1、,Protein Biosynthesis (Translation),蛋白质的生物合成(翻译),第十二章,The biochemistry and molecular biology department of CMU,蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。,第一节 蛋白质合成体系 Protein Biosynthesis System,20种氨基酸作为原料酶及蛋白因子，如IF、eIF等ATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质包括：,三种RNAmRNArRNA
2、tRNA,1961年，Nirenberg 证明了mRNA的模板作用。,一、翻译模板mRNA及遗传密码,细菌矾土颗粒,轻轻研磨,细菌液,离心，去除细胞壁和膜,提取液（DNA、mRNA、tRNA、核糖体、酶、离子）,DNA水解酶，20种氨基酸等,蛋白质,DNase,蛋白质合成量,时间,mRNA是遗传信息的携带者,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）。真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。,mRNA结构简图,
3、mRNA上存在遗传密码,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，称为三联体密码（triplet codon）。,ORF,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条多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。,保温,蛋白质合成停止,poly U，ATP，GTP，氨基酸,多聚苯丙氨酸 （UUU是Phe的密码子）,同样方法证明了CCC是Pro的密码子，AAA是Lys的密码子。,提取液（DNA、mRNA、tRNA、核糖体、酶、离子）,遗传密码的
4、破译,遗传密码表,密码子的第一个字母,密码子的第二个字母,1. 连续性（commaless）,遗传密码的特点,编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间隔也无重叠。,重叠密码,非重叠连续的密码,不连续的密码,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)。,由于对mRNA外显子的加工，造成mRNA与其DNA模板序列之间不匹配，使同一mRNA前体翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑（mRNA editing)。,mRNA编辑,2. 简并性（degeneracy）,遗传密码中，除色氨酸和
5、甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有24个或多至6个密码子为之编码。,遗传密码的简并性,密码子简并性的生物学意义：减少有害突变。遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。 GCU ACUGCC ACCGCA ACAGCG ACG,Ala,Thr,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。 有少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,4. 摆动性（wobble）,tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为摆动性。,
6、摆动配对,二、核蛋白体是多肽链合成的装置,核蛋白体的组成,原核生物核蛋白体结构模式,30S小亚基：有mRNA结合位点50S大亚基： E位：排出位（Exit site）转肽酶活性大小亚基共同组成：A位：氨基酰位 (aminoacyl site)P位：肽酰位(peptidyl site),三、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,tRNA在翻译过程 中起接合体（adaptor） 作用，又是氨基酸的运载体。,氨基酸 + tRNA,氨基酰- tRNA,ATP,AMPPPi,氨基酰-tRNA合成酶,（一）氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,
7、第一步反应,氨基酸ATPE 氨基酰-AMP-EAMP PPi,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMPE,氨基酰-tRNA合成酶对氨基酸和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,氨基酸的活化形式：氨基酰tRNA氨基酸的活化部位：羧基氨基酸与tRNA连接方式：酯键氨基酸活化耗能：2个P,真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet,（二）起始肽链合成的氨基酰-tR
8、NA,fMet-tRNAifMet的生成：,第二节 蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,蛋白质合成中mRNA模板的方向：5 3；蛋白质的合成方向：N端 C端。蛋白质合成过程：起始延长终止,一、肽链合成起始,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 (translational initiation complex)。 参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。,参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。原核生物起始因子有三种： IF-
9、1：占据A位防止结合其他tRNA。 IF-2：促进起始tRNA与小亚基结合。 IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性。,（一）原核生物翻译起始复合物形成,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。,IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,S-D序列： 在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS),S-D序列,IF-
10、3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA与小亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,起始过程消耗1个GTP。,（二）真核生物翻译起始复合物形成,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。,真核生物翻译起始因子,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物翻译起始的特点 核蛋白体是80S； 起始因子种类多； 起始tRNA的Met不需甲酰化； mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关； 起始tRNA先与核蛋白体小亚基
11、结合，然后再结合mRNA,二、肽链的延长,指按照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。,肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环（ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步： 进位（entrance） 成肽（peptide bond formation） 转位（translocation）,肽链合成的延长因子,（一）进位,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EF-T催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,（二）成肽,是由转肽酶（
12、transpeptidase）催化的肽键形成过程。,（三）转位,延长因子EF-G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。,fMet,fMet,真核生物肽链合成的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。 另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,（四）真核生物延长过程,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),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，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,原核肽链合成终止过程,
