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1、Chapter 18 Protein Synthesis and Processing 蛋白质的合成与加工,1954年，Paul Zamecnik及其同事实验证明体内蛋白质是由氨基酸合成的。1956年，他们发现了氨基酰-tRNA合成酶。 1958年，M. B. Hoagland和Zamecnik又发现蛋白质生物合成需要可溶性RNA为中介。 1961年，Howard Dintzis证明血红蛋白肽链合成方向是从N-末端向C-末端进行。 19611966年间，Nirencerg、Matthaei和Khorana先后确定了64个遗传密码。 19731976年，麦胚无细胞体系、兔网织无细胞体系分别建立，
2、蛋白质合成的具体过程终于揭晓。,标志性事件,蛋白质的生物合成，即翻译（translation） 翻译的过程就是将核酸中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分子中20种氨基酸的排列顺序 。,何谓翻译？,蛋白质合成体系的组成 Components Required for Protein Biosynthesis,第一节,参与蛋白质生物合成的三种RNA：,mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核糖核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA）,辅助因子包括:起始因子(initiation fact
3、or, IF)延长因子(elongation factor, EF)释放因子（终止因子）(release factor, RF) 等,氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase) 原料：20种氨基酸,一、mRNA是蛋白质/多肽链合成的模板,在遗传信息传递过程中，DNA转录生成mRNA，mRNA作为蛋白质合成的直接模板，指导蛋白质多肽链的合成。mRNA包括 5-非翻译区 (5-untranslated region, 5-UTR) 开放阅读框架区 (open reading frame, ORF) 3-非翻译区 (3-untranslated region, 3
4、-UTR),原核生物mRNA,真核生物mRNA,1961年，Nirenberg 证明了mRNA的模板作用。 mRNA分子上每3个核苷酸构建一个密码子，编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet codon)，也称遗传密码子(genetic codon)。,（一）mRNA含有64种密码子,起始密码(initiation codon): AUG,终止密码(termination codon):UAA、UAG、UGA,遗传密码表,ORF,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条多肽链，称为开放阅读框架(o
5、pen reading frame, ORF)。,遗传密码具有通用性 (universal),（二）遗传密码具有几个特性,从原核生物生物（包括病毒、细菌等）、真核生物以及人类都共同使用同一套遗传密码。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,密码子具有方向性(direction),起始密码子总是位于mRNA开放阅读框架的5末端，终止密码子位于3末端。 翻译的方向是从5到3末端。,3. 遗传密码具有连续性(commaless),密码子按5 3方向每3个一组阅读框架顺序翻译，无标点、不重叠，即连续性. mRNA开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入或缺失，可引起移码突变(frames
6、hift mutation)。翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。,4. 遗传密码具有简并性(degeneracy),简并性，即同一种氨基酸具有多个密码子，或者多个密码子代表一种氨基酸的现象。遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅对应一个密码子外，其余氨基酸均有一个以上密码子为其编码。 密码子简并性的生物学意义：减少有害突变。,遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。 GCU ACUGCC ACCGCA ACAGCG ACG,Ala,Thr,遗传密码的简并性,5. 遗传密码具有摆动性（wobble）,编码同一氨基酸的不同密码子互称同义密码子；同义密码子之间的差异通常只在第3位碱基上，密码子第3位碱基与t
7、RNA反密码子不严格遵守碱基配对规律，而是摆动碱基配对。,U,摆动配对,二、一种tRNA只能转运一种氨基酸，但一种氨基酸可由几种tRNA转运,反密码环,氨基酸臂,tRNA的三级结构示意图,三、rRNA与蛋白质组成核糖体 ,蛋白质合成场所,核蛋白体的组成,核糖体的组成,原核生物核糖体 70 S Mt 2.7106 真核生物核糖体 80S Mt 4.2106,核糖体在蛋白质合成中有主要作用：,核糖体两亚基上具有结合mRNA的位点，还有与起始因子、延长因子、释放因子及各种酶的结合位点；并且具有两个tRNA结合的位点；A位点是氨基酰tRNA结合位点，P位点是肽酰tRNA结合位点。通过将mRNA、氨基酰
8、-tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的合成。核糖体是合成蛋白质的场所。,原核生物核蛋白体结构模式,30S小亚基：有mRNA结合位点 50S大亚基： E位：排出位（Exit site）转肽酶活性 大小亚基共同组成：A位：氨基酰位，受位 (aminoacyl site)P位：肽酰位，给位 (peptidyl site),20种氨基酸（AA） 酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成酶、起始因子(initiation factor，IF) 、延长因子（elongation factor，EF）、释放因子（release factor，RF）。 ATP、GTP 无机离子,四、蛋白质合
9、成体系还需要其他辅助因子,大肠杆菌蛋白质合成的5个阶段所需化合物,1,氨基酸的活化,20,种氨基酸,20,种氨基酰,-,tRNA,合成酶,32,种（或多于,32,种）,tRNA,ATP,、,Mg,2+,2,起始,mRNA,N,-,甲酰甲硫氨酰,-,tRNA,fmer,mRNA,上的起始密码子（,AUG,）,30S,核糖体亚基,50S,核糖体亚基,起始因子（,IF,-,1, IF,-,2, IF,-,3,）,GTP,、,Mg,2+,3,延长,具有功能的,70S,核糖体（起始复合物）,密码子特异的氨基酰,-,tRNA,延长因子（,EF,-,Tu, EF,-,Ts, EF,-,G,）,GTP,、,M
10、g,2+,4,终止与释放,mRNA,上的终止密码,释放因子（,RF,-,1, RF,-,2, RF,-,3,）,5,折叠和翻译后的加工,特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，,水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅,基结合到蛋白质上,阶段,必需化合物,1,氨基酸的活化,20,种氨基酸,20,种氨基酰,-,tRNA,合成酶,32,种（或多于,32,种）,tRNA,ATP,、,Mg,2+,2,起始,mRNA,N,-,甲酰甲硫氨酰,-,tRNA,mRNA,上的起始密码子（,AUG,）,30S,核糖体亚基,50S,核糖体亚基,起始因子（,IF,-,1, IF,-,2,
11、 IF,-,3,）,GTP,、,Mg,2+,3,延长,具有功能的,70S,核糖体（起始复合物）,密码子特异的氨基酰,-,tRNA,延长因子（,EF,-,Tu, EF,-,Ts, EF,-,G,）,GTP,、,Mg,2+,4,终止与释放,mRNA,上的终止密码,释放因子（,RF,-,1, RF,-,2, RF,-,3,）,5,折叠和翻译后的加工,特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，,水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅,基结合到蛋白质上,阶段,必需化合物,蛋白质的合成过程 Protein Synthesis Process,第二节,氨基酸的活化 肽链合成的起
12、始(initiation) 肽链的延长(elongation) 肽链合成的终止(termination )及释放,整个翻译过程可分为4个阶段 ：,翻译过程从开放阅读框架的5-AUG开始向3阅读，按mRNA上三联体密码的顺序指导蛋白质从N端向C端合成，直至终止密码。,（一）氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸与tRNA的连接,一、氨基酸活化成氨基酰-tRNA,氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase),第一步反应:,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi,目 录,第二步反应:,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMPE,（型）,氨基酰-tRNA
13、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(editing activity，即酯酶的活性 。 氨基酸活化耗能：2个P 氨基酰-tRNA的表示方法： Ser-tRNASer Met-tRNAMet,（二）氨基酰-tRNA合成酶具有校读作用,二、起始阶段形成翻译起始复合物,指在起始因子的作用下，mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。,原核生物中有3种起始因子(initiation factor，IF) ：IF-1、 IF-2、 IF-3 真核生物起始因子被称作
14、eIF (eukaryotic initiation factor) eIF-1、-2、-3、-4、-5和-6,（一）原核生物在起始因子参与下组装翻译起始复合物,1原核生物翻译起始形成70S起始复合物,IF-1、IF-3结合解聚的核糖体30S小亚基 ； mRNA结合核糖体30S小亚基； 在IF-1的作用下， fMet-tRNA结合mRNA的起始密码子； 50S核糖体大亚基参入复合物。,原核生物： fMet-tRNAifMet 真核生物： Met-tRNAiMet,肽链合成的起始氨基酰-tRNA:,IF-3,IF-1,（1）IF-3、IF-1结合解聚的30S核糖体小亚基,IF-3,IF-1,（2
15、）mRNA结合核糖体30S小亚基,S-D序列（Shine-Dalgarno sequence）又称核糖体结合位点（ribosomal binding site, RBS）,IF-3,IF-1,（3）在IF-1的作用下， fMet-tRNA结合mRNA的起始密码子,目 录,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,(4) 利用IF-2具有GTP酶的活性，催化GTP水解，起始因子释放，50S大亚基与30S小亚基结合，形成70S起始复合物，fMet-tRNAfMet位于核糖体上的P（peptidyl）位。,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,1 . 真核生物的核糖体为80
16、S,2 . 真核生物的起始氨基酸是甲硫氨酸，而不是N-甲酰甲硫氨酸。,3. AUG是真核生物中起始密码子，mRNA的5末端AUG一般就是起始位点,4 . 真核较原核有更多的起始因子（用 elf表示），而且相互作用更复杂,（二）真核细胞蛋白质合成起始机制与原核相似但更复杂,真核细胞的蛋白质合成过程中需要更多的蛋白质因子，步骤更为复杂，但基本过程与原核细胞中相似。,真核生物翻译起始复合物形成过程,43S前起始复合物,48S前起始复合物,80S翻译起始复合物,三、新生肽链通过核糖体循环而延长,肽链延长在核糖体上连续、循环式进行，称为核糖体循环(ribosomal cycle)，每循环一次肽链延长一个氨基酸残基，包括以下三步： 进位(entrance) 成肽(peptide bond formation) 转位(translocation),
