蛋白质的生物合成（翻译）过程分析

1、蛋白质的生物合成（翻译）过程分析Protein Biosynthesis，Translation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 。蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System 第 一 节 20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括 三种RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA, 转移R

2、NA）一、翻译模板mRNA及遗传密码 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mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。 原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP53蛋白质PPPmG -53蛋白质目 录 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

3、信号，称为三联体密码(triplet coden)。起始密码(initiation coden): AUG 终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA 遗传密码表目 录从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，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。 1. 连续性(commaless)遗传密码的特点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 mutat

4、ion)。 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。目 录2. 简并性(degeneracy)目 录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。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。 4. 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摆动配对目 录密码子、反密码子配对的摆动现象t

5、RNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U, C, AA, GU, CUG二、核蛋白体是多肽链合成的装置目 录原核生物真核生物核蛋白体小亚基大亚基核蛋白体小亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质rpS 21种rpL 36种rpS 33种rpL 49种 不同细胞核蛋白体的组成 核蛋白体的组成目 录三、tRNA与氨基酸的活化反密码环氨基酸臂tRNA的三级结构示意图氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶（一）

6、氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 氨基酸的活化第一步反应氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi 目 录第二步反应氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E目 录 tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tR

7、NAifMet（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis 第 二 节 翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination )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，直至终止密码出现。 一、肽链合成起始指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 (translational initiation complex)。原核、真核生物各种起始因子的生物功能 （一）原核生物翻译起始复合

8、物形成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。IF-3IF-11. 核蛋白体大小亚基分离目 录AUG53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合目 录S-D序列 S-D序列：在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS) IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基AUG53目 录IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白体大亚

9、基结合，起始复合物形成AUG53目 录IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目 录（二）真核生物翻译起始复合物形成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。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-2GDP+Pi各种elF释放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始复合物形成过程 真核生物翻译起始的特点核蛋白体是80S；起始因子种类多；起始t

10、RNA的Met不需甲酰化；mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关；起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA二、肽链合成延长指根据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。 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(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptide bond formation)转位(translocation)延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF)原核生物： EF-Tu, EF

11、-Ts EF-G真核生物：eEF-1 、eEF-2 原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子 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 录延长因子EF-T催化进位（原核生物） 目 录TuTsGTPGDPAUG53TuTs目 录（二）成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。（三）转位延长因子

12、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 。fMetAUG53fMetTuGTP目 录进位转位成肽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 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。 终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF) 一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG

13、；而RF-2可识别UAA、UGA。二是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。 释放因子的功能原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF 原核肽链合成终止过程 UAG53RFCOO-目 录 原核生物蛋白质合成的能量计算氨基酸活化：2个PATP起始： 1个GTP延长： 2个GTP终止： 1个GTP结论：每合成一个肽键至少消耗4个P。多聚核蛋白体(polysome)使蛋白质合成高速、高效进行。目 录电镜下的多聚核蛋白体现象目 录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

14、输送。 三、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质的靶向输送(protein targeting)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(signal sequence)靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白信号肽内质网腔蛋白信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)线粒体蛋白N端靶向序列（2035氨基酸残基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）过氧化体蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶体蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向输送蛋白的信号序列或成分 （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(signal pep