蛋白质的生物合成(翻译).ppt

蛋白质的生物合成 （翻译） Protein Biosynthesis，Translation 1 n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)。 2 第一节 蛋白质合成体系 Section 1 Protein Biosynthesis System 3 n20种氨基酸(AA)作为原料 n酶及众多蛋白因子，如IF、EF、 RF n供能物质（ATP、GTP）、无机离 子 参与蛋白质质生物合成的 物质质 三种RNA mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA） 4 一、mRNA模板及遗传 密码 nmRNA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)。 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) 。 5 多顺顺反子与单顺单顺 反子 6 mRNA上的遗传遗传 密码码 作为指导蛋白质生物合成的模板，mRNA 中,从5到3方向，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)。共有64种不同的密码。其中 ： 起始密码(initiation codon): AUG 终止密码(termination codon): UAA，UAG，UGA 7 标标准的通用遗传遗传 密 码码表 8 遗传密码字典 第一个 核苷酸(5) 第二个核苷酸第三个 核苷酸(3) UCAG U 苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸U 苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸C 亮氨酸丝氨酸无意义 (终止密码子) 无意义 (终止密码子) A 亮氨酸丝氨酸无意义 (终止密码子) 色氨酸G C 亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸U 亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸C 亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸A 亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸G A 异亮氨酸苏氨酸天冬酰胺丝氨酸U 异亮氨酸苏氨酸天冬酰胺丝氨酸C 异亮氨酸苏氨酸赖氨酸精氨酸A 甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸精氨酸G G 缬氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸U 缬氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸C 缬氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸A 缬氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸G 9 n从mRNA 5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(open reading frame, ORF)。 10 n遗传密码具有以下特点： 连续性； 简并性； 通用性； 方向性； 摆动性。 11 1.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。 12 基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插 入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。 13 2. 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。 14 遗传遗传 密码码的简简并性 15 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。 16 4. 方向性(direction)： n指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只 能沿53方向进行。 17 5. 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 反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规 律，称为摆动配对。 18 密码码子与反密码码子的摆动摆动 配对对 tRNA反密码子 第1位碱基 IUGAC mRNA密码子 第3位碱基 U, C, AA, GU, CUG 19 U 摆动摆动 配对现对现 象示意图图 20 n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。 三、rRNA和核蛋白体 21 n原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分 为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由 16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由 5SrRNA，23SRNA和34种蛋白质构成。 n真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分 为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由 18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和约50种蛋白质构成，在哺 乳动物中还含有5.8 S rRNA。 22 核蛋白体的组组成 23 n大肠杆菌核蛋白体 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。 24 1与模板mRNA和起始tRNA结合位点： 主要与小亚基有关。 2三个不同的tRNA结合位点： 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、小亚亚基的功能： 25 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。 4. GTPase活性：水解GTP，获得能量；分 别由大、小亚基成分构成。 5. 起动因子、延长因子及释放因子的结合 位点：分别由大、小亚基成分构成。 26 原核生物翻译过译过 程中核蛋白体结结构模式 A位：氨基酰酰位 (aminoacyl site) P位：肽酰肽酰 位 (peptidyl site) E位：排出位 (exit site) 27 n在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核 蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻 译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔 ，形成念球状结构。 n由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时 进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多 聚核蛋白体（polysome）。 28 多聚核蛋白体示意图图 电镜电镜 下的多聚核蛋白体 29 氨基酸臂 反密码环 三、tRNA与氨基酸的活化 30 tRNA的三级结级结 构示意图图 31 n氨基酸的活化与携带反应由氨基酰tRNA 合成酶催化。 n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。 （一）氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰-tRNA合成酶 32 tRNA与酶结结合的模型 tRNA 氨基酰-tRNA合成酶 ATP 33 氨基酰酰tRNA合成酶催化的反应应： 氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi 第一步：活化反应应 34 第二步：连连接反应应 氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E 35 n氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA 都有高度特异性。 n氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proof- reading activity) 。 n氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet 36 n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。 n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。 n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。 （二）起始tRNA 37 n与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起 始因子（initiation factor，IF）。 n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） 。 nIF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。 四、起始因子（IF） 38 原核和真核生物中各种起始因子的生物功能 39 n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）。 n原核生物中存在3种延长因子（EFTU， EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1， EF2）。 nEF的作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋 白的受体，并可促进移位过程。 五、延长因子（EF） 40 多肽链肽链 合成的延长长因子 41 n与多肽链合成终止并从核蛋白体上释放有关 的蛋白因子称为释放因子（release factor，RF ）。 nRF在原核生物中有3种，在真核生物中只有1 种。 六、释放因子（RF） 原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF 42 nRF的生物学功能主要有： n识别终止密码，如RF-1特异识别 UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、 UGA。 n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。 43 n多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物 质，并需Mg2+、K+参与。 n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。 七、供能物质和无机离子 44 第二节 蛋白质生物合成过 程 Section 2 The Process of Protein Biosynthesis 45 n蛋白质生物合成过程包括三大步骤： 氨基酸的活化与搬运； 活化氨基酸在核蛋白体上的缩合 ； 多肽链合成后的加工修饰。 n本节主要介绍活化氨基酸在核蛋白体上的 缩合过程，这一过程包括多肽链合成的起始、 延长和终止三个阶段。 46 n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。 一、多肽链合成的起始 （一）原核生物翻译起始复合物形成 47 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。 48 A U G53 IF-3 IF-1 2. mRNA在小亚基的精确定位结合： 49 S-D序列 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。 50 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。 51 IF-2 GTP 3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基 IF-3 IF-1 A U G53 起始 fMet-tRNAimet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。 52 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： A U G53 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。 53 （二）真核生物翻译起始复合体形成 n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。 54 metmet 40S40S 60S60S MeMet t MetMet 40S40S 60S60S mRNA eIF-2BeIF-2B、eIF-3eIF-3、 eIF-6 elF-3elF-3 GDP+Pi 各种各种elFelF释放释放 elF-5 ATP ADP+Pi elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB Met Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP 真核生物翻译译起始 复合体形成过过程 55 n多肽链合成的延长阶段由一循环反应过程 来完成，每次循环增加一个氨基酸残基。 n在翻译起始复合体形成的基础上，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）。 n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。 （二）肽链的延长 56 1. 进进位（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 。 57 2. 成肽肽（peptide bond formation ）： 是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成 过程。即在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA 所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上 的氨基酰tRNA上，与其-氨基缩合形成肽键 。此步骤需Mg2+，K+。 58 成肽肽反应过应过 程 59 3. 转转位（translocation）： 延长因子EF-G有转位酶( translocase )活性 ，可结合并水解1分子GTP，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。 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。 60 转转位反应过应过 程 61 进进 位 转转 位 成肽肽 核蛋白体循环环的反应过应过 程 62 n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tRNA之间的酯键被水解，多肽 链释放。 3. 脱离：模板mRNA、RF以及空载 tRNA与核蛋白体脱离。 （三）肽链合成的终止 63 多肽链肽链 合成的终终止过过程 64 多肽链肽链 合成终终止演示 U A G53 RF COO- 65 第三节 蛋白质合成后加工和 输送 Section 3 Posttranslational Processing & Transportation of Protein 66 n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复杂加 工过程才转变为天然构象的功能蛋白。 n主要包括： n多肽链折叠为天然的三维结构肽链； n一级结构的修饰； n高级结构修饰。 67 n新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成 ，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折 叠即开始。可随着序列的不断延伸肽链逐步折叠 ，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完 整的空间构象。 n一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋 白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础 。 n细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完 成，而需要其他酶、蛋白辅助。 一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 68 几种有促进进蛋白折叠功能的大分 子 分子伴侣 (molecular chaperon) 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI) 69 1. 分子伴侣侣： n分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别 肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白 质的正确折叠。包括： 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 伴侣素(chaperonins) GroEL和GroES家族 70 2. 蛋白二硫键键异构酶： n多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对 稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要 ，这一过程主要在细胞内质网进行。 n二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在 较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正 确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳 定的天然构象。 71 3. 肽肽-脯氨酰顺酰顺 反异构酶： n多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺 反两种异构体，空间构象明显差别。 n肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反 两种异构体之间的转换。 n肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构 象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型 时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠 。 72 nN端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸残基，必须在多 肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 二、一级结构的加工修饰 去甲酰酰化： 甲酰酰化酶 甲酰酰蛋氨酸-肽肽甲酸 + 蛋氨酸-肽肽 去蛋氨酰酰基： 蛋氨酸氨基肽肽酶 蛋氨酰酰-肽肽蛋氨酸 + 肽肽 （一）N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除 73 n由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除 。 （二）氨基酸的共价修饰 由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟 基化、磷酸化、甲酰化等。 （三）多肽链的水解修饰 74 鸦鸦片促黑皮质质素原(POMC)的水解修饰饰 NC 信号肽 PMOC KRKR 103肽 ( ？) ACTH -LT -MSH -MSH Endophin 75 三、空间结构的修饰 （一）亚基的聚合 具有四级结构的蛋白质由两条以上的多肽链通 过非共价键聚合形成寡聚体。 （二）辅基的连接 结合蛋白合成后需要结合相应的辅基才能成 为具有天然活性的蛋白质。 76 n某些蛋白质需要在肽链的特定位点区价连 接一个疏水性的脂链，并借此嵌入膜脂双层。 （三）疏水脂链的共价连接 77 n蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能 的场所称为靶向输送(pro