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1、1,第四章 蛋白质的生物合成 biosynthesis of protein,2,第一节 参与蛋白质生物合成的物质 第二节 蛋白质合成过程 第三节 蛋白质合成后的分泌 第 四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制,第四章 蛋白质的生物合成,3,第一节 参与蛋白质生物合成的物质,蛋白质生物合成体系,n 氨基酸 蛋白质,mRNA、tRNA、rRNA,酶、蛋白质因子、ATP、GTP,蛋白质因子： 起始因子（initiation factor，IF）真核生物写作eIF 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（releasing factor，RF） 核蛋白体释放因子（ribosomal
2、 releasing factor，RRF）,4,合成原料 mRNA tRNA rRNA,蛋白质生物合成物质,5,合成原料,自然界由mRNA 编码的氨基酸共有20 种 羟脯氨酸、羟赖氨酸、-羧基谷氨酸等 特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成,6,合成原料 mRNA tRNA rRNA,蛋白质生物合成物质,7,mRNA翻译的模板,CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU,5/,3/,-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-,8,mRNA 分子的组成：,转录启动区 5UTR AUG之前的 5 端非编码
3、区（前导序列） 编码区 起始码、阅读框、终止码 3UTR 终止密码子之后，不翻译的 3 端 转录终止区,9,遗传密码（Genetic code） mRNA 中蕴藏遗传信息的碱基顺序称为遗传密码。密码子(codon) mRNA 中每个相邻的三个核苷酸，这个三联体称为一个密码子。因此，密码是密码子的总和。,10,方向性通用性简并性连续性,遗传密码的特点,11,同一氨基酸具有多种密码子,同义密码,第1、2位,第3位,决定密码的特异性,摆动,方向性：5/3/,通用性：（在线粒体或叶绿体中特殊）,简并性：,12,13,沿5/-3/方向连续阅读,插入碱基,缺失碱基,移码,突变,连续性：,14,共有64种,
4、密码子:(codon),15,1)在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的poly 开创了破译遗传密码的先河 2)混合共聚物(mixed copolymers)实验对密码子中碱基组成的测定 3)aa-tRNA 与确定的三核苷酸序列(密码子)结合： 4)用重复共聚物(repeating copolymers)破译密码：,16,1961年，尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建立了一种利用人工合成的RNA在试管里合成多肽链的实验系统，其中含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分。利用这个实验系统，尼伦伯格和马太设计了一个巧妙的实验，破译了第一个遗传密码，即UUU-苯丙氨酸。,17,1966年科
5、学家霍拉纳发明了一种新的RNA合成方法，通过这种方法合成的RNA可以是2个、3个或4个碱基为单位的重复序列，例如:将A、C两种核苷酸缩合为ACACACACAC长链，以它作人工信使进行蛋白质合成，结果发现产物是苏氨酸和组氨酸的多聚体，说明苏氨酸的密码子可能是ACA，也可能是CAC；同样，组氨酸的密码子可能是CAC，也可能是ACA。,18,遗传密码表,19,合成原料 mRNA tRNA rRNA,蛋白质生物合成物质,20,tRNA搬运氨基酸,21,tRNA的结构,tRNA在蛋白质生物合成过程中起关键作用。最小的 RNA，4S70 80个base，其中22个碱基是恒定含有10%的稀有碱基,22,TC
6、环,额外环,反密码子环,D环,aa接受臂,23,“ L”形三级结构三叶草型的二级结构可折叠成倒L型的三维结构。,24,25,反密码子的摆动性 反密码子：与mRNA相应的三联体密码子碱基互补。,摆动性：mRNA密码子的前两位碱基和tRNA的反密码严格配对，而密码子第三位碱基与反密码子第一位碱基不严格遵守配对规则。,26,tRNA的种类,起始tRNA和延伸tRNA起始tRNA: Prok： tRNAfmet， fMet-tRNAfmetEuk： tRNAimet ，Met-tRNAimet延伸tRNA： tRNAmmet，m可省略,27,同工tRNA（isoaccepting tRNAs）携带AA
7、相同而反密码子不同的一组tRNA； 不同的反密码子识别AA的同义密码；同工tRNA在细胞内合成量上有多和少的差别，分别称为主要tRNA和次要tRNA。 主要tRNA中反密码子识别tRNA中的高频密码子，而次要tRNA中反密码子识别mRNA中的低频密码子。,28,Gly GGG AGG Arg。,突变(mutation) 移码突变: mRNA上的编码顺序中插入(或缺失)一个(或更多)碱基，引起密码子翻译读框改变。 无义突变: 指正常密码子改变为终止密码子，引起翻译过程提早终止。蛋白质产物是截短的，一般没有功能。 错义突变：正常密码子变为另一种氨基酸的密码子。 新的氨基酸取代了蛋白质中某位点上原来
8、的残基可能使蛋白质失去功能。,Tyr UAC和UAU UAG。,校正tRNA,29,抑制突变/校正突变 （suppressor mutation）：编码tRNA的基因发生某种突变，以“代偿”或校正mRNA上密码子的原有突变所产生的不良后果。无义抑制错义抑制,30,1）无义抑制（nonsense suppressor）,无义抑制或无义校正：通过抑制tRNA识别无义突变位点，将某种氨基酸插入该位点，使得多肽链继续延伸，而不中途停止。 无义抑制通过三个不同的途径进行： （1）tRNA反义密码子的突变； （2）tRNA其它结构的改变； （3）tRNA反密码子化学修饰。,31,AUC,AUG,32,33
9、,2） 错义抑制,抑制tRNA识别错义突变位点，通过插入原来的氨基酸或其它的氨基酸而抑制错义突变，从而能完全恢复或部分恢复蛋白质活性 。 两种方式可以形成抑制型tRNA： 1）tRNA反密码子发生突变， 2）tRNA其他的结构变化或是氨酰tRNA合成酶的突变而改变了其荷载氨基酸的变化。,34,35,3）抑制突变的特点：,1）不是所有终止密码子的抑制基因都产生有功能的蛋白质，起到抑制或校正的作用，关键是要看氨基酸取代的情况。 2） 校正的作用不可能是完全的，抑制基因的效率很低，通常为15%。,36,氨基酸的活化氨基酸与tRNA的结合,氨基酸 + ATP+ tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,氨基酰
10、-tRNA + AMP +PPi,37,合成原料 mRNA tRNA rRNA,蛋白质生物合成物质,38,核糖体蛋白质合成的场所,rRNA + 蛋白质,核糖体（核蛋白体）,大亚基 小亚基,39,真核细胞：,5S、 5.8S 、28S,18S,蛋白质,大亚基（60S）,小亚基（40S）,原核细胞：,5S、 23S,16S,蛋白质,大亚基（50S）,小亚基（30S）,核糖体大小亚基的组成,80S,70S,40,核蛋白体的组成,41,小亚基与mRNA的结合,42,核糖体的活性位点,：,43,P位：结合肽酰tRNA的部位 A位：结合氨基酰tRNA的部位,P位 A位,44,核糖体的活性位点,45,第一节
11、 参与蛋白质生物合成的物质 第二节 蛋白质合成过程 第三节 蛋白质合成后的分泌,第四章 蛋白质的生物合成,46,第二节 蛋白质合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,mRNA中碱基的排列顺序,蛋白质中的AA的排列顺序,翻译,起始,延长,终止,注册 成肽 转位,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(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)。,原核、真核生物各种起始因
12、子的生物功能,（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。,IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,S-D序列,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基,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,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,（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
13、核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合物形成过程,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ),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),延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation f
14、actor, EF)原核生物：EF-T(EF-Tu, EF-Ts)EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2,肽链合成的延长因子,又称注册(registration),（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,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,（二）成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,（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 。,fMet,fMet,真核生物肽链合成的延长过程与
15、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,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ),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。,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,原核肽链合成终止过程,RF,多聚核蛋白体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,电镜下的多聚核蛋白体现象,第 三 节 蛋白质合成后加工和输送Posttranslational 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,
