七章蛋白质生物合成

ThecentraldogmaDNARNAProtein翻译Chapter7

ProteinBiosynthesis(Translation)合成体系蛋白质生物合成蛋白质合成过程翻译后的加工mRNA是翻译的直接模板tRNA和氨基酰-tRNA核糖体是肽链合成的场所翻译的起始肽链的延长(核糖体循环)肽链合成的终止高级结构的修饰一级结构的修饰蛋白质合成后的靶向输送蛋白质的生物合成（翻译）－－将核酸中由4种核苷酸序列编码的遗传信息，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。1ProteinBiosynthesisSystem参与蛋白质生物合成的物质三种RNA20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、无机离子mRNA（messengerRNA）rRNA（ribosomalRNA）tRNA（transferRNA）mRNAandcodenmRNA是遗传信息的携带者Cistron(顺反子)：遗传学中，编码一个多肽的遗传单位。Polycistron(多顺反子)：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。Singlecistron(单顺反子)：真核mRNA只编码一种蛋白质。原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核糖体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP5

3

蛋白质PPPmG-5

3

蛋白质mRNA上存在遗传密码mRNA分子上从5

至3

方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(tripletcoden)。initiationcoden(起始密码):AUG

terminationcoden(终止密码):UAA，UAG，UGA

第三个字母UCAGUCAGUCAGUCAG遗传密码表－－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。openreadingframe,ORF开放阅读框架连续性(commaless)遗传密码的特点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。基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)。degeneracy简并性

遗传密码中，除色氨酸(Trp)和甲硫氨酸(Met)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。三联密码的简并性universal通用性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。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。生物密码子线粒体DNA编码的氨基酸核DNA编码的氨基酸所有UGA色氨酸终止子酵母CUA苏氨酸亮氨酸果蝇AGA丝氨酸精氨酸哺乳类AGA/G终止子精氨酸哺乳类AUA甲硫氨酸异亮氨酸wobble摆动性转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。密码子、反密码子配对的摆动现象Ribosome

多肽链合成的装置核蛋白体的组成原核生物核糖体真核生物核糖体电镜下观察到原核生物核糖体的结构原核生物翻译过程中核糖体结构模式E位：排出位(exitsite)P位：肽酰位(peptidylsite)A位：氨基酰位(aminoacylsite)tRNAandammoniaacidactivity氨基酸的活化反密码环氨基酸臂tRNA的三级结构示意图tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP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(proofreadingactivity)

。氨基酰-tRNA的表示方法:Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet根据序列和活性位点的结构的不同，氨酰tRNA合成酶可以被分为两大类：类型I含有两个高度保守的序列基序，这类酶所催化的氨酰化发生在tRNA上腺苷的2'-羟基上，并且酶分子通常的活性形式为单体或二聚体。包括GluRS、GlnRS、ArgRS、CysRS、MetRS、ValRS、IleRS、LeuRS、TyrRS和TrpRS，其中CysRS、MetRS、TyrRS和TrpRS为同源二聚体，其余为单体类型II含有三个高度保守的序列基序，这类酶所催化的氨酰化发生在tRNA上同一个腺苷的3'-羟基上，并且酶分子通常的活性形式为二聚体或四聚体。例外的是苯丙氨酰tRNA合成酶，虽然被归类于类型II，它催化的氨酰化发生2'-羟基上。

包括GlyRS、AlaRS、ProRS、SerRS、ThrRS、HisRS、AspRS、AsnRS、LysRS和PheRS，其中AlaRS为同源四聚体，GlyRS和PheRS异源四聚体，其余为同源二聚体无论氨酰基开始被连接到腺苷上的哪一个羟基上，最终都会连接到3'羟基上，因为2'-O-氨酰-tRNA会通过酯交换反应（transesterification）转移到3'羟基上。两类氨酰tRNA合成酶都是多结构域蛋白质。典型的情况下，一个氨酰tRNA合成酶是由一个催化结构域和一个反密码子结合结构域（与tRNA上的反密码子作用的区域，来保证氨基酸结合到正确的tRNA分子上）。一些氨酰tRNA合成酶还具有RNA结合结构域和“编辑”结构域，负责将不正确连接的氨酰tRNA重新打开。同一类型中所有的氨酰tRNA合成酶的催化结构域都是同源的，但两个类型（类型I和II）之间却没有同源关系。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化3’5’3’5’氨基酸与tRNA分子结合使氨基酸本身被活化，利于下一步形成肽键的反应。tRNA可携带氨基酸到mRNA的指定部位，使氨基酸被掺入到肽链合适的位置。原核生物：fMet-tRNAifMet真核生物：Met-tRNAiMet（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA2TheProcessofProteinBiosynthesis

initiationelongationtermination整个翻译过程可分为：翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。一、肽链合成起始指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(translationalinitiationcomplex)。（一）原核生物翻译起始复合物形成核糖体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA（fMet-tRNAifMet

）的结合；核糖体大亚基结合。起始因子生物功能原核生物IF-1占据A位，防止其它tRNA结合IF-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tRNA的敏感性原核生物各种起始因子的生物功能IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离IF-3IF-1IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合AUG5'3'S-D序列－－细菌的mRNA通常含有一段富有嘌呤碱基的序列，位于起始AUG序列上游10个碱基左右的区域，能与16s-rRNA3’端的7个嘧啶碱基进行互补识别，以帮助从起始AUG处开始翻译。IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAifMet)结合到小亚基AUG5'3'IF-3IF-14.核糖体大亚基结合，起始复合物形成GTPGDP＋PiIF-1IF-3IF-2AUG5'3'（二）真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA(Met-tRNAiMet)与小亚基结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。起始因子生物功能真核生物eIF-1AeIF-1A稳定起始复合体eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合eIF-3促进大小亚基分离eIF-4F复合物eIF-4A结合mRNA5’帽子,促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4GeIF-5eIF-5B促进各种起始因子从小亚基上分离，进而结合大亚基真核生物各种起始因子的生物功能eIF3MetInitiatortRNAeIF2MeteIF3eIF2AUG40S43SmRNAeIF4FMet48SAUGMet48SAUGeIF1AeIF1eIF1eIF1AScanningMet48SAUGeIF1eIF1AeIF5B60SeIF5eIF1eIF1AeIF4FMetAUGeIF5BeIF5Met80SAUGTranslationeIF5BeIF5AUGAUG40SScanningTranslationinitiationmRNAIRESAUGTranslationinitiationAUG40SsubunitentersIRESsitedirectly80S80S(a)TranslationinitiationatAUGchosenbyscanning(b)TranslationinitiationatIRESsite40SAUGAUGmRNAIRES：内部核糖体进入序列二、肽链合成延长根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，又称为核糖体循环(ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation)延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)、EF-G真核生物：EF-1、EF-2原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-αEF-Ts调节亚基EF-1-βγEFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子（一）进位又称注册(registration)指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。（二）成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。1212（三）转位延长因子EF-2（EF-G）有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3'侧移动。1212进位转位成肽

三、肽链合成的终止当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体等分离，这些过程称为肽链合成终止。

与终止相关的蛋白因子－－释放因子(releasefactor,RF)

原核生物释放因子：RF真核生物释放因子：eRF是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。是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。释放因子的功能原核肽链合成终止过程真核肽链合成终止过程多聚核糖体(polysome)——使蛋白质合成高速、高效进行。电镜下的多聚核糖体现象3PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation从核糖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一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核糖体上一出现，肽链的折叠即开始。可能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。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)1.热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族

2.伴侣素(chaperonins)GroEL和GroES家族分子伴侣分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用——结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。HSP40结合待折叠多肽片段HSP70-ATP复合物HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物ATP水解GrpEATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程伴侣素的主要作用——为非自发性折叠蛋