生物化学-蛋白质的合成

1、蛋白质的生物合成(翻译)Protein Biosynthesis (Translation),蛋白质生物合成的定义,在多种因子辅助下，由tRNA携带并转运相应氨基酸，识别mRNA上的三联体密码子，在核糖体上合成具有特定序列多肽链的过程。 它的本质是将mRNA分子中4种核苷酸序列编码的遗传信息（核酸语言），解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序（蛋白质语言），也称翻译(translation) 。,蛋白质生物合成过程,蛋白质生物合成体系,蛋白质生物合成系 Protein Biosynthesis System,蛋白质生物合成体系,基本原料：20种编码氨基酸 模板：mRNA 适配器：tRNA

2、 装配场所：核糖体 主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、转位酶、起始、延长、释放因子等 能源物质：ATP、GTP 无机离子：Mg2+、 K+,mRNA (蛋白质合成的信息模板) mRNA中每三个相邻的的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸或起始和终止信息，此三联体就称为密码子（codon）。共有64中不同的密码，起始密码：AUG;终止密码:UAA、UAG、UGA. 从mRNA 5-端的起始密码子AUG到3-端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。,遗传密码的特点,方向性(direction) ： 翻译时的阅读方向只能从53

3、连续性 (commaless): mRNA的密码子之间没有间隔核苷酸 简并性(degeneracy)： 一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码 通用性(universal)： 从细菌到人类都使用着同一套遗传密码 摆动性(wobble)： 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,连续性 mRNA序列上的各个密码子及密码子的各碱基是连续排列的，之间没有间隔，即具有无标点性。翻译时从AUG开始向3-端连续读码，每个碱基只读一次，不重叠阅读，直至终止密码子出现。 开放阅读框架中插入或缺失1个或2个碱基的基因突变，引起mRNA阅读框架发生移动，编码的蛋白质彻底丧失功能，称为

4、移码突变(frameshift mutation)，“后果很严重”； 如同时连续插入或缺失3个碱基，则只会在蛋白质产物中增加或缺失一个氨基酸，但不会导致阅读框移位，对蛋白质的功能影响相对较小。,简并性 64个密码子中有61个编码氨基酸，而氨基酸只有20种，因此有的氨基酸可由可具有2个或2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。例如，UUU和UUC都是苯丙氨酸的密码子. 多数情况下，简并性密码子的前两位碱基相同 ，仅第三位有差异，即密码子的特异性主要由前两位核苷酸决定，如苏氨酸的密码子是ACU、ACC、ACA、ACG。这意味着第三位碱基的改变往往不改变其密码子的编码氨基酸，合成的蛋

5、白质具有相同的一级结构。因此，遗传密码的简并性可低基因突变的生物学效应,mRNA的功能： 蛋白质合成的直接模板， 碱基排列顺序决定了氨基酸的排列顺序， 密码的阅读方向为53,tRNA 作用 运载氨基酸：氨基酸各由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在tRNA的3-CCA的位置，结合需要ATP供能； 充当“适配器”：每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。 功能 通过3-CCA-OH将氨基酸带到蛋白质合成场所，通过反密码子将氨基酸正确就位。,二级结构,三级结构,反密码环,氨基酸臂,tRNA的构象,cloverleaf,12,核糖体肽链

6、“装配厂”,核糖体的组成 核糖体又称核蛋白体，是由rRNA和多种蛋白质组成的复合体，是蛋白质生物合成的场所。 核糖体的功能 蛋白质合成的场所，由大小亚基组成， 小亚基与mRNA结合，核糖体上有P位和A位，是形成肽键的中心,核蛋白体 原核生物中的蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基. 核蛋白体的大小亚基分别有不同的功能： 小亚基：可与mRNA、GTP和起始tRNA结合 大亚基：具有两个不同的tRNA结合点。 A位受位，可与新进入的氨基酰tRNA结合； P位给位，可与延伸中的氨基酸tRNA结合。 具有转肽酶活性。,rRNA的结构特点 修饰碱基较少多为甲基化; 不同来源的rRNA某些

7、区域具有高度的同源性; 含有大量的茎环结构.,重要的酶类 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的活化； 转肽酶(peptidase)，将P位上的肽酰基转给A位上的氨基，生成肽键 转位酶(translocase)，催化核糖体向mRNA的3-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。 蛋白质因子 起始因子（initiation factor，IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF）,能源物质及离子 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M

8、g2+、K+ 等。 蛋白质因子 起始因子（initiation factor，IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF）,参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,18,蛋白质的生物合成过程,蛋白质合成的三个过程: (1) 氨基酸的活化; (2) 肽链的合成； (3) 肽链合成后的折叠加工、修饰、蛋白质的靶向运输,氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。 氨基酸的活化形式是氨基酰-tRNA，氨基酰-tRNA合成酶催化完成。 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-

9、tRNA合成酶具有校正活性。,一、氨基酸的活化, 氨基酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸 和tRNA,反应过程,21,22,肽链合成的起始需要特殊的起始氨基酰-tRNA,二、肽链的生物合成过程 The Biosynthesis Process of Peptide Chain,起始(initiation) 延长(elongation) 终止(termination ),翻译的起始是指mRNA、起始氨基酰-tRNA 分别与核糖体结合 而形成翻译起始复合物的过程。,24,翻译起始复合物的装配启动肽链合成,原核生物翻译起始复合物的形成,核糖体大、小亚基分离； 核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近

10、； 起始氨基酰-tRNA结合在核糖体P位； 核糖体大亚基结合形成起始复合物。,肽链延长指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进入核糖体并聚合成多肽链的过程。,1. 进位(positioning)/注册(registration) 2. 成肽(peptide bond formation) 3. 转位(translocation),肽链延长在核糖体上连续循环式进行，每次循环使多肽链增加一个氨基酸残基，又称为核糖体循环(ribosomal cycle)，包括以下三步：,26,在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链,进位：又称注册(registration)，是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核糖体A位的过程。 成肽：是指在转肽酶(peptidase)的催化下，核糖体P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA的-氨基结合形成肽键的过程。 转移： 转位是在转位酶的催化下，核糖体向mRNA的3-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核糖体的A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程, 而卸载的tR