蛋白质的生物合成翻译.ppt

第十三章 蛋白质的生物合成 (翻译 ) 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，通 过 遗传密码 破译的方式解读为蛋白质一级结 构中 20种 氨基酸的序列 。 (Protein Biosynthesis， Translation) 第一节 蛋白质生物合成体系 2. 20种编码氨基酸作为原料。 3. 酶及众多蛋白因子，如 IF、 eIF。 4. ATP、 GTP、无机离子。 (一 )合成原料 1. 三种 RNA mRNA(信使 RNA) rRNA(核糖体 RNA) tRNA(转运 RNA) 一、蛋白质生物合成的原料和所需酶类 (Protein Biosynthesis System) (二 )酶及蛋白因子 1氨基酰 -tRNA合成酶 ATP存在下合成氨基酰 -tRNA，具有绝对特异性。 2转肽酶 催化核糖体“ P位”上的肽酰基转移至“ A位”的氨 基酰 -tRNA的氨基上，使酰基与氨基缩合形成肽键。 3转位酶 催化核糖体向 mRNA的 3端移动定位于“ A位”。 4蛋白因子 起始因子 (initiation factor， IF); 延长因子 (elongation factor， EF); 释放因子（ releasing factor， RF）。 5能量物质及离子 能量物质为 ATP和 GTP；无机离子有 Mg2+和 K+等。 二、 mRNA与遗传密码 1.遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为 顺反子 。 2.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) 。 3.真核 mRNA只编码一种蛋白质 ， 为 单顺反子 (single cistron) 。 (一 )顺反子 (cistron) 原核生物的多顺反子 真核生物的单顺反子 非编码序列 核糖体结合位点 起始密码子 终止密码子 编码序列 PPP 5 3 蛋白质 mG - 5 3 蛋白质 PPP (二 ) 遗传密码及其特点 (1)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 coden)。 (2)起始密码 (initiation coden): AUG (3)终止密码 (termination coden): UAA UAG UGA (4)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 开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。 1. 连续性 (commaless) 第一个 核苷酸 第二个核苷酸 第三个 核苷酸 U C A G U 苯丙氨酸 苯丙氨酸 亮 氨 酸 亮 氨 酸 丝 氨 酸 丝 氨 酸 丝 氨 酸 丝 氨 酸 酪 氨 酸 酪 氨 酸 终止密码 终止密码 半胱氨酸 半胱氨酸 终止密码 色 氨 酸 U C A G C 亮 氨 酸 亮 氨 酸 亮 氨 酸 亮 氨 酸 脯 氨 酸 脯 氨 酸 脯 氨 酸 脯 氨 酸 组 氨 酸 组 氨 酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺 精 氨 酸 精 氨 酸 精 氨 酸 精 氨 酸 U C A G A 异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸 苏 氨 酸 苏 氨 酸 苏 氨 酸 苏 氨 酸 天冬酰胺 天冬酰胺 赖 氨 酸 赖 氨 酸 丝 氨 酸 丝 氨 酸 精 氨 酸 精 氨 酸 U C A G G 缬 氨 酸 缬 氨 酸 缬 氨 酸 缬 氨 酸 丙 氨 酸 丙 氨 酸 丙 氨 酸 丙 氨 酸 天冬氨酸 天冬氨酸 谷 氨 酸 谷 氨 酸 甘 氨 酸 甘 氨 酸 甘 氨 酸 甘 氨 酸 U C A G 遗传密码表 氨基酸 密码子数目 氨基酸 密码子数目 Ala 4 Leu 6 Arg 6 Lys 2 Asn 2 Met 1 Asp 2 Phe 2 Cys 2 Pro 4 Gln 2 Ser 6 Glu 2 Thr 4 Gly 4 Trp 1 His 2 Tyr 2 Ile 3 Val 4 2. 简并性 (degeneracy) 遗传密码中，除色氨酸 和蛋氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸均有多 个密码子。 4. 通用性 (universal) 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上的遗传密码反向配对结合 ， 但反密码 与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律 ， 称为摆 动配对 。 (1) 整套密码从原核生物到人类都通用，但动物细 胞的线粒体、植物细胞的叶绿体例外。 (2)密码的通用性证明各种生物进化自同一祖先。 起始密码子位于 mRNA链的 5-端，终止密码子位 于 3-端，翻译时沿 53 方向进行，直到终止密码子为 止，相应多肽链的合成从 N端向 C端延伸。 3.方向性 (direction) 密码子、反密码子配对的摆动现象 tRNA反密码子 第 1位碱基 I U G A C mRNA密码子 第 3位碱基 U, C, A A, G U, C U G A U C U 原核生物 真核生物 核糖体 小亚基 大亚基 核糖体 小亚基 大亚基 S 70S 30S 50S 80S 40S 60S rRNA 16S-rRNA 5S-rRNA 23S- rRNA 18S-rRNA 28S-rRNA 5S-rRNA 5.8S-rRNA 蛋白质 rpS 21种 rpL 36种 rpS 33种 rpL 49种 不同细胞核糖体的组成 核糖体 三、 rRNA与核糖体 (一 ) 核糖体由大、 小两个亚基组成，是 蛋白质合成的场所。 (二 ) 原核生物翻译过程中核糖体结构模式 2. A位：氨基酰 位，又称受位。 1. P位：肽酰位， 又称给位。 3. E位：排出位。 四、 tRNA与氨基酸的活化 (一 )氨基酸的活化 1.氨基酰 -tRNA合成 氨基酸 + tRNA 氨基酰 - tRNA ATP AMP PPi 氨基酰 -tRNA合成酶 2. 氨基酰 -tRNA合成酶 对氨基酸和 tRNA特异性高； 具有校正活性。氨基酰 -tRNA的表示方法： Ala- tRNAAla 、 Ser-tRNASer、 Met-tRNAMet 真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet (二 )起始肽链合成的氨基酰 -tRNA 1.第一步反应 氨基酸 ATP-E 氨基酰 -AMP-E PPi 2. 第二步反应 氨基酰 -AMP-E tRNA 氨基酰 -tRNA AMP E 第二节 蛋白质生物合成过程 翻译过程从阅读框架的 5-AUG开始 ， 按 mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链 ， 直 至终止密码出现 。 起始 (initiation) 延长 (elongation) 终止 (termination ) 翻译过程 (The Process of Protein Biosynthesis ) 一、 原核生物翻译过程 1. 核糖体大小亚基分离； 2. mRNA在小亚基定位结合； 3. 起始氨基酰 -tRNA的结合； 4. 核糖体大亚基结合。 指 mRNA和起始氨基酰 -tRNA分别与核糖体结 合而形成 翻译起始复合物 (translational initiation complex)。 (一 )起始 IF-3 IF-1 1. 核糖体大小亚基分离 A U G 5 3 IF-3 IF-1 2. mRNA在小亚基定位结合 S-D序列 在起始密码子的上游约 8 13个核苷酸 部位有一段富含嘌呤碱基（如 -AGGAGG-） 的特殊保守序列，称为 SD序列，可被核糖体 小亚基 16S rRNA 辨认互补结合。 紧接 SD序列后的小核苷酸序列，可被核 糖体小亚基蛋白 rpS-1识别并结合。 IF-3 IF-1 IF-2 GTP 3. 起始氨基酰 tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基 A U G 5 3 IF-3 IF-1 IF-2 GTP GDP Pi 4. 核糖体大亚基结合，起始复合物形成 A U G 5 3 IF-3 IF-1 A U G 5 3 IF-2 GTP - T GDP Pi 翻译起始阶段总结 原核延长因子 功 能 EF-Tu 促进氨基酰 -tRNA进入 A位，结合分解 GTP EF-Ts 调节亚基 EFG 有转位酶活性，促进 mRNA-肽酰 -tRNA由 A位前移到 P位，促进卸载 tRNA释放 原核肽链合成的延长因子 (二 )延长 肽链延长包括 进位、 成肽 、转位 三步，在核 糖体上连续性循环式进行，又称为 核糖体循环 (ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸。 1.进位 (注册 ,registration) (1) fMet-tRNAfMet占 据 P位， A位空缺。 (2) 第 2个密码子相应 的氨基酰 -tRNA与 EF- Tu-GTP结合，其反密 码子识别密码子，进 入 A位。 (3) EF-Tu水解 GTP， EF-Tu和 GDP从核糖 体释出，重新形成 Tu- Ts二聚体。 Tu Ts GTP GDP A U G 5 3 Tu Ts GTP 2.成肽 是由转肽酶 (transpeptidase)催化的肽键 形成过程。 3.转位 延长因子 EF-G有转位酶活性，可结合并水解 1分 子 GTP，促进核蛋白体向 mRNA的 3侧移动 。 fMet A U G 5 3 fMet Tu GTP 进 位 转 位 成肽 1. 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、核糖体等分离的 过程。 (三 )终止 2. 识别终止密码， RF-1特 异识别 UAA、 UAG；而 RF-2可识别 UAA、 UGA。 3. 诱导改变转肽酶的酯酶 活性为水解活性，使肽链 从核糖体上释放。 U A G 5 3 RF COO- 与原核生物相比 ， 真核生物肽链延长过程有 不同的反应体系和延长因子 。 真核细胞核糖体没 有 E位 ， 转位时卸载的 tRNA直接从 P位脱落 。 (二 ) 延长 (三 ) 终止 与原核生物相比，真核生物翻译终止只有一 种释放因子 eRF，可识别所有终止密码子。 (一 )起始 二、真核生物翻译过程 1. 核糖体大小亚基分离； 2. 起始氨基酰 -tRNA结合 ； 3. mRNA在核糖体小亚基 就位 ； 4. 核糖体大亚基结合。 原核先 就位 ，后 结合 ； 真核 先 结合 ， 后 就位 met 40S 60S Met Met 40S 60S mRNA eIF-2B、 eIF-3、 eIF-6 elF-3 GDP+Pi 各种 elF释放 elF-5 ATP ADP+Pi elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB Met Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP 真核生物翻译起始 复合物形成过程 (二 )使蛋白质合成高速、 高效进行。 电镜下的多聚核糖体现象 三、多聚核糖体 (polysome) (一 )指 多个核糖体附在同 一条 mRNA上合成蛋白质 而形成的串珠状聚合物。 四、 翻译后加工和输送 新生多肽链需要酶和其他蛋白质辅助，经过 折叠、修饰 等 加工才能转变为天然构象的功能蛋 白质。 (一 )多肽链折叠为天然构象的功能蛋白质 (1)热休克蛋白 (HSP): HSP70、 HSP40和 GreE族 (2)伴侣素 (chaperonins): GroEL和 GroES家族 2. 蛋白二硫键异构酶 (PDI) 3. 肽 -脯氨酰顺反异构酶 (PPI) 1. 分子伴侣 鸦片促黑皮质素原 (POMC)的水解修饰 N C 信号肽 PMOC KR KR 103肽 ( ？ ) ACTH -LT -MSH -MSH Endophin (二 )一级结构的修饰 1.肽链 N端的修饰 2.个别氨基酸的修饰 3.多肽链的水解修饰 (三 )高级结构的修饰 (四 )蛋白质合成后的靶向输送 1. 指蛋白质合成后需定向输送到发挥功能的细 胞靶部位的过程。 2.新生分泌蛋白的 N端，可 引导其自身转移到细 胞靶部位的 保守 氨基酸序列，称 信号序列 (signal sequence)或 信号肽 (signal peptide) 。 1亚基的聚合 如血红蛋白通过非共价键将亚 基聚合成寡聚体。 2辅基的连接 如糖蛋白、脂蛋白、各种酶等， 合成后需与辅基连接，才具有活性。 3疏水脂链的共价连接 如 Ras蛋白、 G蛋白等 需嵌入疏水双层膜脂，才具有活性。 五、蛋白质生物合成与医学 (一 )分子病 由于基因突变导致蛋白质一级结构的改变， 进而引起生物体某些结构和功能的异常，这种疾 病称为分子病。分子病最典型的代表为镰刀型红 细胞贫血病。 (二 ) 抗生素对蛋白质合成的影响 1.抗生素类 是微生 物产生的能够杀灭 或抑制细菌的一类 药物。 抗生素 作用点 作用原理 应用 四环素族（金霉素 新霉素、土霉素） 链霉素、卡那霉素、 新霉素 氯霉素、林可霉素 红霉素 梭链孢酸 放线菌酮 嘌呤霉素 原核核蛋白 体小亚基 原核核蛋白 体小亚基 原核核蛋白 体大亚基 原核核蛋白 体大亚基 原核核蛋白 体大亚基 真核核蛋白 体大亚基 真核、原核 核蛋白体 抑制氨基酰 -tRNA与小亚基 结合 改变构象引起读码错误、抑 制起始 抑制转肽酶、阻断延长 抑制转肽酶、妨碍转位 与 EFG-GTP结合，抑制肽 链延长 抑制转肽酶、阻断延长 氨基酰 -tRNA类似物，进位 后引起未成熟肽链脱落 抗菌药 抗菌药 抗菌药 抗菌药 抗菌药 医学研究 抗肿瘤药 抑制蛋白质生物合成的原理 (1)白喉毒素 (diphtheria toxin) N C O N H 2 N + O C H 2O O HO H A D P C O N H 2 白 喉 毒 素 + + 延长因子 -2 （ 有活性 ） O C H 2O O HO H A D P 延长因子 -2 （ 无活性 ） 2.其他干扰蛋白质生物合成的物质 (2)干扰素 (interferon， IFN) 干扰素诱导 eIF2磷酸化而失活 干扰素诱导病毒 RNA降解