第十二章翻译ppt课件.ppt

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1、蛋白质的生物合成（翻译）Protein Biosynthesis,Translation,第 十 二 章,DNARNAProtein开场动画DNA Transcription and Protein Assembly.flv,中心法则,蛋白质,RNA,DNA,DNA,DNA,90%能量用于蛋白合成15,000个核糖体，100,000相关蛋白因子，200,000个tRNA，可占一个大肠杆菌细胞干重的 35%大肠杆菌中，100个氨基酸残基的多肽约5秒即可合成,蛋白质合成在细胞生命活动中的地位,*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，解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸

2、的排列顺序。,目 录,第3节 翻译后加工及输送,第2节 蛋白质生物合成过程,第1节 蛋白质生物合成体系,第4节 蛋白质合成的干扰和抑制,第一节 蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System,参与蛋白质生物合成的物质,蛋白因子（IF、EF、RF、RR）无机离子、ATP、GTP,Protein,20种-氨基酸原料,模板mRNA,Pr.合成酶系,运载体tRNA,核蛋白体,一、氨基酸,二、mRNA,三、核糖体（rRNA）,四、tRNA,一、氨基酸原料,20种L-氨基酸,多肽链的形成及其方向性,参与蛋白质合成的三种RNA,mRNA（messenger RNA,信使RNA）rRNA

3、（ribosomal RNA,核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA,转移RNA）,mRNA-蛋白质合成的直接模板，遗传密码的携带者,二、mRNA 的作用,（二）mRNA结合核糖体序列,（三）携带遗传密码,（一）单顺反子和多顺反子,（一）单顺反子和多顺反子,遗传学上，编码一个多肽的遗传单位称为顺反子,原核生物mRNA为多顺反子,真核生物mRNA为单顺反子,多顺反子,5,3,5,3,单顺反子,（二）mRNA结合核糖体序列,1.S-D序列(Shine-dalgarno squence;也叫做核糖体结合序列RBS)：5 AGGAGG 3 或类似序列，位于原核细胞 mRNA 头端，可与核糖

4、体16S rRNA的一段保守序列形成互补。2.rpS-1识别序列：可与核糖体小亚基蛋白rpS-1结合,rpS-1：核糖体小亚基识别蛋白,通过RNA-RNA，以及RNA-蛋白间相互识别结合，从而确保mRNA上的AUG起始密码子能在核糖体小亚基P位点上准确定位。,3.真核细胞 mRNA 头端有帽子结构 真核细胞 mRNA 5端帽子结构，可以与一类帽结合蛋白结合，参与mRNA在核糖体上的定位结合，启动蛋白生物合成。,（三）携带遗传密码,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(triplet coden)。,起始

5、密码(initiation coden):AUG 终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA,5,3,起始密码AUG,终止密码UAA/UAG/UGA,开放阅读框,G,U,A,C,A,U,缬氨酸,组氨酸,1.遗传密码表,2.遗传密码的破译,U,U,U,U,U,U,5,3,U,U,U,U,苯,苯,苯,苯,苯,苯,N,C,苯,苯,苯,苯,U,G,U,G,G,U,5,3,G,U,U,G,半,缬,半,缬,缬,半,N,C,缬,半,半,缬,19611966年，遗传密码的破译工作由三位美国科学家Nirenberg、Khorana 和 Holley共同完成，他们共同分享了1968年诺

6、贝尔生理学或医学奖。,3.遗传密码的特点*,（1）方向性,5,3,mRNA的阅读方向5 3,（2）连续性,从起始密码子至终止密码子，mRNA的阅读连续进行，密码子间既无间断也无交叉。,G,G,C,G,A,G,5,3,U,A,A,U,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(frameshift mutation)，或称移码突变。,（3）简并性-多组密码代表同一氨基酸,（3）简并性,一组简并密码子中，第一、二位碱基多相同，第三位不同。,丙氨酸：GUA、GUC、GUG、GUU,丝氨酸：UCA、UCC、UCGUCU、AGU、AGC,（4）摇摆配对（摆动性）,U,U,密码子

7、第三位碱基与反密码子第一位碱基不严格遵守碱基配对规则。,密码子、反密码子配对的摆动现象,（5）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。,动物线粒体和植物叶绿体中的密码系统与“通用密码”存在差异。,线粒体,叶绿体,线粒体起始密码：AUG、AUA、AUU终止密码：AGA、AGG色氨酸：UGA,（二）tRNA 的作用-a Bilingual Translator,反密码环,氨基酸臂,1.结合携带氨基酸,2.识别密码,氨基酰-tRNA合成酶*,H2O,丙氨酸,CH3-CH-C-,OH,O,NH2,O,H,酯 键,氨基酰-tRNA的合成,反应分两步进行,第一步：生成氨基酰-AMP-酶复

8、合物,氨酰tRNA合成酶,ATP,AMP,PPi,第二步：生成氨基酰-tRNA,丙,丙,丙氨酰-tRNA,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性，并具有校正活性,氨基酸,tRNA,ATP,氨基酰-tRNA的表示方法,tRNA,Asp,Asp-,天冬氨酰-tRNA,tRNA,Met,Met-,起始：nitiation,i,参与起始的甲硫氨酰-tRNA,延长：longation,e,参与延长的甲硫氨酰-tRNA,起始氨基酰-tRNA（真）,tRNA,fMet,fMet-,tRNA,Met,Met-,起始,延长,i,e,起始氨基酰-tRNA（原）,（三）rRNA 构成核糖核蛋白体

9、作为多肽链的装配场所,核糖体由rRNA和蛋白质组成,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式,A位：氨基酰位受位(aminoacyl site),P位：肽酰位；给位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),第二节 蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination),整个翻译过程可分为：,1.原核细胞的翻译起始特殊条件：起始因子(initiation factor,IF)1分子 ATP 甲酰甲硫氨酰-tRNA(fmet-tRNAif

10、met)形成翻译起始复合物,（一）起始形成翻译起始复合物,IF-3,IF-1,A.核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,B.mRNA在小亚基定位结合,IF-3,IF-1,C.fmet-tRNAifmet结合到小亚基,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,Pi,D.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,翻译起始复合物:核糖体-mRNA-起始氨基酰tRNA,回 顾,三种RNA在翻译中的作用遗传密码的特点翻译起始复合物的组成，A、P、E位点翻译起始复合物的形成过程,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,Pi,2.真核细胞翻译的起始特殊条件：10 余种起始因子(eIF,eucaryotic ini

11、tiation factor)1 GTP、1 ATPmet-tRNAimet起始复合物的形成,真核生物翻译起始复合物形成过程,原核和真核细胞翻译起始阶段的比较,原核细胞 真核细胞,起始因子 IF 1-3 eIF 1-5能 耗 1 GTP 1 GTP+1 ATP起始 AA-tRNA fmet-tRNAifmet met-tRNAimet起始复合物组分加入顺序,小亚基 mRNA AA-tRNA 大亚基,小亚基 AA-tRNA mRNA 大亚基,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(peptidyl site),E位：排出位(exit s

12、ite),翻译起始动画18-Initiation.swf,条件：延长因子；2 GTP1.延长因子(elongation factor,EF)原核细胞:EF-T,EF-G 真核细胞：EF-1,EF-22.核糖核蛋白体循环*-肽链的延长 进位 成肽 转位,（二）延长核糖核蛋白体循环,肽链合成的延长因子及功能,U,A,C,甲,U,A,C,亮,Tu,GTP,5,促进氨基酰-tRNA进入A位,Tu,Tu,GTP,Ts,Tu,进位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。,延长因子-T催化氨基酰-tRNA进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,

13、GDP,Tu,Ts,GTP,成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,Up-to-date Viewpoint:“核糖体是1种核酶,它催化肽键的形成,将蛋白质生物合成牢牢地控制在RNA的手中。”,23S rRNA肽基转移酶活性部位的序列,转位,U,A,C,甲,G,A,C,亮,5,EF-G,GTP,EF-G,GTP,转位酶活性，促进核糖体前移,EF-G,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。,核糖体循环,fMet,fMet,3.真核生物肽链延长,真核生物肽链延长过程与原核基本

14、相似，但有不同的反应体系和延长因子。,真核细胞核糖体没有E位，空载tRNA直接从P位脱落。,肽链延长过程动画Protein_Synthesis.mov,（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。,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，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA；RF-3不识别终止密码子,但刺激另外两个因子的活性，协助肽链释放。二是诱导转肽酶改变为酯酶水解活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链

15、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,G,C,A,3,RF-1,RF-3,GTP,新生肽链,1.原核生物肽链合成的终止,在基因中，终止密码子总是紧接在编码最后一个氨基酸的密码子后面。任何一个三联密码发生无义突变时都足以终止其基因的蛋白质合成。在原核生物的基因中，UAA是最常见的终止密码，其它依次为UGA和UAG，但阅读UGA存在更多的错误。错误阅读终止密码指一个氨酰-tRNA对它产生错误反应，使蛋白质合成继续进行，直到另一个终止密码出现。,真核生物翻译终止与原核相似，但有不同的释放因子。只有一个因子eRF识别3种终止密码。

16、,2.真核生物肽链合成的终止,多聚核糖体,使蛋白质合成高速、高效进行,比较：真核生物与原核生物蛋白质合成的差异1.核糖体:真核生物-80S,原核生物-70S。2.起始氨酰tRNA：真核-Met-tRNAmet mRNA识别是从5端开始,无SD序列,起始因子识别与mRNA 5端帽子有关。3.80S起始复合物：9种起始因子-eIF-1,2,3,4A,4B,4C,4D,4E,5,4.蛋白激酶参与真核细胞蛋白质合成的调节 蛋白激酶可以催化eIF-2 磷酸化5.释放因子:真核-1种,识别3种终止密码;原核-3种。与原核生物不同的是,真核生物蛋白质生物合成的终止和释放，只需要一种RF，并且它的作用要GTP

17、供能。6.翻译与转录:真核-不偶联;原核-偶联。7.合成速度:真核:慢，3个肽键/核糖体/秒 原核:快，10-15个肽键/核糖体/秒8.顺反子:真核-单顺反子;原核-多顺反子。,多肽链合成之后，还有两个问题：1.功能蛋白如何到达其应该发挥作用的地方？2.合成的多肽链是否就是成熟有活性的蛋白？,蛋白的翻译后加工,蛋白的靶向运输,第三节 蛋白质翻译后修饰和靶向输送Posttranslational Processing&Protein Transportation,一、新生肽链的折叠,二、一级结构的修饰,三、空间结构的修饰,四、蛋白质的靶向输送,一、新生肽链的折叠,甲,苏,甘,丙,色,甘,脯,甲,

18、异,亮,色,甘,赖,甲,苏,天,脯,异,色,脯,赖,H2N,蛋白质折叠为正确的空间构象的信息蕴藏于自身的氨基酸序列之中，但折叠过程需要其它蛋白质因子协助。,协助蛋白质折叠的三类因子,（一）分子伴侣,（二）蛋白质二硫键异构酶,（三）肽-脯氨酰顺反异构酶,（一）分子伴侣,最常见的为：热休克蛋白(heat shock protein,Hsp)和伴侣蛋白(chaperonin)，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。,并不会加快折叠反应速度，而是提高折叠的正确率。,1.热休克蛋白(heat shock protein,HSP又称应激蛋白)HSP70、HSP40和GreE族 2.伴侣

19、素(chaperonins),原核生物的分子伴侣复合体为GroES-GroEL家族；真核生物的分子伴侣复合体为TR1C(TCP1 ring complex)，或CCT(cytosolic chaperonin containing TCP1)。,三种不同类型的蛋白折叠,分子伴侣为肽链折叠提供微环境,分子伴侣,HSP70,HSP40,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白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。,分子伴侣作用动画Chaperone-Mediated_Folding.mov,（二）蛋白质二硫键异构酶,协助蛋白质形成正确的二硫键,（三

20、）肽-脯氨酰顺反异构酶,脯氨酸形成的肽键有顺反异构体，天然蛋白质中绝大部分为反式构型，肽-脯氨酰顺反异构酶可使两种异构体发生转换。,二、一级结构的修饰,（一）N端Met或fMet的切除,（二）特定氨基酸的共价修饰,（三）二硫键的形成,（四）多蛋白的加工,（五）前体中部分肽段的切除,（一）N端Met或fMet的切除,H2N,fMet,Val,Asp,Pro,Ser,H2N,原核生物肽链,H2N,Met,Try,His,Glu,Tyr,H2N,真核生物肽链,（二）特定氨基酸的共价修饰,磷酸化,甲基化,乙酰化,羟基化,羧基化,关键酶共价修饰,胶原蛋白,凝血因子,胶原蛋白含大量的羟脯氨酸和羟赖氨酸,胶

21、原蛋白,凝血因子、和含-羧基谷氨酸，为血凝过程所必需。,（三）二硫键的形成,（四）多蛋白的加工,一个多肽链经切割产生若干个活性多肽。,鸦片促黑皮质素原,促黑激素,内啡肽,脑啡肽,脂酸释放激素,265AA,（五）前体中部分肽段的切除,有些蛋白质在成熟的过程中须切去一些多余的片断。,从前胰岛素原到成熟胰岛素,切除信号肽后折叠成稳定构象的胰岛素原,切除C肽后，形成成熟的胰岛素分子,三、空间结构的修饰,（一）亚基聚合,（二）辅基连接,（三）脂酰化,（一）亚基聚合,血红蛋白,（二）辅基连接,辅基,（三）脂酰化,蛋白质与长链脂酸共价连接，膜结合蛋白常是脂酰化的蛋白质。,胞内蛋白质的降解,体内的蛋白质处于不

22、断合成和降解的动态平衡中。各种蛋白质分子半衰期不同，肝中蛋白质0.5h8天，人血浆蛋白质10天。真核细胞蛋白质的降解有两条途径：溶酶体降解过程；依赖泛素的降解过程。多种关键酶半衰期很短，从而可通过控制关键酶的降解速度，达到调节代谢过程的目的。,如基因表达、细胞增殖、诱发癌瘤（促进抑癌蛋白P53降解）等。,体内蛋白质降解参与多种生理、病理调节作用。泛素控制的蛋白质降解，对于细胞周期、DNA复制、染色体结构、基因表达调控等生理过程都有重要调控作用。,四、蛋白的靶向输送,蛋白质在胞液合成后要进行靶向输送，或留在胞液，或进入细胞器，或分泌到体液。,所有靶向输送的蛋白质一级结构中均存在信号序列，主要是N

23、端特定的氨基酸序列，引导蛋白质转移到适当的靶部位。,1.信号序列,靶向输送蛋白的信号序列或成分,信号肽的一级结构（疏水核心）,mRNA,SRP,(信号肽识别颗粒),2.信号肽引导真核分泌蛋白,分泌蛋白质的合成和胞吐作用,内质网,高尔基体,泡,泡,泡融入质膜,蛋白释放至胞外,核糖体,芽泡,动画示分泌性蛋白的合成和定位Synthesis_Secreted_Proteins.mov,动画示分泌蛋白质的合成和胞吐作用Protein_Secretion.mov,3.线粒体蛋白的靶向输送,动画示线粒体基质蛋白跨双层膜输送过程a191,4.细胞核蛋白的靶向输送,第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制Interf

24、erence&Inhibition of Protein Biosynthesis,影响蛋白质合成的因素:1.抗生素的影响2.毒素的影响3.干扰素的影响,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。,1.抗生素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用p318,嘌呤霉素作用示意图,嘌呤霉素的结构类似于Tyr-tRNA，故能与后者相竞争进入A位。新生成的肽酰-嘌呤霉素容易从核糖体上脱落，从而终止翻译。,四环素族,2.毒素类,抑制蛋白质翻译的毒素有细菌毒素和植物

25、毒素，细菌毒素包括白喉毒素、绿脓毒素和志贺氏毒素等；植物毒素有红豆碱和蓖麻蛋白等。,白喉毒素,白喉毒素是白喉杆菌产生的毒蛋白，对人体及其它哺乳动物的毒性极强。通过抑制真核细胞的肽链延伸因子eEF-2，阻断蛋白合成，导致细胞死亡。,白喉杆菌,呼吸道感染,白喉毒素致病机制,抑制真核生物延长因子eEF-2，该因子的功能是促进核糖体移位。,亮,A,A,A,苯,U,G,G,C,G,C,C,G,G,丙,eEF-2,GTP,干扰素(interferon,IFN)是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。,3.干扰素的作用阻止病毒蛋白合成,第一次病毒入侵-产生干扰素和抗病毒蛋白

26、 RNA 病毒入侵 宿主细胞产生 dsRNA 染色体干扰素基因开放合成干扰素 作用于细胞膜（所有细胞）受体 产生抗病毒蛋白（无活性的 eIF-2 激酶和 2，5 寡聚腺苷酸合成酶）第二次病毒入侵病毒蛋白合成受阻,干扰素的作用机理1,干扰素的作用机理2,本章要求,掌握1.蛋白质合成系统：RNA,Aa,酶,蛋白质因子,ATP2.氨基酸的活化：Aa氨基酰-tRNA3.三类RNA在蛋白质合成中的作用4.蛋白质的合成过程:起始：起始复合物的生成 延长：进位-成肽-转位 终止：终止因子的作用5.核蛋白体循环，翻译的基本概念6.分子伴侣概念,本章要求,熟悉及了解1.蛋白质合成过程中的能量消耗2.真核生物与原

27、核生物蛋白质合成的异同点3.蛋白质合成后的加工修饰主要方式4.靶向运输，信号序列5.蛋白质生物合成的干扰和抑制,原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别,Clinical Correlation 12.1,-地中海贫血-globin基因共有四个（定位于16号染色体），-地中海贫血可由于该基因的缺失导致，可缺失1、2、3、4个；严重程度随缺失数目增加而增加。也可由表达异常链导致。,终止子突变生成异常长度-肽链,血红蛋白表现型,-Codon 142,Constant Spring,正常,UAA,141,Gln,Amino Acid142,-Globin 肽链长度,CAA,172,Icaria,AA

28、A,Lys,172,Koya Dora,UCA,Ser,172,Clinical Correlation 12.2,0-地中海贫血-globin的17位A突变为U，导致原来的AAG（编码Lys）变成UAG终止子，从而没有正常链合成。,AAG,U,17,mRNA加工缺陷导致的人类疾病,+-地中海贫血症 转录初级产物发生了剪接识别信号序列的突变（GA），剪接体无法准确识别和切去内含子，导致无法加工形成正常-珠蛋白mRNA，病人合成的正常-珠蛋白链减少。,5GU AG3,内含子,A,12.3 HIV病毒翻译中的有意框移,gag-pol mRNA,200nt overlapping,AUG,UAG,g

29、ag polyprotein,gag-pol fusion polyprotein,12.4 抗生素滥用问题,滥用抗生素的危害抗生素副作用细菌耐药性的发展我国抗生素滥用的现状我们可以做些什么,临床应用正常剂量氨基糖甙类抗生素（如链霉素、巴龙霉素），对少数病人可致永久性耳聋。现发现这种对氨基糖甙类抗生素的异常敏感为母系遗传（maternally transmitted）。病人致聋的分子基础是线粒体12SrRNA基因上的1555位A突变为G。12SrRNA参与线粒体核糖体30S小亚基形成，该突变抑制了线粒体蛋白质的合成，氧化磷酸化过程受阻而影响ATP的合成，使听毛细胞里依靠ATP提供能量的一系列生理过程无法进行，最终导致听毛细胞的逐渐坏死。,12.5 氨基糖甙类抗生素诱导的遗传性耳聋,