生物化学课件：蛋白质的生物合成(翻译)

ProteinBiosynthesis(Translation)蛋白质的生物合成(翻译)翻译Translation核糖体协助tRNA从mRNA读取遗传信息、用氨基酸合成蛋白质的过程TranslationisRNA-directedpolypeptidesynthesis.以mRNA为模板，根据mRNA上的遗传密码排列顺序，按一个密码子决定一种氨基酸的规律，将氨基酸排列成一定顺序的多肽链（蛋白质）（产物）的过程

mRNA多肽链翻译肽键翻译：从核酸语言到蛋白质语言

20种氨基酸作为原料

酶及蛋白因子，如IF/eIF、EF/eEF、RF等

ATP、GTP、无机离子

第一节参与蛋白质生物合成的物质

（蛋白质合成体系）三种RNAmRNA----“模板”，rRNA------“场所”（细胞质Cytoplasm中）tRNA------“搬运工”“读码器”一、mRNA从DNA传递遗传信息mRNA是直接模板，以遗传密码方式

传递遗传信息mRNAscarrythegeneticinformationcopiedfromDNAintheformofgeneticcodons

1961年，Nirenberg证明了mRNA的模板作用。

1.mRNA的一级结构简图——SD序列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tripletcodon.A

codonisatripletofthreeneighboringnucleotidesinamessengerRNA.2.密码子codon起始密码（Startcodon）：AUG（编码甲硫氨酸（methionine）终止密码（Stopcodon）：不编码氨基酸的密码子，代表蛋白质合成的终止信号，有UAA、UAG、UGA同义密码子（Synonymouscodon）：编码相同氨基酸的不同密码子Total:64specificcodonsThegeneticcodeconsistsof61amino-acidcodingcodonsandthreeterminationcodons,whichstoptheprocessoftranslation遗传密码表1）.方向性directional3.遗传密码codon特点2）.连续性commaless3）.简并性degeneracy4）.通用性universal编码氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间隔也无重叠。连续性commaless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)。

简并性degeneracy遗传密码中，除色氨酸Try(UGG)和甲硫氨酸Met(AUG)仅有一个密码子外，其余氨基酸有2~4个或多至6个密码子。Givenaspecificcodon,onlyasingleaminoacidisindicated.

Multiplecodonscandecode(编码)thesameaminoacid.遗传密码的简并性简并密码子使用的频率并不相等；生物学意义：减少有害突变。

GCUACUGCCACCGCAACAGCGACG

AlaThrdegeneracy密码表是生物界（病毒、细菌、动植物）通用的。这是基因工程得以实现的前提。动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体例外。密码的通用性证明各种生物进化自同一祖先。通用性universal4.阅读框readingframe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条多肽链，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。ORF二、tRNA既是特异氨基酸的搬运工具又是读码器tRNAcarriestheproperaminoacidtotheribosome（核糖体）andrecognizesthepropercodon.tRNA在翻译过程既是“读码器”，又是“搬运工”反密码环氨基酸臂读码搬运反密码子anticodon：与mRNA相应的三联体密码子碱基互补。

摆动性：mRNA密码子的前两位碱基和tRNA的反密码严格配对，而密码子第三位碱基与反密码子第一位碱基不严格遵守配对规则。tRNA读码存在摆动性wobbleanticodonloopWobbleAlthoughthefirsttwonucleotidesofallcodonsbasepairnormallywiththeiranticodon，thepairingofthethirdnucleotideanditsanticodonpartnerdemonstratesanumberofspecificexceptions.Thisphenomenon,calledWobble

tRNA反密码子第一个碱基mRNA密码子第三个碱基Wobble例子InosinecanwobblepairwithU,CorACCIGlyGGU(GGC,GGA)5’3’mRNA

Infact,only31differenttRNAareactuallyrequiredtoreadall61sensecodons（有意义密码）携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同工tRNADegeneracy的形成61Codoncodon131tRNA20aminoacidcodon2anticodonCodon3…….

Wobble

同工tRNA三、核糖体是蛋白质合成的装置由40%rRNA与60%数种蛋白质结合组成核糖体,核糖体是蛋白质生物合成的场所，Ribosomesconsistof40%rRNAand60%protein.Ribosomesaretheorganelle细胞器inallcellswhereproteinsaresynthesized.核糖体有大、小亚基。原核生物小亚基30S，大亚基50S；真核生物小亚基40S，大亚基60S.Ribosomesconsistofasmallsubunits(inprokaryotes,30S；ineukaryotes,40S)andlarger

subunits(prokaryotes

50S;

eukaryotes

60S).核蛋白体是多肽链合成的装置A位点(aminoacylsite)：氨酰位，结合氨酰tRNAP位点(peptidylsite)：肽酰位，结合肽酰tRNAE位点(exitsite)：出口位，结合脱酰tRNA核蛋白体结构模式Psite

Asite

模板mRNA只能识别特异的tRNA而不是AA。氨基酸进入蛋白质合成途径是通过氨基酰-tRNA合成酶(AARS)

第二节氨基酸负载Theactivationandtransportationofaminoacid氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA合成酶氨基酸

对氨基酸和tRNA都有高度特异性,识别tRNA的DHU环DHUloop氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proof-readingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：fMet-tRNAfMet(原核)Met-tRNAiMet(真核)Ser-tRNASer氨基酰-tRNA合成酶Aminoacyl-tRNAsynthetase特点

第三节原核蛋白质的合成过程TheProcessofProteinBiosynthesis蛋白质合成方向：mRNA模板的读码方向：5′→3′；蛋白质的合成方向：N端→C端。蛋白质合成过程：起始Initiation延长Elongation终止Termination一、起始Initiation翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)形成：小亚基、mRNA、起始氨基酰-tRNA和大亚基结合。S-D序列：核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS)IF-3IF-1起始1：核蛋白体大小亚基分离起始因子（initiationfactor，IF）：IF-1：占据A位防止结合其他tRNAIF-2：促进起始tRNA与小亚基结合IF-3：促进大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-1起始2：mRNA在小亚基定位结合16S-rRNA3`端可识别mRNA5`端非翻译区的SD序列（Shine-Dalgarno）并与之结合SD序列IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'起始3：起始氨基酰tRNA与小亚基结合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5'3'起始4：核蛋白体大亚基结合翻译起始复合物的形成核蛋白体循环ribosomalcycle：延长是在核蛋白体上连续循环式进行，每次循环增加一个氨基酸。延长因子（Elongationfactor，EF）：EF-Tu：促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-Ts：调节亚基，帮助EF-Tu完成GDP被GTP取代，恢复活性EF-G：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

延伸步骤：进位（entrance）成肽（peptidebondformation）转位（translocation）延伸1：进位entrance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。

进位循环延长因子EF-T催化进位TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP进位延伸2：成肽/转肽transpeptidation是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。延伸3：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。fMetAUG5'3'fMetTuGTP延伸进位转位成肽延伸翻译延长终止终止密码：UAA、UGA、UAG释放因子(ReleaseFactor,RF)：RF-1，RF-2，RF-3识别终止密码：RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。原核肽链合成终止过程UAG5'3'RFCOO-终止翻译终止四、多聚核蛋白体polysome一个mRNA分子可同时有多个核蛋白体在进行同一种蛋白质的合成，这种mRNA和多个核蛋白体的聚合物称为多聚核蛋白体。Oftenmanyribosomeswillreadthesamemessage,astructureknownasapolysomeforms.Inthiswayacellmayrapidlymakemanyproteinspolysome蛋白质的生物合成（总结）

1.模板：mRNA，阅读方向：5`→3`

2.原料：氨基酸,直接原料是氨基酰tRNA

3.肽链延长方向：N端→C端

4.肽键生成：大亚基上转肽酶蛋白质的合成体系（总结）1、Substrate：氨基酸Aminoacids,直接原料是氨基酰tRNA

Aminoacyl-tRNA2、RNA:mRNA、tRNA、rRNA3、Enzymes：转肽酶Transpeptidase、氨基酰-tRNA合成酶Aminoacyl-tRNAsynthetase等4、Proteinfactors：①Initiationfactors,IF/eIF；

②Elongationfactors,EF；

③Terminationfactors(eg:释放因子RF/eRF；

核糖体释放因子RR）。5、Other:ATP、GTP、Mg2+等。附：真核生物的翻译过程起始1.翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)形成：起始氨基酰-tRNA、小亚基、

mRNA和大亚基结合。2.AUG的识别5’端甲基化的帽子结构Kozak序列：GCC(A/G)CCAUGGAUG的识别核糖体首先识别5’端甲基化的帽子结构Kozak序列：GCC(A/G)CCAUGG3.真核起始因子

起始因子生物功能eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2B,eIF-3促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结合小亚基eIF-4B促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合mRNA5’帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PABeIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基Met40SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6

①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③真核生物翻译起始复合物形成过程Met-tRNAiMet-elF-2

-GTPMet60S真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似：进位、成肽和移位。不同点：反应体系和延长因子不同。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。延长真核延伸因子延伸因子亚基GTP结合能力

生物学活性eEF-1至少αβγδ四个亚基+eEF-1α与GTP结合，结合氨基酰-tRNA（延伸tRNA）进入核糖体A位与mRNA结合eEF-2+依赖于GTP水解的移位酶,使肽基-tRNA从核糖体的A位向P位移动eEF-3参与维持翻译的准确性终止终止机制与prokaryote相同释放因子eRF：识别三种终止密码子UAA、UAG、UGA；肽基转移酶构象改变，发挥水解酶作用，使得肽基-tRNA水解；肽基转移，核糖体与mRNA解聚，肽链释放，tRNA逐出。真核与原核蛋白质合成的异同

真核

原核核糖体

80S

70S含蛋白数量

多于80

少于60起始tRNA

tRNAimet

tRNAfmet

启动

eIF十多种IF三种

小亚基先与tRNA结合先与mRNA结合延长

eEF1,eEF2

EF-TuEF-TsEF-G终止

RF

RF1，RF2，RF3第四节蛋白质翻译后修饰PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation肽链一级结构修饰N端修饰：切除甲硫氨酸肽链部分切除：蛋白激活，eg胰岛素氨基酸的修饰：羟化、磷酸化、二硫键高级结构修饰

辅基的连接亚基的聚合

蛋白质合成后加工修饰

PosttranslationalProcessing/modification

折叠多肽链为天然的三维结构，缔合亚基

，结合辅基——具有生物活性Thenewlysynthesizedpolypeptidechainsneedtobefolded,assembled,andprocessedtomakeafunctionalprotein.1.折叠酶2.分子伴侣chaperone折叠和亚基装配

polypeptide

foldingandsubunitassembling

第五节蛋白质合成后的靶向输送

（proteintargeting）新合成蛋白质从合成场所定向输送到功能场所的过程胞浆中合成的蛋白质去向：仍留胞浆进入细胞器（细胞核、线粒体、溶酶体、胞膜等）分泌蛋白secretoryprotein胞外（激素、细胞因子、抗体等）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)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（20～35氨基酸残基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T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3’5’内质网腔停泊蛋白信号肽酶核糖体受体①信号肽序列的合成②SRP识别信号肽，翻译暂停③SRP与停泊蛋白结合，信号肽插入内质网膜⑤蛋白质的合成恢复，多肽链被引入内质网腔，信号肽被切除，⑥蛋白质释入内质网腔内，核糖体再循环④SRP被释放α-αHelixhairping信号肽酶原核细胞分泌性蛋白质穿膜的分子模式信号肽带正电的区段与带负电的磷脂膜互作,引导蛋白质进入内膜。真核细胞蛋白质的转运分泌蛋白进入内质网

蛋白分泌细胞分泌和内吞的概况蛋白靶向线粒体蛋白靶向细胞核Proteinco-localizatio