1、第十二章 蛋白质的生物合成 （翻译）,Chapter 12 Protein Biosynthesis，Translation,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）。,第一节 蛋白质生物合成体系,Section 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（riboso
2、mal RNA, 核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA）,一、mRNA模板及遗传密码,mRNA是翻译的直接模板。,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）。,多顺反子与单顺反子,mRNA上的遗传密码,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
3、中：,起始密码（initiation codon）: AUG 终止密码（termination codon）:UAA，UAG，UGA,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； 摆动性。,1. 连续性（commaless）：,遗传密码的特点,指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。,遗传密码的连续性,基因损伤引起mRNA开
4、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）：,遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。 同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性。 遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。,遗传密码的简并性,3. 通用性（universal）：,蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体等。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,4. 方向性（direction）：,指阅
5、读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿53方向进行。,5. 摆动性（wobble）：,转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反平行配对结合，但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称为摆动配对。,密码子与反密码子的摆动配对,U,摆动配对现象示意图,核蛋白体是多肽链合成的场所，是由多种rRNA与蛋白质组装形成的复合体。,二、rRNA和核蛋白体,核蛋白体的组成,大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。,1三个与tRNA结合的位点： A位：又称受位或
6、氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。 P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。 E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。,核蛋白体大、小亚基的功能,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),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：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键；由大亚基成分构成。,4. GTPase
7、活性：水解GTP，获得能量；分别由大、小亚基成分构成。 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。,在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。 由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多聚核蛋白体（polysome）。,多聚核蛋白体示意图,电镜下的多聚核蛋白体,氨基酸臂,反密码环,三、tRNA与氨基酸的活化,tRNA的三级结构示意图,氨基酸的活化与携带反应由氨基酰tRNA合成酶催化。 特定的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA
8、，从而由tRNA携带活化的氨基酸参与蛋白质的生物合成。,（一）氨基酰-tRNA合成酶,tRNA与酶结合的模型,氨基酰tRNA合成酶催化的反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi,第一步：活化反应,第二步：连接反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMPE,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性（proof-reading activity）。 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
9、，称为起始tRNA。 在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即fMet-tRNAifmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即Met-tRNAimet。 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码AUG。,（二）起始tRNA,与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因子（initiation factor，IF）。,四、起始因子（IF）,原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起始因子（eIF）。 IF的作用主要是促进核蛋白体小亚基与起始tRNA及模板mRNA结合。,原核和真核生物中
10、各种起始因子的生物功能,与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子（elongation factor，EF）。,五、延长因子（EF）,EF-Tu bound with ribosome,原核生物中存在3种延长因子（EF-TU，EF-TS，EF-G），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。 EF的作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。,多肽链合成的延长因子,与多肽链合成终止并使之从核蛋白体上释放相关的蛋白因子称为释放因子（release factor，RF）。,六、释放因子（RF）,Eukaryotic release factor,RF在原核生物中有3种，在真核
11、生物中只有1种。,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,RF的生物学功能主要有： 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。,多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。 氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。,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 Bi
12、osynthesis,蛋白质生物合成过程包括三大步骤： 氨基酸的活化与搬运； 活化氨基酸在核蛋白体上的缩合； 多肽链合成后的加工修饰。 本节主要介绍活化氨基酸在核蛋白体上的缩合过程，这一过程包括多肽链合成的起始、延长和终止三个阶段。,包括以下几个步骤：,核蛋白体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。,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. 核蛋白体大、小亚基分离：,IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核蛋白体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。,2. mRNA在小亚基的精确定位结合：,S-D序
13、列,原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为S-D序列（核蛋白体结合位点，RBS）。 而原核16S rRNA存在一段富含嘧啶的序列，二者之间可通过碱基配对，使mRNA与核蛋白体小亚基结合。,在mRNA上紧接S-D序列之后的序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1辨认结合。 通过上述两种机制，使mRNA能与核蛋白体小亚基精确定位结合。,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基,起始 fMet-tRNAimet以及IF2-GTP一起，识别结合小亚基P位，并对应模板mRNA的起始密码AUG。,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,-GDP,Pi,4
14、. 核蛋白体大亚基结合，起始复合体形成：,IF2结合的GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAifMet构成起始复合体。,（二）真核生物翻译起始复合体形成,真核生物翻译起始复合体的形成过程与原核生物类似，但参与的蛋白因子更多。 核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA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体形成过程,多肽链合成的延长阶段由一循环反应过程来完成，即核蛋白体循环；每次循环增加一个氨基酸残基。,二、多肽链合成的延长阶段,活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的
15、循环反应过程，称为核蛋白体循环（ribosomal cycle）。 核蛋白体循环包括多肽链合成的进位、成肽和转位三步反应。,1. 进位（entrance）：,又称注册（registra-tion），即与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的A位。 此步骤需GTP，Mg2+，和EF-T参与。,2. 成肽（peptide bond formation）：,成肽是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。 在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到A位上的氨基酰tRNA上，与其-氨基缩合形成肽键。 此步骤需Mg2+，K+。,成肽反应过程,
16、3. 转位（translocation）：,延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可促进核蛋白体向mRNA的3侧移动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从A位移到P位。 此步骤需GTP和Mg2+参与。,转位反应过程,此时，核蛋白体的A位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。 已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白体E位上脱落。,核蛋白体循环的反应过程,核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入A位。 1识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的A位。 2水解：RF使转肽酶变为酯酶，多肽链与tRNA之间的酯
17、键被水解，多肽链释放。 3. 脱离：模板mRNA、RF以及空载tRNA与核蛋白体脱离。,三、肽链合成的终止阶段,多肽链合成的终止过程,多肽链合成终止演示,RF,第三节 蛋白质合成后加工和输送,Section 3 Posttranslational Processing & Transportation of Protein,从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。 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。,新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠
18、即开始。可随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整的空间构象。 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。 细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。,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-trans isomerase, PPI）。,1. 分子伴侣：,分子伴侣是细胞内
19、一类保守蛋白质，可识别多肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。包括： 热休克蛋白（heat shock protein, HSP）： HSP70、HSP40和GreE族 伴侣素（chaperonins）： GroEL和GroES家族,2. 蛋白二硫键异构酶：,多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。 二硫键异构酶在内质网腔中活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。,3. 肽酰-脯氨酰顺反异构酶：,多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体
20、，空间构象明显差别。 肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。 肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。,N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸残基，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。,二、一级结构的加工修饰, 去甲酰化：, 去蛋氨酰基：,（一）N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除,由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。,（二）氨基酸的共价修饰,由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。,（三）多肽链的水解修饰,鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,三、空间结构的修饰,（一）亚基的聚合,具
21、有四级结构的蛋白质由两条以上的多肽链通过非共价键聚合形成寡聚体。,（二）辅基的连接,结合蛋白合成后需要结合相应的辅基才能成为具有天然活性的蛋白质。,某些蛋白质需要在肽链的特定位点区价连接一个疏水性的脂链，并借此嵌入膜脂双层。,（三）疏水脂链的共价连接,蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送（protein targeting）。 大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。,四、蛋白质合成后的靶向输送,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N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 sequen
22、ce）。,（一）分泌型蛋白的靶向输送,真核细胞分泌型蛋白前体合成后的靶向输送过程首先要进入内质网。 各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列，引导分泌蛋白进入内质网，称为信号肽（signal peptide）。,1. 信号肽：,常见的信号肽由1040个氨基酸残基组成，可分为三段。N端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水的核心区，而C端由小分子氨基酸残基组成。接着是信号肽酶的裂解位点。 在蛋白质被分泌后，信号肽序列可被信号肽酶识别并裂解。,常见分泌型蛋白质的信号肽序列,2. 分泌型蛋白进入内质网的过程：,分泌型蛋白的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别颗粒（SRP）识别并特异结合，然后再通过
23、SRP与膜上的对接蛋白（DP）或SRP受体识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。,信号肽引导分泌型蛋白进入内质网,（二）线粒体蛋白的靶向输送,（三）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,Section 4 Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,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,如白喉毒素(diphtheria toxin)，可使真核生物延长因子eEF-2发生ADP糖基化失活，阻断肽链合成的延长过程。,（一）毒素（toxin）,（二）干扰素,干扰素能诱导特异的蛋白激酶，使真核生物起始因子eIF2磷酸化失活，抑制病毒蛋白质合成。,
