第12章蛋白質的生物合成（翻譯）

1、蛋白質的生物合成（翻譯）,第 八 章,論述題,試述蛋白質生物合成體系討論原核生物與真核生物蛋白質合成的異同,蛋白質的生物合成，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一級結構中20種氨基酸的排列順序 。,蛋白質合成體系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

2、與蛋白質生物合成的物質包括,三種RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白體RNA）tRNA（transfer RNA, 轉移RNA）,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)。原核細胞中數個結構基因常串聯為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質，為多順反子(polyc

3、istron) 。真核mRNA只編碼一種蛋白質，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,,,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合成的起始、終止信號，稱為三聯體密碼(triplet coden)。,起始密碼(initiation coden): AUG,終止密碼(termination coden

4、): UAA，UAG，UGA,遺傳密碼表,,,,,第三字母,UCAGUCAGUCAGCUAG,,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，各個三聯體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質多肽鏈，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,編碼蛋白質氨基酸序

5、列的各個三聯體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。,基因損傷引起mRNA閱讀框架內的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致框移突變(frameshift mutation)。,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個三聯體為其編碼。,,目錄,2. 簡并性(degeneracy),,目錄,3. 通用性(universal),蛋白質生物合成的整套密碼，從原核生物到人類

6、都通用。 已發(fā)現少數例外，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象,二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置,,,目錄,不同細胞核蛋白體的組成,核蛋白體的組成,,目錄,

7、原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式:,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),,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,（一）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

8、,,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-tRN

9、AMet,真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAifMet,（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA,蛋白質生物合成過程 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

10、聯體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現。,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-3,IF-1,1. 核蛋白體大小亞基分離,,目錄,

11、IF-3,IF-1,2. mRNA在小亞基定位結合,,目錄,S-D序列,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結合到小亞基,,目錄,IF-3,IF-1,IF-2,,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白體大亞基結合，起始復合物形成,,目錄,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,,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

12、體小亞基就位；核蛋白體大亞基結合。,真核生物翻譯起始復合物形成過程,,目錄,二、肽鏈合成延長,指根據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

13、所需蛋白因子稱為延長因子(elongation factor, EF)原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1 、EF-2,肽鏈合成的延長因子,又稱注冊(registration),（一）進位,指根據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,Tu,Ts,GTP,,GDP,,Tu,,Ts,GTP,,目錄,（二）成肽,是

14、由轉肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。,（三）轉位,延長因子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 。,fMet,fMet,,目錄,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

15、止密碼出現后，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；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

16、生物釋放因子：eRF,原核肽鏈合成終止過程,RF,,,目錄,多聚核蛋白體(polysome),——使蛋白質合成高速、高效進行。,,目錄,電鏡下的多聚核蛋白體現象,,目錄,蛋白質合成后加工和輸送Posttranslational Processing & Protein Transportation,第 三 節(jié),從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質生物活性，必需經過不同的翻譯后復雜加工過程才轉變?yōu)樘烊粯嬒蟮墓δ艿鞍住?主要包

17、括,多肽鏈折疊為天然的三維結構 肽鏈一級結構的修飾高級結構修飾,一、多肽鏈折疊為天然功能構象的蛋白質,新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈N端在核蛋白體上一出現，肽鏈的折疊即開始。可能隨著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產生正確的二級結構、模序、結構域到形成完整空間構象。 一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質折疊的信息，即一級結構是空間構象的基礎。細胞中大多數天然蛋白質折疊都不是自動完成，而需要其他酶、蛋白輔助。

18、,幾種有促進蛋白折疊功能的大分子,1. 分子伴侶 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫鍵異構酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰順反異構酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI),1. 熱休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侶素(chape

19、ronins) GroEL和GroES家族,分子伴侶,分子伴侶是細胞一類保守蛋白質，可識別肽鏈的非天然構象，促進各功能域和整體蛋白質的正確折疊。,熱休克蛋白促進蛋白質折疊的基本作用——結合保護待折疊多肽片段，再釋放該片段進行折疊。形成HSP70和多肽片段依次結合、解離的循環(huán)。,,目錄,Hsp70反應循環(huán),伴侶素GroEL/GroES系統促進蛋白質折疊過程,伴侶素的主要作用——為非自發(fā)性折疊蛋白質提供能折疊形成天然空間構象的微環(huán)境。

20、,Gro EL-Gro ES反應循環(huán),蛋白二硫鍵異構酶,多肽鏈內或肽鏈之間二硫鍵的正確形成對穩(wěn)定分泌蛋白、膜蛋白等的天然構象十分重要，這一過程主要在細胞內質網進行。,二硫鍵異構酶在內質網腔活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質形成熱力學最穩(wěn)定的天然構象。,肽-脯氨酰順反異構酶,多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構體，空間構象明顯差別。,肽酰-脯氨酰順反異構酶可促進上述順反兩種異構體之間

21、的轉換。,肽酰-脯氨酰順反異構酶是蛋白質三維構象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構型時，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準確折疊。,二、一級結構的修飾,（一）肽鏈N端和C端的切除和/或化學修飾（二）個別氨基酸的修飾（三）多肽鏈的水解修飾,,（一）肽鏈N端和C端的切除和/或化學修飾,細胞內的脫甲?；富虬被拿缚梢匀コ齆-甲?；?、N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽鏈。,在真核細胞，50%的蛋白質在翻譯后，氨基末端的氨基發(fā)生乙酰化。,有

22、些情況下，羧基末端的殘基也可被酶切除。,1. 個別氨基酸可進行甲基化和乙?；揎?2. 蛋白質糖基化（glycosylation）修飾是一種 復雜的化學修飾 3. 親脂性修飾：某些蛋白質加入異戊二烯基團4. 羥基化5. 大多數蛋白質有二硫鍵的形成 6. 磷酸化,（二）氨基酸殘基的化學修飾有多種形式,（三）水解加工包括多蛋白水解加工和內含肽的剪接,1．多蛋白水解加工可產生多種肽鏈,一些蛋白質在合成之初是含有一

23、系列頭尾相連的蛋白質的長多肽鏈。多肽鏈的水解將裂解釋放出各種蛋白質，釋放出的蛋白質可能具有完全不同的功能。,鴉片促黑皮質素原(POMC)的水解修飾,2．內含肽切除導致外顯肽連接,內含肽是蛋白質的內部片段，翻譯后很快被剪切，兩個外顯肽連接到一起。內含肽的長度一般在300 ~ 600個氨基酸之間。剪接是由內含肽自我催化的。,三、高級結構的修飾,（一）亞基聚合 （二）輔基連接,蛋白質合成后需要經過復雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞

24、靶部位，這一過程稱為蛋白質的靶向輸送。,四、蛋白質合成后的靶向輸送,?蛋白質的靶向輸送(protein targeting),所有靶向輸送的蛋白質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質網。,信號肽(signal

25、 peptide),各種新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列稱信號肽。,信號肽的一級結構,信號肽引導真核分泌蛋白進入內質網,,目錄,（二）線粒體蛋白的靶向輸送,,目錄,（三）細胞核蛋白的靶向輸送,,目錄,蛋白質生物合成的干擾和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,第 四 節(jié),蛋白質生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶點。它們就是通過阻斷真核、原核生物蛋白

26、質翻譯體系某組分功能，干擾和抑制蛋白質生物合成過程而起作用的。 可針對蛋白質生物合成必需的關鍵組分作為研究新抗菌藥物的作用靶點。同時盡量利用真核、原核生物蛋白質合成體系的任何差異，以設計、篩選僅對病原微生物特效而不損害人體的藥物。,抗生素(antibiotics)是微生物產生的能夠殺滅或抑制細菌的一類藥物。,抗代謝藥物指能干擾生物代謝過程，從而抑制細胞過度生長的藥物，如：6-MP。,某些毒素也作用于基因信息傳遞過程。,一、抗生