生物化学：中文-翻译PPT课件

.,1,蛋白质的生物合成（翻译）ProteinBiosynthesis，Translation,第十二章,.,2,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。,.,3,.,4,蛋白质生物合成体系ProteinBiosynthesisSystem,第一节,.,5,原料：20种氨基酸rRNA和蛋白质组成的核蛋白体是生产蛋白质的工厂。tRNA：结合、转运氨基酸。mRNA：翻译的直接模板酶：氨基酰-tRNA合成酶转肽酶蛋白质因子：IF、EF、RF能量：ATP、GTP无机离子：Mg2+,参与蛋白质生物合成的物质,.,6,.,7,.,8,mRNA是遗传信息的携带者和传递者是蛋白质生物合成的直接模板,mRNA种类多，大小不一，半衰期短占RNA总量12,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,目录,一段mRNA编码几种功能相关的蛋白质,一段mRNA仅编码一种蛋白质,.,10,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决定肽链合成的起始、终止信号，称为三联体密码(tripletcoden)。,起始密码(initiationcoden):AUG,终止密码(terminationcoden):UAA，UAG，UGA,编码氨基酸的密码子：61种,遗传密码表,目录,.,12,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(openreadingframe,ORF)。,.,13,.,14,遗传密码的特点,1.方向性(directional),翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。,.,15,2.连续性(commaless),编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码从53连续阅读，密码间既无间断也无交叉。,.,16,基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致移码突变(frameshiftmutation)。,（3N1）或者（3N2）个碱基的插入或者缺失可以导致移码突变。,3.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个三联体密码子为其编码。,多个密码子编码一个AA的，这些密码子称为简并密码子或同义密码子,一种氨基酸具有两个或两个以上的密码子为其编码，这一特性称为遗传密码的简并性。,目录,同义密码子减少基因突变对蛋白质功能的影响,简并性(degeneracy),目录,.,20,4.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。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,.,21,5.摆动性(wobble),转运氨基酸的tRNA的反密码子通过碱基互补与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,摆动配对,反密码第一位与密码第三位不严格配对,U,目录,.,23,密码子、反密码子配对的摆动现象,.,24,二、核蛋白体是多肽链合成的场所,36种,核蛋白体的组成,目录,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位(aminoacylsite),P位：肽酰位(peptidylsite),E位：排出位(exitsite),转肽酶(肽酰转移酶)活性部位,目录,.,27,.,28,反密码环,氨基酸臂,三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器,tRNA的作用,运载氨基酸,充当“适配器”,.,30,四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等,（一）重要的酶类,氨基酰-tRNA合成酶：催化氨基酸的活化转肽酶转位酶：EF-G,催化核蛋白体向mRNA3端移动一个密码子的距离,催化肽链和氨基酸间形成肽键,.,31,（二）蛋白质因子,起始因子（initiationfactor，IF）延长因子（elongationfactor，EF）释放因子（releasefactor，RF）,.,32,蛋白质生物合成的能源物质为ATP和GTP;参与蛋白质生物合成的无机离子有Mg2+、K+等。,（三）能源物质及离子,.,33,第二节氨基酸的活化,ActivationofAminoAcids,P208,.,34,催化tRNA的3-末端CCA-OH与氨基酸羧基形成酯键，生成：氨基酰-tRNA。,氨基酸活化酶：氨基酰-tRNA合成酶,一、氨基酸活化形成氨基酰-tRNA,第一步反应,氨基酸ATP-E氨基酰-AMP-EPPi,目录,第二步反应,氨基酰-AMP-EtRNA氨基酰-tRNAAMPE,目录,.,37,.,38,氨基酰-tRNA合成酶,结构,氨基酰tRNA合成酶的3个结合位点,氨基酸和ATP形成氨基酰AMP,氨基酰转移到tRNA上,tRNA负载了氨基酸,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。,tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,氨基酸,特性,20种氨基酸,故有20种氨基酰-tRNA合成酶。,.,40,氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。,特性,.,41,氨基酰-tRNA的表示方法,丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet,各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的氨基酰-tRNA表示为：,氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写,例如：,.,42,真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet,二、起始肽链合成的氨基酰-tRNA,参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet,.,43,蛋白质生物合成过程TheProcessofProteinBiosynthesis,第三节,.,44,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。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。,.,45,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)。,一、肽链合成的起始,.,46,原核生物各种起始因子的生物功能,促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA的敏感性,IF-3,促进起始tRNA与小亚基结合,IF-2,占据A位防止结合其他tRNA,促进大小亚基分离,IF-1,生物学功能,种类,.,47,（一）原核生物翻译起始,核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；fMet-tRNAfMet的结合；核蛋白体大亚基结合。,.,48,IF-3,IF-1,1.核蛋白体大小亚基分离,目录,起始因子IF3使大小亚基分离，IF1协助70s核糖体30s小亚基+50s大亚基,.,49,IF-3,IF-1,2.mRNA在小亚基定位结合,S-D序列,.,50,S-D序列mRNA上起始密码子AUG上游富含嘌呤的4-6个核苷酸序列，其核心：AGGA。又称核蛋白体结合位点（RBS）,mRNAAUG上游S-D序列（AGGA）与小亚基16srRNA上UCCU序列互补，紧接S-D序列的小段又可以被核糖体小亚基蛋白（rps-1）辨认结合，即RNA-RNA、RNA-蛋白质相互辨认。,.,51,IF-3,IF-1,3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAifmet)结合到小亚基,IF2（GTP）作用下，fMet-tRNAfMet反密码子与mRNA分子中密码子AUG配对结合，形成30S起始复合物，需要GTP和Mg2+参与。,.,52,4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,50S大亚基与上述的30S起始复合物结合，同时IF2脱落，形成70S起始复合物，即核糖体大小亚基mRNAfMet-tRNAfMet复合物。fMet-tRNAfMet占据着50S大亚基的P位。A位留空。,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,.,53,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,目录,.,54,核蛋白体大小亚基分离；Met-tRNAMet结合小亚基；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合物形成过程,P214,.,55,eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和PolyA结合蛋白,eIF-4G,促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基,eIF-5,促进核蛋白体分离成大小亚基,eIF-6,eIF-4F复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5-端的发夹结构，使其与小亚基结合,eIF-4A,结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUG,eIF-4B,eIF-4F复合物成分，结合mRNA5帽子,eIF-4E,结合小亚基，促进大小亚基分离,eIF-2B,促进起始tRNA与小亚基结合,eIF-2,多功能因子，参与多个翻译步骤,eIF-1,生物学功能,种类,参与真核生物翻译的各种起始因子及其生物学功能,结合小亚基，促进大小亚基分离;介导eIF-4F复合物-mRNA与核糖体小亚基结合,eIF-3,.,56,1、核蛋白体大小亚基分离,eIF-2B、eIF-3、eIF-6,.,57,2、Met-tRNAMet结合小亚基,eIF2，真核翻译起始最重要的因子先生成Met-tRNAMetelF-2GTP三元复合物再与40S小亚基P位结合,.,58,3、mRNA在核蛋白体小亚基就位,.,59,mRNA在核蛋白体小亚基就位,.,60,4、核蛋白体60S大亚基结合（翻译起始复合物形成）,80S核蛋白体Met-tRNAmetmRNA起始复合物,.,61,真核生物翻译起始复合物形成过程,elF-2是关键因子,.,62,真核生物原核生物1.起始因子：eIF，10多种IF，三种2.起始tRNA：Met-tRNAfMet-tRNAN端甲酰化3.mRNA结合：有帽、尾SD序列4.核蛋白体：80S（40S60S）70S（30S50S）5.结合顺序：,原核生物与真核生物翻译起始比较:,原核：小亚基mRNAIF2-fmet-tRNAfmet-GTP,真核：小亚基eIF2-met-tRNAmet-GTPmRNA,.,63,二、肽链合成延长,指根据mRNA密码序列的指导，按顺序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation),P211,.,64,延长过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF),P213,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进入核蛋白体A位。,目录,.,66,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,目录,.,67,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,.,69,（二）成肽,由转肽酶(transpeptidase)催化P位上氨酰基或肽酰基与A位氨基酸的-NH2形成肽键。,.,70,.,71,（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，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动。,fMet,fMet,核蛋白体循环（狭义）,目录,.,73,.,74,肽链延长,.,75,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，真核细胞核蛋白体没有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,P212,.,76,延长时的能量消耗：,每添加一个氨基酸消耗4个高能磷酸键活化：ATP2个进位：GTP1个转位：GTP1个,P215,.,77,三、肽链合成的终止,当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,P212,终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF),原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3真核生物释放因子：eRF,P213,.,79,RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性，能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。,释放因子的功能,识别终止密码子,RF-1特异识别UAA、UAG；RF-2特异识别UAA、UGA。,诱导转肽酶转变为酯酶活性,催化新生肽链与tRNA之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。,.,80,原核肽链合成终止过程,RF,目录,原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别,.,83,多聚核蛋白体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。原因：mRNA寿命较短,目录,P215,.,84,多聚核蛋白体,电镜下的多聚核蛋白体现象,目录,.,86,蛋白质翻译后修饰和靶向输送PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation,第四节,.,87,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修饰过程才转变为天然构象的功能蛋白。,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,翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。,.,88,一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质,新生肽链的折叠在肽链合成中开始、合成后完成，新生肽链的N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。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。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。,.,89,几种有促进蛋白折叠功能的酶、蛋白,1.分子伴侣(molecularchaperon)是一类保守蛋白，促进肽链天然构象的形成。2.蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)催化正确二硫键的形成3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)促进顺反两种异构体之间的转换，维持二者的比例。,.,90,1.热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GrpE族2.伴侣素(chaperonins)GroEL和GroES家族,分子伴侣,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。,.,91,蛋白二硫键异构酶,二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可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。,.,92,肽-脯氨酰顺反异构酶,多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象差别明显。,肽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。,.,93,二、一级结构的修饰,（一）肽链N端的修饰,去除N-甲酰基或N-甲硫氨酸A、脱甲酰基酶：去除N-甲酰基B、氨基肽酶：N端水解，去除氨基端甲硫氨酸或一段肽（信号肽）,.,94,1、羟化：羟脯氨酸，羟赖氨酸2、磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸的羟基磷酸化介导细胞信号转导3、二硫键的形成：二个半胱氨酸的巯基氧化形成链内二硫键，链间二硫键4、糖基化5、甲基化6、亲脂性修饰,（二）个别氨基酸的共价修饰,.,95,例：鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,（三）多肽链的水解修饰,中间叶促皮质样肽,促肾上腺皮质激素,促黑激素,.,96,三、高级结构的修饰,（一）亚基聚合四级结构Hb(22)（二）辅基连接结合蛋白,.,97,蛋白质合成后去路：1、保留在胞浆2、进入线粒体、细胞核等细胞器3、分泌到细胞外或成为膜蛋白,四、蛋白质合成后的靶向输送,穿膜,蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位点的过程称为蛋白质的靶向输送(proteintargeting)。,.,98,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N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）靶向输送的蛋白质存在特异的信号序列,靶向输送到溶酶体，质膜或分泌到细胞外的蛋白，其肽链的N端存在13-36氨基酸的信号序列，叫信号肽,.,99,N-端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；C-端加工区由一些侧链较短或极性相对较大氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是被信号肽酶(signalpeptidase)裂解的位点。,信号肽有以下共性,.,100,（二）分泌蛋白，溶酶体蛋白，膜蛋白及内质网蛋白的靶向输送,真核细胞分泌型蛋白，膜蛋白，溶酶体蛋白和内质网蛋白合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,.,101,真核细胞分泌型蛋白质的靶向输送过程为：核蛋白体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网腔并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，在高尔基复合