蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）過程分析

1、蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）過程分析Protein Biosynthesis，Translation蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由 4 種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級結構中20種氨基酸的排列順序 。蛋白質(zhì)合成體系Protein Biosynthesis System 第 一 節(jié) 20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、無機離子參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括 三種RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白體RNA）tRNA（transfer RNA, 轉移R

2、NA）一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼 mRNA是遺傳信息的攜帶者遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。原核細胞中數(shù)個結構基因常串聯(lián)為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質(zhì)，為多順反子(polycistron) 。真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(single cistron) 。 原核生物的多順反子真核生物的單順反子非編碼序列核蛋白體結合位點起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP53蛋白質(zhì)PPPmG -53蛋白質(zhì)目 錄 mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止

3、信號，稱為三聯(lián)體密碼(triplet coden)。起始密碼(initiation coden): AUG 終止密碼(termination coden): UAA，UAG，UGA 遺傳密碼表目 錄從mRNA 5端起始密碼子AUG到3端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。 1. 連續(xù)性(commaless)遺傳密碼的特點編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。 基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致框移突變(frameshift mutat

4、ion)。 2. 簡并性(degeneracy)遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯(lián)體為其編碼。目 錄2. 簡并性(degeneracy)目 錄3. 通用性(universal)蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。 4. 擺動性(wobble)轉運氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結合，但反密碼與密碼間不嚴格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺動配對。 U擺動配對目 錄密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象t

5、RNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U, C, AA, GU, CUG二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置目 錄原核生物真核生物核蛋白體小亞基大亞基核蛋白體小亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質(zhì)rpS 21種rpL 36種rpS 33種rpL 49種 不同細胞核蛋白體的組成 核蛋白體的組成目 錄三、tRNA與氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂tRNA的三級結構示意圖氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶（一）

6、氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 氨基酸的活化第一步反應氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi 目 錄第二步反應氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E目 錄 tRNA與酶結合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。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-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tR

7、NAifMet（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA蛋白質(zhì)生物合成過程 The Process of Protein Biosynthesis 第 二 節(jié) 翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination )整個翻譯過程可分為 ：翻譯過程從閱讀框架的5-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。 一、肽鏈合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結合而形成翻譯起始復合物 (translational initiation complex)。原核、真核生物各種起始因子的生物功能 （一）原核生物翻譯起始復合

8、物形成核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結合；起始氨基酰-tRNA的結合； 核蛋白體大亞基結合。IF-3IF-11. 核蛋白體大小亞基分離目 錄AUG53IF-3IF-12. mRNA在小亞基定位結合目 錄S-D序列 S-D序列：在原核生物mRNA起始密碼AUG上游，存在49個富含嘌呤堿的一致性序列，如-AGGAGG-，稱為S-D序列。又稱為核蛋白體結合位點（ribosomal binding site，RBS) IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結合到小亞基AUG53目 錄IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白體大亞

9、基結合，起始復合物形成AUG53目 錄IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目 錄（二）真核生物翻譯起始復合物形成核蛋白體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結合；mRNA在核蛋白體小亞基就位；核蛋白體大亞基結合。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-2GDP+Pi各種elF釋放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻譯起始復合物形成過程 真核生物翻譯起始的特點核蛋白體是80S；起始因子種類多；起始t

10、RNA的Met不需甲酰化；mRNA的5帽子和3poly A尾結構與mRNA在核蛋白體就位有關；起始tRNA先與核蛋白體小亞基結合，然后再結合mRNA二、肽鏈合成延長指根據(jù)mRNA密碼序列的指導，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。 肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步：進位(entrance)成肽(peptide bond formation)轉位(translocation)延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongation factor, EF)原核生物： EF-Tu, EF

11、-Ts EF-G真核生物：eEF-1 、eEF-2 原核延長因子生物功能對應真核延長因子EF-Tu促進氨基酰-tRNA進入A位，結合分解GTPEF-1-EF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-EFG有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子 又稱注冊(registration)（一）進位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位。 目 錄延長因子EF-T催化進位（原核生物） 目 錄TuTsGTPGDPAUG53TuTs目 錄（二）成肽是由轉肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。（三）轉位延長因子

12、EF-G有轉位酶( translocase )活性，可結合并水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3側移動 。fMetAUG53fMetTuGTP目 錄進位轉位成肽真核生物肽鏈合成的延長過程與原核基本相似，但有不同的反應體系和延長因子。另外，真核細胞核蛋白體沒有E位，轉位時卸載的tRNA直接從P位脫落。（四）真核生物延長過程 三、肽鏈合成的終止當mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。 終止相關的蛋白因子稱為釋放因子 (release factor, RF) 一是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG

13、；而RF-2可識別UAA、UGA。二是誘導轉肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相當于催化肽?；D移到水分子-OH上，使肽鏈從核蛋白體上釋放。 釋放因子的功能原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物釋放因子：eRF 原核肽鏈合成終止過程 UAG53RFCOO-目 錄 原核生物蛋白質(zhì)合成的能量計算氨基酸活化：2個PATP起始： 1個GTP延長： 2個GTP終止： 1個GTP結論：每合成一個肽鍵至少消耗4個P。多聚核蛋白體(polysome)使蛋白質(zhì)合成高速、高效進行。目 錄電鏡下的多聚核蛋白體現(xiàn)象目 錄蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞靶部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向

14、輸送。 三、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送蛋白質(zhì)的靶向輸送(protein targeting)所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結構中存在分選信號，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質(zhì)轉移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為信號序列 。 信號序列(signal sequence)靶向輸送蛋白信號序列或成分分泌蛋白信號肽內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白信號肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)線粒體蛋白N端靶向序列（2035氨基酸殘基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）過氧化體蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶體蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向輸送蛋白的信號序列或成分 （一）分泌蛋白的靶向輸送真核細胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。 信號肽(signal pep