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蛋白质的生物合成 翻译 ProteinBiosynthesis Translation 第十四章 蛋白质的生物合成 即翻译 就是将核酸中由4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读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 蛋白质生物合成体系ProteinBiosynthesisSystem 第一节 参与蛋白质生物合成的物质包括 三种RNAmRNA messengerRNA 信使RNA rRNA ribosomalRNA 核蛋白体RNA tRNA transferRNA 转移RNA 合成原料20种氨基酸 AA 参与的蛋白质因子 酶及酶的辅助因子起始因子 延长因子 释放因子 转肽酶 氨基酰 tRNA合成酶 能源ATP主要参与氨基酸的活化 GTP提供翻译起始 延长 终止阶段所需能量 一 mRNA是蛋白质合成的模板 mRNA是遗传信息的携带者 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 真核细胞mRNA只编码一种蛋白质 为单顺反子 singlecistron 原核生物的多顺反子 真核生物的单顺反子 mRNA上存在遗传密码 mRNA分子上从5 至3 方向 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 称为三联体密码 tripletcode 起始密码 initiationcodon AUG 终止密码 terminationcodon UAA UAG UGA 遗传密码表 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 每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 openreadingframe ORF 遗传密码的特点 1 方向性 mRNA分子中遗传密码阅读方向是从5 3 2 连续性 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 基因转录后存在一种对mRNA外显子加工过程 通过特定碱基的插入 缺失或置换 导致mRNA的移码 错义突变或提前终止 使得同一mRNA前体翻译出序列 功能不同的蛋白质 这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑 mRNAediting 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 frameshiftmutation 3 简并性 遗传密码中 除Met Trp外 其余氨基酸均由2个以上密码子为其编码 同义密码子但每一个密码子仅对应一个氨基酸 不同物种对密码子有 偏爱性 4 通用性 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 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先 5 摆动性 转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合 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 U U 摆动配对 密码子 反密码子配对的摆动现象 二 核糖体是多肽链合成的装置 12 56 组成 结构与功能特点 结构复杂而精密由数种rRNA 占60 左右 及多种蛋白质组成 rRNA起着主导的作用 蛋白质协助维持rRNA的功能区域 12 56 核糖体的组成 原核生物翻译过程中核糖体结构模式 A位 氨基酰位 aminoacylsite P位 肽酰位 peptidylsite E位 排出位 exitsite 三 tRNA是蛋白质合成的搬运工具 反密码环 氨基酸臂 tRNA的三级结构 15 56 如 密码子GGU 携带反密码子ACC的tRNA Gly tRNA的功能 活化氨基酸 搬运氨基酸 在密码子与对应氨基酸之间起适配器 adaptor 的作用 密码子 tRNA反密码子 氨基酸是对号入座 氨基酸 tRNA 氨基酰 tRNA aminoacyl tRNAsynthetase 一 氨基酸的活化与氨基酰 tRNA合成酶 第一步反应 酶找相应的氨基酸 氨基酸 ATP E 氨基酰 AMP E AMP PPi 第二步反应 酶找相应的tRNA 氨基酰 AMP E tRNA 氨基酰 tRNA AMP E 氨基酰tRNA合成酶有20种 分别特异性识别相应的20种氨基酸和相应的tRNA 氨基酰tRNA合成酶的活性是绝对专一性的 酶同时对氨基酸和tRNA高度特异地识别 tRNA与酶结合的模型 tRNA 氨基酰 tRNA合成酶 ATP 氨基酰 tRNA合成酶具有校正活性 proofreadingactivity 氨基酰 tRNA的表示方法 Ala tRNAAlaSer tRNASerMet tRNAMet 真核生物 Met tRNAiMet原核生物 fMet tRNAifMet 二 氨基酰 tRNA的表示方法 转甲酰基酶 N10 CHO FH4 20 56 大肠杆菌起始密码子编码的met须甲酰化 真核细胞起始密码子编码的met不须甲酰化 蛋白质生物合成过程TheProcessofProteinBiosynthesis 第二节 整个翻译过程可分为 翻译过程从阅读框架的5 AUG开始 按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链 多肽链的合成是从N端向C端 直至终止密码出现 翻译的起始 initiation 翻译的延长 elongation 翻译的终止 termination 一 翻译的起始 指mRNA和起始氨基酰 tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物 translationalinitiationcomplex 参与这一过程的多种蛋白质因子 称为起始因子 initiationfactor IF 核糖体大小亚基分离mRNA在小亚基上定位结合起始氨基酰 tRNA的结合70S起始复合物形成 一 原核生物的翻译起始过程 IF 3 IF 1 1 核蛋白体大小亚基分离 2 mRNA在小亚基定位结合 S D序列 Shine Dalgarno RBS rps ribosomalproteininsmallsubunit IF 3 IF 1 3 起始氨基酰tRNA fMet tRNAimet 结合到小亚基 IF 3 IF 1 IF 2 GTP GDP Pi 4 核蛋白体大亚基结合 70S起始复合物形成 原核生物各种起始因子 IF 的生物功能 IF 3结合30S小亚基 促进大小亚基分离 提高P位对结合起始tRNA敏感性 IF 2促进起始tRNA与30S小亚基结合 IF 1占据A位防止结合其他tRNA 阻止大小亚基的结合 二 真核生物的翻译起始过程 核糖体大小亚基分离起始氨基酰 tRNA结合 mRNA与核糖体小亚基结合小亚基沿mRNA扫描查找起始点80S起始复合物形成 真核生物翻译起始复合物形成过程 mRNA在原核生物核糖体小亚基定位涉及 1 S D序列 Shine Dalgarno RBS 2 rps识别序列 mRNA在真核生物核糖体小亚基定位涉及 1 GCC A G CCAUGG 2 多种蛋白质因子 如帽子结合复合物eIF 4F eIF 2 单体GTP结合蛋白 促进起始Met tRNAiMet与40S小亚基结合eIF 2B 鸟苷酸交换因子 GEF 将eIF 2上的GDP交换成GTPeIF 3 最先与40S小亚基结合 促进大小亚基分离eIF 5 水解GTP 促进各种起始因子从核糖体释放 进而结合大亚基eIF 6 促进核糖体分离成大小亚基 真核生物各种起始因子的生物功能 eIF 4A eIF 4F复合物成分 有解旋酶活性 有利用mRNA扫描eIF 4B 结合mRNA 促进mRNA扫描定位起始AUGeIF 4E eIF 4F复合物成分 结合mRNA的5 端帽子结构eIF 4G eIF 4F复合物成分 连接eIF 4E eIF 3和PABP等组分PAB PolyA结合蛋白结合3 端polyA尾 真核生物与原核生物翻译起始的不同点 1 起始Met tRNAiMet不需甲酰化 2 eIF种类多 3 小亚基先与Met tRNAiMet结合 再与mRNA结合 5 ATP和GTP供能 4 mRNA与40s亚基的结合依靠帽子结合蛋白 CBP 与mRNA帽子结构的识别结合 二 肽链延长 指根据mRNA密码序列的指导 次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链 直到合成终止的过程 每次循环包括以下三步 进位 entrance 成肽 peptidebondformation 转位 translocation 肽链延长在核糖体上连续性循环式进行 称为核糖体循环 ribosomalcycle 每次循环增加一个氨基酸 延伸过程所需蛋白因子称为延长因子 elongationfactor EF 原核生物 EF T EF Tu EF Ts EF G真核生物 eEF 1 eEF 2 又称注册 registration 一 进位 指根据mRNA下一组遗传密码指导 使相应氨基酰 tRNA进入核糖体A位 延长因子EF T催化进位 原核生物 Tu Ts GTP GDP Tu Ts GTP 目录 二 成肽 指在肽基转移酶的作用下 将P位点的肽酰基转移到A位点的氨基酰 tRNA上 在A位形成肽键 使肽链延长 三 转位 延长因子EF G有转位酶 translocase 活性 可结合并水解1分子GTP 促进核糖体向mRNA的3 侧移动 fMet fMet 真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似 但有不同的反应体系和延长因子 另外 真核细胞核糖体没有E位 转位时卸载的tRNA直接从P位脱落 四 真核生物延长过程 肽链合成的延长因子 三 翻译的终止 当核糖体A位出现mRNA的终止密码后 多肽链合成停止 肽链从肽酰 tRNA中释出 mRNA 核糖体大 小亚基等分离 这些过程称为肽链合成终止 34 56 RF 3 促进RF 1或RF 2与核糖体结合 诱导肽基转移酶变为酯酶活性 催化肽酰基转移到水分子 OH上 使肽链从核糖体上释放 并水解GTP 真核生物的释放因子 eRF 1和eRF 3 eRF 1可识别三种密码子 并需GTP供能 RF 1 UAA UAG RF 2 UAA UGA 终止相关的蛋白质因子称为释放因子 releasefactor RF RF 原核肽链合成终止过程 39 56 多聚核糖体 polysome 使蛋白质合成高速 高效进行 39 56 蛋白质合成能量消耗情况 1 氨基酸活化 2个ATP 2 翻译起始 原核生物1个GTP真核生物1个GTP 1个ATP 3 翻译延长 每形成一个肽键需2个GTP 4 翻译终止 1个GTP ATP总消耗数 2n 2 n 1 2 真核3 n为多肽链氨基酸残基的数目 第三节 翻译后加工及蛋白质输送PosttranslationalProcessing ProteinTransportation 主要包括 多肽链折叠为天然的三维结构肽链一级结构的修饰高级结构修饰 从核糖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 一 多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 新生肽链的折叠在肽链合成中 合成后完成 新生肽链N端在核糖体上一出现 肽链的折叠即开始 可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠 产生正确的二级结构 模体 结构域到形成完整空间结构 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 即一级结构是空间结构的基础 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 蛋白质辅助 几种有促进蛋白折叠功能的大分子 1 分子伴侣 molecularchaperon 2 蛋白二硫键异构酶 proteindisulfideisomerase PDI 3 肽 脯氨酰顺反异构酶 peptideprolylcis transisomerase PPI 1 热激蛋白70 heatshockprotein HSP70 家族HSP70 HSP40和GrpE成员 2 热激蛋白60 HSP60 家族 伴侣素HSP60和HSP10 GroEL和GroES 分子伴侣 molecularchaperon 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 包括两大家族 结合保护待折叠多肽片段 再释放该片段进行折叠 形成HSP70和多肽片段依次结合 解离的循环 HSP40结合待折叠多肽片段 HSP70 ATP复合物 HSP40 HSP70 ADP 多肽复合物 ATP水解 GrpE ATP ADP 复合物解离 释出多肽链片段进行正确折叠 HSP70家族促进蛋白质折叠的基本作用 伴侣素GroEL GroES系统促进蛋白质折叠过程 为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境 HSP60家族的主要作用 原核生物 一 去除N末端甲硫氨酸残基 脱甲酰基酶 氨基肽酶 真核细胞 二 一级结构的修饰 二 个别氨基酸的修饰 磷酸化 丝氨酸 苏氨酸 酪氨酸 羟基化 脯氨酸 赖氨酸 酰基化 组氨酸 甲基化 色氨酸 核糖基化 精氨酸 意义 调节蛋白质结构与功能 两个Cys的 SH脱H氧化而成 三 二硫键的形成 SHHS S S 鸦片促黑皮质素原 POMC 的水解修饰 四 多蛋白的加工 五 蛋白质前体中不必要肽段的切除 无活性的酶原转变为有活性的酶 常需要去掉一部分肽链 如胰蛋白酶原酶解生成胰蛋白酶 分泌型蛋白质 信号肽 的切除 某些新生蛋白质含有部分间隔顺序等待剪切 其意义类似于hnRNA中的内含子 此片段称为内蛋白子 intein 三 高级结构的修饰 一 亚基聚合 蛋白质与糖 脂类 核酸 血红素等结合形成糖蛋白 脂蛋白 核蛋白 血红蛋白等结合蛋白质 具有四级结构的蛋白质需进行亚基之间的聚合 如血红蛋白4个亚基的聚合 二 辅基连接 三 脂肪酰化 蛋白质合成后需要经过复杂机制 定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位 这一过程称为蛋白质的靶向输送 proteintargeting 四 蛋白质合成后的靶向输送 分泌性蛋白前体N端有信号肽 signalpeptide 信号肽富含疏水氨基酸 其作用是使新合成的多肽链易于穿过膜系统 随后被信号肽酶切除 46 56 蛋白质合成后的去路 后两者称为分泌性蛋白 胞浆 进入细胞核 线粒体或其它细胞器 分泌到体液 再输送到靶器官和靶细胞 所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号 主要为N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 这一序列称为信号序列 信号序列 signalsequence 一 分泌蛋白的靶向输送 真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网 信号肽 signalpeptide 各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号