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1、蛋白质的生物合成（翻译）Protein Biosynthesis，Translation,第 十 四 章,蛋白质的生物合成，即翻译，就是将核酸中由 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。,蛋白质生物合成体系Protein Biosynthesis System,第 一 节,参与蛋白质生物合成的物质包括,三种RNAmRNA（messenger RNA,信使RNA）rRNA（ribosomal RNA,核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA,转移RNA）,合成原料 20种氨基酸(AA),参与的蛋白质因子、酶及酶的辅助因子 起
2、始因子、延长因子、释放因子、转肽酶、氨基酰-tRNA合成酶,能源 ATP主要参与氨基酸的活化,GTP提供翻译起始、延长、终止阶段 所需能量,一、mRNA是蛋白质合成的模板,mRNA是遗传信息的携带者,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)。真核细胞mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron)。,遗传密码表,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，每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
3、读框架(open reading frame,ORF)。,遗传密码的特点,1.方向性,mRNA分子中遗传密码阅读方向是从 53,2.连续性,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。,基因转录后存在一种对mRNA外显子加工过程，通过特定碱基的插入、缺失或置换，导致mRNA的移码、错义突变或提前终止，使得同一mRNA前体翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑(mRNA editing)。,3.简并性,遗传密码中，除Met、Trp外，其余氨基酸均由2个以上密码子为其编码。同义密码子 但每一个密码子仅对应一个氨基酸。,不同物种对密码子有“偏爱
4、性”。,4.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。,5.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。,U,U,摆动配对,密码子、反密码子配对的摆动现象,二、核糖体是多肽链合成的装置,12/56,组成、结构与功能特点：,结构复杂而精密 由数种rRNA（占60%左右）及多种蛋白质组成。,rRNA起着主导的作用，蛋白质协助维 持rRNA的功能区域。,12/56,核糖体的组成
5、,三、tRNA是蛋白质合成的搬运工具,反密码环,氨基酸臂,tRNA的三级结构,氨基酸+tRNA,氨基酰-tRNA,(aminoacyl-tRNA synthetase),（一）氨基酸的活化与氨基酰-tRNA合成酶,第一步反应：酶找相应的氨基酸,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi,第二步反应：酶找相应的tRNA,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,氨基酰tRNA合成酶有20种，分别特 异性识别相应的20种氨基酸和相应的 tRNA。,氨基酰tRNA合成酶的活性是绝对专 一性的，酶同时对氨基酸和tRNA高 度特异地识别。,氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性
6、(proofreading activity)。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,（二）氨基酰-tRNA的表示方法,转甲酰基酶,N10-CHO-FH4,20/56,大肠杆菌起始密码子编码的met须甲酰化,真核细胞起始密码子编码的met不须甲酰化,蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,第 二 节,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，多肽链的合成是从
7、N端向C端，直至终止密码出现。,翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination),一、翻译的起始,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)。参与这一过程的多种蛋白质因子，称为起始因子(initiation factor,IF)。,核糖体大小亚基分离mRNA在小亚基上定位结合起始氨基酰-tRNA的结合 70S起始复合物形成,（一）原核生物的翻译起始过程,IF-3,IF-1,1.核蛋白体大小亚基分离,2.mRNA在小亚基定位结合,S-D序列(Shi
8、ne-Dalgarno,RBS),rps(ribosomal protein in small subunit),IF-3,IF-1,3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,原核生物各种起始因子(IF)的生物功能,IF-3 结合30S小亚基，促进大小亚基分离；提高P位对结合起始tRNA敏感性,IF-2 促进起始tRNA与30S小亚基结合,IF-1 占据A位防止结合其他tRNA；阻止大 小亚基的结合,（二）真核生物的翻译起始过程,核糖体大小亚基分离起始氨基酰-tRNA结合；mRN
9、A与核糖体小亚基结合小亚基沿mRNA扫描查找起始点80S起始复合物形成,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物与原核生物翻译起始的不同点,1.起始Met-tRNAiMet不需甲酰化,2.eIF种类多,3.小亚基先与Met-tRNAiMet结合,再与 mRNA结合,5.ATP和GTP供能,4.mRNA与40s亚基的结合依靠帽子结合 蛋白(CBP)与mRNA帽子结构的识别结合,二、肽链延长,指根据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。,每次循环包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptide bond formation)转位(transloc
10、ation),肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，称为核糖体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸。,延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：eEF-1、eEF-2,又称注册(registration),（一）进位,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位。,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,目 录,（二）成肽,指在肽基转移酶的作用下，将P位点的肽酰基转移到A位点的氨基酰-tRNA上，在A位形
11、成肽键，使肽链延长。,（三）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，促进核糖体向mRNA的3侧移动。,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，真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,（四）真核生物延长过程,肽链合成的延长因子,三、翻译的终止,当核糖体A位出现mRNA的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分离，这些过程称为肽链合成终止。,34/56,RF-3：促进RF-1或RF-2与核糖体结合，诱导 肽基转移酶变为酯酶活性
12、，催化肽酰 基转移到水分子-OH上，使肽链从核 糖体上释放，并水解GTP。,真核生物的释放因子：eRF；eRF可识别三种密码子,并需GTP供能。,RF-1：UAA，UAG,RF-2：UAA，UGA,终止相关的蛋白质因子称为释放因子（release factor，RF）,RF,原核肽链合成终止过程,39/56,多聚核糖体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行,39/56,蛋白质合成能量消耗情况,1.氨基酸活化：2个ATP,2.翻译起始：原核生物1个GTP 真核生物1个GTP，1个ATP,3.翻译延长：每形成一个肽键需2个GTP,4.翻译终止：1个GTP,ATP总消耗数：2n+2(n-1
13、)+2(真核3),n为多肽链氨基酸残基的数目,第 三 节,翻译后加工及蛋白质输送Posttranslational Processing&Protein Transportation,主要包括:,新生肽链的折叠肽链一级结构的修饰空间结构的修饰,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。,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、模体、结构域到形成完整空间结构。,一般认为，多肽链自身氨基酸顺序
14、储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间结构的基础。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、蛋白质辅助。,几种有促进蛋白折叠功能的大分子,1.分子伴侣(molecular chaperon)2.蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl cis-trans isomerase,PPI),(1)热激蛋白70(heat shock protein,HSP70)家族 HSP70、HSP40和GrpE成员(2)热激蛋白60(HSP60)家族/伴侣素 HSP60和HSP10/GroEL和GroE
15、S,1.分子伴侣(molecular chaperon),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。包括两大家族：,原核生物,（一）去除N末端蛋氨酸残基,脱甲酰基酶,氨基肽酶,真核细胞,二、一级结构的修饰,（二）个别氨基酸的修饰,磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸,羟基化：脯氨酸，赖氨酸,酰基化：组氨酸,甲基化：色氨酸,核糖基化：精氨酸,意义：调节蛋白质结构与功能。,两个Cys的-SH脱H氧化而成,（三）二硫键的形成,-SH HS-,-S-S-,鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,（四）多蛋白的加工,（五）蛋白质前体中不必要肽段的切除,无活性的酶
16、原转变为有活性的酶，常需要去掉一部分肽链，如胰蛋白酶原酶解生成胰蛋白酶，分泌型蛋白质“信号肽”的切除。,某些新生蛋白质含有部分间隔顺序等待剪切，其意义类似于hnRNA中的内含子，此片段称为内蛋白子(intein)。,三、高级结构的修饰,（一）亚基聚合,蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素等结合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、血红蛋白等结合蛋白质。,具有四级结构的蛋白质需进行亚基之间的聚合。如血红蛋白4个亚基的聚合。,（二）辅基连接,（三）脂肪酰化,蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送(protein targeting)。,四、蛋白质合成后的
17、靶向输送,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。,信号序列(signal sequence),（一）分泌蛋白的靶向输送,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,信号肽(signal peptide),各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。,信号肽结构特点：1336个氨基酸组成，分三个区段 N端有带正电荷的氨基酸，如Lye、Arg，长度17个aa，为亲水末端。中间为疏水核心区，以疏水中性氨基酸为主，如Leu、Ile常见，长度1015个aa。C端含有小分子氨基酸，如Gly、ala
18、、Ser，是被信号肽酶裂解的部位。,（二）线粒体蛋白的靶向输送,（三）细胞核蛋白的靶向输送,蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference&Inhibition of Protein Biosynthesis,第 四节,蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。,可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。,抗生素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑
19、制细菌的一类药物。,某些毒素也作用于基因信息传递过程。,四环素族,嘌呤霉素作用示意图,二、其他干扰蛋白质生物合成的物质,毒素(toxin)细菌毒素和植物毒素干扰素(interferon),1.白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理,白喉毒素,+,+,2.植物毒素,某些植物毒蛋白也是肽链合成的阻断剂。比如，南方红豆所含的红豆碱与蓖麻籽所含的蓖麻蛋白都可与真核生物核糖体60S大亚基结合，抑制肽链延长。,1.干扰素(interferon),干扰素诱导的蛋白激酶,dsRNA,（1）干扰素诱导eIF2磷酸化而失活,ATP,eIF2,ADP,eIF2-P（失活）,Pi,磷酸酶,三、其他蛋白质合成类阻断剂,（2）干扰素诱导病毒RNA降解,2.eIF-2蛋白激酶,
