第12章蛋白质生物合成1

1、目录目录 1 二、二、tRNA的转录后加工的转录后加工 tRNA前体前体 RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCC DNA 目目 录录 目录目录 2 RNAaseP、 内切酶内切酶 目目 录录 目录目录 3 tRNA核苷酸转移酶、核苷酸转移酶、 连接酶连接酶 ATP ADP 目目 录录 目录目录 4 碱基修饰碱基修饰 （2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am （1）甲基化）甲基化 （1 1） （1 1） （3 3） （2 2） （4 4） 目目 录录 目录目

2、录 5 三、三、rRNA的转录后加工的转录后加工 转录转录 45S - rRNA 剪接剪接 18S - rRNA 5.8S和和28S-rRNA rDNA 内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S 目录目录 6 四膜虫四膜虫rRNA的剪接采用的剪接采用自我剪接自我剪接方式方式 四、核四、核 酶酶 目录目录 7 具有催化功能的具有催化功能的RNA称为核酶。称为核酶。 核酶核酶(ribozyme) 目录目录 8 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 （翻译）（翻译） 第第12章章 Protein Biosynthesis (Translation) 目录目录 9 蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成的

3、概念 蛋白质生物合成蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称也称 翻译翻译(translation)，是生物细胞以，是生物细胞以mRNA为模板，为模板， 按照按照mRNA分子中核苷酸组成的密码信息合成分子中核苷酸组成的密码信息合成 蛋白质的过程。蛋白质的过程。 n定义定义 目录目录 10 （1）氨基酸的活化）氨基酸的活化 （2）肽链的生物合成）肽链的生物合成 （3）肽链形成后的加工和靶向输送）肽链形成后的加工和靶向输送 n反应过程反应过程 目录目录 11 第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 Protein Biosynthesis System 目录目录

4、12 1. 基本原料：基本原料：20种编码氨基酸种编码氨基酸 2. 模板：模板：mRNA 3. 适配器：适配器：tRNA 4. 装配机：核蛋白体装配机：核蛋白体 5. 酶和蛋白质因子酶和蛋白质因子 6. 能源物质：能源物质：ATP、GTP 7. 无机离子：无机离子：Mg2+、 K+ 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 目录目录 13 一、一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板是蛋白质生物合成的直接模板 nmRNA的基本结构的基本结构 Start Cap End Tail 5-端非翻译区端非翻译区 5 3 3-端非翻译区端非翻译区 开放阅读框架开放阅读框架 从从mRNA 5 -端起始密码子端起

5、始密码子AUG到到3 -端终止密码端终止密码 子之间的核苷酸序列，称为子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架开放阅读框架(open reading frame, ORF)。 原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子 PPP5 3 蛋白质蛋白质 目录目录 15 n遗传密码遗传密码 在在mRNA的开放阅读框架区，以每的开放阅读框架区，以每3个相邻的个相邻的 核苷酸为一组，代表一种氨基酸核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息或其他信息)，这，这 种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。 initiation codon：AUG termination codon ：UAA

6、、UAG、UGA 密码子（密码子（codon） 起始密码子和终止密码子：起始密码子和终止密码子： 目录目录 16 n遗传密码的特点遗传密码的特点 1. 方向性方向性(directional) 2. 连续性连续性(non-punctuated) 3. 简并性简并性(degenerate) 4. 通用性通用性(universal) 5. 摆动性摆动性(wobble) 目录目录 17 连续性连续性 AlaValHisMet终止密码终止密码 基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发阅读框架内的碱基发 生插入或缺失，可能导致生插入或缺失，可能导致框移突变框移突变。 mRNA编辑编辑调节可使同一

7、前体调节可使同一前体mRNA翻译出序翻译出序 列、功能不同的蛋白质。列、功能不同的蛋白质。 目录目录 18 *3. 简并性简并性 一种氨基酸可具有一种氨基酸可具有2个或个或2个以上的密码个以上的密码 子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并 性。性。 为同一种氨基酸编码的各密码子称为简为同一种氨基酸编码的各密码子称为简 并性密码子，也称同义密码子并性密码子，也称同义密码子 。 目录目录 19 4. 通用性通用性 遗传密码表中的这套遗传密码表中的这套“通用密码通用密码”基本基本 上适用于生物界的所有物种，具有通用性。上适用于生物界的所有物种，具有通用性。 已发

8、现少数例外，如动物细胞的线粒体、已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、 植物细胞的叶绿体。植物细胞的叶绿体。 目录目录 20 通用密码通用密码 线粒体密码线粒体密码 AUA 异亮异亮 蛋、起始蛋、起始 AGA 精精 终止终止 AGG 精精 终止终止 UGA 终止终止 色色 目录目录 21 *5. 摆动性摆动性 反密码子与密码子之间的配对有时并不反密码子与密码子之间的配对有时并不 严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称 为摆动配对。为摆动配对。 tRNA反密码子反密码子 第第1位碱基位碱基 IUGAC mRNA密码子密码子 第第3位碱基位碱基 U, C, AA

9、, GU, CUG U 3 2 1 1 2 3 摆摆 动动 配配 对对 目录目录 23 二、核蛋白体是蛋白质生物合成的场所二、核蛋白体是蛋白质生物合成的场所 n核蛋白体的组成：核蛋白体的组成：rRNA和蛋白质和蛋白质 核蛋白体核蛋白体 的组成的组成 目录目录 25 n原核生物核蛋白体结构模式原核生物核蛋白体结构模式 目录目录 26 三、三、tRNAtRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物是氨基酸的运载工具及蛋白质生物 合成的适配器合成的适配器 ntRNA的作用的作用 运载氨基酸：运载氨基酸： 充当充当“适配器适配器”： 二级结构 三级结构 反密码环反密码环 氨基酸臂氨基酸臂 ntRNA的构象的构

10、象 目录目录 28 四、蛋白质生物合成需要酶类、四、蛋白质生物合成需要酶类、 蛋白质因子等蛋白质因子等 （一）重要的酶类（一）重要的酶类 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 转肽酶转肽酶 转位酶转位酶(translocase) 目录目录 29 （二）蛋白质因子（二）蛋白质因子 起始因子（起始因子（initiation factor，IF） 延长因子（延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（释放因子（release factor，RF） 目录目录 30 能源物质为能源物质为ATP和和GTP; 无机离子有无机离子有Mg2+、K+ 等。等。 （三）能源物质及离子（三）能源物质

11、及离子 目录目录 31 第二节第二节 氨基酸的活化氨基酸的活化 Activation of Amino Acids 目录目录 32 氨基酸与特异的氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰结合形成氨基酰-tRNA的的 过程称为过程称为氨基酸的活化氨基酸的活化。 参与氨基酸活化的酶：参与氨基酸活化的酶：氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶。 目录目录 33 n反应过程反应过程 一、一、 氨基酸活化形成氨基酰氨基酸活化形成氨基酰-tRNA 氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 目录目录 34 n氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 结构

12、结构 氨基酰氨基酰tRNA合成酶的合成酶的3个结合位点个结合位点 氨基酸和氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷形成氨基酰腺苷 氨基酰转移到氨基酰转移到tRNA上上 tRNA负载了氨基酸负载了氨基酸 目录目录 35 l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都都 有高度特异性。有高度特异性。 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶特性特性 l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。合成酶具有校正活性。 目录目录 36 动动 力力 学学 校校 正正 化化 学学 校校 正正 校正机制校正机制 目录目录 37 n氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法的表示方法 丙氨酰丙氨酰-tRNA：A

13、la-tRNAAla 各种氨基酸和对应的各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的结合后形成的 氨基酰氨基酰-tRNA表示为：表示为： 氨基酸的三字母缩写氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写 氨基酸的三字母缩写 例如：例如： 目录目录 38 二、起始氨基酰二、起始氨基酰-tRNA 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet 参与肽链延长的甲硫氨酰参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet n真核生物真核生物 目录目录 39 n原核生物原核生物 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA: fMet-tRNAfMet 1次 目录目录 40 第三节第三节 肽链的生物合成过程

14、肽链的生物合成过程 The Biosynthesis Process of Peptide Chain 目录目录 41 起始起始(initiation) 延长延长(elongation) 终止终止(termination ) n整个过程可分为整个过程可分为 ： 一、原核生物的肽链合成过程一、原核生物的肽链合成过程 广义的核蛋广义的核蛋 白体循环白体循环 目录目录 42 （一）起始（一）起始 翻译起始复合物翻译起始复合物；指指mRNA和起始氨基酰和起始氨基酰- tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复 合物的过程。合物的过程。 1. 核蛋白体大小亚基分离；核蛋

15、白体大小亚基分离； 2. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合； 3. 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； 4. 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。 目录目录 43 IF-3 IF-1 1.1.核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离 目录目录 44 A U G53 IF-3 IF-1 2.mRNA2.mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合 目录目录 45 n原核生物原核生物mRNA在核蛋白体小亚基上的准确定位在核蛋白体小亚基上的准确定位 和结合涉及两种机制：和结合涉及两种机制： 在原核生物各种在原核生物各种mRNA起始起始AUG上游约上游约813核核 苷酸部位，存在

16、一段由苷酸部位，存在一段由49个核苷酸组成的一致个核苷酸组成的一致 序列，富含嘌呤碱基，如序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称，称 S-D序序 列，又称核蛋白体结合位点。列，又称核蛋白体结合位点。 一条多顺反子一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列序列上的每个基因编码序列 均拥有各自的均拥有各自的S-D序列和起始序列和起始AUG。 目录目录 46 S-D序列序列 目录目录 47 IF-3 IF-1 IF-2 GTP 3.起始氨基酰起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet )结合到小亚基结合到小亚基 A U G53 目录目录 48 IF-3 IF-1 IF-2 GTP GDPP

17、i 4.4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成 A U G53 目录目录 49 IF-3 IF-1 A U G 53 IF-2 GTPIF-2-GTP GDP Pi 起始复合物形成过程起始复合物形成过程 目录目录 50 指在指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进入模板的指导下，氨基酸依次进入 核蛋白体并聚合成多肽链的过程。核蛋白体并聚合成多肽链的过程。 （二）延长（二）延长 肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又 称为核蛋白体循环，包括：进位、成肽和转称为核蛋白体循环，包括：进位、成肽和转 位位 每轮循环使多肽链增加一个氨

18、基酸残基。每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。 目录目录 51 1. 进位进位 又称又称注册注册(registration)， 是指一个氨基酰是指一个氨基酰-tRNA按照按照mRNA模板的指令模板的指令 进入并结合到核蛋白体进入并结合到核蛋白体A位的过程。位的过程。 目录目录 52 进位需要延长因子进位需要延长因子 EF-Tu与与EF-Ts参与。参与。 目录目录 53 Tu Ts GTP GDP A U G53 Tu Ts GTP n进位的反应过程：进位的反应过程： *核糖体对氨基酰核糖体对氨基酰-tRNA校正作校正作 用用 目录目录 54 2.成肽成肽 成肽是在成肽是在转肽酶转肽酶(pept

19、idase)的催化下，核蛋的催化下，核蛋 白体白体P位上肽酰位上肽酰-tRNA的肽酰基转移到的肽酰基转移到A位并与位并与A 位上氨基酰位上氨基酰-tRNA的的-氨基结合形成肽键的过程。氨基结合形成肽键的过程。 目录目录 55 n成肽的反应过程成肽的反应过程 目录目录 56 3. 转位转位 转位是在转位酶的催化下，核蛋白体向转位是在转位酶的催化下，核蛋白体向 mRNA的的3 -端移动一个密码子的距离，使下端移动一个密码子的距离，使下 一个密码子进入一个密码子进入A位、肽酰位、肽酰-tRNA移入移入P位而位而 卸载卸载tRNA移入移入E位排出的过程。位排出的过程。 EF-G有转位酶活性，可结合并水

20、解有转位酶活性，可结合并水解1分分 子子GTP，释放的能量促进核蛋白体移动。，释放的能量促进核蛋白体移动。 目录目录 57 目录目录 58 fMet A U G53 fMet TuGTP 成肽成肽转位转位下一轮进位下一轮进位 目录目录 59 （三）终止（三）终止 终止阶段需要释放因子参与。终止阶段需要释放因子参与。 n释放因子的功能：释放因子的功能： RF-1、 RF-2识别结合终止密码子识别结合终止密码子 诱导转肽酶转变为酯酶活性诱导转肽酶转变为酯酶活性 RF-3可结合核蛋白体其他部位，有可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性。酶活性。 原原 核核 肽肽 链链 合合 成成 终终 止止 过过

21、程程 目录目录 61 二、真核生物的肽链合成过程二、真核生物的肽链合成过程 （一）起始（一）起始 1. 核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离； 2. 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； 3. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合； 4. 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。 mRNA eIF-6 GDP+Pi elF-5 ATP ADP+Pi elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB Met Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP 真核生物翻译起始真核生物翻译起始 复合物形成过程复合物形成过程 目录目录 63 真核生物肽链合成的延长过程与

22、原核生物真核生物肽链合成的延长过程与原核生物 基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。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另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位位，转位 时卸载的时卸载的tRNA直接从直接从P位脱落。位脱落。 （二）延长（二）延长 目录目录 64 （三）终止（三）终止 真核生物翻译终止过程与原核生物相似，真核生物翻译终止过程与原核生物相似， 但只有但只有1个释放因子个释放因子eRF，可识别所有终止密码，可识别所有终止密码 子，完成原核生物各类子，完成原核生物各类RF的功能。的功能。 目录目录 65 多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物 合成以高速度、高效率进行。合成以高速度、高效率进行。 （四）多聚核蛋白体（四）多聚核蛋白体(polysome) 多个核蛋白体结合到一条