蛋白質(zhì)生物合成

蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）

蛋白質(zhì)生物合成(proteinbiosynthesis)也稱翻譯(translation)，是生物細(xì)胞以mRNA為模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列順序所組成的密碼信息合成蛋白質(zhì)的過程。mRNADNA

DNA復(fù)制

轉(zhuǎn)錄翻譯蛋白質(zhì)當(dāng)前第1頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)蛋白質(zhì)生物合成體系：基本原料:

20種編碼氨基酸模

板:

mRNA適配器:

tRNA裝配機(jī):核糖體（rRNA與蛋白質(zhì)的復(fù)合物）主要酶和蛋白質(zhì)因子:氨基酰-tRNA合成酶、轉(zhuǎn)肽酶、起始因子、延長因子、釋放因子等能源物質(zhì):

ATP、GTP無機(jī)離子:

Mg2+、K+當(dāng)前第2頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、mRNA1.閱讀框架

從mRNA5'-端起始密碼子AUG到3'-端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻譯區(qū)533’-端非翻譯區(qū)開放閱讀框架真核生物的mRNA結(jié)構(gòu)當(dāng)前第3頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)1.閱讀框架一、mRNA在各種mRNA起始AUG上游約8～13核苷酸部位，存在一段由4～9個(gè)核苷酸組成的一致序列，富含嘌呤堿基，如-AGGAGGU-，稱為Shine-Dalgarno序列(S-D序列)。原核生物的mRNA結(jié)構(gòu)當(dāng)前第4頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)多順反子與單順反子原核生物的多順反子：一個(gè)mRNA分子編碼多種蛋白質(zhì)真核生物的單順反子：一個(gè)mRNA分子只編碼一種蛋白質(zhì)PPP53蛋白質(zhì)圖示說明：核糖體結(jié)合位點(diǎn)起始密碼子終止密碼子蛋白質(zhì)PPPmG-53AAA…當(dāng)前第5頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、mRNA2.遺傳密碼及特點(diǎn)密碼子（codon）：在mRNA的開放閱讀框架區(qū)，以每3個(gè)相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸，這種三聯(lián)體形式的核苷酸序列稱為密碼子。起始密碼子（initiationcodon）

AUG終止密碼子（terminationcodon）UAA、UAG、UGA當(dāng)前第6頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)遺傳密碼表第一字母第二字母第三字母UCAGUCAGUCAGUCAG當(dāng)前第7頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、mRNA2.遺傳密碼及特點(diǎn)（1）方向性（directional）

翻譯時(shí)遺傳密碼的閱讀方向是5’→3’，即讀碼從mRNA的起始密碼子AUG開始，按5’→3’的方向逐一閱讀，直至終止密碼子。當(dāng)前第8頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)密碼子的特點(diǎn)——方向性mRNA模板鏈的閱讀方向：5'3'蛋白質(zhì)合成的方向：N端C端NC肽鏈延伸方向5′3′讀碼方向當(dāng)前第9頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、mRNA2.遺傳密碼及特點(diǎn)（2）連續(xù)性

編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼子及密碼子的各堿基之間既無間隔也無交叉，即具有無標(biāo)點(diǎn)性（non-punctuated）。5’…….AUG

GCA

GUA

CAU……UAA3’AlaValHisMet終止密碼當(dāng)前第10頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)移碼突變(frameshiftmutation)

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(dǎo)致框移突變。纈脯蘇天冬纈丙酪甘纈丙絲精mRNA插入缺失插入及缺失閱讀框恢復(fù)當(dāng)前第11頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、mRNA2.遺傳密碼及特點(diǎn)（3）簡并性（degenerate）

一種氨基酸可具有2個(gè)或2個(gè)以上的密碼子為其編碼的特性稱為遺傳密碼的簡并性。但蛋氨酸和色氨酸只有一個(gè)密碼子。當(dāng)前第12頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)密碼子特點(diǎn)——簡并性為同一種氨基酸編碼的各密碼子稱為簡并性密碼子，也稱同義密碼子。簡并性主要發(fā)生在密碼子的第三位堿基，故該堿基改變時(shí)往往不影響氨基酸的翻譯（同義突變）。ACUACCACAACG蘇氨酸UGUUGCUGAUGG纈氨酸CUUCUCUUGCUAUUACUG亮氨酸當(dāng)前第13頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)各個(gè)氨基酸的密碼子數(shù)目當(dāng)前第14頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、mRNA2.遺傳密碼及特點(diǎn)（4）通用性（universal）

從簡單的病毒到高等的人類，幾乎使用同一套遺傳密碼，因此，遺傳密碼表中的這套“通用密碼”基本上適用于生物界的所有物種，具有通用性。

當(dāng)前第15頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)密碼子通用性的例外

動(dòng)物線粒體及植物葉綠體內(nèi)的部分密碼子與通用密碼子不同。

通用密碼線粒體密碼AUA異亮蛋、起始AGA精終止AGG精終止UGA終止色當(dāng)前第16頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、mRNA2.遺傳密碼及特點(diǎn)（5）擺動(dòng)性（wobble）

tRNA反密碼子第一位堿基與mRNA密碼子第三位堿基之間的配對(duì)有時(shí)并不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對(duì)規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為擺動(dòng)配對(duì)(wobblebasepairing)。tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U,C,AA,GU,CUG當(dāng)前第17頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)密碼子特點(diǎn)——擺動(dòng)性異亮氨酸U（同義突變）123321當(dāng)前第18頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)密碼子的特點(diǎn)（1）方向性（directional）（2）連續(xù)性（non-punctuated）（3）簡并性（degenerate）（4）通用性（universal）（5）擺動(dòng)性（wobble）當(dāng)前第19頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)二、tRNAtRNA主要作用是攜帶氨基酸和識(shí)別mRNA的密碼子，作為蛋白質(zhì)生物合成的接合體。二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)反密碼環(huán)氨基酸臂當(dāng)前第20頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)tRNA是氨基酸的載體及翻譯的“適配器”當(dāng)前第21頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、tRNA

起始、延長階段使用的氨基酰-tRNA不同：真核生物起始階段的氨基酰-tRNA為：Met-tRNAiMet（起始蛋氨酰-tRNA)原核生物起始氨基酰-tRNA為：fMet-tRNAfMet（N-甲酰蛋氨酰-tRNA）當(dāng)前第22頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)原核生物N-甲酰蛋氨酰-tRNA的生成

fMet-tRNAfMet的生成是一碳化合物轉(zhuǎn)移和利用的過程之一。反應(yīng)由轉(zhuǎn)甲?；复呋柞；鶑腘10-甲酰四氫葉酸轉(zhuǎn)移到甲硫氨酸的α-氨基上。當(dāng)前第23頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)三、rRNA

核糖體（ribosome）又稱核蛋白體，是由rRNA和多種蛋白質(zhì)結(jié)合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒，是蛋白質(zhì)生物合成的場所。當(dāng)前第24頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、蛋白質(zhì)生物合成體系（二）核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的場所2.核糖體的結(jié)構(gòu)原核生物核糖體上有三個(gè)位點(diǎn)結(jié)合氨基酰-tRNA的氨基酰位（aminoacylsite，A位）結(jié)合肽酰-tRNA的肽酰位（peptidylsite，P位）排出卸載tRNA的排出位（exitsite，E位）當(dāng)前第25頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)30S50S70S核糖體的結(jié)構(gòu)A位：AA-tRNA結(jié)合部位P位：肽基tRNA結(jié)合部位E位：肽鍵形成部位當(dāng)前第26頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)核糖體的組成S（Svedberg）：沉降

單位，1S=10-13厘米/秒.達(dá)因.克原核生物真核生物當(dāng)前第27頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)原核生物rRNA的作用1.tRNA-5sRNA-23sRNA2.mRNA（S-D序列）-16sRNA-23sRNA3.起始tRNA-23sRNA-5srRNA當(dāng)前第28頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)多聚核糖體無論是真核還是原核生物，1條mRNA模板鏈都可附著10～100個(gè)核糖體，這些核糖體依次結(jié)合起始密碼子并沿5'→3'方向讀碼移動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行肽鏈合成，這種mRNA與多個(gè)核糖體形成的聚合物稱為多聚核糖體(polysome)。

多聚核糖體的形成可以使蛋白質(zhì)生物合成以高速度、高效率進(jìn)行。當(dāng)前第29頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)多聚核糖體當(dāng)前第30頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)主要內(nèi)容第一節(jié)、RNA在蛋白質(zhì)生物合成中的作用第二節(jié)、蛋白質(zhì)生物合成過程第三節(jié)、蛋白質(zhì)合成后的加工修飾與轉(zhuǎn)運(yùn)當(dāng)前第31頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)蛋白質(zhì)合成過程可以分為四個(gè)階段：①氨基酸的活化與搬運(yùn)；②肽鏈合成的起始；③肽鏈的延長；④肽鏈的終止。當(dāng)前第32頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、氨基酸的活化概念：氨基酸與特異的tRNA結(jié)合形成氨基酰-tRNA的過程稱為氨基酸的活化。參與氨基酸的活化的酶： 氨基酰-tRNA合成酶aminoacyltRNAsynthetase當(dāng)前第33頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)氨基酰-tRNA合成酶作用機(jī)理①氨基酸＋ATP-E氨基酰-AMP-E＋PPi

②＋tRNA氨基酰-tRNA＋AMP＋EEE當(dāng)前第34頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)氨基酰-tRNA合成酶的作用特點(diǎn)之一氨基酰-tRNA合成酶對(duì)底物氨基酸和tRNA都有高度特異性tRNA氨基酰-tRNA合成酶（藍(lán)色）ATP（黃色）當(dāng)前第35頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)氨基酰-tRNA合成酶的作用特點(diǎn)之二氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性當(dāng)前第36頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)二、肽鏈合成的起始

肽鏈合成的起始：指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結(jié)合而形成三元起始復(fù)合物的過程。所有蛋白質(zhì)翻譯的起始均源于甲硫氨酸，而且需要一個(gè)特殊的起始tRNA（簡寫tRNAiMet）參與。起始過程tRNAiMet能夠被起始因子所識(shí)別；延伸tRNAMet能夠被延伸因子所識(shí)別。當(dāng)前第37頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)二、肽鏈合成的起始

起始階段的基本過程：1.IF-3與小亞基結(jié)合使核糖體大小亞基分離；2.在IF-1、IF-2和GTP的協(xié)助下，mRNA在小亞基精確定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA結(jié)合起始密碼子；3.核糖體大亞基結(jié)合；4.mRNA、fMet-tRNAifMet和核糖體構(gòu)成三元起始復(fù)合物。當(dāng)前第38頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)50S50SIF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi肽鏈合成的起始過程當(dāng)前第39頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)三、肽鏈的延長—核糖體循環(huán)肽鏈的延長：指在mRNA模板的指導(dǎo)下，氨基酸依次進(jìn)入核糖體并聚合成多肽鏈的過程。肽鏈延長在核糖體上連續(xù)循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核糖體循環(huán)（ribosomalcycle）。肽鏈延長過程可分為三個(gè)步驟：注冊(cè)、成肽和轉(zhuǎn)位。延長過程需要一些稱為延長因子（elongationfactor，EF）的蛋白參與：EF-Tu、EF-Ts和EF-G。當(dāng)前第40頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP注冊(cè)的反應(yīng)過程（動(dòng)畫）注冊(cè)：一個(gè)氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令進(jìn)入并結(jié)合到核糖體A位的過程。當(dāng)前第41頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)成肽轉(zhuǎn)肽酶成肽：在轉(zhuǎn)肽酶(peptidase)的催化下，核糖體P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨?；螂孽?tRNA的肽?；D(zhuǎn)移到A位并與A位上氨基酰-tRNA的α-氨基結(jié)合形成肽鍵的過程。當(dāng)前第42頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)位：是在轉(zhuǎn)位酶的催化下，核糖體向mRNA的3'-端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離，使mRNA序列上的下一個(gè)密碼子進(jìn)入核糖體的A位、而占據(jù)A位的肽酰-tRNA移入P位的過程。當(dāng)前第43頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)肽鏈合成延長（核糖體循環(huán)）過程注冊(cè)轉(zhuǎn)位成肽當(dāng)前第44頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)四、肽鏈合成的終止肽鏈合成的終止：指核糖體A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼子后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖體大、小亞基等分離的過程。終止階段需要釋放因子RF-1、RF-2和RF-3參與。當(dāng)前第45頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)釋放因子的功能識(shí)別終止密碼子RF-1特異識(shí)別UAA、UAG；RF-2特異識(shí)別UAA、UGA。誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ富钚裕捍呋律逆溑c結(jié)合在P位的tRNA之間的酯鍵水解，使肽鏈從核糖體上釋放。RF-3可結(jié)合核糖體其他部位，有GTP酶活性，能介導(dǎo)RF-1、RF-2與核糖體的相互作用。當(dāng)前第46頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)蛋白質(zhì)合成的終止過程當(dāng)前第47頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)五、真核細(xì)胞肽鏈合成

真核生物mRNA具有5’帽子結(jié)構(gòu)：依賴帽子結(jié)合蛋白復(fù)合物能夠使mRNA在核糖體上定位結(jié)合。起始密碼子AUG位于Kozak共有序列（ACCAUGG）中，此序列能夠促使核糖體識(shí)別其中的AUG并起始翻譯。當(dāng)前第48頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)34+真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程當(dāng)前第49頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)原核生物真核生物mRNA一條mRNA編碼幾種蛋白質(zhì)（多順反子）一條mRNA編碼一種蛋白質(zhì)（單順反子）轉(zhuǎn)錄后很少加工轉(zhuǎn)錄后進(jìn)行首尾修飾及剪接轉(zhuǎn)錄、翻譯和mRNA的降解可同時(shí)發(fā)生mRNA在核內(nèi)合成，加工后進(jìn)入胞液，再作為模板指導(dǎo)翻譯核糖體30S小亞基＋50S大亞基?70S核糖體40S小亞基＋60S大亞基?80S核糖體起始階段起始氨基酰-tRNA為fMet-tRNAfMet起始氨基酰-tRNA為Met-tRNAiMet核糖體小亞基先與mRNA結(jié)合,再與fMet-tRNAfMet結(jié)合核糖體小亞基先與Met-tRNAiMet結(jié)合，再與mRNA結(jié)合mRNA中的S-D序列與16SrRNA3-端的一段序列結(jié)合mRNA中的帽子結(jié)構(gòu)與帽子結(jié)合蛋白復(fù)合物結(jié)合有3種IF參與起始復(fù)合物的形成有至少10種eIF參與起始復(fù)合物的形成延長階段延長因子為EF-Tu、EF-Ts和EF-G延長因子為eEF-1α、eEF-1βγ和eEF-2終止階段釋放因子為RF-1、RF-2和RF-3釋放因子為eRF1和3原核生物與真核生物肽鏈合成過程的主要差別當(dāng)前第50頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)蛋白質(zhì)的生物合成起始和延伸當(dāng)前第51頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)蛋白質(zhì)合成的終止當(dāng)前第52頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)主要內(nèi)容第一節(jié)、RNA在蛋白質(zhì)生物合成中的作用第二節(jié)、蛋白質(zhì)生物合成過程第三節(jié)、蛋白質(zhì)合成后的加工修飾與轉(zhuǎn)運(yùn)當(dāng)前第53頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)123

新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性，必須經(jīng)過復(fù)雜的加工過程才能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑烊粯?gòu)象的功能蛋白質(zhì)，這一加工過程稱為翻譯后修飾(posttranslationalmodification)。

翻譯后的修飾包括：多肽鏈的折疊肽鏈一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的修飾當(dāng)前第54頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)一、多肽鏈的修飾1.肽鏈N末端的修飾：如N端氨基酸殘基或部分多肽的切除2.個(gè)別氨基酸的共價(jià)修飾：如糖基化、羥基化、甲基化、磷酸化、二硫鍵形成、親脂性修飾等3.多肽鏈的水解修飾如鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾當(dāng)前第55頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾POMC基因信號(hào)肽γ-促黑色素促腎上腺素激素β-脂酸釋放激素α-促黑色素γ-脂酸釋放激素β-內(nèi)啡肽β-促黑色素甲硫啡肽促腎上腺皮質(zhì)激素樣中葉肽轉(zhuǎn)錄翻譯當(dāng)前第56頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)二、多肽鏈的折疊具有促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊功能的大分子：參與蛋白質(zhì)折疊的酶類蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（proteindisulfideisomerase,PDI）肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶（peptideprolyl-cis-transisomerase,PPI）分子伴侶（molecularchaperon）當(dāng)前第57頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)二、多肽鏈的折疊具有促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊功能的大分子：1.蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶在多肽鏈內(nèi)或肽鏈之間二硫鍵形成正確的配對(duì)斷裂錯(cuò)配的二硫鍵并形成正確二硫鍵連接正確的二硫鍵配對(duì)可以保證蛋白質(zhì)形成熱力學(xué)最穩(wěn)定的天然構(gòu)象當(dāng)前第58頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)二、多肽鏈的折疊具有促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊功能的大分子：2.肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構(gòu)體，空間構(gòu)象有明顯差別。肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶可促進(jìn)上述順反兩種異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)換。肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶是蛋白質(zhì)三維構(gòu)象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構(gòu)型時(shí)，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準(zhǔn)確折疊。當(dāng)前第59頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)二、多肽鏈的折疊具有促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊功能的大分子：3.分子伴侶(molecularchaperon)

分子伴侶是細(xì)胞內(nèi)一類可識(shí)別肽鏈的非天然構(gòu)象、促進(jìn)各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊的保守蛋白質(zhì)。熱休克蛋白（heatshockproteins，HSP）：HSP70、HSP40和GrpE伴侶素（chaperonins）：GroEL-GroES復(fù)合物當(dāng)前第60頁\共有69頁\編于星期六\10點(diǎn)二、多肽鏈的折疊具有促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊功能的大分子：3.分子伴侶(molecularchaperon)

功能包括兩方面：一方面是防止新生肽鏈錯(cuò)誤的折疊和聚合，另一方面則是幫助或促進(jìn)這