蛋白质翻译及翻译后修饰

第第 15章章 蛋白质翻译蛋白质翻译Protein Biosynthesis (Translation)本章主要内容翻译系统蛋白质生物合成的过程多肽链翻译后的修饰蛋白质的到位 基因在原核和真核细胞中最终得到表达原核 真核原料氨基酸， 20种mRNA是合成蛋白质的 “蓝图（或模板） ”tRNA是原料氨基酸的 “搬运工 ”rRNA与 多种蛋白质结合成核糖体 ,作为合成多肽链的“装配机（操作台） ”1 蛋白质的翻译系统蛋白质翻译系统示意图mRNA是遗传信息的载体（载有遗传密码， genetic code）， 是合成蛋白质的蓝图（模板），它以一系列三联体密码子（ codon） 的形式从 DNA转录了遗传信息。每个密码子代表一个氨基酸。mRNA占细胞总 RNA的 5-10% ，不稳定，寿命短。原核的 mRNA 是多顺反子 ;真核的 mRNA 是单顺反子。1.1 信使 RNA (mRNA)遗传密码上世纪 60年代，利用均聚核苷酸实验，破译了遗传密码。遗传密码为三联体（每三个碱基代表一个氨基酸），由 5到 3阅读，无间断。即使在少数重叠基因（如病毒）中，其开放阅读框架（ open reading frame, ORF）仍 按此原则。起始密码为 AUG, 终止密码为 UAA， UAG和 UGA。5AUG CCA UGC ACC CGG GUU CAA UAG 3Pro Cys Thr Arg Val Gln 密码有简并性（ degeneracy）， 即一个氨基酸可由几个密码子表示；通用性，大多数生物使用同样的遗传密码，但也会有所偏爱。 遗传密码表原核 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。注意： 3端 CCA氨基酸受位和反密码子环1.2 转运 RNA (tRNA)tRNA的结构 “ 四环一臂 ” 倒 L形的三级结构 tRNA的功能是解读 mRNA上的密码子和搬运氨基酸。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、氨基 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变偶性或摆动性 反密码子 5端的碱基与密码子的第三位配对不严格核糖体是 rRNA 与几十种蛋白质的复合体，有大、小两个亚基构成。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。原核的核糖体（ 70S） = 30S小亚基 + 50S大亚基30S小亚基 : 16S rRNA + 21种蛋白质50S大亚基 : 23S， 5SrRNA + 34种蛋白质真核的核糖体（ 80S） = 40S小亚基 + 60S大亚基40S 小亚基 : 18S rRNA + 33种蛋白质60S 大亚基 : 28S， 5.8S， 5SrRNA + 45种蛋白质1.3 核糖体（ ribosome） 与核糖体 rRNA沉降系数 S生物大分子在离心场中沉降，受到三种力的影响，它们是离心力，浮力和摩擦力。物质在单位离心力场的沉降速度是个定值，称为沉降系数（ sedimentation coefficient） 。蛋白质、核酸等的沉降系数在 1 X 10-13到 200 X 10-13秒 之间。为方便将 10-13秒作为一个单位，称 Svedberg单位，用 S表示。其数值不仅与物质分子的质量有关，也与分子的形状有关。 rRNA只有 4-5种，但占细胞RNA 的大部分 。图为原核生物的两种 RNA16S rRNA和 5S rRNA 的结构核糖体的结构核糖体有 4个基本功能1. 容纳 mRNA， 并能沿着 mRNA由 53 移动，由 tRNA解读其密码；2. 氨基酰位点（ A位点 ），可结合氨基酰 -tRNA（ AA-tRNA）；3. 肽酰基位点（ P位点 ），可结合肽酰基 -tRNA（肽 -tRNA）；4. 脱氨基酰 tRNA的出口位 (E位点 ) ;5. 肽酰基转移酶中心，是形成 肽键 的位点等。所有参与合成多肽链的氨基酸都要激活，并由数十种高度专一的氨基酰 -tRNA合成酶催化。该酶由两个识别位点，它们能识别特定的氨基酸和选择其所对应的 tRNA， 使两者连接起来（利用 ATP）。反应如下：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。2 蛋白质的生物合成过程2.1 氨基酸的活化氨基酸与 tRNA的连接方式翻译起始时，第一个氨基酸一般是甲硫氨酸，其氨基要甲酰化成为甲酰甲硫氨酸，予以保护。甲酰 FH4甲酰基MettRNAfmetfMet-tRNA合成酶fMet-tRNA酯键首先 IF3、 IF1帮助 30S小亚基与 mRNA结合， IF2和 GTP帮助甲酰甲硫氨酸 -tRNA与 AUG配对，接着 IF3脱离，形成 30S起始复合物。 50S大亚基进入，IF1和 IF2脱离，形成 70S起始复合物，需要 GTP。 甲酰甲硫氨酸 -tRNA处于 P位。2.2 起始复合物的形成起始密码 AUG上游的 S.D序列 (一个嘌呤丰富区 )与其核糖体小亚基中 16S rRNA的 3端互补结合有利于 30S起始复合物的形成一个嘌呤丰富区 起始密码2.3 肽键的形成和延伸（注意新的 AA-tRNA如何定位，第一个肽键如何形成，核糖体如何移动 ）氨酰基 tRNA进入 A位新的氨基酸 -tRNA的进位依赖 Tu-Ts因子和 GTP的协助肽键的形成肽键的形成由肽酰基转移酶催化（此酶具有核酶的活性） 原核生物肽链的延长 核糖体沿着 mRNA 53 方向移位，多肽链沿着 N端向着 C端延伸，须有 EF-G因子和 GTP参与，空载的 tRNA从 E位点离开氨基酸进位，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，相应的肽链释放因子RF1（ 对应 UAA、 UAG）， RF2（ 对应 UAA、 UGA） 占据 A位。肽链的合成终止，并从核糖体上释放。核糖体大、小亚基解聚，并进入下一轮合成。2.4 肽链的终止多个核糖体结合在同一条 mRNA上，由 53 进行翻译，形成 多核糖体 （ polyribosome）， 以提高翻译的效率3 多肽链的修饰和加工(1)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。(2)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(3)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。 (4)糖基化修饰 糖蛋白是细胞蛋