白质因子： 起始因子（initiation factor, IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF） 其他：酶类、ATP、GTP、无机离子等,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(sing

3、le cistron) 。,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,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(triplet coden)。,起始密码(initiation coden): AUG,终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA,数量：64（43）,遗传密码表,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)。,1.

4、 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。,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)。,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，甚至多至6个三联体为其编码。,遗传密码的简并性,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。,4. 摆动性(

5、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。,摆动配对,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,核蛋白体的组成,核蛋白体的组成,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),三、tRNA与氨基酸的活化,tRNA 运载活化型氨基酸,tRNA反密码子与mRNA上的密码子配对,A U C,氨基酸的活化,催化氨基酸与tRNA结合生成氨基酰-tRN

6、A 具有绝对专一性：对氨基酸及tRNA都能高度特异识别 具有校正活性(proofreading activity),一、氨基酰-tRNA合成酶,氨基酰-tRNA合成酶,OAMP酶,氨基酰-tRNA的表示方法,arg-tRNAarg,一种tRNA只能结合一种氨基酸，一种氨基酸可结合多种tRNA(称为同功tRNA),二、起始肽链合成的氨基酰-tRNA,tRNAiMet：起始者tRNA(initiator-tRNA) tRNAeMet：肽链延长中携带Met的tRNA tRNAifMet：起始者tRNA携带N-甲酰甲硫氨酸（fMet）,真核生物：Met-tRNAiMet 原核生物：fMet-tRNAi

7、fMet,第二节,蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,氨基酰-tRNA的合成 肽链合成 起始阶段( initiation ) 延长阶段(elongation) 终止阶段(termination ),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)。有多种蛋白质因子参与这一过程，称为起始因子（initiation factor，IF）,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,1. 核蛋白体大小亚基分离（IF3，IF1） 2. mRNA

8、在小亚基上定位结合 3. fMet-tRNAifMet的结合（IF2，GTP） 4. 核蛋白体大亚基结合,（一）原核翻译起始复合物形成,fmet-tRNA fMet -mRNA-核蛋白体,需要三种起始因子（IF）及GTP的参与,起始复合物,1. 核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,mRNA与小亚基的结合依赖于：,SD序列与16S rRNA 3端部分序列的互补rps-1与mRNA上SD序列后的一段序列识别结合,S-D序列 (Shine-Dalgarno sequence ),mRNA起始密码AUG上游约813个核苷酸处，有49个核苷酸组成

9、的富含嘌呤的一致序列，以AGGA为核心，也叫做核蛋白体结合位点(ribosomal binding site, RBS),3. fMet-tRNAifmet 结合到小亚基,IF-3,IF-1,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,50S,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,IF-1,IF-3,50S,50S,（二）真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； Met-tRNAiMet结合； mRNA在核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。,40S,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物翻译起始特点,核蛋白体为80S（40S60S） 起始tRNA携带的甲硫氨酸不需要甲酰化 mR

10、NA5端帽子结构与其在核蛋白体上就位有关，需要帽子结合蛋白复合物(eIF-4F)参与 eIF2与Met-tRNAiMet和GTP结合构成复合体后先与40S小亚基结合，然后才与mRNA结合,二、肽链的延长,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，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）或注册（registration） 成肽（peptide bond formation） 转位（translocation） 需要延长因子（elonga

11、tionfactor， EF ）和GTP的参与,肽链合成的延长因子,（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。,延长因子EF-T催化进位 （原核生物）,Tu,GDP,Pi,（二）成肽,P位上fMet-tRNAifMet（或延长中的肽酰-tRNA）由转肽酶(transpeptidase)催化，将氨基酰基（或延长中的肽酰基）从tRNA转移，与A位下一氨基酰-tRNA的-氨基形成肽键连接。成肽后，（N）肽酰-tRNA 将暂留A位，P位有卸载的tRNA。,肽链合成延长阶段的肽键形成过程,成 肽,（三）转位,延长因子EF-G有转位酶( translocase

12、)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。使肽酰-tRNA-mRNA相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA则移入E位，A位留空并对应下一组三联体密码，准备适当的氨基酰-tRNA进位而开始下一轮核蛋白体循环。,转 位,核蛋白体循环,从5AUG开始直至终止密码子 核蛋白体从53方向阅读mRNA遗传密码 肽链的合成是从N端到C末端 每进行一次核蛋白体循环，肽链延长一个氨基酸,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

13、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。,终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF),一、识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 二、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,终止密码的辨认：RF 肽链从肽酰-tRNA水解出：RF诱导转肽酶 mRNA、卸载tRNA及RF从核蛋白体脱离 大小亚基解聚：IF-1、IF-

14、3 解聚后的大、小亚基可再次结合，重新进入肽链合成过程,原核生物肽链合成终止过程,原核肽链合成终止过程,多聚核蛋白体（polysome）,第三节,蛋白质合成后加工和输送 Post-translational Processing & Protein Transportation,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具有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,在胞液核蛋白体合成的各种蛋白质，还需要靶向输送到特定细胞部位发挥生物作用。,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

15、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,

16、PPI),1. 热休克蛋白(heat shock 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。,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供能折叠形成天然空间构象的微环境。,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。,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。,