生物化学课件：13第十七章 蛋白质的生物合成

1、Protein Biosynthesis (Translation),蛋白质的生物合成（翻译）,第十七章,蛋白质生物合成（翻译）,以mRNA为模板，将mRNA上来自DNA基因编码的核苷酸序列信息转换为蛋白质中的氨基酸序列，也称翻译。,本章主要内容,第一节：蛋白质生物合成体系 第二节：氨基酸与tRNA的连接 第三节：肽链的生物合成过程 第四节：肽链生物合成后的加工和靶向输送 第五节：蛋白质生物合成的干扰和抑制,第一节蛋白质生物合成体系,蛋白质翻译系统示意图,基本原料：20种编码氨基酸 模板：mRNA 氨基酸转运体：tRNA 装配厂：核糖体（rRNA与核糖体蛋白) 主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tR

2、NA合成酶、转肽酶、转位酶、起始因子、延长因子、释放因子等 能源物质：ATP、GTP 无机离子：Mg2+、 K+,蛋白质生物合成体系,一、mRNA是蛋白质合成的信息模板,mRNA的基本结构,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)。,遗传密码,在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸或其他信息，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。,起始密码子：AUG 终止密码子：UAA、UAG、UGA,密码子（codon）,原核：甲酰甲硫氨酸 真核：甲硫氨酸,64（61）,遗传密码表

3、,方向性 连续性 简并性 摆动性 通用性,遗传密码的特点,1.方向性(directional),翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。,N,C,读码方向,肽链延伸方向,2.连续性(non-punctuated),编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。,移码突变:在开放阅读框架中发生插入或缺失1个或2个碱基的基因突变，都会引起mRNA阅读框架发生移动，使后续的氨基酸序列大部分被改变，其编码的蛋白质彻底丧失功能。,3.简并性(degenerate),一种氨基酸可具有2个或2个

4、以上的密码子为其编码,这一特性称为遗传密码的简并性。,除Met和Trp只对应一个密码子外，其他氨基酸 都有2、3、4或6个密码子为之编码； 简并性密码子:为同一种氨基酸编码的各密码子， 也称同义密码子。,4.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，这种现象称为摆动配对。,I:次黄嘌呤,摆动配对在反密码子的第1位碱基与密码子的第3位碱基之间最为常见。,U,3 2 1,1 2 3,摆动配对,摆动配对可以使一种tRNA识别mRNA分子上的13种简并性密码子。,U,5.通用性(universal),从简单的细菌到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗

5、传密码表中的这套“通用密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。,意义： 1、密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先； 2、我们可以利用细菌等低等生物来制造人类蛋白质。,已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,二、tRNA是氨基酸的运载工具,1、tRNA的作用：tRNATyr,运载氨基酸：一种tRNA只能转运一种特定的氨基酸； 一种氨基酸通常可与2-6种对应的tRNA特异性结合。,2、tRNA具有两个关键部位,氨基酸结合部位:氨基酸的-羧基与tRNA的3-CCA -OH末端的羟基之间形成酯键； mRNA结合部位：tRNA的反密码子可以与mRNA上相应的密码子互补结合

6、。,三、核糖体是肽链生物合成的场所,核糖体 (核蛋白体)的组成,rRNA:骨架 蛋白质:多种,大亚基 小亚基,小亚基,大亚基,真核80S,原核70S,rRNA Pr 16S 21种rpS 5S、23S 36种rpL,18S 33种rpS 5S、5.8S、28S 49种rpL,P位,A位,原核生物核糖体上的功能部位,5,3,mRNA,小亚基,大亚基,1、 A位：氨基酰位 结合氨基酰-tRNA 2、P位: 肽酰位 结合肽酰-tRNA 3、E位：出口位 卸载tRNA （真核无E位）,E位,四、肽链生物合成需要酶类和蛋白质因子,（一）重要的酶类,氨基酰-tRNA合成酶： 胞液中，催化氨基酸的活化。 转

7、肽酶：（核酶：RNA) 核糖体大亚基的组成成分；合成肽键；具有酯酶活性。 转位酶: 其活性存在于延长因子G中； 催化核糖体向mRNA的3端移动一个密码子的距离。,（二）蛋白质因子,起始因子（initiation factor，IF/ eIF ） 延长因子（elongation factor，EF/ eEF ） 释放因子（release factor，RF/ eRF ）,能源物质: ATP和GTP; 无机离子：Mg2+、K+,（三）能源物质及离子,第二节氨基酸与tRNA的连接,氨基酸的活化: 氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程。,参与氨基酸的活化的酶: 氨基酰-tRNA合成酶

8、活化部位： tRNA 3-CCA-OH,1.反应过程,一、氨基酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和tRNA,ATP,AMPPPi,氨基酰-tRNA合成酶,氨基酸 + tRNA,氨基酰-tRNA,氨基酸的羧基与tRNA 的3端CCA-OH 以酯键相连,第一步反应,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA,氨基酰-tRNA AMP E,高度特异性 校对活性,2、氨基酰-tRNA合成酶特性,3、氨基酰-tRNA的表示方法,丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla 精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg 甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet,二、肽链合成起始需要特殊的起始氨基酰-tRNA,起始

9、氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet,参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met -tRNAMet,真核生物,原核生物,起始氨基酰-tRNA: fMet-tRNAfMet,fMet-tRNAfMet的生成：,N10甲酰四氢叶酸,Met-tRNAfMet,fMet-tRNAfMet,第三节肽链的生物合成过程,肽链的生物合成过程,1、起始: 从起始密码子AUG开始 2、延长：按53方向逐一读码 肽链从N-端C-端延长 3、终止：终止密码子（UAA、UAG、UGA),mRNA 起始氨基酰-tRNA 核糖体大小亚基 起始因子,一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成,（一）原核生物翻译起始复合物的形

10、成,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物的过程。,N-甲酰甲硫氨酸,30S、50S mRNA fMet-tRNAfMet IF1、IF2、IF3 GTP Mg2+,1. 核糖体大小亚基分离； 2. 核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近； 3. fMet-tRNAfMet 结合在核糖体P位； 4. 核糖体大亚基结合形成起始复合物。,起始过程,IF-3,IF-1,1.核糖体大小亚基分离,IF-1、IF-3与小亚基结合，促进大小亚基的分离。,IF-3,IF-1,2. 核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近,小亚基与mRNA结合时必须准确识别阅读框的起始AUG

11、。,mRNA与核糖体小亚基结合的分子机制：,1、S-D序列/核糖体结合位点(RBS) : 在各种mRNA起始AUG上游约8-13个核苷酸部位，存在一段由49个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基。,16SrRNA: 3 端 UCCUCC ,2、小核苷酸序列: mRNA序列上紧接S-D序列后的短核苷酸序列，可被小亚基蛋白rpS-1识别并结合。,mRNA：起始AUG上游 AGGAGG ,互补,S-D序列 、小核苷酸序列,RNA-RNA 、RNA-蛋白质,IF-3,IF-1,3.fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位,A位：IF-1 P位：fMet-tRNAfMet + IF-2/GTP,IF-3

12、,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4.核糖体大亚基结合形成起始复合物,翻译起始复合物：完整核糖体+mRNA+ fMet-tRNAfMet,GTP水解 3种IF释放,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,翻译起始复合物形成过程,(二)真核生物翻译起始复合物的形成,1. 核糖体大小亚基分离； 2. Met-tRNAiMet定位结合于小亚基P位； 3. mRNA与核糖体小亚基定位结合； 4. 核糖体大亚基结合。,合成过程与原核生物的主要区别：起始tRNA先于mRNA结合在小亚基上，与原核生物装配顺序有所不同。,真核起始与原核起始的差别,1、核糖体：40S小亚基+60S大亚基

13、=80S 2、起始因子(eIF)：种类多，10个 3、起始氨基酰-tRNA：Met-tRNAiMet 4、起始密码子常位于Kozak共有序列中： CCRCCAUGG (R为A或G) 5、mRNA与小亚基的辨认：,帽子结构 polyA尾,真核生物翻译起始复合物形成过程,40S,1. 进位 (positioning)/注册 2. 成肽 (peptide bond formation) 3. 转位 (translocation),肽链延长是在核糖体上重复进行的进位、成肽和转位的循环过程，称为核糖体循环 。,每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。,二、在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链,肽链延长体系组

14、成,mRNA 氨基酰-tRNA 核糖体 延长因子 GTP,1. 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。,进位需要延长因子,原核生物,真核生物,eEF-1 eEF-1 ,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,进位的反应过程：,2.成肽,酶：肽基转移酶/转肽酶（核酶） -原核生物：23SrRNA 真核生物：28SrRNA P位:N-甲酰甲硫氨酰基/肽酰基 A位：-氨基 肽键形成部位：A位,是在转肽酶的催化下，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-t

15、RNA的-氨基结合形成肽键的过程。,成肽的反应过程,转肽酶,转肽酶,3.转位,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。,延长因子：EF-G/eEF-2 能量：GTP P位：起始二肽酰-tRNA/肽酰-tRNA A位：留空并对应下一个密码子 E位：空载的tRNA 真核生物空载的tRNA直接脱落,转 位,转位酶,fMet,fMet,成肽转位下一轮进位,肽链合成延长(核糖体循环)过程,肽链延长阶段/核蛋白体循环,进位/注册,按A位的密码、氨基酰-tRNA进入A位 (消耗GTP),EF-Tu、EF-Ts eE

16、F-1、eEF-1,成肽,肽酰基从P位转到A位；P位提供酰基、A位提供氨基；成肽反应在A位,转肽酶（大亚基上） 原核：23srRNA 真核：28srRNA,转位,核糖体沿mRNA移动一个密码子的距离；肽酰-tRNA从A位转入P位、A位空出;下一个氨基酰-tRNA进入A位 （消耗GTP）,EF-G/eEF-2,指核糖体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。,释放因子识别终止密码子（UAA、UAG、UGA）而进入A位，消耗GTP。,三、终止密码子和释放因子导致肽链合成停止,RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性

17、， 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: UAA、UAG RF-2: UAA、UGA,诱导转肽酶转变为酯酶活性,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。,原核肽链合成终止过程,RF,目 录,多聚核糖体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,电镜下的多聚核蛋白体,第四节肽链生物合成后的加工和 靶向输送,翻译后加工(post-translational processing),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加工。

18、,翻译后修饰包括： 多肽链折叠为天然的三维构象 一级结构的修饰 空间结构的修饰等,一、肽链折叠为功能构象需要分子伴侣,时间：新生肽链N-端在核蛋白体上一出 现，肽链的折叠即开始。 折叠信息：储存于自身氨基酸顺序中， 即一级结构是空间构象的基础。 完成过程：需酶(折叠酶)和蛋白质(分子 伴侣)辅助。,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正确折叠的保守蛋白质。,分 子 伴 侣,分子伴侣的功能,封闭待折叠蛋白暴露的疏水区段； 创建一个隔离的环境，可以使肽链的折叠互不干扰； 促进肽链折叠和去聚集； 遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。,核糖体结合的分子伴侣： 触发因子（TF）

19、 新生链相关复合物（NAC） 非核糖体结合的分子伴侣： 热激蛋白（Hsp） 伴侣蛋白 蛋白质二硫键异构酶 肽酰脯氨酸异构酶,分子伴侣的分类,分子伴侣有核糖体结合和非核糖体结合两类,1、热激蛋白 (热休克蛋白） HSP,大肠杆菌HSP70（DnaK）的结构,Hsp70反应循环,HSP40- HSP70-ADP-多肽,HSP40,HSP70,HSP70,当待折叠肽链进入Gro EL的桶状空腔后，GroES可作为“盖子”瞬时封闭Gro EL空腔出口。封闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。,2、伴侣蛋白Gro EL和Gro ES,未折叠多肽,未充分折叠的蛋白 或再进入继续折叠,分子伴侣GroEL和GroES家族,为蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境,未折叠多肽进入GroEL14亚基复合物未封闭的袋形空腔,封闭的GroEL14复合物空腔中蛋白质进行折叠,二、肽链的肽键水解生成活性蛋白质或功能肽,（一）合成后肽链的末端被水解加工 1、N端切除 甲硫氨酸 N-甲酰甲硫氨酸 N-甲酰基 信号肽 2、C-端切除,（二）肽链中肽键水解产生多种功能肽,1、无活性蛋白质前体 有活性蛋白质,蛋白酶水解,胰岛素原 胰岛素 蛋白酶原 蛋白酶,例：阿黑皮素原(POMC)的水解修饰,2、大分子多肽前体 数种小分子活性肽,三、肽链中氨基酸残基的化学修饰,1糖基化（天冬酰