1、第十一章 蛋白质的生物合成（翻译） Protein Biosynthesis, Translation,第一节 蛋白质生物合成体系 第二节 蛋白质生物合成过程 第三节 蛋白质合成后加工和输送,第一节 蛋白质生物合成体系,翻译的模板：DNA-原始模板 RNA-直接模板 翻译的场所：核蛋白体（细胞质） 翻译过程分为起始、延长、终止三个阶段。,概 述 翻译（translation）：即蛋白质的生物合成，就是将核酸中由 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。简言之，就是生物体以mRNA为模板合成蛋白质的过程。,翻译（蛋白质的生物合成）所需物
2、质: 以氨基酸为原料 以mRNA为模板 以tRNA为运载工具 以核糖体为合成场所 起始、延长、终止各阶段蛋白因子、 ATP和GTP 、无机离子参与 合成后加工成为有活性蛋白质,一、遗传密码和mRNA 二、t RNA 三、核糖体 四、辅助因子,遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron) 。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。,一、翻译模板mRNA及遗传密码,mRNA是遗传信息的携带者,原核细胞mRNA的结构特点,5
3、,3,先导区,AGGAGGU,SD区,特点 半衰期短 许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在 AUG作为起始密码；AUG上游712个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区， 16S rRNA3- 端反向互补而使mRNA与核糖体结合。,真核细胞mRNA的结构特点,m7G-5ppp-N-3 p,帽子结构功能 使mRNA免遭核酸酶的破坏 使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。,Poly(A)尾巴的功能 是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式 它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性,AAAAAAA-OH,遗传密码: DNA（或mRNA）中的核
4、苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。,密码子 mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个连续的核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为密码子（ codon ）或三联体密码(triplet coden)。,第 三 个 字 母,UCAG,密码子的特点：1 、连续性编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉，如mRNA链上的碱基发生插入或缺失，可造成框移突变。开放读码框： 从mRNA5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，称为开放读码框（open reading
5、 frame,ORF）,2、密码的简并性： 是指一种氨基酸有个或个以上的密码子为之编码的现象。,反密码子与密码子之间的碱基配对,A U C G,反密码子第一位碱基 密码子第三位碱基,G,U C,U,A G,I,U C A,3、密码的摆动性（变偶性）： 密码子与反密码子配对出现不严格遵守常见的碱基配对规律的情况，称为摆动配对,密码子与反密码子的摆动配对,反密码子与密码子的相互作用 前二对 严格碱基配对 第三对 摆动配对,密码,mRNA,5,3,3,5,反密码,tRNA,G,C,U,C,G,I,C,A,tRNA的反密码子与mRNA分子上的密码子摆动配对,1,2,3,1,2,3,人线粒体中变异的密码
6、子,UGA 终止信号 Trp AUA Ile MetAGA Arg 终止信号 AGG Arg 终止信号,密码子 正常情况下编码 线粒体DNA编码,4、密码的通用性和变异性,二.氨基酸的“搬运工具”-tRNA,作用 ,是氨基酸的特异“搬运工具”1A.A-26特异 tRNA 起“接合器”作用和 mRNA摆动配对,种类,起始tRNA- tRNAimet 只能识别翻译起始信号AUG 只能结合于核糖体的肽位普通tRNA- tRNAmet 在翻译延长中发挥作用 只能结合于核糖体的氨基酰位,2、起始tRNA与普通tRNA,原核生物 起始tRNA延长tRNA真核生物起始tRNA 延长tRNA,起始密码只能辨认
7、甲酰甲硫氨酸（fMet) fMet-tRNAifmet 延长识别 Met时为Met-tRNAmet起始密码只能辨认甲硫氨（Met) Met-tRNAimet 延长识别Met时为Met-tRNAemet,三、核糖/蛋白体,原核、真核核蛋白体的组成,第二节 蛋白质生物合成过程,翻译过程分为 活化 起始、 延长 终止和释放 修饰,一、tRNA与氨基酸的活化 （一）氨基酰-tRNA合成酶 tRNA的3末端-CCA-OH是氨基酸的结合位点，tRNA的功能是转运氨基酸。 1.tRNA携带氨基酸的反应如下:（氨基酸的活化） 此反应可分为两步完成： 氨基酸+ATP-E 氨基酰-AMP-E+PPi 氨基酰-AM
8、P-E+tRNA氨基酰-tRNA+AMP+E,氨基酸 + tRNA 氨基酰-tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,ATP AMP+PPi,2.氨基酰-tRNA合成酶的作用特点 a. 对aa、tRNA两种底物有高度特异性; b.有校正活性，当发生错配时，可以水解酯键，再重新与正确的底物结合。 3.氨基酰-tRNA的书写 (1) 氨基酰-tRNA完整的写法是： ala-tRNAala；met-tRNAemet；fmet-tRNAfmet等。 (2) 各种氨基酰-tRNA的生成反应如下： gly + tRNAgly + ATP gly-tRNAgly + AMP + PPi met+tRNAemet+A
9、TP met- tRNAemet +AMP+PPi,（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA 密码子AUG为甲硫氨酸（Met）编码，同时作为起始密码。 与甲硫氨酸结合的tRNA，真核生物中至少有两种：tRNAimet和tRNAemet ；原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，即N-甲酰甲硫氨酸（ fMet ）。,二、肽链合成起始 肽链合成起始阶段，是指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。需要起始因子（IF或eIF）和ATP、GTP参与。,（一）原核翻译起始复合物形成 (图) 1. 蛋白体大、小亚基分离。 2.mRNA在小亚基定位结合； S-D序列：又称
10、核蛋白体结合位点(ribosomal binding site,RBS) 是mRNA起始密码上游的一段富含嘌呤核苷酸的序列，该序列以AGGA为核心。（图1） 3.起始氨基酰-tRNA在小亚基上就位； 4.核蛋白体大亚基结合。,PuPu,（二）真核生物翻译起始复合物形成 1.核蛋白质体大小亚基的分离； 2.起始氨基酰-tRNA结合； 3.mRNA在核蛋白质体小亚基的确定;(图) 4.核蛋白质体大亚基结合。（图）,eIF2是真核肽链合成调节的关键成分。,三、肽链的延长 肽链合成的延长是根据mRNA密码序列的指导,依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链,直到合成终止的过程。由于肽链延长在核蛋白体上连续性
11、循环式进行，又称核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次核蛋白体循环肽链增加一个氨基酸。,需要延长因子、各种酶和GTP参与。 原核生物延长因子：EF-T（EF-Tu、EF-Ts） EF-G 真核生物延长因子：EF-1、EF-2,翻译延长因子,核蛋白体循环分三个步骤： 1.进位(entrance) 2.成肽(peptide bond formation) 3.转位(translocation) 核蛋白体阅读mRNA密码子的方向是53，肽链合成从NC端进行的。,需参与。,成肽反应在位上进行。,肽键的形成,（三）转位 延长因子EF-G有转位酶活性，可结合并水解分子GTP，促进核蛋白体向m
12、RNA的侧移动。,四、肽链合成的终止 当核蛋白体出现mRNA的终止密码后，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，这些过程称为肽链合成终止（termination）。 需要释放因子（RF）的参与。 原核生物RF：RF-1、RF-2、RF-3 真核生物RF：eRF,释放因子的功能： .识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA 、UGA 。 .诱导转肽酶改变为酯酶活性，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。,IF,RF1 RF2 RF3,GTP,GDP+Pi,核糖体,细胞质中的mRNA 与核糖体结合.,细胞
13、质中,单击画面继续,tRNA 上的反密码子与 mRNA上的密码子互补配对 .,细胞质中,单击画面继续,细胞质中,tRNA 将氨基酸转运到 mRNA上的 相应位置 .,单击画面继续,细胞质中,两个氨基酸分子缩合,单击画面继续,亮氨酸,核糖体随着 mRNA滑动. 另一个 tRNA上的碱基与mRNA上的 密码子配对.,细胞质中,单击画面继续,亮氨酸,一个个氨基酸分子缩合成链状结构,细胞质中,单击画面继续,亮氨酸,天冬氨酸,tRNA离开，再去转运新的氨基酸,细胞质中,单击画面继续,以mRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质 .,细胞质中,单击画面继续,肽链合成的起始,30S亚基 mRNA IF3-
14、 IF1复合物,30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物,70S起始复合物,mRNA +30S亚基-IF3,IF-1,70S起始复合物,肽链的延长,进位,肽键形成,移位,进位,(TuTs),肽键形成,3,（EF-G）,肽链合成的终止及释放,（1）释放因子RF1或RF2进入核糖体A位。 （2）多肽链的释放 （3）70S核糖体解离,RF,多核糖体,在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合，向前移
15、动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率,第三节 蛋白质合成后加工和输送 一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 二、一级结构的修饰 三、空间结构的修饰 四、蛋白质合成后的靶向输送,一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质 几种有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 isomerase,PDI) 、肽脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl cis
16、-isomerase,PPI),多肽链的折叠与加工,1.氨基末端和羧基末端的修饰 2.信号序列的切除 3.氨基酸残基的修饰 4.糖侧链的连接 5.辅基的加入 6.蛋白酶的水解 7.二硫键的形成 8.受抗生素及毒素的抑制,分子伴侣：是细胞中一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。 、热休克蛋白（heat shock protein, HSP） HSP70、HSP40和GreE家族 、伴侣素（chaperonins） GroEL和家族GroES,二、一级结构的修饰 （一）肽链N-端的修饰 （二）个别氨基酸的共价修饰 （三）多肽链的水解修饰 三、空间结构的修饰 （
17、一）亚基聚合 （二）辅基连接 （三）疏水脂链的共价修饰,四、蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的目标地点，这一过程称为蛋白质的靶向输送（protein targeting）。 所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列（signal sequence）。,（一）分泌蛋白的靶向输送 1.信号肽：各种新生分泌蛋白的端有保守的氨基酸序列称为信号肽(signal peptide)。（见图） 2.分泌性蛋白进入内质网： （图12-11）,碱性端,第四节 蛋白质生物合成干扰和抑制 一、
18、抗生素（antibiotics) 由微生物产生的具有抑制其它生物生长的物质。 1.四环素（tetracyclin）族 2.氯霉素（chloromycetin） 3.链霉素(streptomycin)和卡那霉素(karamycin) 4.嘌呤霉素（puromycin） 5.放线菌酮（cycloheximide） 各种抗生素影响翻译过程的作用点见图12-14,转位酶,TuTs循环,Ts,Ts-GDP,作业,1名词解释 密码子(codon)，反义密码子(synonymous codon)，反密码子(anticodon)，变偶假说(wobble hypothesis)，移码突变(frameshift mutant)，简并密码(degenerate code)，多核糖体(poly some)，氨酰基部位(aminoacyl site)，肽酰基部位(peptidy site)，肽基转移酶(peptidyl transferase) 2.遗传密码如何编码？有哪些基本特性？ 3简述tRNA在蛋白质的生物合成中是如何起作用的？ 4mRNA遗传密码排列顺序翻译成多肽链的氨基酸排列顺序，保证准确翻译的关键是什么？,
