第17章蛋白质的生物合成.

1、第十七章2014-12-3122014-12-312蛋白质的生物合成，翻译Protein Biosynthesis(Translation)2014-12-31蛋白质生物合成的概念是细胞内以mRNA为模板，按照mRNA分子中由核甘酸组成的密码信息合成蛋白质的过程，亦称翻译o本质:是将mRNA分子中4种核昔酸序列编码的遗传 信息（核酸语言），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（蛋白质语言）。PolypeptideMessenger RNAh»n-OTRANSLATIONpeptide bondo亠-COOHAminoAcid 3AminoAcid 1A

2、minoAcid 2AminoAcid 4AminoAcid 52014-12-312蛋白质生物合成的反应过程 (1)氨基酸的活化过程：即各种氨基酸分别加载到 各自的tRNA分子上，形成氨基酰tRNA o (2)肽链的生物合成过程：即将mRNA的碱基排列 顺序转换成肽链中氨基酸的排列顺序，并通过肽 键将氨基酸连接起来。 (3)肽链形成后的加工过程：即肽链合成后通过折 叠形成天然蛋白质的三维构象，并对一级结构和 空间结构进行修饰等，成为有生物学功能的天然 蛋白质。蛋白质合成动画一.二2014-12-31蛋白质生物合成的生物学意义维持生物体的多种生命活动适应环境的变化参与组织的更新和修复2014-

3、12-3152014-12-316本章内容第一节蛋白质生物合成体系第二节肽链的生物合成过程第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送第四节蛋白质生物合成的干扰和抑制2014-12-31第一节蛋白脆合成体系Protein Biosynthesis System2014-#-316蛋白质生物合成(protein biosynthesis)过程十分复杂，几乎 涉及细胞内所有种类的RNA分子和几十种蛋白质因子。2014-12-312014-12-31有多聚腺昔酸(polyA)尾。一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板()mRNA 结构不同生物mRNA序列，都具有5匚端非翻译区、开放阅读框架区和端非翻译区。真核生

4、物mRNA的51端有帽子结构，3匚端1961 年，Nirenberg 证明 TmRNA的模板作用。2014-12-313*AAAAn3,非翻译区PXPXP395,非翻译区mRNA包括5 ' 非翻译区(5 ' -untranslated region, 5 ' -UTR) 开放阅读框区(open reading frame, ORF)3 '-非翻译区(3 ' -untranslated region, 3 ' -UTR)2014-12-319mRNA结构简图取核mRNA典核mRNA55!编码序列核糖体结合位点204-12-31AUGAUG步编码蛋白

5、 H终止密码了10顺反子(cistron):遗传学将编码一个多肽的遗 传单位称为顺反子。多顺反子(polycistron)：在原核细胞中，数个 结构基因常串联排列而构成一个转录单位， 转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白 质，称为多顺反子。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子 (single cistron)。2014-12-3111原核生物的多顺反子I I IA/WN/1只& 蛋白质真核生物的单顺反子IM非编码序列核蛋白体结合位点蛋白质_尸 编码序列起始密码子终止密码兀()遗传密码遗传密码(genetic coden)：在mRNA开放阅读 框架区5,端至3匸端，以每3个相邻

6、的核昔酸为一组，代表一种氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，这种三联体形式的核昔酸序列称 为遗传密码(也称密码子)。开放阅读框架(open reading frame,ORF):从 mRNA 5端的起始密码子AUG到3,端终止密 码子之间的核昔酸序列，称为ORF。132014-12-31遗传密码表Second letterUCAGuPhenylalanineLeucineUCJ ucc UCAUCGSerineUAU UACTyrosineStop codon Stop codanCysteineStop codon TryptophanU C A GUUA UUGUAA UAGUGAUGGC

7、UU cue CUA CUGecu CCC CCA CCGCAU CACCAACAGCGU CGC CGA CGGucLeucineProlineHistidineGlutamineArgininecAGAAUU AUC AUAAUGisoleucincMethionine; initiation codonACU ACC ACA ACGThreonineAAU AACAsparag neAGUAGCSerineArginineU cAGAAA AAGLysineAGA AGGGGUU GUC GUA GUGValinaGCU GCC GCAGCG5GAU GACAspartic bddGGU

8、 GGC GGA GGGGlycineU c A GGAA GAGGlutamic add2014-12-3116起始密码子（initiation codon）AUG终止密码子（termination codons）UAA、DAG、UGA 1986年报道UGA代表selenocysteine（硒代半胱氨 酸）。 2002年报道在Archaea（产甲烷菌的甲胺甲基转移 酶中发现）和真菌中发现UAG可能是编码第22种 氨基酸pyrrolysine（ H比咯赖氨酸）的密码子。2014-12-31遗佳密码动画15遗传密码的特点即读 按1方向性(direction)翻译时的阅读方向只能是53% 码从mR

9、NA的起始密码子AUG开始, 的方向逐一阅读，直至终止密码子。5- A |U G CHA C UlfU U AlIC U Alik C CilG C JIA U UlC C 3aCyM Thr lu Thr Ala lie2014-12-31162 连续性(non-punctuation)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。重叠密码非重叠连续的密码Nonmnertapping code不连续的密码2014-12-314cocnmaa ooiimiui-17框移突变基因损伤引起inRNA阅读框架内的碱 基发生插入或缺失，使读码产生错译， 造成翻译的氨基酸序列改变

10、，这种突变 称为框移突变(frame shift mutation) omRNA|g c c |u a c|g g a u3r(+)插入G U A G C CUC A|iC G G iA U (一)缺失G U AC C U A C G|G A U| 2014-12-3118mRNA(b)55f读码方向I I I I I I I I I I Illi IlliAUCCCACUCAAUGC G A U UCCA U G AAsn AlaPro (终止密码)3mRNA多肽链LeuThrMet图12l遗传密码的连续性与惟移突变(a)氨基酸的排列顺序对应于mRNA洋列中密码子的排列顺字$ (b)孩仔酸插

11、入导致梃移突变;为描入的核昔酸2014-12-31193简并性(degenerate)一种氨基酸可具有两个或两个以的密码子为其编码， 这一特性称为遗传密码的简并性。遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸有1个密码子外，其 余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。UUU UUCPZn'. alanineUCU UCCUAU UACTyrowneUGU UGCCysteineprinpUCA UCGUAAStop codonS3 codsUUGUAGStop codon败 j TryptophanCUUecuCMHirtidintCGUcueLeucinecccProlifteCGC CG

12、A CGGArginineCUA CUGCCA CCGCAA CAGGluUmineAUU AUCAAU AA<HolevCineACU ACCTbreoQ«neA>por«9ineAGCSincAUAACAAAAAGA AGGAM芻霁"ACGAAGLyiin*Argin ir*I衆ValineGCU GCCGAU GACAspartic addGGU GGCGlycineGCA GCGAwnlfwGAA/JAZ：GutamkGGA GGGIadd氮基酸密码子数目氨基酸密码子数目Ala4Leu6Arg6Lys2Asn2Met1Asp2Phe2Cys2P

13、ro4Gin2Ser6Glu2Thr4Gly4Trp1His2Tyr2fie3Vai4AUGCGACUC A 匡 AUG C G A U同义密码子为同一种氨基酸编码的各密码子，亦称简并性密码子。 前两个碱基均相同，只是第三个碱基不同。若头两个碱基发生点突变，可译出不同氨基酸，而第三个碱基的突变,不会影响氨基酸的翻译2014-12-3122遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。密码子简并性的生物学意义:减少基因突变对蛋白质功能的影响。2014-12-31GCU GCC> AlaGCAGCG丿ACC> ThrACAACG212014-12-31#2014-12-31#简并性允许的突变A

14、mino aci<lMpIHisPlu>ThrAsnArgTyrSerHeading fra in t* 15* A U <:, A ('l l r A C ( ： A A C| ('(5 (' J* A I I (Other mRNA sc(|ucmiccs that specify Iho zme amino Hci<lIleadmK frame 25* A U G C|(A C Uj U U A|C U A)|A C C)G C U|A U I(Amino acid swiucncnOthftr ammo aci(Ir resulting

15、from the alternntivp mKNA TM*i|uencex xhown above for reading frame IThrIx'u ThrAlaIA U DI 币 C A|C (FXllA U CUQ U UllA C Ul<llo) <Ser) (Piro) (lie) (Vai) (Thr)lc A SIX C 山iGin) (Thr) (Anp) <Thr)2014-12-31#JQ AIA UKIG Q7(Air (lie) <Gly>(b)2014-12-31#4通用性(universal)蛋白质生物合成整套密码，从原核生物

16、到人类都通用。已发现少数例外，如线粒体、叶绿体以AUG、AUU> AUA为起始密码子，而AUA兼有Mft密码子功能。终止 密码子是AGA. AGG, Trp密码子是UGA等。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。生物 AUA AUG UGA UGU UAA UAG 一般生物He Met(起始：T终止Trp 终止终止支原体纤毛虫Gin GinGin Gin 235摆动性(wobble)转运氨基酸的tRNA的反密码子需要通过碱 基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合， 但反密码子与密码子之间的并不严格遵守常见 的碱基配对规律，称为摆动配对(wobble base pairing)

17、o这一现象常见于反密码子的第一位碱基与密 码子的第三位碱基之间。2014-12-3124摆动配对tRNAAnricodoninRNA &5321CAGU11 23GUCACthen tRNA maymRNA 3UGArecognize codonsuhaving these basesin third positionIf these bases are in first or wobble, position of anticodon密码子、反密码子摆动配对2l1AIAUCI 123|CodontRNA反密码 子第1位碱基IUGAcmRNA密码 子第3位減基C,A,UA,GC,UUG

18、25二、核糖体是蛋白质生物合成的场所核糖 体的 组成Mr 28 x 10e5S rRNA 28S rRNAMt 1.6 x 10e5S rRNA23S rRNA34种蛋白5.8S rRNA 4Q禾h带白貞核生物核找白体Mr 4.2 x 10®Mr 0.9 x 10e16S rRNA 21种蛋白小亚基Mr 1.4 x 10618S rRNA33种蛋白2014-12-32262014-12-3130核糖体的组成核蛋白体原核生物真核生物蛋白质S值rRNA蛋白质S值rRNA小亚基21种30S16S33种40S18S大亚基36种23S49种28S50S60S5.8S5S5S核蛋白体70S80S

19、2014-12-312730S小亚基：有mRNA结合位点50S大亚基：E位：排出位(Exit site) 转肽酶活性大小乎基共同组孚：A位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位(peptidyl site)原核生物翻译过程 中核糖体结构模式小亚基(RNA氨基酸mRNA新生肽链三、tRNA是氨基酸的运载工具ohtRNA在翻译过程 中起适配器（adaptor） 作用，又是氨基酸的运氨基酸臂Amino acid attachment sitemRNA S'(KNA转运载体tRNA动画UU127 IZ09 活 3 作用反密码环29参与蛋白质生物合成的物质三种RNA-mRNA (

20、messenger RNA,信使RNA)-rRNA ( ribosomal RNA,核蛋白体RNA )-tRNA (transfer RNA,转移RNA)原料：20种氨基酸(AA)2014-12-3130重要的酶类氨基酰-tRNA合成酶：存在于胞液中，催化氨基酸的活化。转肽酶：核糖体大亚基的组成成分，催化核糖体 P位上的肽酰基转移至A位氨基酰-tRNA的氨基上, 使酰基与氨基结合形成肽键，它受释放因子的作 用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，使P位 上的肽链与tRNA分离。转位酶：其活性存在于延长因子G中，催化核糖 体向mRNA 3J端移动一个密码子的距离,使下一2014金密码子定位于A位。3

21、蛋白质因子起始因子 (initiation factor, IF ) 延长因子(elongation factor, EF) 释放因子(releasing factor, RF ) 真核生物分别写作£IF、eEF. eRFo能源物质及离子能源物质：ATP、GTP无机离子：如Mg2+、K+等。五、氨基酸的活化(-)氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酰tRNA由氨基酰tRNA合成酶(aminoacyl- tRNA synthetase)催化生成，每个氨基酸活化需 消耗2个高能磷酸键。氨基酸+ tRNA氨基酰-tRNA合成酶氨基酰tRNA2014-1L 34AATP AMP+PPi氨基酰-

22、tRNA合成酶催化氨基酰-tRNA合成过程 分二步进行：2014-12-3133第一步反应2014-1L 342014-1L 34OH OH2014-1L 34第二步反应氨基酰-AMP-E+tRNA抵基酰-AMPAMPVCH0-HaH-Cd0HPI0氨基酰-tRNA+AMP+E2014-12-31tRNA氨基酰-tRNA 0-成旃氨基酰-tRNA合成酶对氨基酸和tRNA都有高度特异性 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性，即将任何错误的 氨基酰-AMP-E或氨基酰-tRNA的酯键水解，再换上与 密码子相对应的氨基酸。氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAI Ser-tRNASe Met

23、-tRNAMet氨基酸的活化形式：氨基酰一tRNA 氨基酸的活化部位：a竣基氨基酸与tRNA连接方式：酯键氨基酸活化耗能：2个卩2014-12-3137（二）起始肽链合成的氨基酰tRNA原核生物：fMet-tRNA 真核生物:MettRNA严t fMtt-tRNA严说的生成：Met-tRNAjfMet转甲酰基酶fMet-tRNAj，Met2014-12-3138372014-12-31第二节肽链的生物合成过程The Process of Protein Biosynthesis2014-12-3139蛋白质合成中mRNA模板的方向：5J3，蛋白质的合成方向：N端C端蛋白质合成过程：起始、延长、

24、终止蛋白质合成动画392014-12-31一、原核生物的肽链合成过程农12-3參与原核生炯译的各种蛋白质凶子及其生物学功能ft生爸事功篦' ' - * 起始因子IF-1占据A位防止结合其他tRNA1F-2促进fMet-tRNA与小亞基结合IE-3促进大小亚基分离.提高P位对结合fMet-tRNA的敏感性庭长因子EF-Tu促进MMft tRNA进人A位.结合并分鮮GTPEF-Ts调卄亚基EF-G有转位活性.促St mRNA-BkBt-tRNA由A位移至P位，促进tRNAfiJ«与释放释放因子RF-1待异识别UAA、UAG.诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异识别UAA、UG

25、A,诱导转Bk諄转变为詣|»zRF-3可与核糖体其他部位结合，有GTP酶活性.能介导RFJ及RF 2与核箝体的相互作用()肽链合成的起始指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)的过程。参与起始物质：30S小亚基、50S大亚基、mRNA、 fMet-tRNAe 起始因子、GTP和Mg2+。翻译起始动画2014-12-3141参与起始过程的蛋白质因子称起始因子(initiation factor, IF)O原核生物起始因子有三种：IF-1：占据A位防止结合其他tRNAoIF-2：促进起始tRNA与小亚基结合。IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始 氨基酰-tRNA (fMet-tRNAmet )敏感性。