蛋白质的生物合成(翻译)

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1、 1 第十二章第十二章蛋白质的生物合成（翻译）蛋白质的生物合成（翻译） Protein Biosynthesis, Translation n第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系n第二节第二节 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程n第三节第三节 蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送n第四节第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制蛋白质生物合成的干扰和抑制 2 翻译的翻译的模板模板：DNA-DNA-原始模板原始模板 RNA-RNA-直接模板直接模板 翻译的翻译的场所场所：核蛋白体（细胞质）：核蛋白体（细胞质） 翻译过程分为起始、延长、终止三个阶段。翻译过程分为起始、延长、终止三个

2、阶段。 概概 述述 翻译翻译（translationtranslation）：即蛋白质的生物）：即蛋白质的生物合成，就是将核酸中由合成，就是将核酸中由 4 4 种核苷酸序列编种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中读为蛋白质一级结构中2020种氨基酸的排列顺种氨基酸的排列顺序。简言之，就是生物体以序。简言之，就是生物体以mRNAmRNA为模板合成为模板合成蛋白质的过程。蛋白质的过程。 3 第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 原料原料：氨基酸：氨基酸 其它物质其它物质：三种：三种RNARNA（mRNAmRNA、

3、tRNAtRNA、rRNArRNA） 各种酶和蛋白质因子各种酶和蛋白质因子 ATPATP和和GTP GTP 、无机离子等、无机离子等 4遗遗传传学学将将编编码码一一个个多多肽肽的的遗遗传传单单位位称称为为顺顺反子反子(cistron)。原原核核细细胞胞中中数数个个结结构构基基因因常常串串联联为为一一个个转转录录单单位位，转转录录生生成成的的mRNA可可编编码码几几种种功功能相关的蛋白质，能相关的蛋白质，为为多顺反子多顺反子(polycistron) 。真真核核mRNA只只编编码码一一种种蛋蛋白白质质，为为单单顺顺反反子子(single cistron) 。 一、翻译模板一、翻译模板mRNA及遗

4、传密码及遗传密码n mRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者 5 6 7l mRNA上存在遗传密码上存在遗传密码mRNA分分 子子 上上 从从 5 至至 3 方方 向向 ， 由由AUG开开始始，每每3个个核核苷苷酸酸为为一一组组，决决定定肽肽链链上上某某一一个个氨氨基基酸酸或或蛋蛋白白质质合合成成的的起起始始、终止信号，称为终止信号，称为三联体密码三联体密码(triplet coden)。起始密码起始密码(initiation coden): AUG 终止密码终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA 共个，其中个为有意义密码。共个，其中个为有意义密码。 8

5、第第 三三 个个 字字 母母U CA G 9开放读码框开放读码框：从：从mRNA5端起始密端起始密码子码子AUG到到3端终止密码子之间的核苷酸端终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，称为开放读码框（蛋白质多肽链，称为开放读码框（open reading frame,ORF）。）。 10 遗传密码的特点遗传密码的特点： （一）（一）连续性连续性(commaless)(commaless) 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续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，如阅读，密码间既无间断也无交叉

6、，如mRNAmRNA链上的碱链上的碱基发生插入或缺失，可造成框移突变。基发生插入或缺失，可造成框移突变。 （二）（二）简并性简并性(degenecy)(degenecy)遗传密码的简并性遗传密码的简并性是指一种氨基酸有个或是指一种氨基酸有个或个以上的密码子为之编码的现象。个以上的密码子为之编码的现象。 （三）（三）通用性通用性（universaluniversal） （四）（四）摆动性摆动性(wobble) (wobble) （图）（图） 密码子与反密码子配对出现不严格遵守常见的密码子与反密码子配对出现不严格遵守常见的碱基配对规律的情况，称为碱基配对规律的情况，称为摆动配对摆动配对（表（表12

7、-212-2） 11 12 13原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基S值值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白蛋白质质rpS 21种种rpL 36种种rpS 33种种rpL 49种种 原核、真核核蛋白体的组成原核、真核核蛋白体的组成 14 15 三、三、tRNAtRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化 （一）氨基酰（一）氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶 tRNAtRNA的的3 3末端末端-CCA-

8、OH-CCA-OH是氨基酸的结合位是氨基酸的结合位点，点，tRNAtRNA的功能是转运氨基酸。的功能是转运氨基酸。 1.tRNA1.tRNA携带氨基酸的反应如下携带氨基酸的反应如下: :（氨基酸的活化）（氨基酸的活化） 此反应可分为两步完成：此反应可分为两步完成： 氨基酸氨基酸+ATP-E +ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E+PPi-AMP-E+PPi 氨基酰氨基酰-AMP-E+tRNA-AMP-E+tRNA氨基酰氨基酰-tRNA+AMP+E-tRNA+AMP+E 氨基酸氨基酸 + tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP AMP+PPi 16 2.2.氨基

9、酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶的作用特点合成酶的作用特点 a. a. 对对aaaa、tRNAtRNA两种底物有高度特异性两种底物有高度特异性; ; b. b.有校正活性，当发生错配时，可以水解有校正活性，当发生错配时，可以水解酯键，再重新与正确的底物结合。酯键，再重新与正确的底物结合。 3.3.氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的书写的书写 (1) (1) 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA完整的写法是：完整的写法是：ala-tRNAala-tRNAalaala；met-tRNAmet-tRNAe emetmet；fmet-tRNAfmet-tRNAf fmetmet等。等。 (2) (2)

10、各种氨基酰各种氨基酰-tRNA-tRNA的生成反应如下：的生成反应如下：gly + tRNAgly + tRNAglygly + ATP gly-tRNA + ATP gly-tRNAglygly + AMP + PPi + AMP + PPi met+tRNAmet+tRNAe emetmet+ATP met- tRNA+ATP met- tRNAe emetmet +AMP+PPi +AMP+PPi 17 （二）起始肽链合成的氨基酰（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA-tRNA 密码子密码子AUGAUG为甲硫氨酸（为甲硫氨酸（MetMet）编码，同时作）编码，同时作为起始密码为起始密码。

11、与甲硫氨酸结合的与甲硫氨酸结合的tRNAtRNA，在真核生物中至，在真核生物中至少有两种：少有两种：tRNAtRNAi imetmet和和tRNAtRNAe emetmet ；原核生物的起；原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，即始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，即N-N-甲酰甲酰甲硫氨酸（甲硫氨酸（ fMet fMet ）。）。 18 第二节第二节 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 翻译过程分为起始、延长和终止三个阶段。翻译过程分为起始、延长和终止三个阶段。 一、肽链合成起始一、肽链合成起始 肽链合成起始阶段，是指肽链合成起始阶段，是指mRNAmRNA和起始氨和起始氨基酰基酰-tRN

12、A-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。需要起始因子（始复合物的过程。需要起始因子（IFIF或或eIFeIF）和和ATPATP、GTPGTP参与。参与。 翻译的起始是翻译的起始是mRNAmRNA能忠实翻译的关键步能忠实翻译的关键步骤，也是调节蛋白质合成的部位。骤，也是调节蛋白质合成的部位。 19 （一）原核翻译起始复合物形成（一）原核翻译起始复合物形成 ( (图图12-3)12-3) 1. 1. 蛋白体大、小亚基分离。蛋白体大、小亚基分离。 2.mRNA2.mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合； S-DS-D序列序列：又称核蛋白体结合位点：

13、又称核蛋白体结合位点(ribosomal binding site,RBS)(ribosomal binding site,RBS)，是，是mRNAmRNA起始起始密码上游的一段富含嘌呤核苷酸的序列，该序密码上游的一段富含嘌呤核苷酸的序列，该序列以列以AGGAAGGA为核心。（为核心。（图图12-212-2） 3.3.起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA在小亚基上就位；在小亚基上就位； 4.4.核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。 20 21 （二）真核生物翻译起始复合物形成（二）真核生物翻译起始复合物形成 1.1.核蛋白质体大小亚基的分离；核蛋白质体大小亚基的分离； 2.2.起始氨基

14、酰起始氨基酰-tRNA-tRNA结合；结合； 3.mRNA3.mRNA在核蛋白质体小亚基的准确定在核蛋白质体小亚基的准确定;(;(图图12-4A12-4A) ) 4. 4.核蛋白质体大亚基结合。（核蛋白质体大亚基结合。（图图12-412-4） eIF2eIF2是真核肽链合成调节的关键成分是真核肽链合成调节的关键成分。 22 二、肽链的延长二、肽链的延长 肽链合成的延长是根据肽链合成的延长是根据mRNAmRNA密码序列的密码序列的指导指导, ,依次添加氨基酸从依次添加氨基酸从N N端向端向C C端延伸肽链端延伸肽链, ,直到合成终止的过程。由于肽链延长在核蛋直到合成终止的过程。由于肽链延长在核蛋

15、白体上连续性循环式进行，又称白体上连续性循环式进行，又称核蛋白体循核蛋白体循环环( (ribosomal cycleribosomal cycle) )，每次核蛋白体循环肽链，每次核蛋白体循环肽链增加一个氨基酸。增加一个氨基酸。 需要延长因子、各种酶和需要延长因子、各种酶和GTPGTP参与。参与。原核生物延长因子：原核生物延长因子：EF-TEF-T（EF-TuEF-Tu、EF-TsEF-Ts） EF-GEF-G真核生物延长因子：真核生物延长因子：EF-1EF-1、EF-2EF-2 23 翻译延长因子翻译延长因子 24 核蛋白体循环分三个步骤：核蛋白体循环分三个步骤： 1.1.进位进位(entr

16、ance) (entrance) 2. 2.成肽成肽( (peptide bond formationpeptide bond formation) ) 3. 3.转位转位(translocation)(translocation) 核蛋白体阅读核蛋白体阅读mRNAmRNA密码子的方向是密码子的方向是5 533，肽链合成从，肽链合成从NCNC端进行的。端进行的。 25需参与。需参与。 26 27 28成肽反应在位上进行。成肽反应在位上进行。 29 （三）转位（三）转位延长因子延长因子EF-G有转位酶活性，可结合并有转位酶活性，可结合并水解分子水解分子GTP，促进核蛋白体向，促进核蛋白体向mRN

17、AmRNA的的侧移动。侧移动。 30 31程程 32 三、肽链合成的终止三、肽链合成的终止 当核蛋白体出现当核蛋白体出现mRNAmRNA的终止密码后，的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰多肽链合成停止，肽链从肽酰tRNAtRNA中释出，中释出， mRNAmRNA、核蛋白体大、小亚基等分离，这些过、核蛋白体大、小亚基等分离，这些过程称为肽链合成终止（程称为肽链合成终止（terminationtermination）。）。 需要释放因子（需要释放因子（RFRF）的参与。）的参与。 原核生物原核生物RFRF：RF-1RF-1、RF-2RF-2、RF-3RF-3真核生物真核生物RFRF：eRF e

18、RF 33 释放因子的功能：释放因子的功能： .识别终止密码，如识别终止密码，如RF-1RF-1特异识别特异识别UAAUAA、UAGUAG；而；而RF-2RF-2可识别可识别UAA UAA 、UGA UGA 。 . .诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于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催化肽酰基转移到水分子OHOH上，使肽链从上，使肽链从核蛋白体上释放。核蛋白体上释放。 34IFIFRF1RF2RF3GTPGDP+Pi 35 36第三节第三节 蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质二、一级结构的修饰

19、二、一级结构的修饰三、空间结构的修饰三、空间结构的修饰四、蛋白质合成后的靶向输送四、蛋白质合成后的靶向输送 37 一一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质几种有促进蛋白折叠功能的大分子：几种有促进蛋白折叠功能的大分子： 、分子伴侣（、分子伴侣（molecular chaperonmolecular chaperon） 、蛋白二硫键异构酶、蛋白二硫键异构酶(protein (protein disulfide isomerase,PDI)disulfide isomerase,PDI) 、肽脯氨酰顺反异构酶、肽脯氨酰顺反异构酶(peptide (peptide pr

20、olyl cis-isomerase,PPI)prolyl cis-isomerase,PPI) 38 分子伴侣分子伴侣：是细胞中一类保守蛋白质，：是细胞中一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。整体蛋白质的正确折叠。、热休克蛋白（、热休克蛋白（heat shock protein, HSP） HSP70、HSP40和和GreE家族家族、伴侣素（、伴侣素（chaperonins） GroEL和家族和家族GroES 39 40 41二、一级结构的修饰二、一级结构的修饰（一）肽链（一）肽链N-N-端的修饰端的修饰（二）个别氨

21、基酸的共价修饰（二）个别氨基酸的共价修饰（三）多肽链的水解修饰（三）多肽链的水解修饰（图图12-1012-10）三、空间结构的修饰三、空间结构的修饰（一）亚基聚合（一）亚基聚合（二）辅基连接（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价修饰（三）疏水脂链的共价修饰 42 四、蛋白质合成后的靶向输送四、蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的目标地点，这一过程到最终发挥生物功能的目标地点，这一过程称为称为蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送（protein targetingprotein targeting）。）。所有靶向输送的蛋白质结构

22、中存在分选所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为末端特异氨基酸序列，可引信号，主要为末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为列称为信号序列信号序列（signal sequencesignal sequence）。）。 43 44（一）分泌蛋白的靶向输送（一）分泌蛋白的靶向输送 1.1.信号肽信号肽：各种新生分泌蛋白的端：各种新生分泌蛋白的端有保守的氨基酸序列称为信号肽有保守的氨基酸序列称为信号肽(signal (signal peptide)peptide)。（。（见图见图） 2.2.分泌性蛋白进入内质网：分泌性蛋白进入

23、内质网： （图图12-1112-11） 45 46 47 第四节第四节 蛋白质生物合成干扰和抑制蛋白质生物合成干扰和抑制 一、抗生素一、抗生素（antibiotics)antibiotics) 由微生物产生的具有抑制其它生物生长由微生物产生的具有抑制其它生物生长的物质。的物质。 1.1.四环素四环素（tetracyclintetracyclin）族）族 2.2.氯霉素氯霉素（chloromycetinchloromycetin） 3.3.链霉素链霉素(streptomycin)(streptomycin)和和卡那霉素卡那霉素( (karamycin)karamycin) 4.4.嘌呤霉素嘌呤霉

24、素（puromycinpuromycin） 5.5.放线菌酮放线菌酮（cycloheximidecycloheximide） 各种抗生素影响翻译过程的作用点见各种抗生素影响翻译过程的作用点见图图12-1412-14 48转位酶转位酶 49二、其它干扰蛋白质合成的物质二、其它干扰蛋白质合成的物质 （一）毒素（一）毒素白喉毒素白喉毒素对真核生物的延长因子对真核生物的延长因子EF-2EF-2起共起共价修饰作用，生成价修饰作用，生成EF-2EF-2的腺苷二磷酸核糖衍生的腺苷二磷酸核糖衍生物，从而使物，从而使EF-2EF-2失活。（失活。（图图12-1512-15） （二）干扰素（二）干扰素（interferon,IFinterferon,IF） 由真核生物细胞感染病毒后分泌的具有抗由真核生物细胞感染病毒后分泌的具有抗病毒作用的蛋白质。病毒作用的蛋白质。 50 51 52tRNA反密码子第反密码子第1 位碱基位碱基 I G A CmRNA密码子第密码子第3 位碱基位碱基 U,C,A A,G U GGCGCG GCGCGA A 53 54 55PuPu 56 57 58 59碱性端碱性端 60 61 62