生物化学课件：第十一章 蛋白质合成（翻译）

1、第十一章 蛋白质合成（翻译）,DNA,基因,基因和染色体，DNA和脱氧核苷酸的关系：,复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）,前导链 (leading strand),后随链 (lagging strand),DNA的半不连续复制,DNA转录形成RNA的过程,碱基配对原则 DNA RNA AU TC CG GC,蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation）。,主要内容,蛋白质生物合成体系 蛋白质生物合成过程 蛋白质合成后加工和输送 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,Sec

2、tion 1 Protein Biosynthesis System,20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子，如IF、EF、RF 供能物质（ATP、GTP）、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质,三种RNA mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核糖体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA）,一、mRNA模板及遗传密码,作为指导蛋白质生物合成的模板，mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码（codon）。 遗传密码共有64种，其中：,起始密码（initiation codo

3、n）: AUG 终止密码（termination codon）: UAA，UAG，UGA,遗传密码的破译,标准的通用遗传密码表,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（open reading frame, ORF）。,AUG,UAA,ORF,遗传密码具有以下特点： 连续性； 简并性； 通用性； 方向性； 变偶性。,1. 连续性（commaless）：,基因损伤引起mRNA开放阅读框内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变（frameshift mutation）。,2. 简并性（degeneracy）：,简

4、并性的生物学意义？,3. 通用性（universal）：,4. 方向性（direction）：,指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿53方向进行。,5.变偶性（摇摆性）（wobble）：,二、rRNA和核糖体,核糖体的分类与组成,A位：氨基酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),核糖体大、小亚基的功能,1三个与tRNA结合的位点：,2. 与模板mRNA和起始tRNA结合位点：主要与小亚基有关。 3. 转肽酶活性：由大亚基成分构成。,4. GTPase活性：水解GTP，获得能量；分别由大、小亚基成分构成。

5、5. 起动因子、延长因子及释放因子的结合位点：分别由大、小亚基成分构成。,多聚核糖体示意图,电镜下的多聚核糖体,氨基酸臂,反密码环,三、tRNA与氨基酸的活化,T C环,DHU环,可变环,tRNA的三级结构示意图,（一）氨酰-tRNA合成酶,氨酰tRNA合成酶催化的反应,氨基酸 ATP 氨酰-AMP PPi,第一步：活化反应,第二步：连接反应,氨基酰-AMP tRNA 氨基酰-tRNA AMP,氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet,能够识别mRNA中5端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。 在原核生物中

6、，fMet-tRNAifmet； 在真核生物中，Met-tRNAimet。,（二）起始tRNA,起始因子（initiation factor，IF）。 原核生物，3种起始因子，分别称为IF1-3。 真核生物中，9种起始因子（eIF）,四、起始因子（IF）,原核和真核生物中各种起始因子的生物功能,延长因子（elongation factor，EF）。 原核生物中，3种延长因子（EF-TU，EF-TS，EF-G）。 真核生物中存在2种（EF1，EF2）。,五、延长因子（EF）,EF-Tu bound with ribosome,多肽链合成的延长因子,释放因子（release factor，RF）。

7、 原核生物中有3种，RF-1，RF-2，RF-3。 真核生物中只有1种，eRF,六、释放因子（RF）,Eukaryotic release factor,ATP、GTP作为供能物质。 Mg2+、K+。,七、供能物质和无机离子,第二节 蛋白质生物合成过程,Section 2 The Process of Protein Biosynthesis,细菌多顺反子mRNA和真核生物单顺反子mRNA的翻译,包括以下几个步骤：,核糖体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始氨酰-tRNA的结合； 核糖体大亚基结合。,一、多肽链合成的起始阶段,（一）原核生物翻译起始复合物形成,IF-3,IF-1,1

8、. 核糖体大、小亚基分离：,2. mRNA在小亚基的精确定位结合：,SD序列,3. 起始氨酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,-GDP,Pi,4. 核糖体大亚基结合，起始复合体形成：,无活性的 70S核糖体,SD 序列,30S 起始复合物,70S起始复合物,GDP + Pi,（二）真核生物翻译起始复合体形成,核糖体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合； mRNA在核糖体小亚基就位； 核糖体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合体形成过程,核糖体循环（ribosomal cycle）。 包括多肽链合成的进位、转肽和转位三步反应。,二、

9、多肽链合成的延伸阶段,1. 进位（entrance）：,2. 转肽（peptide bond formation）：,3. 移位（translocation）：,核糖体循环的反应过程,三、肽链合成的终止阶段,多肽链合成终止演示,RF,细菌多肽链合成的终止与释放,损伤mRNA的抢救合成,细菌mRNA一般很快水解，其半寿期较短，因此，mRNA有很大的可能性丢掉了它的3-端。如果这种情况真的发生了，后果很可能非常严重。不妨设想，假定一个mRNA分子因此丢失了它的终止密码子（基因突变也可以导致一个mRNA丧失终止密码子），那么将没有终止信号促进核糖体的解离。任何与这种有缺陷的mRNA结合的核糖体当翻译

10、到断裂的末端，将裹足不前，难以解离。 E. coli和其他细菌已发展了一套专门的机制处理这些无终止密码子的有缺陷的mRNA，这种机制为反式翻译。反式翻译不同于一般的顺式翻译，它将两个mRNA翻译成一条融合的肽链，其中有一个mRNA分子无终止密码子，另一个mRNA分子是tmRNA。,tmRNA(10Sa RNA)的结构,使用tmRNA 的反式翻译,转运RNA(tRNA),核糖体,细胞质,亮氨酸,亮氨酸,亮氨酸,天冬氨酸,翻译小结,场所: 模板: 原料: 条件: 产物: 原则:,细胞质的核糖体上,以信使RNA为模板,二十种氨基酸,需要酶和ATP、GTP,多个多肽或蛋白质,密码子与反密码子配对, 既

11、碱基互补配对原则（A=U，G=C）,真核细胞中复制、转录、翻译的比较,细胞分裂间期,细胞核,DNA的两条链均为模板,四种脱氧核苷酸,DNA聚合酶等,ATP,A-T、G-C,半保留复制 边解旋边复制,2个子代DNA分子,生长发育过程,细胞核,基因的一条链为模板,四种核糖核苷酸,RNA聚合酶等,ATP,A-U、G-C,边解旋边转录,1个信使RNA,生长发育过程,细胞质,mRNA为模板,二十种氨基酸,特定的酶等,ATP、GTP,mRNA与tRNA配对 A-U, G-C,多个特定氨基酸顺序的蛋白质,根据蛋白质中遗传信息传递规律，填写表中空白并回答问题,A链,B链,C链,D链,1、丙氨酸的密码子是 ，决

12、定合成该氨基酸的DNA上的碱基是 。 2、第二个氨基酸是 ，(查密码表) 3、 链为转录的模板链，遗传密码子存在于 链上。,T,U,GCA,CGT,UGC半胱氨酸,A,C,第三节 蛋白质合成后加工和输送,Section 3 Posttranslational Processing & Transportation of Protein,主要包括： 多肽链折叠为天然的三维结构肽链； 一级结构的修饰； 高级结构修饰。,一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质,几种促进蛋白折叠功能的大分子,分子伴侣（molecular chaperon）； 蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isom

13、erase, PDI）； 肽-脯氨酰顺反异构酶（peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI）。,二、一级结构的加工修饰,（一）N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除,（二）氨基酸的共价修饰,（三）多肽链的水解修饰,三、空间结构的修饰,（一）亚基的聚合,（二）辅基的连接,（三）疏水脂链的共价连接,靶向输送（protein targeting） 信号序列（signal sequence）,四、蛋白质合成后的靶向输送,第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制,Section 4 Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,翻

14、译的抑制剂,细菌翻译系统的抑制剂：大多数是人们熟悉的抗生素类药物。例如链霉素、氯霉素、林可霉素、稀疏霉素、黄色霉素、红霉素和四环素等 真核翻译系统的抑制剂：只抑制真核翻译系统，不抑制细菌翻译系统，例如白喉毒素、蓖麻毒素、放线菌酮、茴香霉素和-帚曲霉素。其中，白喉毒素催化eEF-2的ADP-核糖基化修饰，从而导致移位反应不能发生，而蓖麻毒素遇到80S核糖体，可切下28S rRNA上的一个腺嘌呤，导致核糖体失活，放线菌酮只抑制真核生物核糖体大亚基的转肽酶活性。 古菌对绝大多数抑制剂的敏感性与真核生物相似，如白喉毒素 既抑制原核又抑制真核翻译系统的抑制剂：嘌呤霉素，它的分子结构与酪氨酰-tRNA非常

15、相似,一、抗生素类,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理,二、其他干扰蛋白质生物合成的物质,（一）毒素（toxin）,（二）干扰素,细菌参与翻译的起始因子、延伸因子和终止因子的结构与功能,蛋白质生物合成的一般特征,mRNA、tRNA和核糖体起相同的作用 翻译的极性：阅读mRNA的方向都是从5端3端，多肽链生长的方向总是从N-端C-端。 三联体密码 正确的氨基酸的参入取决于mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子之间的相互作用，与tRNA所携带的氨基酸无关 密码子与反密码子的相互识别遵守摆动规则 在核糖体上同源tRNA的识别是诱导契合的过程,大肠杆菌在翻译的五个阶段所必需的主要成分,DNA复制是以DN

16、A为模板合成相同DNA分子的过程，其主要特征有：需要模板、四种dNTP和金属离子（ ）；被复制的区域必须进行解链；半保留复制；需要引物，作为引物的主要是（ ）；复制的方向始终是（ ）；具有固定的（ ）；多为（ ）向复制；半不连续性；具有高度的进行性和高度忠实性。 半保留复制是指（ ）； 半不连续复制是指（ ）。,小结,Mg2+,RNA,5-3,起点,双,复制的时候，亲代DNA的两条母链先解链分离，然后分别作为新链合成的模板。在最终得到的两个子代DNA分子中，一条链是新合成的子链，另一条是原来的母链,复制时一条子链连续合成，与复制叉前进的方向相同，而另一条子链则不连续合成，与复制叉前进的方向相反

17、,DNA是唯一的一种损伤后可被完全修复的分子，这是因为（DNA的互补双螺旋结构提供了修复的模板），而其他生物大分子在受到损伤以后被（ 取代 ）或被（降解）。,小结,DNA的互补双螺旋结构提供了修复的模板,取代,降解,转录是以（DNA）作为模板合成（RNA）的过程，具有以下特征：发生在DNA分子上某些特定的区域；以四种（NTP）为原料，并需要（镁）离子的激活；需要模板，需要解链，但不需要（引物）；转录的方向总是（5-3）。参与转录反应的主要酶是（RNA聚合）酶，它不需要引物，缺乏（核酸外切）酶活性。,小结,DNA,RNA,NTP,镁,引物,5-3,RNA聚合,核酸外切,转录过程分为起始、延伸和终

18、止三个阶段。转录起始阶段最重要的事件是识别（启动子），形成转录（起始复合物）。,小结,启动子,起始复合物,蛋白质的生物合成也称为（翻译），参与翻译的主要成分有（核糖体）、mRNA、各种（氨酰-tRNA）、一种特殊的（起始tRNA）、起始因子、延伸因子和终止因子。 核糖体含有多个功能部位，包括P部位、A部位、E部位、（肽酰转移酶）、mRNA结合部位、多肽链通道、一些可溶性蛋白质因子的结合部位。在蛋白质生物合成中起决定性作用的是（rRNA），其肽酰转移酶活性由rRNA承担。,小结,翻译,核糖体,氨酰-tRNA,起始tRNA,肽酰转移酶,rRNA,mRNA作为翻译的模板，在其分子上至少含有一个ORF。每