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1、第十二章 蛋白质的生物合成 （翻译及翻译后过程）,Chapter 6 Protein Biosynthesis，,蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation）。,第一节 遗传密码,Section 1 Codon,mRNA上的遗传密码,作为指导蛋白质生物合成的模板，mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码（codon）。 遗传密码共有64种，其中：,起始密码（initiation codon）: AUG 终止密码（termination codon）: U
2、AA，UAG，UGA,标准的通用遗传密码表,遗传密码具有以下特点： 简并性； 摆动性； 通用性； 方向性； 连续性。 6.偏爱性,1. 简并性（degeneracy）：,遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。 同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性。 遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。,遗传密码的特点,遗传密码的简并性,标准的通用遗传密码表,2. 摆动性（wobble）：,转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反平行配对结合，但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称
3、为摆动配对。,tRNA在蛋白质合成中的作用,搬运氨基酸到合成场所,遗传密码与反密码的摆动配对,配对方式,tRNA与mRNA配对,密码子与反密码子的摆动配对,3. 通用性（universal）：,蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体等。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,4. 方向性（direction）：,指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿53方向进行。,5. 连续性（commaless）：,指编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。,从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终
4、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个蛋白质多肽链，称为开放阅读框（open reading frame, ORF）。,AUG,UAA,ORF,阅读框架,遗传密码的连续性,基因损伤引起mRNA开放阅读框内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变（frameshift mutation）。,第二节 蛋白质的生物合成,Section 2 Protein Biosynthesis,20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子，如IF、EF、RF 供能物质（ATP、GTP）、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质,三种RNA mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA
5、（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA）,一、生物合成的模板-mRNA,（一）原核生物mRNA的特点 原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为S-D序列（核蛋白体结合位点，RBS）。 而原核16S rRNA存在一段富含嘧啶的序列，二者之间可通过碱基配对，使mRNA与核蛋白体小亚基结合。,在mRNA上紧接S-D序列之后的序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1辨认结合。 通过上述两种机制，使mRNA能与核蛋白体小亚基精确定位结合。,mRNA是翻译的直接模板。,遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）
6、。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子（polycistron）。 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。,多顺反子与单顺反子,（二）真核生物mRNA的特点,真核生物的转录具有时、空的差异性。 真核生物没有S-D序列，核蛋白体小亚基识别5端帽子结构，随后移动至起始密码子处。起始密码子常处于Kozak序列CCACCAUGG中。 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子,核蛋白体是多肽链合成的场所，是由多种rRNA与蛋白质组装形成的复合体。,二、蛋白质生物合成的产所-核蛋白体,核蛋白体的组成,大肠
7、杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。,核糖体亚基 rRNAs 蛋白 RNA的特异顺序和功能 细菌 70S 50S 23S=2904b 34种(L1-L34）含CGAAC和GTCG互补 2.5106D 5S=120b 66%RNA 30S 16S=1542b 21种(S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)和S-D 顺序(AGGAGG)互补 哺乳动物 80S 60S 28S=4718b 49种 有GAUC和tRNAfMat的TCG互补 4.2106D 5S=120b 60%R
8、NA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 33种 和Capm7G结合,原核和真核生物核糖体的组成及功能,1三个与tRNA结合的位点： A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。 P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。 E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。,核蛋白体大、小亚基的功能,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式,A位：氨基酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),2. 与模板m
9、RNA和起始tRNA结合位点：主要与小亚基有关。 3. 转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键；由大亚基成分构成。,氨基酸臂,反密码环,三、tRNA,1.tRNA与氨基酸的活化,tRNA的三级结构示意图,氨基酸的活化与携带反应由氨基酰tRNA合成酶催化。 特定的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而由tRNA携带活化的氨基酸参与蛋白质的生物合成。,氨基酰-tRNA合成酶,氨基酰tRNA合成酶催化的反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi,第一步：活化反应,第二步：连接反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,氨基酰-
10、tRNA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（proof-reading activity）。 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet,能够识别mRNA中5端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。 在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即fMet-tRNAifmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即Met-tRNAimet。 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码AUG。,
11、起始tRNA,与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因子（initiation factor，IF）。,4、起始因子（IF）,原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起始因子（eIF）。 IF的作用主要是促进核蛋白体小亚基与起始tRNA及模板mRNA结合。,与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子（elongation factor，EF）。,5、延长因子（EF）,EF-Tu bound with ribosome,原核生物中存在3种延长因子（EF-TU，EF-TS，EF-G），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。 EF的作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋
12、白的受体，并可促进移位过程。,与多肽链合成终止并使之从核蛋白体上释放相关的蛋白因子称为释放因子（release factor，RF）。,6、释放因子（RF）,Eukaryotic release factor,RF在原核生物中有3种，在真核生物中只有1种。,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,RF的生物学功能主要有： 识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 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。,多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。
13、氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。,7、供能物质和无机离子,包括以下几个步骤：,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。,(二）多肽链合成过程,（一）起始阶段原核生物翻译起始复合物形成,IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大、小亚基分离：,IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核蛋白体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。,2. mRNA在小亚基的精确定位结合：,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基,起始 fMet-tRNA
14、imet以及IF2-GTP一起，识别结合小亚基P位，并对应模板mRNA的起始密码AUG。,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,-GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合体形成：,IF2结合的GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAifMet构成起始复合体。,真核生物翻译起始复合体形成,真核生物翻译起始复合体的形成过程与原核生物类似，但参与的蛋白因子更多。 核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合； mRNA在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体形成过程,多肽链合成的延长阶段由一循环反应过程来
15、完成，即核蛋白体循环；每次循环增加一个氨基酸残基。,（二）、多肽链合成的延长阶段,活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环（ribosomal cycle）。 核蛋白体循环包括多肽链合成的进位、成肽和转位三步反应。,1. 进位（entrance）：,又称注册（registra-tion），即与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的A位。 此步骤需GTP，Mg2+，和EF-T参与。,2. 成肽（peptide bond formation）：,成肽是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。 在转肽酶的催化下
16、，将P位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到A位上的氨基酰tRNA上，与其-氨基缩合形成肽键。 此步骤需Mg2+，K+。,成肽反应过程,3. 转位（translocation）：,延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可促进核蛋白体向mRNA的3侧移动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从A位移到P位。 此步骤需GTP和Mg2+参与。,转位反应过程,此时，核蛋白体的A位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。 已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白体E位上脱落。,核蛋白体循环的反应过程,核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入A位。 1识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的A位。 2水解：RF使转肽酶变为酯酶，多肽链与tR
