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1、蛋白质的生物合成（翻译）,第十七章,Protein Biosynthesis (Translation),本章重要知识点,蛋白质生物合成（翻译）的概念 mRNA、tRNA、核蛋白体在翻译过程中的作用，遗传密码的特点 氨基酰-tRNA合成酶的作用特点 原核、真核生物翻译过程的异同 分子伴侣的作用，翻译后修饰的形式 信号肽及其作用，各类蛋白质靶向输送的特点 抗生素、毒素和干扰素抑制翻译的机制,蛋白质生物合成的概念,生物体内的蛋白质以mRNA为模板而合成。在这一过程中，mRNA上来自DNA基因编码的核苷酸序列信息转换为蛋白质中的氨基酸序列，故称为翻译（translation）。 翻译是指在多种因子辅
2、助下，由tRNA携带并转运相应氨基酸，识别mRNA上的三联体密码子，在核糖体上合成具有特定序列多肽链的过程。,第一节 蛋白质生物合成体系,Protein biosynthesis system,基本原料：20种编码氨基酸 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,一、mRNA是蛋白质合成的信息模板,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
3、 frame, ORF)。,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,遗传密码,在mRNA的开放阅读框架区，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。,起始密码子(initiation codon)：AUG 终止密码子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA,密码子（codon）,起始密码子和终止密码子：,遗传密码如何破解?,遗传密码表,遗传密码的特点,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。,2. 连续性(n
4、on-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（frame 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
5、义密码子 。,各种氨基酸的密码子数目,补充资料：遗传密码的偏好性,遗传密码的偏好性：在不同宿主中同一氨基酸对应的不同密码子之中,有使用频率的高低之分。偏好性可通过细胞内的氨基酸“搬运工”转运RNA（tRNA）的相对丰度反映出来。 每个tRNA可识别某个特定的密码子，并将相应的氨基酸搬运至核糖体进而组装成肽链。当一个密码子较为稀有时，胞内与该密码子相匹配的tRNA也就相对较少，蛋白质的组装过程缓慢。 原因之一：无论在原核还是真核生物体内 ,密码子的使用频率都是与 tRNA的丰度呈正相关的。表达量较高的蛋白所含的密码子种类会较少，对应的 tRNA分子的数目也较多，使生物能合成出更多蛋白。对于含量较
6、少的蛋白，其基因中则含有低 tRNA丰度的密码子，从而限制该蛋白的表达。 如果按照宿主密码子偏好性对基因编码序列进行改造，表达量可以提高 1050倍，即使只对目的基因的 5末端进行改造，其表达量都有明显的提高,要提高某一蛋白在某生物体内的表达量 ,根据该生物的密码子偏好性 ,改造该基因序列是一个可行的策略。,酵母表达系统 Marker:低分子量蛋白 BSA:小牛血清蛋白; 1: P1号克隆; 2: P2号克隆; 3: P3号克隆; 4:空载体阴性对照,大肠杆菌表达系统 #17: 17号克隆; control:空载体阴性对照,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
7、守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对(wobble base pairing)。,反密码子与密码子的识别方式与摆动配对,5. 通用性(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
8、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,反密码环,氨基酸臂,tRNA的构象,三、核糖体是肽链 “装配厂”,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,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-tRNA的
9、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。,起始因子（initiation factor，IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF）,参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,第二节 氨基酸与tRNA的连接,氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。 参与氨基酸的活
10、化的酶：氨基酰-tRNA合成酶。,反应过程,一、氨基酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和tRNA,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-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
11、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：,tRNA,二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨基酰-tRNA,tRNAiMet与甲硫氨酸结合后形成Met-tRNAiMet，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。,tRNAMet和甲硫氨酸结合后生成Met-tRNAMet，必要时进入核蛋白体，为延长中的肽链添加甲硫氨酸。,起始
12、氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet,参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet,真核生物,具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸很快被甲酰化为N-甲酰甲硫氨酸(N-formyl methionine, fMet)，于是形成N-甲酰甲硫氨酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认fMet-tRNAfMet。,原核生物,起始氨基酰-tRNA: fMet-tRNAfMet,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-
13、甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的-氨基上。,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
14、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,（a）起始复合物的装配过程；（b）rRNA识别mRNA的核糖体结合位点，保证翻译起始在起始密码子处,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,原核生物mRNA在核糖体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制,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)，又称核糖体结合位点(ribosomal binding site
15、, RBS)。一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG。,S-D序列,小亚基中的16S-rRNA 3-端有一富含嘧啶碱基的短序列，如-UCCUCC-，通过与S-D序列碱基互补而使mRNA与小亚基结合。,mRNA上邻近RBS下游，还有一段短核苷酸序列，可被小亚基蛋白rpS-1识别并结合。 通过上述RNA-RNA、RNA-蛋白质相互作用，小亚基可以准确定位mRNA上的起始AUG。,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
16、-2,-GTP,GDP,Pi,起始复合物形成过程,（二）真核生物翻译起始复合物的形成,1. 核糖体大小亚基分离； 2. Met-tRNAiMet定位结合于小亚基P位； 3. mRNA与核糖体小亚基定位结合； 4. 核糖体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合物形成过程,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、在核糖体上重复进行的三步反应 延长肽链,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。,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。,2.成肽,成肽是指肽基转移酶（转
