第五章 蛋白合成(二)

1、BAG-TJU人工基因组的设计与合成人工基因组的设计与合成李炳志2014-03BAG-TJU中心法则蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制DNADNARNARNA复制复制BAG-TJU温故温故 知新知新BAG-TJU第五章第五章 蛋白合成蛋白合成李炳志2014-03BAG-TJU第五章 蛋白合成（二） 原核的蛋白合成过程 真核的蛋白合成过程 蛋白质修饰和输送BAG-TJU蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成蛋白质生物合成(protein biosynthesis)(protein biosynthesis)也称也称翻译翻译(translation)(translation

2、)，是生物细胞以，是生物细胞以mRNAmRNA为模板，按照为模板，按照mRNAmRNA分子中核苷酸的排列顺序所分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。组成的密码信息合成蛋白质的过程。 n定义定义BAG-TJU 翻译翻译肽链的生物合成肽链的生物合成过程过程 从mRNA的起始密码子AUG开始，按53方向逐一读码，直至终止密码子。于是，合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始，从N端C端延长，直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸。 BAG-TJU 起始(initiation) 延长(elongation) 终止(termination )原核生物的肽链合成过程（一）起始（一）起始 指指mR

3、NAmRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA-tRNA分别与核蛋白分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。体结合而形成翻译起始复合物的过程。1. 1. 核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；2. mRNA2. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；3. 3. 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA的结合；的结合； 4. 4. 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。BAG-TJUIF-3IF-11.1.核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离BAG-TJUBAG-TJUA U G53IF-3IF-12.mRNA2.mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合BAG-TJUnS

4、-D序列 在各种mRNA起始AUG上游约813核苷酸部位，存在一段由49个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为Shine-DalgarnoShine-Dalgarno序列序列(S-D(S-D序列序列) )，又称核蛋白体结合位点(ribosomal binding site, RBSRBS)。BAG-TJUS-DS-D序列序列小亚基中的小亚基中的16S-rRNA 3-16S-rRNA 3-端有一富含嘧啶碱端有一富含嘧啶碱基的短序列，如基的短序列，如-UCCUCC-UCCUCC-，通过与，通过与S-DS-D序列碱序列碱基互补而使基互补而使mRNAmRNA与小亚基结合。与小亚

5、基结合。 mRNA序列上紧接S-D序列后的小核苷酸序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1识别并结合。BAG-TJU E.coli mRNA中的中的SD序列序列BAG-TJUBAG-TJU 一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG。每个读码框是独立起始的。BAG-TJUIF-3IF-1IF-2GTP3.3.起始氨基酰起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAtRNA(fMet-tRNAf fMetMet ) )结合到小亚基结合到小亚基A U G53BAG-TJUBAG-TJUfMet-tRNAfMet的可以特异结合小亚基P位点；其他的氨基tRNA只能进入70S核

6、糖体的A位点。所有蛋白质合成由同一氨基酸 - 甲硫氨酸开始。BAG-TJUIF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.4.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 G53BAG-TJUIF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始复合物形成过程起始复合物形成过程BAG-TJU 指在mRNA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。1. 1. 进位进位(positioning)/(positioning)/注册注册(registration)(registration)2. 2. 成肽成肽(peptide bond f

7、ormation)(peptide bond formation)3. 3. 转位转位(translocation) (translocation) （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称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)(ribosomal cycle)，包，包括以下三步：括以下三步： 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。BAG-TJU1. 1. 进位进位又又称称注册注册(registration)(registration)，是是指一个氨基酰指一个氨基酰-tRNA

8、-tRNA按照按照mRNAmRNA模板的指令进入并结合模板的指令进入并结合到核蛋白体到核蛋白体A A位的过程位的过程。除起始子以外的氨酰除起始子以外的氨酰-tRNA-tRNA均均进入核糖体进入核糖体A A位。位。BAG-TJU进位进位需要延长因子需要延长因子EF-EF-TuTu与与EF-TsEF-Ts参与。参与。 BAG-TJUBAG-TJUTu TsGTPGDPA U G53TuTsGTPn进位的反应过程：进位的反应过程：BAG-TJU2.2.成肽成肽 成成肽是在肽是在转肽酶转肽酶(peptidase)(peptidase)的催化下，核的催化下，核蛋白体蛋白体P P位位上起始氨基酰上起始氨基

9、酰-tRNA-tRNA的的N-N-甲酰甲硫氨甲酰甲硫氨酰基酰基或肽酰或肽酰-tRNA-tRNA的的肽酰基肽酰基转移到转移到A A位并与位并与A A位上位上氨基酰氨基酰-tRNA-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。 BAG-TJUn成肽的反应过程成肽的反应过程BAG-TJU3. 3. 转位转位 转转位是在位是在转位酶转位酶的催化下，的催化下，核蛋白体向核蛋白体向mRNAmRNA的的3 3 - -端移动一个密码子的距离端移动一个密码子的距离，使，使mRNAmRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A A位位、而占据、而占据A A位的肽酰

10、位的肽酰-tRNA-tRNA移入移入P P位位的过程。的过程。 转位需要延长因子转位需要延长因子EF-GEF-G参与。参与。BAG-TJUEF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，释放的能量促进核蛋白体向mRNA的3侧移动，使起始二肽酰-tRNA-mRNA相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA则移入E位。n转位转位BAG-TJUBAG-TJU转位杂合状态转位杂合状态模型模型 杂合状态模型提出杂合状态模型提出移位分两步进行：移位分两步进行：50S亚基相对于亚基相对于30S亚基移动，然亚基移动，然后后30S亚基移动使亚基移动使核糖体构象复原。核糖体构象复原。BA

11、G-TJUfMetA U G53fMetTuGTP成肽成肽转位转位下一轮进位下一轮进位BAG-TJU进进位位转转位位成肽成肽n肽链合成延长肽链合成延长(核蛋白体循环核蛋白体循环)过程过程BAG-TJU（三）终止（三）终止 指指核蛋白体核蛋白体A A位位出现出现mRNAmRNA的终止密码子后，的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA-tRNA中释出，中释出，mRNAmRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。 终止阶段需要终止阶段需要释放因子释放因子RF-1RF-1、 RF-2RF-2和和 RF-3RF-3参与参与。 BAG-

12、TJURF-3RF-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GTPGTP酶活性，酶活性，能介导能介导RF-1RF-1、RF-2RF-2与核蛋白体的相互作用。与核蛋白体的相互作用。 n释放因子的功能：释放因子的功能：识别终止密码子识别终止密码子RF-1RF-1特异识别特异识别UAAUAA、UAGUAG； RF-2RF-2特异识别特异识别UAAUAA、UGAUGA。诱导转肽酶转变为酯酶活性诱导转肽酶转变为酯酶活性催化新生肽链与结合在催化新生肽链与结合在P P位的位的tRNAtRNA之间的之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。BAG-TJU原原核核肽

13、肽链链合合成成终终止止过过程程 BAG-TJU 多多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物合成以合成以高速度、高效率高速度、高效率进行。进行。（四）多聚核蛋白体（四）多聚核蛋白体(polysome)(polysome) 1 1条条mRNAmRNA模板链都可附着模板链都可附着1010100100个核蛋个核蛋白体，这些核蛋白体依次结合起始密码子并白体，这些核蛋白体依次结合起始密码子并沿沿5353方向方向读码移动，同时进行肽链合读码移动，同时进行肽链合成，这种成，这种mRNAmRNA与多个核蛋白体形成的聚合物与多个核蛋白体形成的聚合物称为称为多聚核蛋白体多聚核蛋白体(pol

14、ysome)(polysome) 。 BAG-TJU多聚核蛋白体多聚核蛋白体BAG-TJU电镜下的多聚核蛋白体电镜下的多聚核蛋白体BAG-TJU5.65.6真核生物真核生物的肽链合成过程的肽链合成过程（一）起始（一）起始1. 1. 核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；2. 2. 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA的结合；的结合； 3. mRNA3. mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；4. 4. 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。BAG-TJUmRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABM

15、etMet-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BAG-TJU 40S小亚基寻找帽子结构； 小亚基迁移到起始位点； 可有同时有多个核糖体亚基顺序识别同一个mRNA。BAG-TJU核糖体核糖体40S小亚基和小亚基和首先形成复合物；首先形成复合物；帽子结合复合物；帽子结合复合物； BAG-TJUBAG-TJUBAG-TJU 起始位点含一个典型序列: 5 5 NNNNNNPuPuNNNNAUGAUGG G 3 3，在AUG前的第三个嘌呤（G或A）以及紧跟其后的G，可十倍地影响翻译效率。起始位点序列特点 BAG-TJU原核生物原核生物和真核

16、生物蛋白质合成起始异同点分析和真核生物蛋白质合成起始异同点分析 内容内容原核生物原核生物真核生物真核生物核核糖糖体体完整完整70S80S亚基亚基50S，30S60S，40S起始起始tRNAfMet-tRNAfMetMet-tRNAiMet起始因子起始因子3种种至少至少7种种起始复合起始复合物的生成物的生成顺序顺序1）30S mRNA1) 40S Met-tRNAiMet2）30S mRNA fMet-tRNAfMet2) 40S Met-tRNAiMet mRNA3）70S mRNA fMet-tRNAfMet3）80S mRNA Met-tRNAiMetBAG-TJU真核生物肽链合成的延长过

17、程与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，真核细胞核蛋白体另外，真核细胞核蛋白体没有没有E E位位，转位，转位时卸载的时卸载的tRNAtRNA直接从直接从P P位脱落。位脱落。（二）延长（二）延长BAG-TJU（三）终止（三）终止 真核生物真核生物翻译终止过程与原核生物相似，翻译终止过程与原核生物相似，但只有但只有1 1个释放因子个释放因子eRFeRF，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RFRF的功能。的功能。 BAG-TJU原核生物与真核生物肽链合成过程的主

18、要差别原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物原核生物真核生物真核生物mRNA一条一条mRNA编码几种蛋白质（多顺反子）编码几种蛋白质（多顺反子） 一条一条mRNA编码一种蛋白质（单顺反子）编码一种蛋白质（单顺反子）转录后很少加工转录后很少加工转录后进行首尾修饰及剪接转录后进行首尾修饰及剪接转录、翻译和转录、翻译和mRNA的降解可同时发生的降解可同时发生mRNA在核内合成，加工后进入胞液，再在核内合成，加工后进入胞液，再作为模板指导翻译作为模板指导翻译核蛋白体核蛋白体30S小亚基小亚基50S大亚基大亚基 70S核蛋白体核蛋白体40S小亚基小亚基60S大亚基大亚基 80S核蛋白体核蛋白体

19、起始阶段起始阶段起始氨基酰起始氨基酰-tRNA为为fMet-tRNAfMet起始氨基酰起始氨基酰-tRNA为为Met-tRNAiMet核蛋白体小亚基先与核蛋白体小亚基先与mRNA结合结合,再与再与fMet-tRNAfMet结合结合核蛋白体小亚基先与核蛋白体小亚基先与Met-tRNAiMet结合，结合，再与再与mRNA结合结合mRNA中的中的S-D序列与序列与16S rRNA 3 -端的端的一段序列结合一段序列结合mRNA中的帽子结构与帽子结合蛋白复合中的帽子结构与帽子结合蛋白复合物结合物结合有有3种种IF参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成有至少有至少10种种eIF参与起始复合物的形成参与

20、起始复合物的形成延长阶段延长阶段延长因子为延长因子为EF-Tu、EF-Ts和和EF-G延长因子为延长因子为eEF-1、eEF-1和和eEF-2终止阶段终止阶段释放因子为释放因子为RF-1、RF-2和和RF-3释放因子为释放因子为eRFBAG-TJU 新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰。 翻译后修饰包括多肽链折叠为天然的三维构象、对肽链一级结构的修饰、空间结构的修饰等。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。5.7蛋白质修饰BAG-TJU蛋白质一级结构修饰（一）肽链末端的修饰（二

21、）个别氨基酸的共价修饰 1糖基化 2羟基化 3甲基化 4磷酸化 5二硫键形成 6亲脂性修饰（三）多肽链的水解修饰BAG-TJU空间结构的修饰结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。 具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体(oligomer)。（一）通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质（二）辅基连接后形成完整的结合蛋白质BAG-TJU5.8蛋白质输送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 ( p r o t e i n targeting)。 蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出

22、来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。 所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要是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，这类序列称为信号序列(signal sequence)。 信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋白质自身的一级结构中。 靶向输送的蛋白质N-端存在信号序列 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-端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、

23、丝氨酸）组成，紧接着是被信号肽酶(signal peptidase)裂解的位点 。n信号肽有以下共性： 靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特异信号序列，称为核定位序列(nuclear localization sequence, NLS) 。 NLS为含48个氨基酸残基的短序列，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的不同部位，而不只在N末端。 不同的NLS间未发现共有序列； 在蛋白质进核定位后，NLS不被切除。 核定位序列细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔靶向输送入核BAG-TJU 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

24、有一定功能构象的蛋白质，在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转移至细胞膜，再分泌到细胞外。分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外信号序列引导蛋白质进入内质网信号序列引导蛋白质进入内质网BAG-TJU分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外BAG-TJU线粒体蛋白质以其前体形式在胞液合成后靶向输入线粒体 绝大部分线粒体蛋白质是由核基因组编码、在胞液中的游离核蛋白体上合成后释放、靶向输送到线粒体中的。BAG-TJU重点 蛋白合成基本过程 SD序列BAG-TJUThe EndThe End！BAG-TJU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、合成后完成，新生肽链N-端在核蛋白体上一出现，

25、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、模序、结构域到形成完整空间构象。 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，而需要其他酶和蛋白质辅助。分子分子伴侣伴侣: :促进蛋白质折叠功能促进蛋白质折叠功能分子伴侣是细胞内一类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的保守蛋白质保守蛋白质。 分子伴侣有以下功能：分子伴侣有以下功能：封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段；创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰；促进蛋白质折叠和去聚集；遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。 BAG-TJU(1