蛋白质的生物合成翻译-2.ppt

第15章 蛋白质的生物合成翻译 Protein Biosynthesis Translation,本章主要内容,翻译系统 蛋白质生物合成的过程 翻译后的加工修饰,重点和难点：,蛋白质的生物合成过程 原核生物和真核生物蛋白质合成的差异,一、蛋白质的翻译系统,以mRNA为模板，在核糖体、tRNA和多种蛋白因子的共同作用下，将mRNA中4种核苷酸的语言解读为蛋白质中20种氨基酸的语言，称为翻译（Translation）。,原 料: 20 种氨基酸 mRNA: 合成蛋白质的模板 tRNA: 原料氨基酸的“搬运工” rRNA: 与多种蛋白质结合成核糖体， 为合成多肽链的“装配机（操作台）” 。,mRNA是遗传信息的载体（载有遗传密码），是合成蛋白质的模板，它以一系列三联体密码子的形式从DNA转录了遗传信息。每个密码子对应一个氨基酸。 mRNA占细胞总RNA的5-10%，不稳定，寿命短。,1. mRNA,一条多核苷酸链的碱基顺序决定或编码一条多肽链上的氨基酸的排列顺序, 这种对应关系称为遗传密码。 三个碱基编码一个氨基酸，三联碱基称为一个密码子（codon）, 又称三联体密码。,遗传密码（genetic code）,遗传密码的破译,1961年，M. Nirenberg等用放射性同位素标记的方法证明mRNA中核苷酸顺序与蛋白质中氨基酸之间的对应关系。 人工合成多聚核苷酸: Nirenberg用poly U加入C14标记的20种aa, 只合成有苯丙氨酸的寡肽, UUU=苯丙氨酸。 1966年，20中氨基酸对应的61个密码子和三个终止密码子全部被查清破译。,由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号。 起始密码（initiation coden）: AUG （真核中起始为Met、原核中起始为fMet, 翻译中间为Met） 终止密码（termination coden）: UAA，UAG，UGA,编码性,遗传密码的主要特征：,5 AUG CCA UGC ACC CGG GUU CAA UAG 3 Met Pro Cys Thr Arg Val Gln,从mRNA5端起始密码子AUG到3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蛋白质多肽链，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。,简并性：同一氨基酸有多个不同密码子， 除 Trp，Met 外, 同义密码子。 通用性：大多数生物共同使用同一套密码子, 但也会有所偏爱。 不重叠性：三联体，连续性，无逗点，连续阅读，5 到3。 例外：支原体，UGA 编码 Trp；纤毛虫，UAA 和 UAG编码 Glu。,原核tRNA有30-40种，真核有50-60种，含70-90个核苷酸， 并有多种稀有碱基。 tRNA是最小的RNA， 占细胞总RNA的15%左右，其功能是搬运氨基酸和解读密码子。 tRNA 具有“四环一臂” 和 “三叶草” 形的典型结构。,2. tRNA,tRNA的结构“四环一臂” 倒L形的三级结构,tRNA上至少有4 个位点与多肽链合成有关：即3CCA氨基酸接受位点、氨酰-tRNA合成酶识别位点、核糖体识别位点和反密码子位点。 每一个氨基酸有其相应的tRNA携带, 氨基酸的羧基与tRNA的 3 CCA-OH 以酯键结合。而tRNA的反密码子可以与mRNA上相应的密码子互补结合, 以使氨基酸正确“对号入座” （因为密码子的序列对应于多肽链上 的氨基酸序列）。,密码子与反密码子的配对方式,3. rRNA与核糖体（ribosome）,核糖体呈颗粒状，是rRNA 与几十种蛋白质的复合体，由大、小亚基组成，每个亚基又含有不同的蛋白质和rRNA，原核和真核生物不同。 含有合成蛋白质多肽链所必需的酶、起始因子（IF）、延伸因子（EF）、释放因子（RF）等。,不同细胞核糖体的组成,核糖体的组成,容纳mRNA，并能沿着mRNA由5到3 移动，由tRNA解读其密码；每次移动的距离相当于一个密码子。 氨基酰位点（A位点），可结合氨基酰-tRNA； 肽酰基位点（P位点），可结合肽酰基-tRNA； 脱tRNA的出口位（E位点）; 肽酰基转移酶中心，是形成肽键的位点等。,核糖体的功能,A位：氨酰基tRNA位 (aminoacyl tRNA site),P位：肽酰基tRNA (peptidyl tRNA site),E位：排出 (exit site),多核糖体,大肠杆菌由一 定数目的单个核糖 体与一个mRNA 分 子结合而成的念珠 状结构。,每个核糖体可独立完成一条肽链的合 成，所以在多核糖体上可以同时进行多条 肽链的合成，提高了翻译的效率。,4. 翻译的方向,沿mRNA的5 3进行 多肽链的合成起始于氨基末端，然后逐步连续加接其他氨基酸残基，延伸至羧基末端。,二、蛋白质生物合成的过程,氨基酸的活化 蛋白质合成的起始 肽链的延伸 合成终止,分为四个阶段：,氨基酰-tRNA合成 (aminoacyl-tRNA synthetase),1. 氨基酸的活化,氨基酸的羧基与tRNA 的3端CCA-OH以酯键相连，因此其氨基是自由的。,第一步反应,氨基酸 ATPE 氨基酰-AMP-E PPi,氨基酰-tRNA合成酶,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,氨基酰-tRNA表示方法：Ser-tRNASer,氨基酰-tRNA合成酶具有高度特异性，能够专一识别底物氨基酸和tRNA，保证了翻译的准确无误。 催化氨基酰-tRNA脱酰基，具有校正活化过程中可能发生的错误 。,氨基酰-tRNA合成酶的特点,密码子-反密码子的相互作用,氨基酸的加入需靠mRNA上的密码子和tRNA上的反密码子相互以碱基配对辨认。 密码子的第一个碱基与反义密码子的第三位配对。,摆动假说：密码子的前两个碱基严格遵守碱基配对规律为tRNA的反密码子识别（编码的特异性），他们中的任何不同即为不同tRNA识别，但第三个碱基不同，与反密码子上相应碱基结合很松（利于tRNA迅速解离） ，有一定的自由度，即摆动性。,反密码子 3- X-Y-Z-5 密码子 5- X- Y-Z - 3,密码子、反密码子配对的摆动现象,密码子,反密码子,大肠杆菌中, 起始密码子AUG所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸（fMet）。,Met-tRNA + N10-甲酰FH4 fMet-tRNAfmet + FH4,甲酰转移酶, fMet-tRNAfmet的生成,2. 蛋白质合成的起始,原核生物蛋白合成的起始：,在起始密码子AUG上游10个核苷酸处，有一段可与核糖体结合、富含嘌呤的3-9个核苷酸序列，一般为AGGAGGU，此序列称SD序列。 SD序列与核糖体小亚基中16S rRNA的3端互补结合有利于30S起始复合物的形成。, 翻译的起始信号,SD 序列, 起始复合物的形成,IF-3: 与30S亚基结合，使大小亚基分离 IF-1和IF-2: 促进fMet-tRNA与30S亚基结合,需要GTP和三种起始因子（initiation factor, IF）,第一步: 核蛋白体大小亚基分离,30S亚基与IF3结合，促进核糖体大、小亚基解离,IF-3,E,第二步: 30S复合物的形成,30S小亚基中16SrRNA与SD序列配对，形成30S mRNA IF3 。 IF1、 IF2和GTP结合后与fMet-tRNA形成复合体，然后与30S mRNA IF3 结合成更大的复合物。,30S复合物释放IF3后，与大亚基结合; IF2结合的GTP被水解，IF1、IF2均脱离。 50S大亚基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAfMet构成起始复合体。,第三步：核糖体大亚基结合，起始复合物形成,E,E,IF-1,IF-1,真核细胞的合成起始,起始氨基酸是Met，由特殊的tRNA携带为Met-tRNAi 起始因子有 eIF-1 eIF-9 60S亚基与起始Met-tRNAi、mRNA和40S亚基结合，形成80S的起始复合物。,3. 肽链的延伸,肽链在核蛋白体上连续循环式进行，每次循环增加一个氨基酸，每加接一个氨基酸残基消耗2mol的的GTP , 每次循环包括以下三步： 进位 (entrance) 转肽 (peptide bond formation) 移位 (translocation),延长因子（elongation factor：EF）, 进 位,指相应氨基酰-tRNA进入70S复合体A位的过程。 参与因子：延长因子EF-Tu（Tu）、EF-Ts（Ts）、GTP、氨基酰-tRNA。,GTPase核糖体蛋白质,离开的GDP-Tu经以下循环不断使用,由核糖体大亚基上的肽酰基转移酶催化 fMet-tRNAfMet + aa-tRNA 二肽酰-tRNA (fMet成为N末端) P 位 A 位 A 位 A位成肽后，P位留下空载tRNA, 转 肽,无负荷的tRNA由E位点释放； 肽酰tRNA从A位移到P位； EF-G有转位酶活性，可结合并水解 1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3侧移动。, 移 位,进位,移位,转肽,4. 肽链合成的终止,氨基酸进位，肽链形成和延伸，核糖体沿着mRNA的53 方向移位，循环往复，新合成的肽链由N端向着C端不断延长，直至mRNA上出现终止密码，就没有氨基酰-tRNA再进入A位点，肽链的合成终止。 相应的肽链释放因子RF1（对应UAA、UAG），RF2（对应UAA、UGA）占据A位，诱导肽酰转移酶将P位上的肽链转移给水，使肽链和tRNA从核糖体上释放。 核糖体大、小亚基解离，并进入下一轮合成。,蛋白质合成的终止,AA活化 2个高能磷酸键（1个ATP） 起始 1个（GTP变为GDP） 进位 1个（GTP变为GDP） 移位 1个（GTP变为GDP）,第一个氨基酸参入需消耗3个（活化2+起始1）高能磷酸键, 以后每掺入一个氨基酸需要消耗4个（活化2+进位1个+移位1个）高能磷酸键。,蛋白质的合成是一个高耗能过程,蛋白质合成抑制剂抗生素类阻断剂,嘌呤霉素 与氨基酰tRNA结构 竞争抑制 相似 链霉素 与30S亚基结合 改变氨基酰tRNA 与密码子的配对 四环素 阻断氨基tRNA进 抑制肽链的延伸 入A位点 氯霉素 抑制50S亚基肽酰转 抑制肽链延长 移酶活性 红霉素 与50S亚基结合，抑 防碍移位 制肽酰转移酶活性,真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子,阶段 原核 真核 功 能 IF1 IF2 eIF2 参与起始复合物的形成 IF3 eIF3、eIF4C 起始 CBP I 与mRNA帽子结合 eIF4A B F 参与寻找第一个AUG eIF5 协助eIF2 、 eIF3、eIF4C的释放 eIF6 协助60S亚基从无活性核糖体上解离 EF-Tu eEF1 协助氨酰-tRNA进入核糖体 延长 EF-Ts eEF1 帮助EF-Tu 、 eEF1周转 EF-G eEF2 移位因子 RF-1 终止 RF-2 eRF 释放完整的肽链 RF-3,原核和真核生物蛋白质合成差异,三、翻译后的加工修饰,从核糖体释放的多肽链，不一定具备生物活性。肽链从核糖体释放后，经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活性的成熟蛋白质，称为翻译后加工。,修饰：蛋白质的N末端、侧链等的加工。 折叠：一级结构形成高级结构，发生在 肽链刚合成时，边合成边折叠。 定位：蛋白质到达细胞目的地。 降解：防止异常或不需要的蛋白质积累， 加速氨基酸的循环。,加工包括：,1. 修 饰,N端修饰 原核生物修饰时是由肽甲酰基酶除去甲酰基，多数情况甲硫氨酸也被氨肽酶除去，真核生物中甲硫氨酸则全部被切除。 多肽链的水解切除 水解切除其中多余的肽段，使之折叠成为有活性的酶或蛋白质。如酶原激活。,氨基酸侧链的修饰 氨基酸侧链的修饰包括羟化、羧化、甲基化及二硫链的形成等。 糖基化修饰 糖蛋白是细胞蛋白质组成的重要成分。它是在翻译后的肽链上以共价键与单糖或寡聚糖连接而成。糖基化是在酶催化下进行的。, 酶 二硫键异构酶：促进二硫键的形成。 肽酰脯氨酰顺反异构酶：促进肽-脯氨酰肽