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1、第38章 蛋白质合成及转运,蛋白质合成的分子基础 翻译的步骤 蛋白质的运输及翻译后修饰,*翻译（translation）指以新生的mRNA为模板，把核酸中由A、G、C、U四种符号组成的遗传信息，破译为蛋白质分子中20种氨基酸排列顺序。,模板：mRNA 原料：20种编码氨基酸 氨基酸运载体：tRNA 场所：核蛋白体 酶：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶 蛋白质因子：IF、EF、RF 能量（ATP、GTP）,（一）mRNA是蛋白质合成的模板,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，称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。,一、蛋白质合成的分子基
2、础,遗传密码,开放阅读框架内每3个碱基组成的三联体，决定一个氨基酸，称为遗传密码。,起始密码子(initiation codon)：AUG终止密码子(termination codon)：UAA、UAG、UGA,密码子（codon）,起始密码子和终止密码子：,遗传密码的破译,1954年Gamov对遗传密码进行探讨，提出三联体(triplet)1961年Francis H.C.Crick的实验结果表明三联体密码学说正确，提出遗传信息在核酸分子上以非重叠、无标点、三联体的方式编码同年，Franois Jacob和Jacques Monod证明了mRNA的存在,Nirenberg等人工合成mRNA并
3、寻找氨基酸和三连密码子的关系Nirenberg用均聚核糖核苷酸作模板指导多聚氨基酸合成，破译Poly U、poly A、poly C是最早破译的密码子Khorana等用化学合成结合酶促反应合成含二三四核苷酸重复序列的多聚核苷酸作模板找出氨基酸的密码子1966年完全确定编码20种氨基酸的密码子（全部64个密码子）,-1966：破译遗传密码,Nobel Prize in 1968,Robert W.Holley,Har Gobind Khorana,Marshall Nirenberg,利用重复共聚物破译密码,20种氨基酸的遗传密码字典,密码的基本单位密码的简并性（degeneracy）密码的变偶
4、性/摆动性（wobble）密码的通用性（universal）,遗传密码的基本特性,密码的基本单位,密码的阅读方向是5 3密码为不重叠，无标点的三联体密码翻译时许从起始密码AUG开始确定阅读框架（reading frame）移码突变是非常严重的突变,翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。,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(fram-shift mutation)。,密码的简并性（degeneracy）,一个氨基酸可具有多个密码子 氨基酸密码子 数目与该氨基酸残基在蛋白质中的使用频率有关，频
5、率越大密码子数越多,密码的变偶性（wobble）,密码子专一性取决于前两个密码子，第三个密码子作用有限，tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时前两位碱基配对严格第三位碱基可有一定变动这个现象称变偶性。即一个tRNA反密码子可识别多个简并密码子。在tRNA反密码子中除A、U、G、C四种碱基外，经常出现次黄嘌呤（I）。可与U、A、C配对，使次黄嘌呤反密码子可识别更多的反密码子。实验证明，酵母丙氨酸反密码子IGC可阅读GCU、GCC、GCA。,U,3 2 1,1 2 3,摆动配对,变偶性,反密码子与密码子之间的碱基配对,密码子数,108642,1 2 3 4 5 6,蛋白质中残基的百分数,密码的
6、通用性（universal）和变异性（variability）,从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套“通用密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。线粒体以及少数生物体的密码子有变异。,已知的线粒体变异密码子,密码防错系统,密码编排方式使得密码子中一个碱基被置换结果常是编码相同的氨基酸或以物理化学性质相近的氨基酸取代。使基因突变造成的伤害降到最低限度。,防错系统,原核生物和真核生物mRNA的比较,起始密码的选择,原核,mRNA是蛋白质合成的模板,辨认起始密码子是翻译起始的必须步骤：确定阅读框架按照不重叠三
7、联体密码子翻译产生对应的氨基酸并形成肽键当到达终止密码时，合成结束，肽链释放通常终止密码不止一个，而是连续出现2-3个终止密码对于某些病毒，如果中间有起始密码，则一条mRNA可产生2条或多条肽链,阅读框架,反密码环,氨基酸臂,（二）tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上,tRNA的接头（adaptor）作用,3-端上的氨基酸接受位点识别氨酰-tRNA合成酶的位点核糖体识别位点反密码子位点,密码子-反密码子的识别,tRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。,密码子与反密码子的阅读方向均为5 3，两者反向平行配对。,基因间的校正突变,氨基酰-tRNA
8、合成酶具有绝对专一性，对氨基酸、tRNA两种底物都能高度特异性地识别。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。,氨基酸活化形成氨基酰-tRNA,氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet,真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet,起始肽链合成的氨基酰-tRNA,tRNA 3末端,N-甲酰甲硫氨酸(fmet)的合成,（三）核蛋白体（核糖体）是肽链合成的场所,30S,60S,40S,50S,70S,80S,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptid
9、yl site),E位：排出位(exit site),核糖体结构与功能,A位点（氨酰基位点）结合氨酰-tRNA的位点,P位点（肽酰基位点）结合肽酰-tRNA的位点,分为三个阶段 翻译的起始 翻译的延长 翻译的终止以原核生物为例,二、翻译的步骤,参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,翻译的起始,翻译起始是把带有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA连同mRNA结合到核蛋白体上，生成翻译起始复合物（translational initiation complex），此过程需要多种起始因子的参与。,识别mRNA的起始密码子为AUG，AUG对应的氨基酸为Met。有两种甲硫氨酸专一性的tRNA：tRNAi
10、Met只与起始密码子结合 tRNAMet只与肽链内部的AUG有关在原核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲酰甲硫氨酸。,4.核蛋白体大亚基结合,原核生物起始复合物的生成,1.核蛋白体亚基的分离,2.mRNA在核蛋白体小亚基上就位,3.fmet-tRNAf的结合,70S,70S起始复合物(70S initiation complex),30S亚基-mRNA-50S亚基-fMet-tRNAMet复合物。此时fMet-tRNAMet占据着P位，而A位暂为空位，等待能与第二个密码子匹配的氨酰-tRNA进位。,SD序列：大肠杆菌mRNA起始密码AUG的上游813个核苷酸处，有46个核苷酸 组成的富含嘌呤的序
11、列。这一序列以AGGA为核心，称之为SD序列。该序列与30s小亚基上16srRNA 3-端富含嘧啶序列结合，稳固了mRNA与小亚基的结合。因此又称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS）。,核蛋白体小亚基蛋白,SD序列,IF-3,IF-1,核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,mRNA在小亚基定位结合,IF-3,IF-1,起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,肽链的延长,翻译过程的肽链延长有3
12、个重复的延伸反应。进位/注册（registration）转肽（transpeptidation）移位（translocation）,进位,指氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，进入核蛋白体的A位。需EF-T的协助。,P A,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,转肽,A、P位的氨基酸形成肽键,P A,P A,P位上tRNAimet所携带的甲酰甲硫氨酰（fmet）转移到A位，与A位上的氨基酸形成肽键,生成的二肽酰-tRNA在A位,P位上无负载的tRNA,移位,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
13、白体向mRNA的3侧移动。,fMet,fMet,肽链延长,通过以上三步，完成了氨基酸的一轮添加。每延伸一个氨基酸，需要消耗2分子GTPGDP。(进位和移位)随着核糖体在mRNA上从53方向滑动，新生链从 N端C端延伸。mRNA上的核苷酸序列被“翻译”成多肽链上的氨基酸序列每添加1个氨基酸需要消耗4个高能键,原核肽链合成终止过程,终止相关的蛋白因子称为释放因子(release factor,RF),一是识别终止密码；二是诱导转肽酶改变为酯酶活性,释放因子的功能,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3,RF,多聚核蛋白体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,四环素族,蛋白质合
14、成的抑制剂,蛋白质生物合成的抑制剂,真核生物多肽链的合成,真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂起始氨基酸为Met，不是fMet肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首 先识别mRNA的5端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞,三、蛋白质的运输及翻译后修饰,新生的蛋白质要被准确地运送到细胞的各个部分，如溶酶体、线粒体、叶绿体、细胞质和细胞核等，以更新其结构组成和维持其功能。,信号肽（single peptide）：未成熟分泌性蛋白质中可被细胞转运系统识别的特征性氨基酸序列。
15、富含疏水性氨基酸。有碱性N-末端、疏水核心区和加工区三个区段。,信号肽假说简图,信号肽识别体（signal peptide recognization particles,SRP）,蛋白质靶向运输到内质网,1.蛋白质在核糖体上合成2.首先合成出信号肽(段)3.信号肽被信号识别体(SRP)蛋白结合，肽链的延伸停止4.SPR与内质网膜上的SPR受体结合，核糖体与内质网膜上核糖体受体结合5.SPR释放6.肽链延长重新开始，完成蛋白质合成7.信号肽酶切除信号肽，蛋白质释放入内质网腔内,一些多肽链上N-端的信号肽的结构,蛋白质的翻译后修饰,肽链末端的修饰：N-端fMet或Met的切除信号序列的切除二硫键的形成部分肽段的切除个别氨基酸的修饰糖基侧链的添加辅基的加入,胰岛素原的加工,A链区,HS,C,小结,mRNA、tRNA、rRNA的作用遗传密码的特点：简并性、变偶性、通用性和变异性起始密码、终止密码以原核生物为例，说明蛋白质生物合成的过程（包括各种酶及蛋白质因子）。SD序列；多聚核糖体；信号肽,
