生化14蛋白质的生物合成(翻译)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,目 录,蛋白质的生物合成（翻译,）,Protein Biosynthesis,，,Translation,第 十 四,章,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,氨基酸的排列顺序,。,蛋白质生物合成体系,Protein Biosynthesis System,第 一 节,参与蛋白质生物合成的物质包括,三种,RNA,mRNA,（,messenger RNA,信使,RNA,）,rRNA,（,ribosomal RNA,核蛋白体,RNA,）,tRNA,（,transfer RNA,转移,RNA,）,合成原料,20,种氨基酸,(AA),参与的蛋白质因子、酶及酶的辅助因子,起始因子,、,延长因子,、,释放因子,、转肽酶、氨基酰,-,tRNA,合成酶,能源,ATP,主要参与氨基酸的活化,GTP,提供翻译起始、延长、终止阶段,所需能量,一、,mRNA,是蛋白质合成的模板,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,),。,真核细胞,mRNA,只编码一种蛋白质，为,单顺反子,(single,cistron,),。,原核生物的多顺反子,PPP,5,3,蛋白质,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,m,G,-,5,3,蛋白质,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 code),。,起始密码,(initiation,codon,): AUG,终止密码,(termination,codon,):,UAA,，,UAG,，,UGA,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，每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),。,遗传密码的特点,1.,方向性,mRNA,分子中遗传密码阅读方向是从,5,3,2.,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,。,基因转录后存在一种对,mRNA,外显子加工过程，通过特定碱基的插入、缺失或置换，导致,mRNA,的移码、错义突变或提前终止，使得同一,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),。,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),。,3.,简并性,遗传密码中，除,Met,、,Trp,外，其余氨基酸均由,2,个以上,密码子为其编码。,同义密码子,但每一个密码子仅对应一个氨基酸,。,不同物种对密码子有“偏爱性”。,4.,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。,已发现少数例外，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。,5.,摆动性,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。,U,U,摆动配对,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,二、,核糖体是多肽链合成的装置,12/56,组成、结构与功能特点：,结构复杂而精密,由数种,rRNA,（占,60%,左右）及多种,蛋白质,组成。,rRNA,起着,主导,的作用，,蛋白质,协助维,持,rRNA,的功能区域。,12/56,核糖体的组成,原核生物翻译过程中核糖体结构模式,A,位：氨基酰位,(aminoacyl site),P,位：肽酰位,(peptidyl site),E,位：排出位,(exit site),三、,tRNA,是蛋白质合成的搬运工具,反,密码环,氨基酸臂,tRNA,的三级结构,15/56,如：,密码子,GGU,-,携带反密码子,ACC,的,tRNA-,-,Gly,tRNA,的功能,活化氨基酸,搬运氨基酸,在,密码子,与对应,氨基酸,之间起适配器,(,adaptor,),的作用,。,密码子,tRNA,反密码子,氨基酸是对号入座,。,氨基酸,+ tRNA,氨基酰,- tRNA,ATP,AMP,PPi,氨基酰,-tRNA,合成酶,(aminoacyl-tRNA,synthetase,),（一）氨基酸的活化与氨基酰,-,tRNA,合成酶,第一步反应：,酶找相应的氨基酸,氨基酸 ,ATP-E,氨基酰,-AMP-E,AMP,PPi,第二步反应：,酶找相应的,tRNA,氨基酰,-AMP-E,tRNA,氨基酰,-tRNA,AMP,E,氨基酰,tRNA,合成酶,有,20,种，分别特,异性识别相应的,20,种,氨基酸,和相应的,tRNA,。,氨基酰,tRNA,合成酶,的活性是绝对专,一性的，酶同时对氨基酸和,tRNA,高,度特异地识别。,tRNA,与酶结合的模型,tRNA,氨基酰,-,tRNA,合成酶,ATP,氨基酰,-,tRNA,合成酶具有校正活性,(proofreading activity),。,氨基酰,-,tRNA,的表示方法,：,Ala-,tRNA,Ala,Ser-,tRNA,Ser,Met-,tRNA,Met,真核生物,：,Met-,tRNA,i,Met,原核生物,：,fMet-tRNA,i,f,Met,（二）氨基酰,-,tRNA,的表示方法,CH,3,S,CH,2,CH,2,CH,H,2,N,COO,tRNA,fMet,转甲酰基酶,N,10,-CHO-,FH4,CH,3,S,CH,2,CH,2,CH,H,-,C,-,HN,COO,tRNA,fMet,O,20/56,大肠杆菌,起始密码子编码的,met,须甲,酰化,真核,细胞,起始密码子编码的,met,不须,甲,酰化,蛋白质生物合成过程,The Process of Protein Biosynthesis,第 二 节,整个翻译过程可分为,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，多肽链的合成是从,N,端向,C,端,，直至,终止密码,出现。,翻译的起始,(initiation),翻译的延长,(elongation),翻译的终止,(termination ),一、翻译的起始,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),。,参与这一过程的多种蛋白质因子，称为起始因子,(initiation factor, IF),。,核糖体大小亚基分离,mRNA,在小亚基上定位结合,起始氨基酰,-tRNA,的结合,70S,起始复合物形成,（一）原核生物的翻译起始过程,IF-3,IF-1,1.,核蛋白体大小亚基分离,A,U,G,5,3,IF-3,IF-1,2. mRNA,在小亚基定位结合,S-D,序列,(,Shine-,Dalgarno, RBS),rps,(,ribosomal,p,rotein in,s,mall subunit),IF-3,IF-1,IF-2,GTP,3.,起始氨基酰,tRNA(,fMet-tRNA,i,met,),结合到小亚基,A,U,G,5,3,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4.,核蛋白体大亚基结合，,70S,起始复合物形成,A,U,G,5,3,原核生物各种起始因子,(IF),的生物功能,IF-3,结合,30S,小亚基，促进大小亚基分离,；,提高,P,位对结合起始,tRNA,敏感性,IF-2,促进起始,tRNA,与,30S,小亚基结合,IF-1,占据,A,位防止结合其他,tRNA,；,阻止大,小亚基的结合,生物功能,起始因子,（二）真核生物的翻译起始过程,核糖体大小亚基分离,起始氨基酰,-tRNA,结合,；,mRNA,与核糖体小亚基结合,小亚基沿,mRNA,扫描查找起始点,80S,起始复合物形成,met,40S,60S,Me,t,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-tRNA,i,Met,-elF-2,-,GTP,真核生物翻译起始复合物形成过程,mRNA,在原,核生物核糖体小亚基定位涉及：,(1) S-D,序列,(,Shine-,Dalgarno, RBS),(2),rps,识别序列,mRNA,在真,核生物核糖体小亚基定位涉及：,(1),GCC,(A/G),CC,AUG,G,(2),多种蛋白质因子,如帽子结合复合物,eIF-4F,eIF-2,：单体,GTP,结合蛋白,促进起始,Met-,tRNA,i,Met,与,40S,小亚基结合,eIF-2B,：鸟苷酸交换因子,(GEF),将,eIF-2,上的,GDP,交换成,GTP,eIF-3,：最先与,40S,小亚基结合,促进大小亚基,分离,eIF-5,：水解,GTP,促进各种起始因子从核糖,体释放,进而结合大亚基,eIF,-6,：促进核糖体分离成大小亚基,真核生物各种起始因子的生物功能,eIF-4A,：,eIF-4F,复合物成分,有解旋酶活性,有利用,mRNA,扫描,eIF-4B,：结合,mRNA,促进,mRNA,扫描定位,起始,AUG,eIF-4E,：,eIF-4F,复合物成分,结合,mRNA,的,5,端帽子结构,eIF-4G,：,eIF-4F,复合物成分,连接,eIF-4E,、,eIF-3,和,PABP,等组分,PAB,：,PolyA,结合蛋白结合,3,端,polyA,尾,真核生物与原核生物翻译起始的不同点,1.,起始,Met-,tRNA,i,Met,不需甲酰化,2.,eIF,种类多,3.,小亚基先与,Met-,tRNA,i,Met,结合,再与,mRNA,结合,5. ATP,和,GTP,供能,4. mRNA,与,40s,亚基的结合依靠,帽子结合,蛋白,(CBP),与,mRNA,帽子结构的识别结合,二、肽链延长,指根据,mRNA,密码序列的指导，次序添加氨基酸,从,N,端向,C,端,延伸肽链，直到合成终止的过程。,每次循环包括以下三步：,：,进位,(entrance),成肽,(peptide bond formation),转位,(translocation),肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，称为,核糖体循环,(ribosomal cycle),，,每次循环增加一个氨基酸。,延伸过程所需蛋白因子称为,延长因子,(elongation factor, EF),原核生物：,EF-T (EF-,Tu, EF-Ts),EF-G,真核生物：,eEF-1,、,eEF-2,又称注册,(registration),（一）进位,指根据,mRNA,下一组遗传密码指导，使相应氨基酰,-tRNA,进入核糖体,A,位。,延长因子,EF-T,催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,A,U,G,5,3,Tu,Ts,GTP,目 录,（二）成肽,指在,肽基转移酶,的作用下，将,P,位点的,肽酰基,转移到,A,位点,的,氨基酰,-,tRNA,上，在,A,位形成,肽键,，使肽链延长。,（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,，,促进核糖体向,mRNA,的,3,侧移动。,fMet,A,U,G,5,3,fMet,Tu,GTP,进位,转位,成肽,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，真核细胞核糖体没有,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,原核延长因子,生物功能,对应真核延长因子,EF-,Tu,促进氨基酰,-tRNA,进入,A,位，结合分解,GTP,EF-1-,EF-Ts,调节亚基,EF-1-,EF-G,有转位酶活性，促进肽酰,-tRNA,由,A,位前移到,P,位，促进卸载,tRNA,释放,EF-2,肽链合成的延长因子,三、翻译的终止,当核糖体,A,位出现,mRNA,的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰,-tRNA,中释出，,mRNA,、核糖体大、小亚基等分离，这些过程称为,肽链合成终止,。,34/56,RF-3,：,促进,RF-1,或,RF-2,与核糖体结合，诱导,肽基转移酶变为酯酶活性，催化肽酰,基转移到水分子,-OH,上，使肽链从核,糖体上释放，并水解,GTP,。,真核生物的,释放因子,：,eRF-1,和,eRF-3,；,eRF-1,可识别三种密码子,并需,GTP,供能。,RF-1,：,UAA,，,UAG,RF-2,：,UAA，UGA,终止相关的蛋白质因子称为,释放因子,（,release factor,，,RF,）,U,A,G,5,3,RF,COO,-,原核肽链合成终止过程,39/56,多聚核糖体,(,polysome,),使蛋白质合成高速、高效进行,39/56,蛋白质合成能量消耗情况,1.,氨基酸活化：,2,个,ATP,2.,翻译起始：原核生物,1,个,GTP,真核生物,1,个,GTP,，,1,个,ATP,3.,翻译延长：每形成一个肽键需,2,个,GTP,4.,翻译终止：,1,个,GTP,ATP,总消耗数：,2n+2(n-1)+2(,真核,3),n,为多肽链氨基酸残基的数目,第 三 节,翻译后加工及蛋白质输送,Posttranslational Processing & Protein Transportation,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,从核糖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。,一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质,新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新,生肽链,N,端在核糖体上一出现，肽链的折叠即,开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模体、结构域到形成完整空间结构。,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，即一级结构是空间结构的基础。,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、蛋白质辅助。,几种有促进蛋白折叠功能的大分子,1.,分子伴侣,(molecular chaperon),2.,蛋白二硫键异构酶,(protein disulfide,isomerase, PDI),3.,肽,-,脯氨酰顺反异构酶,(peptide,prolyl,cis,-trans,isomerase, PPI),(1),热激蛋白,70,(heat shock protein, HSP70),家族,HSP70,、,HSP40,和,GrpE,成员,(2),热激蛋白,60,(HSP60),家族,/,伴侣素,HSP60,和,HSP10/GroEL,和,GroES,分子伴侣,(molecular chaperon),分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，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。包括两大家族：,结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠，形成,HSP70,和多肽片段依次结合、解离的循环。,HSP40,结合待折叠多肽片段,HSP70-ATP,复合物,HSP40-HSP70-ADP-,多肽复合物,ATP,水解,GrpE,ATP,ADP,复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠,HSP70,家族促进蛋白质折叠的基本作用,伴侣素,GroEL/GroES,系统促进蛋白质折叠过程,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,HSP60,家族的主要作用,原核生物,（一） 去除,N,末端甲硫氨酸残基,脱甲,酰基酶,Met,-,fMet,-,氨基肽酶,真核细胞,二、一级结构的修饰,（二）个别氨基酸的修饰,磷酸化：,丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸,羟基化：,脯氨酸，赖氨酸,酰基化：,组氨酸,甲基化：,色氨酸,核糖基化：,精氨酸,意义：,调节蛋白质结构与功能。,两个,Cys,的,-SH,脱,H,氧化而成,（三）二,硫键的,形成,-SH HS-,-S-S-,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,（四）多蛋白的加工,（五）蛋白质前体中不必要肽段的切除,无活性的酶原转变为有活性的酶，常需要,去掉一部分肽链，如胰蛋白酶原酶解生成,胰蛋白酶，分泌型蛋白质“信号肽”的切除。,某些新生蛋白质含有部分间隔顺序等待,剪切，其意义类似于,hnRNA,中的内含子，,此片段称为,内蛋白子,(,intein,),。,三、高级结构的修饰,（一）亚基聚合,蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素等结合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、血红蛋白等结合蛋白质。,具有四级结构的蛋白质需进行亚基之间,的聚合。如血红蛋白,4,个亚基的聚合。,（二）辅基连接,（三）脂肪酰化,蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为,蛋白质的靶向输送,(protein targeting),。,四、蛋白质合成后的靶向输送,分泌性蛋白前体,N,端有,信号肽,（,signal peptide,）,信号肽,富含,疏,水氨基酸,，其作用是使新合成的多肽链,易于穿过膜系统，,随后被,信号肽酶切除。,46/56,蛋白质合成后的去路：,后,两者称为,分泌性蛋白,胞浆；,进入细胞核、线粒体或其它细胞器；,分泌到体液，再输送到靶器官和靶细胞。,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 。,信号序列,(signal sequence),G.Blobel,70,年代提出了,“信号假说”,1999,年获诺贝尔生理医学奖,（一）分泌蛋白的靶向输送,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,信号肽,(signal peptide),各种新生分泌蛋白的,N,端有保守的氨基酸序列称信号肽。,需要多种蛋白成分协同作用,:,（,1,）信号肽识别颗粒（,SRP,）,（,2,）,SRP,受体,（,3,）核糖体受体,（,4,）肽转位复合物,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,（二）线粒体蛋白的跨膜转运,（三）核定位蛋白的转运机制,蛋白质生物合成的干扰和抑制,I,nterference,& Inhibition of Protein Biosynthesis,第 四节,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。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。,可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。,抗生素,(antibiotics),是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。,某些毒素,也作用于基因信息传递过程。,四环素族,氯霉素,链霉素和卡那霉素,嘌呤霉素,红霉素,放线菌酮,嘌呤霉素作用示意图,二、其他干扰蛋白质生物合成的物质,毒素,(toxin),细菌毒素和植物毒素,干扰素,(interferon),1.,白喉毒素,(diphtheria toxin),的作用机理,白喉毒素,+,+,延长因子,-2,（,有活性,）,延长因子,-2,（,无活性,）,2.,植物毒素,某些植物毒蛋白也是肽链合成的阻断剂。,比如，南方红豆所含的红豆碱与蓖麻籽所含的蓖麻蛋白都可与真核生物核糖体,60S,大亚基结合，抑制肽链延长。,3.,干扰素,(interferon),干扰素诱导的蛋白激酶,dsRNA,（,1,）,干扰素诱导,eIF,2,磷酸化而失活,ATP,eIF,2,ADP,eIF,2,-P,（,失活,）,Pi,磷酸酶,（,2,）,干扰素诱导病毒,RNA,降解,降解,mRNA,dsRNA,干扰素,A,A,P,A,P,PPP,2,5,2,5,5,2,- 5,A,A,PPP,ATP,2-5A,合成酶,RNaseL,RNaseL,活化,