生物化学课件：第17章 蛋白质的生物合成翻译(改)

1、蛋白质的生物合成（翻译）Protein Biosynthesis，Translation,第十七章,生化教研室 雷 康 福,翻译动画,即翻译，就是将mRNA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,蛋白质的生物合成,本章主要学习内容,翻译体系 AA的活化 原核、真核生物翻译过程及异同 翻译后加工 翻译与医学,第一节 蛋白质合成体系 Protein Biosynthesis System,原料： 三种RNA： mRNA：模板 rRNA：组成核糖体翻译场所 酶和蛋白质因子： 氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、转位酶； IF、EF、RF等 A

2、TP、GTP、无机离子等,参与蛋白质生物合成的物质,tRNA:转运AA,20种AA,一、翻译模板mRNA及遗传密码,原核生物的多顺反子 一条mRNA编码几种功能相关的蛋白质,真核生物的单顺反子 一条mRNA仅编码一种蛋白质,目 录,单复制子，多顺反子,多复制子，单顺反子,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称为开放阅读框架(open reading frame, ORF),开放阅读框架,密码子,mRNA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(triplet coden)。,起始密码:AU

3、G （Met）,终止密码:（无意义密码子）不编码任何AA UAA，UAG，UGA,密码子总64个，其中编码AA 的为61个,遗传密码表,遗传密码的特点： 方向性（directionality） 连续性（commalessness） 简并性（degeneracy） 通用性（universality） 摆动性（wobble）,遗传密码的特点,1. 方向性(directional),密码子方向： 5 3 模板阅读方向：5 3 多肽链延长方向：N端C端,2. 连续性（commaless）,编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，既无跳跃也不重叠。,重叠阅读,连续阅读,跳跃阅读,3n+1或3n+2

4、 插入或缺失，可能导致框移突变,3. 简并性(degeneracy),除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2个以上密码子。 这种多个密码子编码一个AA的现象，称简并性。 编码同一AA的密码子称同义密码子。,遗传密码表,目 录,密码子简并性的生物学意义：减少有害突变。,4.摆动性、摆动配对,3 2 1,不严格的碱基互补,5. 通用性（普遍性）,从原核生物到人类都共用同一套密码。 有少数例外，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。,二、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,三、rRNA参与组成核蛋白体,原核生物翻译过程中核蛋白体结构

5、模式:,A位,受位,氨基酰位 (aminoacyl site),P位,给位,肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),目 录,大亚基：转肽酶活性部位,小亚基：mRNA结合位点,四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等,（一）重要的酶类,氨基酰-tRNA合成酶：催化氨基酸的活化 转肽酶(肽酰转移酶)：催化肽键的生成 转位酶(EF-G)：转位：A位P位,（二）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）,真核生物前面加“e”，如eIF、eEF

6、、eRF,能源物质：ATP、GTP； 无机离子：Mg2+、K+ 等。,（三）能源物质及离子,UTP糖原 CTP磷脂 GTP蛋白,第二节氨基酸的活化,Activation of Amino Acids,一、tRNA和氨基酰-tRNA,AA tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,AA-tRNA,高度特异性 校正活性,AA的活化：,AA活化,活化形式： 氨基酰tRNA 与tRNA连接方式： 酯键 活化耗能： 2个P,氨基酸,氨基酰-tRNA的表示方法,arg-tRNAarg,一种AA可以有多种对应的tRNA 但一种tRNA只能转运一种AA,真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tR

7、NAifMet,二、肽链合成的起始氨基酰-tRNA,fMet-tRNAifMet的生成：,N10-CHO-FH4,蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,第 三 节,mRNA模板阅读的方向：53 蛋白质是从N端C端合成 原核生物的起始tRNAfMet-tRNAifMet 真核生物的起始tRNAMet-tRNAiMet,一、翻译的起始阶段,指在起始因子的帮助下，mRNA、起始氨基酰-tRNA与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。,起始因子 功能 IF-1 占据A位，防止tRNA过早地结合到A位 IF-2 促进fMet-tRNA结合到30S小

8、亚基P位 IF-3 促进大小亚基分离，结合30S小亚基，防止它过早地与50S大亚基结合，并提高P位对fMet-tRNAfMet的特异性,原核生物各种起始因子的生物功能,（一）起始因子,（一）原核生物翻译起始,核蛋白体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； fMet-tRNAfMet的结合； 核蛋白体大亚基结合。,IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,目 录,起始因子IF3使大小亚基分离，IF1占据A位 70s核糖体30s小亚基+50s大亚基,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,RNA-RNA、RNA-蛋白质相互辨认,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA(

9、fMet-tRNAifmet )结合到小亚基,fMet-tRNAIF2 GTP三元复合物： 反密码子与起始密码子AUG配对结合,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,目 录,70S起始复合物： 核糖体大小亚基mRNAfMet-tRNA fMet-tRNA占据着P位。A位留空,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,目 录,真核起始因子 功能 eIF-1 多功能因子，参与多个翻译步骤 eIF-2 促进起始Met-tRNA与核糖体40S小亚基P位结合 eIF-2B 又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDP交换 成GTP eIF

10、-3 首先与40S小亚基结合的因子，促进大小亚基分离，并能加速后续步骤 eIF-4A 具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA 5端的发夹结构，使其与40S小亚基结合。是eIF4F的组成成分,（二）真核生物翻译起始,真核起始因子 功能 eIF-4B 与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUG eIF-4E 结合mRNA的帽子结构，是eIF4F的组成成分 eIF-4G 一种接头蛋白，能与eIF4E、eIF-3和poly A结合蛋白（Pab-1p）结合将40S的小亚基富集至mRNA，进而刺激翻译。是eIF4F的组成成分 eIF-5 促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60

11、S大亚基结合形成80S起始复合物 eIF-6 促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基,核蛋白体大小亚基分离； Met-tRNAMet结合； mRNA在核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合物形成过程,1、核蛋白体大小亚基分离,eIF-3,2、Met-tRNAMet结合,eIF2，真核翻译起始最重要的因子 先生成 Met-tRNAMetelF-2GTP三元复合物 再与40S小亚基结合,3、mRNA在核蛋白体小亚基就位,Kozak序列：ACCAUGG,mRNA在核蛋白体小亚基就位,4、核蛋白体60S大亚基结合,核糖体大小亚基Met-tRNAmetmRN

12、A,80S起始复合物：,真核生物翻译起始复合物形成过程,elF-2是关键因子,二、肽链合成延长,肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，又称为核糖体循环（ribosomal cycle），每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：,进位；成肽；转位,核糖体循环,广义：翻译全程,狭义：翻译延长,肽链合成的延长因子 (elongation factor, EF),fMet,fMet,目 录,核蛋白体循环(狭义),又称注册(registration),（一）进位,与密码子对应的氨基酰-tRNA进入A位，消耗一分子GTP（EF-Tu协助）,目 录,EF-Tu-GTP催化进位（原核）,Tu,Ts,GTP,GDP

13、,Tu,Ts,GTP,目 录,(二)成 肽,由转肽酶(transpeptidase)催化P位上氨基酸-COOH基与A位氨基酸的-NH2形成肽键。,（三）转位（移位）,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。,肽链延长,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。,真核生物延长过程,延长时的能量消耗：,活化：2个ATP 进位：1个GTP 转位：1个GTP 每添加一个氨基酸消耗4个高能磷酸键 第一个fMet:活化2 + I

14、F2一个 = 3个ATP 最后一个AA：活化2，进位1，转位1，终止1 = 5ATP,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。,RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性，能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。,释放因子的功能：,识别终止密码子,RF-1特异识别UAA、UAG； RF-2特异识别UAA、UGA。,诱导转肽酶转变为水解酶活性,催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。,RF,目 录,多肽链合成终止演示,原核肽链合成终止过程：,真核生物

15、翻译终止,真核细胞只有1个释放因子eRF， 没有E位,多聚核糖体,多聚核糖体(polyribosome),使蛋白质合成高效高速进行。 原因：mRNA寿命较短,一条mRNA链上结合着多个核糖体，同时合成多条相同的多肽链 。,多聚核蛋白体,第四节 翻译后加工,多肽链折叠 一级结构的修饰 空间结构的修饰 蛋白质的靶向运输,post-translational processing,一、多肽链的折叠,1.分子伴侣,2.蛋白二硫键异构酶,催化正确二硫键的形成,3.肽-脯氨酰顺反异构酶,促进顺反两种异构体之间的转换， 维持二者的比例。,分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整

16、体蛋白质的正确折叠,二、一级结构的修饰,（一）肽链N端的修饰 （二）多肽链的水解修饰,三、化学修饰 羟化：羟脯氨酸，羟赖氨酸 磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸的羟基磷酸化，蛋白激酶催化 糖基化 甲基化 亲脂性修饰,四、空间结构的修饰,亚基聚合,结合蛋白,辅基连接,四级结构,蛋白质合成后去路 1、保留在胞浆 2、进入线粒体、细胞核等细胞器 3、分泌至体液，然后输送到该蛋白质应起作用的靶器官和靶细胞,五、蛋白质合成后的靶向输送,穿膜,新生蛋白质的去向：,蛋白质合成后定向输送到其最终发挥生物功能的细胞靶部位的过程。,蛋白质的靶向输送(protein targeting),可引导蛋白质靶向输送的特异氨基

17、酸序列。, 信号序列(signal sequence),信号肽的一级结构,信号肽识别颗粒（SRP）,SRP受体,极性小分子AA,蛋白质的靶向输送,分泌性蛋白进入内质网的信号肽引导机制,1.SRP识别信号肽并结合,2.SRP将核蛋白体带到内质网膜,3.ER膜通道开放,胞液,SRP受体,（二）线粒体蛋白的靶向输送,（三）细胞核蛋白的靶向输送,蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,第 五 节,蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。 可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。,抗生素(antibiotics) 是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。,抗代谢药物 指能干扰生物代谢过程，从而抑制细