蛋白质翻译.ppt

1、,Protein Biosynthesis (Translation),蛋白质的生物合成(翻译),第十二章,翻译：translation 即蛋白质生物合成。,蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。,主要内容,第一节、参与蛋白质合成的物质 第二节、蛋白质生物合成过程,第一节 蛋白质合成体系 Protein Biosynthesis System,生物体内的各种蛋白质都是生物体利用约20种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：

2、mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸残基的排列顺序； tRNA：搬运氨基酸的工具； 核蛋白体：蛋白体生物合成的场所； 酶及其他蛋白质因子； 供能物质及无机离子。,蛋白质合成体系,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）。 真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。,一、 mRNA是翻译的模板,mRNA结构简图,mRNA上存在遗传密码,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

3、残基组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码子(coden)。共有64种不同的密码。,遗传密码具有以下特点： 连续性； 简并性； 通用性；（但在线粒体或叶绿体中特殊）摆动性；方向性，即解读方向为5 3 ； 起始密码：AUG；终止密码：UAA、UAG、UGA。,遗传密码的特点,1. 连续性（commaless）,编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间隔也无重叠。,重叠密码,非重叠连续的密码,不连续的密码,ORF,从mRNA 5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条多肽链，称为开放阅读框架(open reading fra

4、me, ORF)。,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24个或多至6个密码子为之编码。,同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象，叫做简并性。 同义密码子：对应于同一种氨基酸的不同密码子。,遗传密码的简并性,3. 摆动性（wobble）,tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为摆动性。,摆动配对,4. 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。 有少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。 密码的通用性进

5、一步证明各种生物进化自同一祖先。,二、 rRNA和核蛋白体,氨基酸首先在核糖体内合成蛋白质，再输送至细胞其它组分中。 核糖体由大、小亚基构成。亚基中含有不同的蛋白质和RNA。,核蛋白体的组装,核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能： 1小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2大亚基： （1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右） 受位或氨酰基部位，可与新进入的氨酰tRNA结合；P位（左）给位或肽酰基部位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。 E位：排出位（Exit site） （2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨酰tRNA，形成肽键。 （3）具有GTPase活性，水解

6、GTP，获得能量。 （4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。,原核生物核蛋白体结构模式,三、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,tRNA在翻译过程 中起接合体（adaptor） 作用，又是氨基酸的运载体。,在氨酰tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨酰tRNA ，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。 tRNA反密码环中部的三个核苷酸残基构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码子(anticoden)。,能够识别mRNA中5端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。 在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰

7、蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即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。,真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet,起始肽链合成的氨基酰-tRNA,fMet-tRNAifMet的生成：,四、起动因子（IF）,一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。 原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1- 3。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。 作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。,五、延长因子（EF）,

8、原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。 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。,六、释放因子（RF）,原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。 主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。,氨基酸 + tRNA,氨基酰- tRNA,ATP,AMPPPi,氨基酰-tRNA合成酶,该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨酰tRNA的合成有关。,七、氨基酰tRNA合成酶,(aminoacyl-tRNA synthetase),第一步反应,氨基酸ATPE 氨基酰-AMP-EAMP PPi,第二步反应,氨基酰-AMP-E

9、tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,每种氨酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性。 目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。,氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proof-reading activity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet,八、供能物质和无机离子,多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。,第二节 蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesi

10、s,蛋白质合成中 mRNA模板的方向：5 3； 蛋白质的合成方向：N端 C端。 蛋白质生物合成过程包括三大步骤： 氨基酸的活化与搬运 肽链的形成 多肽链合成后的加工修饰,氨基酸 + tRNA,氨基酰- tRNA,ATP,AMPPPi,氨基酰-tRNA合成酶,一、氨基酸的活化与搬运,氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。其反应过程为：,在此反应中，特异的tRNA3端CCA上的2或3位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酸tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。 氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸 活化；搬运；定位。,二、

11、肽链的形成,活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。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（ribosomal cycle)。 核糖体循环可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似。,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。 参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。,（一）起动阶段：,参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。原核

12、生物起始因子有三种： IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。 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敏感性。,原核生物翻译起始复合物形成,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。,IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,S-D 序列(Shine-Dalgarno sequence) ：在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（

13、ribosomal binding site，RBS),S-D序列,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA与小亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,起始过程消耗1个GTP。,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结合； mRNA在核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。,真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。,真核生物翻译起始因子,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物翻译起始的特点 核蛋白体是80S

14、； 起始因子种类多； 起始tRNA的Met不需甲酰化； mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关； 起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA,(二)、肽链的延长,指按照mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步： 进位（entrance） 成肽（peptide bond formation） 转位（translocation）,肽链合成的延长因子,1.进位,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。,此步骤

15、需GTP，Mg2+，和EF参与,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,2. 成肽,是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。此步骤需Mg2+，K+。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。,3.转位,延长因子EF-G有转位酶（translocase ）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动。,核蛋白体向mRNA的3- 端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。 此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA

16、即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长.,fMet,fMet,真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。 另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,真核生物延长过程,（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、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,肽链合成终止包括： 终止密码的辨认 肽链从肽-tRNA上水解 mRNA从核糖体中分离 核糖体大小亚基的拆分,终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF),识别终止密码，如RF-1特异识别UA

17、A、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。,释放因子的功能,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,1识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。 2水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。 3解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。,原核肽链合成终止过程,RF,翻译过程,起始,核糖体循环,核糖体循环,终止,原核生物蛋白质合成的能量计算 氨基酸活化：2个PATP 起始： 1个GTP 延长： 2个GTP 终止： 1个GT

18、P 结论：每合成一个肽键至少消耗6个P。,多聚核蛋白体 （polysome) 一个mRNA分子可同时有多个核蛋白体在进行同一种蛋白质的合成，这种mRNA和多个核蛋白体的聚合物称为多聚核蛋白体。,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。,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,肽链一级结构的修饰 多肽链折叠为高级结构及其修饰,三、多肽链合成后的加工修饰,（一）一级结构的加工修饰： 1肽链N端的修饰 N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 去甲酰化： 甲酰化酶 甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽 去蛋氨酰基： 蛋氨酸氨基肽酶 蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽,2氨基酸的修饰：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。 3二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。 4肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。,（二）高级结构的形成及修饰：,1构象的形