第十三章蛋白质的生物合成翻译

第十三章蛋白质的生物合成翻译第1页，共93页，2023年，2月20日，星期二第十二章蛋白质的生物合成

（翻译）Chapter12ProteinBiosynthesis，Translation第2页，共93页，2023年，2月20日，星期二蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation）。第3页，共93页，2023年，2月20日，星期二第一节蛋白质生物合成体系Section1ProteinBiosynthesisSystem第4页，共93页，2023年，2月20日，星期二20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、EF、RF

供能物质（ATP、GTP）、无机离子参与蛋白质生物合成的物质三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）第5页，共93页，2023年，2月20日，星期二一、mRNA模板及遗传密码mRNA是翻译的直接模板。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mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（singlecistron）。

第6页，共93页，2023年，2月20日，星期二多顺反子与单顺反子第7页，共93页，2023年，2月20日，星期二

mRNA上的遗传密码作为指导蛋白质生物合成的模板，mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码（codon）。遗传密码共有64种，其中：起始密码（initiationcodon）:AUG终止密码（terminationcodon）:UAA，UAG，UGA

第8页，共93页，2023年，2月20日，星期二第9页，共93页，2023年，2月20日，星期二从mRNA5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各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（openreadingframe,ORF）。AUGUAAORF第10页，共93页，2023年，2月20日，星期二遗传密码具有以下特点：①

连续性；②

简并性；③

通用性；④

方向性；⑤

摆动性。第11页，共93页，2023年，2月20日，星期二1.连续性（commaless）：遗传密码的特点指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。第12页，共93页，2023年，2月20日，星期二遗传密码的连续性第13页，共93页，2023年，2月20日，星期二基因损伤引起mRNA开放阅读框内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变（frameshiftmutation）。第14页，共93页，2023年，2月20日，星期二2.简并性（degeneracy）：遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性。遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。第15页，共93页，2023年，2月20日，星期二遗传密码的简并性第16页，共93页，2023年，2月20日，星期二3.通用性（universal）：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、植物细胞的叶绿体等。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。第17页，共93页，2023年，2月20日，星期二4.方向性（direction）：指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿5’→3’方向进行。第18页，共93页，2023年，2月20日，星期二5.摆动性（wobble）：转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反平行配对结合，但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称为摆动配对。第19页，共93页，2023年，2月20日，星期二密码子与反密码子的摆动配对tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG第20页，共93页，2023年，2月20日，星期二U摆动配对现象示意图第21页，共93页，2023年，2月20日，星期二核蛋白体是多肽链合成的场所，是由多种rRNA与蛋白质组装形成的复合体。二、rRNA和核蛋白体第22页，共93页，2023年，2月20日，星期二核蛋白体的组成第23页，共93页，2023年，2月20日，星期二大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。

第24页，共93页，2023年，2月20日，星期二1．三个与tRNA结合的位点：⑴A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。⑵P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。⑶E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。核蛋白体大、小亚基的功能第25页，共93页，2023年，2月20日，星期二原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)第26页，共93页，2023年，2月20日，星期二2.与模板mRNA和起始tRNA结合位点：主要与小亚基有关。3.转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键；由大亚基成分构成。第27页，共93页，2023年，2月20日，星期二4.GTPase活性：水解GTP，获得能量；分别由大、小亚基成分构成。5.起动因子、延长因子及释放因子的结合位点：分别由大、小亚基成分构成。第28页，共93页，2023年，2月20日，星期二在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多聚核蛋白体（polysome）。

第29页，共93页，2023年，2月20日，星期二多聚核蛋白体示意图电镜下的多聚核蛋白体第30页，共93页，2023年，2月20日，星期二氨基酸臂反密码环三、tRNA与氨基酸的活化第31页，共93页，2023年，2月20日，星期二tRNA的三级结构示意图第32页，共93页，2023年，2月20日，星期二氨基酸的活化与携带反应由氨基酰tRNA合成酶催化。特定的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而由tRNA携带活化的氨基酸参与蛋白质的生物合成。（一）氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶第33页，共93页，2023年，2月20日，星期二

tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP第34页，共93页，2023年，2月20日，星期二氨基酰tRNA合成酶催化的反应氨基酸＋ATP-E→氨基酰-AMP-E＋PPi

第一步：活化反应第35页，共93页，2023年，2月20日，星期二第二步：连接反应氨基酰-AMP-E＋tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP＋E第36页，共93页，2023年，2月20日，星期二氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性（proof-readingactivity）。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

第37页，共93页，2023年，2月20日，星期二能够识别mRNA中5´端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即fMet-tRNAifmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即Met-tRNAimet。在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码AUG。

（二）起始tRNA第38页，共93页，2023年，2月20日，星期二与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因子（initiationfactor，IF）。四、起始因子（IF）第39页，共93页，2023年，2月20日，星期二原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起始因子（eIF）。IF的作用主要是促进核蛋白体小亚基与起始tRNA及模板mRNA结合。

第40页，共93页，2023年，2月20日，星期二原核和真核生物中各种起始因子的生物功能第41页，共93页，2023年，2月20日，星期二与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子（elongationfactor，EF）。五、延长因子（EF）EF-Tuboundwithribosome第42页，共93页，2023年，2月20日，星期二原核生物中存在3种延长因子（EF-TU，EF-TS，EF-G），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。EF的作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。第43页，共93页，2023年，2月20日，星期二多肽链合成的延长因子

第44页，共93页，2023年，2月20日，星期二与多肽链合成终止并使之从核蛋白体上释放相关的蛋白因子称为释放因子（releasefactor，RF）。六、释放因子（RF）Eukaryoticreleasefactor第45页，共93页，2023年，2月20日，星期二RF在原核生物中有3种，在真核生物中只有1种。原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物释放因子：eRF第46页，共93页，2023年，2月20日，星期二RF的生物学功能主要有：识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核蛋白体上释放。第47页，共93页，2023年，2月20日，星期二多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。

七、供能物质和无机离子第48页，共93页，2023年，2月20日，星期二第二节蛋白质生物合成过程Section2TheProcessofProteinBiosynthesis第49页，共93页，2023年，2月20日，星期二蛋白质生物合成过程包括三大步骤：①氨基酸的活化与搬运；②活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；③多肽链合成后的加工修饰。本节主要介绍活化氨基酸在核蛋白体上的缩合过程，这一过程包括多肽链合成的起始、延长和终止三个阶段。第50页，共93页，2023年，2月20日，星期二包括以下几个步骤：核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核蛋白体大亚基结合。一、多肽链合成的起始阶段（一）原核生物翻译起始复合物形成第51页，共93页，2023年，2月20日，星期二IF-3IF-11.核蛋白体大、小亚基分离：

IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核蛋白体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。第52页，共93页，2023年，2月20日，星期二AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基的精确定位结合：第53页，共93页，2023年，2月20日，星期二S-D序列原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为S-D序列（核蛋白体结合位点，RBS）。而原核16SrRNA存在一段富含嘧啶的序列，二者之间可通过碱基配对，使mRNA与核蛋白体小亚基结合。第54页，共93页，2023年，2月20日，星期二在mRNA上紧接S-D序列之后的序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1辨认结合。通过上述两种机制，使mRNA能与核蛋白体小亚基精确定位结合。第55页，共93页，2023年，2月20日，星期二IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基IF-3IF-1AUG5'3'起始

fMet-tRNAimet以及IF2-GTP一起，识别结合小亚基P位，并对应模板mRNA的起始密码AUG。第56页，共93页，2023年，2月20日，星期二IF-3IF-1IF-2-GTP-GDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合体形成：AUG5'3'

IF2结合的GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAifMet构成起始复合体。第57页，共93页，2023年，2月20日，星期二（二）真核生物翻译起始复合体形成真核生物翻译起始复合体的形成过程与原核生物类似，但参与的蛋白因子更多。核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。第58页，共93页，2023年，2月20日，星期二met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻译起始复合体形成过程第59页，共93页，2023年，2月20日，星期二多肽链合成的延长阶段由一循环反应过程来完成，即核蛋白体循环；每次循环增加一个氨基酸残基。二、多肽链合成的延长阶段第60页，共93页，2023年，2月20日，星期二活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环（ribosomalcycle）。核蛋白体循环包括多肽链合成的进位、成肽和转位三步反应。第61页，共93页，2023年，2月20日，星期二1.进位（entrance）：又称注册（registra-tion），即与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的A位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF-T参与。第62页，共93页，2023年，2月20日，星期二2.成肽（peptidebondformation）：成肽是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到A位上的氨基酰tRNA上，与其-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。第63页，共93页，2023年，2月20日，星期二成肽反应过程第64页，共93页，2023年，2月20日，星期二3.转位（translocation）：延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可促进核蛋白体向mRNA的3´侧移动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从A位移到P位。此步骤需GTP和Mg2+参与。第65页，共93页，2023年，2月20日，星期二转位反应过程第66页，共93页，2023年，2月20日，星期二此时，核蛋白体的A位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白体E位上脱落。第67页，共93页，2023年，2月20日，星期二进位转位成肽核蛋白体循环的反应过程第68页，共93页，2023年，2月20日，星期二核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入A位。1．识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的A位。

2．水解：RF使转肽酶变为酯酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。3.脱离：模板mRNA、RF以及空载tRNA与核蛋白体脱离。

三、肽链合成的终止阶段第69页，共93页，2023年，2月20日，星期二多肽链合成的终止过程第70页，共93页，2023年，2月20日，星期二多肽链合成终止演示UAG5'3'RFCOO-第71页，共93页，2023年，2月20日，星期二第三节蛋白质合成后加工和输送Section3PosttranslationalProcessing&TransportationofProtein第72页，共93页，2023年，2月20日，星期二从核蛋白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。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。第73页，共93页，2023年，2月20日，星期二新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整的空间构象。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，即一级结构是空间构象的基础。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、蛋白辅助。一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质第74页，共93页，2023年，2月20日，星期二几种有促进蛋白折叠功能的大分子分子伴侣（molecularchaperon）；蛋白二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase,PDI）；肽-脯氨酰顺反异构酶（peptideprolylcis-transisomerase,PPI）。第75页，共93页，2023年，2月20日，星期二1.分子伴侣：分子伴侣是细胞内一类保守蛋白质，可识别多肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。包括：⑴热休克蛋白（heatshockprotein,HSP）：HSP70、HSP40和GreE族⑵伴侣素（chaperonins）：GroEL和GroES家族第76页，共93页，2023年，2月20日，星期二2.蛋白二硫键异构酶：多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔中活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。第77页，共93页，2023年，2月20日，星期二3.肽酰-脯氨酰顺反异构酶：多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。第78页，共93页，2023年，2月20日，星期二N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸残基，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。二、一级结构的加工修饰①去甲酰化：甲酰化酶甲酰蛋氨酸-肽甲酸+蛋氨酸-肽②去蛋氨酰基：蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酰-肽蛋氨酸+肽

（一）N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除第79页，共93页，2023年，2月20日，星期二由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。（二）氨基酸的共价修饰由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。（三）多肽链的水解修饰第80页，共93页，2023年，2月20日，星期二鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰NC信号肽PMOCKRKR103肽(？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin第81页，共93页，2023年，2月20日，星期二三、空间结构的修饰（一）亚基的聚合具有四级结构的蛋白质由两条以上的多肽链通过非共价键聚合形成寡聚体。（二）辅基的连接结合蛋白合成后需要结合相应的辅基才能成为具有天然活性的蛋白质。