1、蛋白质的生物合成 （翻译） Protein Biosynthesis, Translation,第 十 二 章,DNARNAProtein 开场动画 DNA Transcription and Protein Assembly.flv,中心法则,蛋白质,RNA,DNA,DNA,DNA,90% 能量用于蛋白合成 15,000个核糖体，100,000相关蛋白因子，200,000个tRNA ，可占一个大肠杆菌细胞干重的 35% 大肠杆菌中，100个氨基酸残基的多肽约5秒即可合成,蛋白质合成在细胞生命活动中的地位,*蛋白质的生物合成，即翻译，就是将核酸中由4种核苷酸序列编码的遗传信息，解读为蛋白质一级
2、结构中20种氨基酸的排列顺序。,目 录,第3节 翻译后加工及输送,第2节 蛋白质生物合成过程,第1节 蛋白质生物合成体系,第4节 蛋白质合成的干扰和抑制,第一节 蛋白质合成体系 Protein Biosynthesis System,参与蛋白质生物合成的物质,蛋白因子（IF、EF、RF、RR） 无机离子、ATP、GTP,Protein,20种-氨基酸原料,模板mRNA,Pr.合成酶系,运载体tRNA,核蛋白体,一、氨基酸,二、mRNA,三、核糖体（rRNA）,四、tRNA,一、氨基酸原料,20种L- -氨基酸,多肽链的形成及其方向性,参与蛋白质合成的三种RNA,mRNA（messenger R
3、NA, 信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA, 转移RNA）,mRNA-蛋白质合成的直接模板，遗传密码的携带者,二、 mRNA 的作用,（二）mRNA结合核糖体序列,（三）携带遗传密码,（一）单顺反子和多顺反子,（一）单顺反子和多顺反子,遗传学上，编码一个多肽的遗传单位称为顺反子,原核生物mRNA为多顺反子,真核生物mRNA为单顺反子,多顺反子,5,3,5,3,单顺反子,（二）mRNA结合核糖体序列,1. S-D序列 (Shine-dalgarno squence; 也叫做核糖体结合序列RBS)：5 AGGAGG 3 或类似序列
4、，位于原核细胞 mRNA 头端，可与核糖体16S rRNA的一段保守序列形成互补。 2. rpS-1识别序列：可与核糖体小亚基蛋白rpS-1结合,rpS-1 ：核糖体小亚基识别蛋白,通过RNA-RNA，以及RNA-蛋白间相互识别结合，从而确保mRNA上的AUG起始密码子能在核糖体小亚基P位点上准确定位。,3. 真核细胞 mRNA 头端有帽子结构真核细胞 mRNA 5端帽子结构，可以与一类帽结合蛋白结合，参与mRNA在核糖体上的定位结合，启动蛋白生物合成。,（三）携带遗传密码,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
5、联体密码(triplet coden)。,起始密码(initiation coden): AUG 终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA,5,3,起始密码 AUG,终止密码 UAA/UAG/UGA,开放阅读框,G,U,A,C,A,U,缬氨酸,组氨酸,1.遗传密码表,2.遗传密码的破译,U,U,U,U,U,U,5,3,U,U,U,U,苯,苯,苯,苯,苯,苯,N,C,苯,苯,苯,苯,U,G,U,G,G,U,5,3,G,U,U,G,半,缬,半,缬,缬,半,N,C,缬,半,半,缬,19611966年，遗传密码的破译工作由三位美国科学家Nirenberg 、Khorana
6、 和 Holley 共同完成，他们共同分享了1968年诺贝尔生理学或医学奖。,3.遗传密码的特点*,（1）方向性,5,3,mRNA的阅读方向5 3,（2）连续性,从起始密码子至终止密码子，mRNA的阅读连续进行，密码子间既无间断也无交叉。,G,G,C,G,A,G,5,3,U,A,A,U,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(frameshift mutation)，或称移码突变。,（3）简并性 -多组密码代表同一氨基酸,（3）简并性,一组简并密码子中，第一、二位碱基多相同，第三位不同。,丙氨酸： GUA、GUC、GUG、GUU,丝氨酸： UCA、 UCC、 UC
7、G UCU、 AGU、 AGC,（4）摇摆配对（摆动性）,U,U,密码子第三位碱基与反密码子第一位碱基不严格遵守碱基配对规则。,密码子、反密码子配对的摆动现象,（5）通用性,蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。,动物线粒体和植物叶绿体中的密码系统与“通用密码”存在差异。,线粒体,叶绿体,线粒体起始密码：AUG、AUA、AUU 终止密码：AGA、AGG 色氨酸：UGA,（二）tRNA 的作用 -a Bilingual Translator,反密码环,氨基酸臂,1.结合携带氨基酸,2.识别密码,氨基酰-tRNA合成酶*,H2O,丙氨酸,CH3-CH-C-,OH,O,NH2,O,H,酯
8、 键,氨基酰-tRNA的合成,反应分两步进行,第一步：生成氨基酰-AMP-酶复合物,氨酰tRNA 合成酶,ATP,AMP,PPi,第二步：生成氨基酰-tRNA,丙,丙,丙氨酰-tRNA,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性，并具有校正活性,氨基酸,tRNA,ATP,氨基酰-tRNA的表示方法,tRNA,Asp,Asp-,天冬氨酰-tRNA,tRNA,Met,Met-,起始： nitiation,i,参与起始的甲硫氨酰-tRNA,延长： longation,e,参与延长的甲硫氨酰-tRNA,起始氨基酰-tRNA（真）,tRNA,fMet,fMet-,tRNA,Met,Met
9、-,起 始,延 长,i,e,起始氨基酰-tRNA（原）,（三）rRNA 构成核糖核蛋白体作为多肽链的装配场所,核糖体由rRNA和蛋白质组成,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式,A位：氨基酰位 受位 (aminoacyl site),P位：肽酰位； 给位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),第二节 蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ),整个翻译过程可分为 ：,1.原核细胞的翻译起始 特殊条件：起始因
10、子(initiation factor,IF)1分子 ATP甲酰甲硫氨酰-tRNA(fmet-tRNAifmet) 形成翻译起始复合物,（一）起始形成翻译起始复合物,IF -3,IF -1,A.核蛋白体大小亚基分离,IF -3,IF -1,B.mRNA在小亚基定位结合,IF -3,IF -1,C. fmet-tRNAifmet结合到小亚基,IF -3,IF -1,IF -2,GTP,Pi,D.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,翻译起始复合物:核糖体-mRNA-起始氨基酰tRNA,回 顾,三种RNA在翻译中的作用 遗传密码的特点 翻译起始复合物的组成，A、P、E位点 翻译起始复合物的形成过程,
11、IF -3,IF -1,IF -2,-GTP,Pi,2.真核细胞翻译的起始 特殊条件： 10 余种起始因子 (eIF, eucaryotic initiation factor) 1 GTP、1 ATP met-tRNAimet 起始复合物的形成,真核生物翻译起始复合物形成过程,原核和真核细胞翻译起始阶段的比较,原核细胞 真核细胞,起始因子 IF 1-3 eIF 1-5 能 耗 1 GTP 1 GTP+1 ATP 起始 AA-tRNA fmet-tRNAifmet met-tRNAimet 起始复合物组 分加入顺序,小亚基 mRNA AA-tRNA 大亚基,小亚基 AA- tRNA mRNA
12、大亚基,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),翻译起始动画 18-Initiation.swf,条件：延长因子； 2 GTP1.延长因子(elongation factor,EF)原核细胞: EF- T, EF-G真核细胞： EF-1, EF-2 2.核糖核蛋白体循环*-肽链的延长进位 成肽 转位,（二）延长核糖核蛋白体循环,肽链合成的延长因子及功能,U,A,C,甲,U,A,C,亮,Tu,GTP,5,促进氨基酰-tRNA进入A位,Tu,Tu,GTP,Ts,Tu,
13、进位 registration,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。,延长因子-T 催化氨基酰-tRNA进位 （原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,成肽,是由转肽酶 (transpeptidase) 催化的肽键形成过程。,Up-to-date Viewpoint:“核糖体是1种核酶, 它催化肽键的形成, 将蛋白质生物合成牢牢地控制在RNA的手中。”,23S rRNA肽基转移酶活性部位的序列,转位,U,A,C,甲,G,A,C,亮,5,EF-G,GTP,EF-G,GTP,转位酶活性，促进核糖体前移,EF-G,延长因子 EF- G
14、 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。,核糖体循环,fMet,fMet,3.真核生物肽链延长,真核生物肽链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。,真核细胞核糖体没有E位，空载tRNA直接从P位脱落。,肽链延长过程动画Protein_Synthesis.mov,（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。,终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF),一是识别终止密码
15、，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA； RF-3不识别终止密码子, 但刺激另外两个因子的活性，协助肽链释放。 二是诱导转肽酶改变为酯酶水解活性，相当于 催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核蛋 白体上释放。,释放因子的功能,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,G,C,A,3,RF-1,RF-3,GTP,新生肽链,1.原核生物肽链合成的终止,在基因中，终止密码子总是紧接在编码最后一个氨基酸的密码子后面。任何一个三联密码发生无义突变时都足以终止其基因的蛋白质合成。 在原核生物的基因中，UAA是最常见的终止密码，其它依次为UGA
16、和UAG，但阅读UGA存在更多的错误。错误阅读终止密码指一个氨酰-tRNA对它产生错误反应，使蛋白质合成继续进行，直到另一个终止密码出现。,真核生物翻译终止与原核相似，但有不同的释放因子。只有一个因子eRF识别3种终止密码。,2.真核生物肽链合成的终止,多聚核糖体,使蛋白质合成高速、高效进行,比较：真核生物与原核生物 蛋白质合成的差异1. 核糖体: 真核生物-80S , 原核生物-70S。 2. 起始氨酰tRNA： 真核-Met-tRNAmet mRNA识别是从5端开始, 无SD序列, 起始因子识别与mRNA 5端帽子有关。 3. 80S起始复合物：9种起始因子-eIF-1, 2, 3, 4A
17、, 4B, 4C, 4D, 4E, 5,4. 蛋白激酶参与真核细胞蛋白质合成的调节蛋白激酶可以催化eIF-2 磷酸化 5. 释放因子: 真核-1种, 识别3种终止密码; 原核-3种。与原核生物不同的是, 真核生物蛋白质生物合成的终止和释放，只需要一种RF，并且它的作用要GTP供能。 6. 翻译与转录: 真核-不偶联; 原核-偶联。 7. 合成速度: 真核: 慢，3个肽键/核糖体/秒原核: 快，10-15个肽键/核糖体/秒 8. 顺反子: 真核-单顺反子; 原核-多顺反子。,多肽链合成之后，还有两个问题： 1.功能蛋白如何到达其应该发挥作用的地方？2.合成的多肽链是否就是成熟有活性的蛋白？,蛋白
18、的翻译后加工,蛋白的 靶向运输,第三节 蛋白质翻译后修饰和靶向输送Posttranslational Processing & Protein Transportation,一、新生肽链的折叠,二、一级结构的修饰,三、空间结构的修饰,四、蛋白质的靶向输送,一、新生肽链的折叠,甲,苏,甘,丙,色,甘,脯,甲,异,亮,色,甘,赖,甲,苏,天,脯,异,色,脯,赖,H2N,蛋白质折叠为正确的空间构象的信息蕴藏于自身的氨基酸序列之中，但折叠过程需要其它蛋白质因子协助。,协助蛋白质折叠的三类因子,（一）分子伴侣,（二）蛋白质二硫键异构酶,（三）肽-脯氨酰顺反异构酶,（一）分子伴侣,最常见的为：热休克蛋白
19、(heat shock protein, Hsp) 和伴侣蛋白 (chaperonin)，识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。,并不会加快折叠反应速度，而是提高折叠的正确率。,1. 热休克蛋白(heat shock protein, HSP又称应激蛋白) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侣素(chaperonins),原核生物的分子伴侣复合体为GroES-GroEL家族； 真核生物的分子伴侣复合体为TR1C(TCP1 ring complex)，或CCT(cytosolic chaperonin containing TCP1)。,三种不同类型的蛋白折叠,分子
20、伴侣为肽链折叠提供微环境,分子伴侣,HSP70,HSP40,伴侣素 GroEL/GroES 系统促进蛋白质折叠过程,伴侣素的主要作用 为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。,分子伴侣作用动画Chaperone-Mediated_Folding.mov,（二）蛋白质二硫键异构酶,协助蛋白质形成正确的二硫键,（三）肽-脯氨酰顺反异构酶,脯氨酸形成的肽键有顺反异构体，天然蛋白质中绝大部分为反式构型，肽-脯氨酰顺反异构酶可使两种异构体发生转换。,二、一级结构的修饰,（一）N端Met或fMet的切除,（二）特定氨基酸的共价修饰,（三）二硫键的形成,（四）多蛋白的加工,（五）前体中部分肽
21、段的切除,（一）N端Met或fMet的切除,H2N,fMet,Val,Asp,Pro,Ser,H2N,原核生物肽链,H2N,Met,Try,His,Glu,Tyr,H2N,真核生物肽链,（二）特定氨基酸的共价修饰,磷酸化,甲基化,乙酰化,羟基化,羧基化,关键酶 共价修饰,胶原蛋白,凝血因子,胶原蛋白含大量的羟脯氨酸和羟赖氨酸,胶原蛋白,凝血因子、和含-羧基谷氨酸，为血凝过程所必需。,（三）二硫键的形成,（四）多蛋白的加工,一个多肽链经切割产生若干个活性多肽。,鸦片促黑皮质素原,促黑激素,内啡肽,脑啡肽,脂酸释放激素,265AA,（五）前体中部分肽段的切除,有些蛋白质在成熟的过程中须切去一些多余
22、的片断。,从前胰岛素原到成熟胰岛素,切除信号肽后折叠成稳定构象的胰岛素原,切除C肽后，形成成熟的胰岛素分子,三、空间结构的修饰,（一）亚基聚合,（二）辅基连接,（三）脂酰化,（一）亚基聚合,血红蛋白,（二）辅基连接,辅基,（三）脂酰化,蛋白质与长链脂酸共价连接，膜结合蛋白常是脂酰化的蛋白质。,胞内蛋白质的降解,体内的蛋白质处于不断合成和降解的动态平衡中。各种蛋白质分子半衰期不同，肝中蛋白质0.5h8天，人血浆蛋白质10天。 真核细胞蛋白质的降解有两条途径： 溶酶体降解过程；依赖泛素的降解过程。 多种关键酶半衰期很短，从而可通过控制关键酶的降解速度，达到调节代谢过程的目的。,如基因表达、细胞增殖
23、、诱发癌瘤（促进抑癌蛋白P53降解）等。,体内蛋白质降解参与多种生理、病理调节作用。泛素控制的蛋白质降解，对于细胞周期、DNA复制、染色体结构、基因表达调控等生理过程都有重要调控作用。,四、蛋白的靶向输送,蛋白质在胞液合成后要进行靶向输送，或留在胞液，或进入细胞器，或分泌到体液。,所有靶向输送的蛋白质一级结构中均存在信号序列，主要是N端特定的氨基酸序列，引导蛋白质转移到适当的靶部位。,1.信号序列,靶向输送蛋白的信号序列或成分,信号肽的一级结构（疏水核心）,mRNA,SRP,( 信号肽识别颗粒),2.信号肽引导真核分泌蛋白,分泌蛋白质的合成和胞吐作用,内质网,高尔基体,泡,泡,泡融入质膜,蛋白
24、释放至胞外,核糖体,芽泡,动画示分泌性蛋白的合成和定位Synthesis_Secreted_Proteins.mov,动画示分泌蛋白质的合成和胞吐作用Protein_Secretion.mov,3.线粒体蛋白的靶向输送,动画示线粒体基质蛋白跨双层膜输送过程a191,4.细胞核蛋白的靶向输送,第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制 Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,影响蛋白质合成的因素: 1.抗生素的影响 2.毒素的影响 3.干扰素的影响,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。,1.抗生素(antibiotics) 是微
25、生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。 对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用p318,嘌呤霉素作用示意图,嘌呤霉素的结构类似于Tyr-tRNA，故能与后者相竞争进入A位。新生成的肽酰-嘌呤霉素容易从核糖体上脱落，从而终止翻译。,四环素族,2.毒素类,抑制蛋白质翻译的毒素有细菌毒素和植物毒素，细菌毒素包括白喉毒素、绿脓毒素和志贺氏毒素等；植物毒素有红豆碱和蓖麻蛋白等。,白喉毒素,白喉毒素是白喉杆菌产生的毒蛋白，对人体及其它哺乳动物的毒性极强。通过抑制真核细胞的肽链延伸因子eEF-2，阻断蛋白合成，导致细胞死亡。,白喉杆菌,呼吸道
26、感染,白喉毒素致病机制,抑制真核生物延长因子eEF-2，该因子的功能是促进核糖体移位。,亮,A,A,A,苯,U,G,G,C,G,C,C,G,G,丙,eEF-2,GTP,干扰素(interferon, IFN)是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。,3.干扰素的作用阻止病毒蛋白合成,第一次病毒入侵-产生干扰素和抗病毒蛋白RNA 病毒入侵 宿主细胞产生 dsRNA 染色体干扰素基因开放合成干扰素 作用于细胞膜（所有细胞）受体 产生抗病毒蛋白（无活性的 eIF-2 激酶和 2，5 寡聚腺苷酸合成酶）第二次病毒入侵病毒蛋白合成受阻,干扰素的作用机理1,干扰素的作用机
27、理2,本章要求,掌握 1.蛋白质合成系统：RNA, Aa, 酶, 蛋白质因子, ATP 2.氨基酸的活化：Aa氨基酰-tRNA 3.三类RNA在蛋白质合成中的作用 4.蛋白质的合成过程:起始：起始复合物的生成延长：进位-成肽-转位终止：终止因子的作用 5.核蛋白体循环，翻译的基本概念 6.分子伴侣概念,本章要求,熟悉及了解 1.蛋白质合成过程中的能量消耗 2.真核生物与原核生物蛋白质合成的异同点 3.蛋白质合成后的加工修饰主要方式 4.靶向运输，信号序列 5.蛋白质生物合成的干扰和抑制,原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别,Clinical Correlation 12.1, -地中海贫血
28、-globin基因共有四个（定位于16号染色体）， -地中海贫血可由于该基因的缺失导致，可缺失1、2、3、4个；严重程度随缺失数目增加而增加。也可由表达异常链导致。,终止子突变生成异常长度-肽链,血红蛋白 表现型,-Codon 142,ConstantSpring,正常,UAA,141,Gln,Amino Acid 142,-Globin 肽链长度,CAA,172,Icaria,AAA,Lys,172,Koya Dora,UCA,Ser,172,Clinical Correlation 12.2,0-地中海贫血-globin的17位A突变为U，导致原来的AAG（编码Lys）变成UAG终止子，从
29、而没有正常链合成。,AAG,U,17,mRNA加工缺陷导致的人类疾病,+-地中海贫血症 转录初级产物发生了剪接识别信号序列的突变（GA），剪接体无法准确识别和切去内含子，导致无法加工形成正常-珠蛋白mRNA，病人合成的正常-珠蛋白链减少。,5GU AG3,内含子,A,12.3 HIV病毒翻译中的有意框移,gag-pol mRNA,200nt overlapping,AUG,UAG,gag polyprotein,gag-pol fusion polyprotein,12.4 抗生素滥用问题,滥用抗生素的危害抗生素副作用细菌耐药性的发展 我国抗生素滥用的现状 我们可以做些什么,临床应用正常剂量氨基糖甙类抗生素（如链霉素、巴龙霉素），对少数病人可致永久性耳聋。现发现这种对氨基糖甙类抗生素的异常敏感为母系遗传（maternally transmitted）。病人致聋的分子基础是线粒体12SrRNA基因上的1555位A突变为G。12SrRNA参与线粒体核糖体30S小亚基形成，该突变抑制了线粒体蛋白质的合成，氧化磷酸化过程受阻而影响ATP的合成，使听毛细胞里依靠ATP提供能量的一系列生理过程无法进行，最终导致听毛细胞的逐渐坏死。,12.5 氨基糖甙类抗生素诱导的 遗传性耳聋,
