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1、蛋白质的生物合成（翻译）,第十七章,Protein Biosynthesis (Translation),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
2、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 frame, ORF)。,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
3、、UGA,密码子（codon）,起始密码子和终止密码子：,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(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（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
4、. 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,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)。,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“
5、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rR
6、NA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。,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
7、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。,氨基酰
8、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：,二、肽链合成的起始需要特殊的起
9、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(fM
10、et-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-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
11、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,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8
12、13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, 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mR
13、NA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-2,-GTP,GDP,Pi,起始复合物形成过程,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
14、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。,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,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。,目 录,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,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。,3. 转位,指的是核糖体沿着mRNA的
15、移位。 移位的结果是： 成肽后位于P 位的tRNA所携带的氨基酸或肽在反应中交给了A位上的氨基酸，空载的tRNA从核糖体直接脱落； 成肽后位于A位的带有合成中的肽链的tRNA（肽酰-tRNA）转到了P位上； A位得以空出，且准确定位在mRNA的下一个密码子，以接受一个新的对应的氨基酰tRNA进位。,转位需要延长因子参与。,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,目 录,肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要经过一次进位、成肽和转位反应。如此往复，直到核糖体的A位对应到了mRNA的终止密码子上。,
16、终止密码子不被任何氨基酰-tRNA识别，只有释放因子RF能识别终止密码子而进入A位，这一识别过程需要水解GTP。,三、终止密码子和释放因子导致肽链 合成停止,原核生物有3种RF RF1识别UAA或UAG，RF2识别UAA或UGA，RF3则与GTP结合并使其水解，协助RF1与RF2与核糖体结合。 真核生物仅有eRF一种释放因子， 所有3种终止密码子均可被eRF识别。 真核生物中肽链合成完成后的水解释放过程尚未完全了解。,原核肽链合成终止过程,RF,目 录,多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。,多聚核糖体(polysome),1条mRNA模板链都可附着10100个核蛋白体，这些核糖体依次结合起始密码子并沿53方向读码移动，同时进行肽链合成，这种mRNA与多个核糖体形成的聚合物称为多聚核糖体(polysome) 。,多聚核糖体,电镜下的多聚核糖体,第四节 肽链生物合成后的加工和 靶向输送,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
