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1、 Protein Biosynthesis (Translation)蛋白蛋白质的生物合成的生物合成(翻翻译)第十二章第十二章 蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，经过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸陈列顺序，因此称为翻译translation)。 第一节蛋白质合成体系Protein Biosynthesis Systeml 20种氨基酸作为原料种氨基酸作为原料l 酶及蛋白因子，如酶及蛋白因子，如IF、eIF等等l ATP、GTP、无机离子、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括：参与蛋白质生物合成的物质包括：l 三种三种RNAl mRNAl rRNAl
2、tRNA 1961年，年，Nirenberg 证明了证明了mRNA的模板作用。的模板作用。一、翻译模板一、翻译模板mRNA及遗传密码及遗传密码 mRNA mRNA是是遗传遗传信息的携信息的携带带者者遗传学学将将编码一一个个多多肽的的遗传单位位称称为顺反反子子cistroncistron。原原核核细胞胞中中数数个个构构造造基基因因常常串串联为一一个个转录单位位，转录生生成成的的mRNAmRNA可可编码几几种种功功能能相相关关的的蛋蛋白白质，为多多顺反子反子polycistronpolycistron。真真核核生生物物一一个个mRNAmRNA只只编码一一种种蛋蛋白白质，为单顺反子反子single
3、cistronsingle cistron。 mRNA构造简图构造简图l 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开开场场，每每3个个核核苷苷酸酸为为一一组组，决决议议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、终终止止信信号号，称称为为三三联联体体密密码码triplet codon。ORF从从mRNA 5端端起起始始密密码码子子AUG到到3端端终终止止密密码码子子之之间间的的核核苷苷酸酸序序列列，各各个个三三联联体体密密码码延延续续陈陈列列编编码码一一条条多多肽肽链链，称称为为开开放放阅读框架阅读框
4、架(open reading frame, ORF)。 遗遗传传密密码码表表密密码码子子的的第第一一个个字字母母密码子的第二个字母密码子的第二个字母1. 延延续续性性 commaless l遗传密码的特点遗传密码的特点编码蛋白蛋白质氨基酸序列的各个三氨基酸序列的各个三联体密体密码延延续阅读，密，密码间既无既无间隔隔也无重叠。也无重叠。 基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱阅读框架内的碱基发生插入或缺失，能够导致框移突变基发生插入或缺失，能够导致框移突变(frameshift mutation)。 2. 简并性简并性degeneracy遗传密密码中，除色氨酸和甲硫氨酸中，除色氨酸和甲硫
5、氨酸仅有一个密有一个密码子外，其他氨基酸有子外，其他氨基酸有24个或多至个或多至6个密个密码子子为之之编码。密密码子子简并性的生物学意并性的生物学意义：减少有：减少有害突害突变。 遗传密密码的特异性主要取决于前两位的特异性主要取决于前两位碱基。碱基。GCU ACUGCC ACCGCA ACAGCG ACG AlaThr3. 通用性通用性universal蛋白质生物合成的整套密码，从原核生蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。物到人类都通用。 有少数例外，如动物细胞的线粒体、植有少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化密码的通
6、用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。自同一祖先。 4. 摆动性摆动性wobbletRNA上反密码子的第上反密码子的第1位碱基与位碱基与mRNA密码子的第密码子的第3位碱基配对时，可以位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严厉遵照碱基在一定范围内变动，即并不严厉遵照碱基配对规律，这一景象称为摆动性。配对规律，这一景象称为摆动性。摆动配对摆动配对U 二、核蛋白体是多肽链合成的安装二、核蛋白体是多肽链合成的安装 核蛋白体的组成核蛋白体的组成核蛋核蛋白体白体原核生物原核生物真核生物真核生物蛋白质蛋白质S S值值rRNArRNA蛋白质蛋白质S S值值rRNArRNA小亚基小亚基2121种种30S3
7、0S16S16S3333种种40S40S18S18S大亚基大亚基3434种种50S50S23S23S5S5S4949种种60S60S28S28S5.8S5.8S5S5S核蛋白核蛋白体体70S70S80S80S原核生物核蛋白体构造方式原核生物核蛋白体构造方式 30S小亚基：有小亚基：有mRNA结合位点结合位点50S大亚基：大亚基： E位：排出位位：排出位Exit site转肽酶活性转肽酶活性大小亚基共同组成：大小亚基共同组成：A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)三、三、tRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化反密反密码环氨基酸
8、臂氨基酸臂tRNAtRNA在翻译过程在翻译过程中起接合体中起接合体adaptoradaptor作用，又是氨基酸的运作用，又是氨基酸的运载体。载体。氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶一氨基酰一氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)l 氨基酸的活化氨基酸的活化第一步反响第一步反响氨基酸氨基酸ATPATPE E 氨基氨基酰-AMP-E-AMP-EAMP AMP PPi PPi 第二步反响第二步反响氨基氨基酰-AMP-E -AMP-E tRNA tRNA 氨基氨基酰-tRNA -tRNA
9、AMPAMP E E真核生物：真核生物： Met-tRNAiMet原核生物：原核生物： fMet-tRNAifMet二起始肽链合成的氨基酰二起始肽链合成的氨基酰-tRNA fMet-tRNAifMet的生成： 第二节蛋白质生物合成过程The Process of Protein Biosynthesis蛋白蛋白质合成中合成中mRNA模板的方向：模板的方向：5 3；蛋白蛋白质的合成方向：的合成方向：N端端 C端。端。蛋白蛋白质合成合成过程：程：起始起始延伸延伸终止止一、肽链合成起始一、肽链合成起始指指mRNA和和起起始始氨氨基基酰酰 -tRNA分分 别别与与核核蛋蛋白白体体结结合合而而构构成成翻
10、翻译译起起始始复复合合物物 (translational initiation complex)。参参与与起起始始过过程程的的蛋蛋白白质质因因子子称称起起始始因因 子子 initiation factor， I F。参与起始过程的蛋白质因子称起始因参与起始过程的蛋白质因子称起始因子子initiation factor，IF。原核生物起。原核生物起始因子有三种：始因子有三种：IF-1：占据：占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNA。IF-2：促进起始：促进起始tRNA与小亚基结合。与小亚基结合。IF-3：促进大小亚基分别，提高：促进大小亚基分别，提高P位对位对结合起始结合起始tRNA敏感性。敏
11、感性。一原核生物翻译起始复合物构成一原核生物翻译起始复合物构成核蛋白体大小核蛋白体大小亚基分基分别；mRNA在小在小亚基定位基定位结合；合；起始氨基起始氨基酰-tRNA的的结合；合； 核蛋白体大核蛋白体大亚基基结合。合。IF-3IF-11. 核蛋白体大小亚基分别核蛋白体大小亚基分别A U G53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合S-D序列：序列：在原核生物在原核生物mRNA起始密码起始密码AUG上上游，存在游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，个富含嘌呤碱的一致性序列，如如-AGGAGG-，称为，称为S-D序列。又称为序列。又称为核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点ri
12、bosomal binding site，RBS) S-D序列序列 IF-3IF-1IF-2GTPA U G533. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA与小亚基结合与小亚基结合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiA U G534. 核蛋白体大亚基结合核蛋白体大亚基结合IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始过程耗费起始过程耗费1个个GTP。二真核生物翻译起始复合物构成二真核生物翻译起始复合物构成核蛋白体大小核蛋白体大小亚基分基分别；起始氨基起始氨基酰-tRNA-tRNA结合；合；mRNAmRNA在核蛋白体小在核蛋白体小亚基就位；基就位；核蛋白体大核蛋白体大亚基基
13、结合。合。真核生物翻译起始因子真核生物翻译起始因子 起始因子起始因子生物功能生物功能eIF-2促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2B, eIF-3 促进大小亚基分离促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结合小亚基结合小亚基eIF-4B促进促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA 5帽子帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E和和PABeIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合促进各种起始因子从小亚
14、基解离，进而结合大亚基大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基MetMet40S40SMetMetMetMet40S40S60S60SmRNAeIF-2BeIF-2B、eIF-3eIF-3、 eIF-6 eIF-6 elF-3elF-3GDP+Pi各种各种各种各种elFelF释释放放放放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物构成过程复合物构成过程Met-tRNAiMet-elF-2 -GTPMetMet60S60S 真核生物翻译起始的特点核蛋白体是80S；起始因子种类多；起始tR
15、NA的Met不需甲酰化；mRNA的5帽子和3poly A尾构造与mRNA在核蛋白体就位有关；起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA二、肽链的延伸二、肽链的延伸指指按按照照mRNA密密码码序序列列的的指指点点，依依次次添添加加氨氨基基酸酸从从N端端向向C端端延延伸伸肽肽链链，直直到到合成终止的过程。合成终止的过程。 肽链的延伸是在核蛋白体上延的延伸是在核蛋白体上延续性循性循环式式进展，又称展，又称为核蛋白体循核蛋白体循环ribosomal cycle)，每次循，每次循环添加一个氨基酸，分添加一个氨基酸，分为以下三步：以下三步：进位位entrance成成肽peptide bond
16、formation转位位translocation原核延原核延长因子长因子生物功能生物功能对应真核对应真核延长因子延长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，位，结合分解结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，位，促进卸载促进卸载tRNA释放释放EF-2肽链合成的延伸因子肽链合成的延伸因子 一进位一进位指根据指根据mRNA下一组遗传密码指下一组遗传密码指点，使相应氨基酰点，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白进入核蛋白体体A位。位。 延伸因子延伸因子EF-T催化催
17、化进位原核生物进位原核生物 Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP二成肽二成肽是由转肽酶是由转肽酶transpeptidase催化的肽催化的肽键构成过程。键构成过程。三转位三转位延伸因子延伸因子EF-G有有转位位酶translocase 活性，可活性，可结合并水解合并水解1分子分子GTP，促，促进核核蛋白体向蛋白体向mRNA的的3侧挪挪动。fMetA U G53fMetTuGTP进进位位转转位位成肽成肽真真核核生生物物肽肽链链合合成成的的延延伸伸过过程程与与原原核核根根本本类类似似，但但有有不不同同的的反反响响体体系系和和延延伸伸因因子。子。另另外外，真真核核细细胞胞核核蛋蛋白白体
18、体没没有有E E位位，转转位时卸载的位时卸载的tRNAtRNA直接从直接从P P位零落。位零落。四真核生物延伸过程四真核生物延伸过程 三、肽链合成的终止三、肽链合成的终止当当mRNA上终止密码出现后，多肽链上终止密码出现后，多肽链合成停顿，肽链从肽酰合成停顿，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核蛋白体等分别，这些过程称、核蛋白体等分别，这些过程称为肽链合成终止。为肽链合成终止。 终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF) 识别终止止密密码，如如RF-1特特异异识别UAA、UAG；而；而RF-2可可识别UAA、UGA。诱导转
19、肽酶改改动为酯酶活活性性，使使肽链从从核核蛋蛋白体上白体上释放。放。 释放因子的功能放因子的功能原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF 原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 U A G53RFCOO-核蛋白体循环核蛋白体循环53N terminal 原核生物蛋白质合成的能量计算原核生物蛋白质合成的能量计算氨基酸活化：氨基酸活化：2个个PATP起始：起始： 1个个GTP延伸：延伸： 2个个GTP终止：终止： 1个个GTP结论：每合成一个肽键至少耗费结论：每合成一个肽键至少耗费4个个P。 多聚核蛋白体多聚核蛋白体 polys
20、ome)一个一个mRNA分子分子可同时有多个核蛋白可同时有多个核蛋白体在进展同一种蛋白体在进展同一种蛋白质的合成，这种质的合成，这种mRNA和多个核蛋白和多个核蛋白体的聚合物称为多聚体的聚合物称为多聚核蛋白体。核蛋白体。多聚核蛋白体多聚核蛋白体(polysome)使蛋白使蛋白质质合成高速、高效合成高速、高效进进展。展。53蛋白质合成后加工和保送蛋白质合成后加工和保送Posttranslational Processing & Protein Transportation第第 三三 节节从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后
21、复杂加工过程才生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。转变为天然构象的功能蛋白。主要包括主要包括多肽链折叠多肽链折叠(fold)为天然的三维为天然的三维(threedimension)构造构造 肽链一级构造的修饰肽链一级构造的修饰高级构造修饰高级构造修饰 蛋白质的成熟蛋白质的成熟一、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普通以普通以为为，多，多肽链肽链本身氨基酸本身氨基酸顺顺序序储储存着蛋白存着蛋白质质折叠的信息，即折叠的信息，即一一级级构造是空构造是空间间构象的根底。构象的根底。细细胞中大多数天然蛋白胞中大多数天然蛋白质质折叠都折叠
22、都不是自不是自动动完成，而需求其他完成，而需求其他酶酶、蛋白蛋白辅辅助。助。 一级构造是空间构象的根底一级构造是空间构象的根底蛋白质折叠的根本方式蛋白质折叠的根本方式分子伴侣热休克蛋白分子伴侣热休克蛋白hsp70的作用的作用分子伴侣热休克蛋白分子伴侣热休克蛋白hsp60的作用的作用二、一级构造的修饰二、一级构造的修饰一肽链一肽链N端的修饰端的修饰二个别氨基酸的修饰二个别氨基酸的修饰三多肽链的水解修饰三多肽链的水解修饰三、高级构造的修饰三、高级构造的修饰一亚基聚合一亚基聚合 二辅基衔接二辅基衔接三疏水脂链的共价衔接三疏水脂链的共价衔接蛋白质合成后需求经过复杂机制，定蛋白质合成后需求经过复杂机制，
23、定向保送到最终发扬生物功能的细胞靶部向保送到最终发扬生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向保送。位，这一过程称为蛋白质的靶向保送。 四、蛋白质合成后的靶向保送四、蛋白质合成后的靶向保送蛋白质的靶向保送蛋白质的靶向保送protein targeting一一切切靶靶向向保保送送的的蛋蛋白白质质构构造造中中存存在在分分选选信信号号，主主要要为为N末末端端特特异异氨氨基基酸酸序序列列，可可引引导导蛋蛋白白质质转转移移到到细细胞胞的的适适当当靶靶部部位位，这一序列称为信号序列这一序列称为信号序列 。 信号序列信号序列(signal sequence)靶向输送蛋白靶向输送蛋白信号序列或成分信号序列
24、或成分分泌蛋白分泌蛋白信号肽信号肽内质网腔蛋白内质网腔蛋白信号肽，信号肽，C端端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列序列)线粒体蛋白线粒体蛋白N端靶向序列（端靶向序列（2035氨基酸残基）氨基酸残基）核蛋白核蛋白核定位序列（核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）抗原）过氧化体蛋白过氧化体蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）序列）溶酶体蛋白溶酶体蛋白Man-6-P（甘露糖（甘露糖-6-磷酸）磷酸）靶向保送蛋白的信号序列或成分靶向保送蛋白的信号序列或成分 一分泌蛋白的靶向保送一分泌蛋白的靶向保送真核细胞分泌蛋白
25、等前体合成后靶向保真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向保送过程首先要进入内质网，再分别被包装成送过程首先要进入内质网，再分别被包装成分泌小泡而分泌出细胞。分泌小泡而分泌出细胞。 信号信号肽肽(signal peptide) 各种新生分泌蛋白的各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨端有保守的氨基酸序列称信号基酸序列称信号肽。 信号肽的一级构造信号肽的一级构造N端端侧侧碱性区碱性区 疏水中心区疏水中心区 C端加工区端加工区 信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网 二线粒体蛋白的靶向保送二线粒体蛋白的靶向保送 三细胞核蛋白的靶向保送三细胞核蛋白的靶向保送 蛋白质生物合成的干扰和抑制蛋
26、白质生物合成的干扰和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis第第 四四 节节蛋白质生物合成是很多天然抗生素蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是经过和某些毒素的作用靶点。它们就是经过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。过程而起作用的。 抗生素抗生素(antibiotics)是微生物是微生物产生的可以生的可以杀灭或抑制或抑制细菌的一菌的一类药物。物。一、抗生素类一、抗生素类四四环环素素族族氯霉素氯霉
27、素链霉素和卡那霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素嘌呤霉素放线菌酮放线菌酮抗生素抗生素作用点作用点作用原理作用原理应用应用四环素族（金霉素四环素族（金霉素 新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素链霉素、卡那霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素红霉素红霉素梭链孢酸梭链孢酸 放线菌酮放线菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素原核小亚基原核小亚基原核小亚基原核小亚基原核大亚基原核大亚基原核大亚基原核大亚基原核大亚基原核大亚基真核大亚基真核大亚基真核、原核真核、原核核蛋白体核蛋白体 抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA与小亚与小亚基结合基结合改变构象引起读码错误、改变构象引起读码错误、抑制起始抑制起始抑制转肽酶、阻断延长抑
28、制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位抑制转肽酶、妨碍转位与与EFG-GTP结合，抑制结合，抑制肽链延长肽链延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰氨基酰-tRNA类似物，进类似物，进位后引起未成熟肽链脱落位后引起未成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究医学研究抗肿瘤药抗肿瘤药抗生素抑制蛋白质生物合成的原理抗生素抑制蛋白质生物合成的原理 嘌呤霉素嘌呤霉素作用表示图作用表示图二、其他干扰蛋白质生物合成的物质二、其他干扰蛋白质生物合成的物质毒素毒素(toxin)干扰素干扰素(interferon) 白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理 干扰素的作用机理 复习思索题：1. 概念：1翻译 2遗传密码3密码的摆动性 4氨基酸活化5SD序列 6信号肽7分泌性蛋白质 8靶向保送9多聚核蛋白体2. 简述RNA在蛋白质合成中的作用。3. 简述蛋白质生物合成的大体过程。 4. 原核生物和真核生物的翻译起始复合物的生成有何异同？5. 简单引见信号肽假说的详细内容。6. 按以下DNA单链5TCGTCGACGATGATCTTCGGCTACTCGA3试写出：1DNA复制时另一条链的碱基顺序；2以此为模板，转录成mRNA的碱基顺序；3所合成肽链的氨基酸顺序。
