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1、蛋白质的生物合成（翻译）,第十七章,Protein Biosynthesis (Translation),本章学习目标,1.掌握：参与蛋白质生物合成的物质体系 2.掌握：肽链生物合成过程 3.掌握：原核与真核生物蛋白质生物合成的差异 4.理解：蛋白质生物合成后的加工修饰方式 5.熟悉：蛋白质生物合成抑制剂及其作用机理,蛋白质生物合成的概念,以mRNA为模板而合成, 将mRNA上来自DNA编码的核苷酸序列信息转换为蛋白质中的氨基酸序列的过程，称为翻译（translation）。,第一节 蛋白质生物合成的基本条件,Protein biosynthesis system,基本原料：20种编码氨基酸
2、模板：mRNA 适配器：tRNA 装配机：核蛋白体 主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等 能源物质：ATP、GTP 无机离子：Mg2+、 K+,蛋白质生物合成体系,遗传密码,在mRNA的信息区内，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。,密码子（codon）,一、mRNA是蛋白质合成的信息模板,1968年诺贝尔生理医学奖,起始密码子(initiation codon)：AUG 终止密码子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA,遗传密码表,mRNA的基本结构,从mRNA
3、 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,真核生物的单顺反子,1. 方向性(directional),翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。,遗传密码的特点,2. 连续性(non-punctuated),编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。,由于密码子的连续性，在开放阅读框中发生插入或缺失1个或2个碱基的基因突变，都会引起mRNA阅读框架发生移动，称为移码（fra
4、me shift），使后续的氨基酸序列大部分被改变，其编码的蛋白质彻底丧失功能，称之为移码突变。,3. 简并性(degeneracy),一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并性。 除色氨酸和甲硫氨酸仅有1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。为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子 。,各种氨基酸的密码子数目,遗传密码表,目 录,4. 摆动性(wobble),反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对(wobble base pairing)。,U,摆动配对,目 录,5. 通
5、用性(universal),从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套“通用密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,二、氨基酰-tRNA通过其反密码子与mRNA中对应的密码子互补结合,tRNA的作用,运载氨基酸：氨基酸各由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在tRNA 3-CCA的位置，结合需要ATP供能； 充当“适配器”：每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。,二级结构,三级结构,反密
6、码环,氨基酸臂,tRNA的构象,三、rRNA与核糖体,核糖体的组成,核糖体又称核蛋白体，是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。,不同细胞核蛋白体的组成,核蛋白体的组成,核糖体在翻译中的功能部位,A位：氨基酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),真核细胞没有,四、肽链生物合成需要酶类和 蛋白质因子,氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的活化； 转肽酶(peptidase)，催化核蛋白体P位上的肽酰基转移至A位氨基酰-tR
7、NA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键;并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，使P位上的肽链与tRNA分离； 转位酶(translocase)，催化核蛋白体向mRNA3-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。,反应过程,第二节 氨基酸与tRNA的连接,氨基酸与tRNA连接的专一性由氨基酰tRNA合成酶保证。氨基酰tRNA合成酶都具有高度专一性，既能识别特异的氨基酸，又能辨认应该结合该种氨基酸的tRNA分子。,第一步反应,第二步反应,氨基酰tRNA合成酶还有校对活性（proofreading activity），能将错误结合的氨基酸水解释放 即将任何错误的氨基酰-AMP
8、-E复合物或氨基酰-tRNA的酯键水解，再换上与密码子相对应的氨基酸，改正反应的任一步骤中出现的错配，保证氨基酸和tRNA结合反应的误差小于10-4。,特性,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结合后形成的氨基酰-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：,肽链合成的起始需要特殊的起始氨基酰-tRNA,起始氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet,参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet,真核生物,
9、起始氨基酰-tRNA: fMet-tRNAfMet,原核生物,参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet,f：formyl,fMet-tRNAfMet的生成是一碳化合物转移和利用的过程之一，反应由转甲酰基酶催化，甲酰基从N10-甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的-氨基上。,起始因子（initiation factor，IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF）,原核生物 真核生物 起始因子 种类 3种 IF1-3 10种以上eIF（IF） 作用 促进核糖体小亚基与起始氨基酰tRNA及模板mRNA的结合 延长因子 种类 2
10、种 (EFT/G) 2种 eEF1-2（EF） 作用 促使氨基酰tRNA进入核糖体的A位，并促进移位过程 释放因子 种类 3种RF1-3 1种eRF (RF) 作用 识别mRNA上的终止密码，协助多肽链的释放,第三节 肽链的生物合成过程,The biosynthesis process of peptide chain,翻译过程包括起始（initiation）、延长（elongation）和终止（termination）三个阶段。 真核生物的肽链合成过程与原核生物的肽链合成过程基本相似，只是反应更复杂、涉及的蛋白质因子更多。,（一）原核生物翻译起始复合物的形成,指mRNA和起始氨基酰-tRNA
11、分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物的过程。,1. 核糖体大小亚基分离； 2. 核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近； 3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位 ； 4. 核糖体大亚基结合形成起始复合物。,一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成,参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,IF-3,IF-1,1.核糖体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2. 核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近,S-D序列,在各种mRNA起始AUG上游约813核苷酸部位，存在一段由49个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为Shine-Dalgarno序列(S-D序列
12、)，又称核糖体结合位点(ribosomal binding site, RBS)。,SD序列与16SrRNA序列互补的程度以及从起始密码子AUG到SD序列的距离也都强烈地影响翻译起始的效率。,IF-3,IF-1,3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4.核糖体大亚基结合形成起始复合物,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,起始复合物形成过程,1、过程复杂,2、起始因子多,3、核蛋白体不同,4、起始氨基酸不需甲酰化,5、甲硫氨酰tRNA 先结合到小亚基上，然后再与mRNA结合,6、mRNA没有SD序列，具有5帽子和3
13、尾巴结构,（二）真核生物翻译起始复合物的形成,参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,真核生物翻译起始复合物的装配,翻译起始复合物形成后，核糖体从mRNA的5端向3端移动，依据密码子顺序，从N端开始向C端合成多肽链。,二、肽链延长,1. 进位(positioning)/注册(registration) 2. 成肽(peptide bond formation) 3. 转位(translocation),肽链延长在核糖体上连续循环式进行，又称为核糖体循环(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，核蛋白体沿着mRNA模板从5端向3端移动一个密码
14、子的距离。,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：eEF-1 、eEF-2,肽链合成的延长因子,1. 进位（entrance）,又称注册(registration)， 是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核糖体A位的过程。,（一）原核生物的核蛋白体循环,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,目 录,消耗1个GTP,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,目 录,2.成肽,成肽是指肽基转移酶（转肽酶）催化两个氨基酸间肽键形成的反应。 （注意肽链合成方向）,3. 转
15、位（消耗1分子GTP),fMet,fMet,目 录,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。,（二）真核生物延长过程,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
16、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,目 录,多聚核蛋白体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,目 录,真核生物与原核生物蛋白质合成的不同,第四节 肽链生物合成后的加工和 靶向输送,从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质。,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 空间结构修饰,一、肽链折叠为功能构象需要分子伴侣,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，肽链的折叠即开始。 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，而需要其他酶和蛋白质辅助。,
