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1、蛋白质的生物合成（翻译）Protein Biosynthesis，Translation,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。,一、遗传密码,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(triplet coden)。,起始密码(initiation coden):AUG,终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA,遗传密码表,目 录,从mRNA 5端起始
2、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，称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。,1.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(frameshift mutation)。,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2、3、4个或多至6个三联体为其编码。,目 录,2.简并性(degeneracy),目 录,3.通用性(uni
3、versal),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。,4.摆动性(wobble),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,摆动配对,目 录,密码子、反密码子配对的摆动现象,二、蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System,20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质包括,三种RNAmRN
4、A（messenger RNA,信使RNA）rRNA（ribosomal RNA,核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA,转移RNA）,一）、翻译模板mRNA及遗传密码,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mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron)。,二）、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,tRNA的三级结构示意图,1 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-t
5、RNA synthetase),氨基酸的活化,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi,目 录,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,目 录,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(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,2 起始肽链合成的
6、氨基酰-tRNA,二、核蛋白体是多肽链合成的装置,目 录,不同细胞核蛋白体的组成,核蛋白体的组成,目 录,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位,P位：肽酰位,E位：排出位,目 录,三、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：,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分别与核蛋白体结合而形成翻译起始
7、复合物(translational initiation complex)。,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,IF-3,IF-1,3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基,目 录,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,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,lF1、3,GDP+Pi,lF2,lF1、3,二
8、）、肽链合成延长,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。,肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptide bond formation)转位(translocation),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：EF-1、EF-2,肽链合成的延长因子,延长过程,1 进位（注册）：氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，进入核蛋白
9、体的A位。,P位 A位,EFT,延长因子,EFTu EFTs,AA-tRNA-Tu-GTP,EF-Tu-GTP,Ts,（EF-Tu+Ts）,GTP,+Aa-tRNA,AAtRNA-Tu-GTP 小亚基上的mRNA,AAtRNA-mRNA Tu-GTP,Pi,EF-T,Tu-GDP,Ts+,EFT+GTP+AA-tRNA AA-tRNA-Tu-GTP+Ts,Pi+Tu-GDP+aa-tRNA-mRNA,mRNA,Ts,2 成肽,P位 A位,P位的fMet-tRNAimet的酰基与A位上的AA-tRNA的氨基成肽键。tRNA本身则从P位脱落，使P位空出。,转肽酶 核蛋白体大亚基上的蛋白质（rpL）
10、。,3 转位 在A位上的二肽连同tRNA从A位转移到P位。,P位 A位,P位 A位,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。二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,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,终止过程1当翻译到A位mRNA
11、出现终止密码时，由RF-1或RF-2识别终止密码进入A位。2.RF3激活核蛋白体上的转肽酶（具酯酶活性）。使P位上的肽与tRNA分离。3在RR作用下，tRNA，mRNA及RF均从核蛋白体脱落，在IF作用下，核蛋白体解聚成大小亚基。,UAA,RF3,RR,四、蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing&Protein Transportation,一）翻译后加工修饰,1 亚基聚合 例 Hb分子由22组成2 辅基连接 例 糖蛋白的糖基，,3 去除N-端的N-甲酰基或N-蛋氨酸,脱甲酰基或氨基肽酶,1）磷酸化 在含-OH基的R基团磷酸化，由激酶催化，使蛋白质活性增
12、高或降低。2）羟化 结缔组织蛋白质脯氨酸残基和赖氨酸残基羟化。3）二硫键的形成 稳定蛋白质构象,4 个别氨基酸的修饰,5 水解修饰以POMC为例 信号肽,N,C,-MSH-MSH Endophin,103肽 ACTH-LT,二）蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质合成后从核蛋白体定向到达其执行功能的目标地。,细胞膜,去向 1保留在胞浆 2进入细胞核、线粒体等细胞器 3分泌至体液，再输送到靶器官和靶细胞,1定义 穿过合成所在的细胞，到其它组织细胞去的蛋白质。例如：肽类激素、血浆蛋白、抗体蛋白等。2特点（1）信号肽 分泌性蛋白质N端的一段疏水氨基酸较多的肽。其作用是将合成的蛋白质移向胞膜，送出胞外。（2
13、）蛋白质的前体：例如前胰岛素原等。,分泌性蛋白质,信号肽,N-端,碱性氨基酸末端区,疏水核心区,加工区,信号肽酶,3分泌性蛋白的转运机制信号假说：信号肽被信号肽识别粒子（SRP）辨认、结合，把正在合成蛋白质的核蛋白体带到细胞膜的胞浆面，与对接蛋白（DP）结合，促使膜蛋白通道开放，信号肽引导正在合成的蛋白质 穿过胞膜，信号肽折回膜内，由膜外侧的信号肽酶在加工区切断，成熟蛋白则释放至胞外。,胞浆,胞膜,五、蛋白质生物合成与医学,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
14、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制细菌的一类药物。,抗代谢药物指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如：6-MP。,某些毒素也作用于基因信息传递过程。,一、抗生素类,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理,四环素族,二、其他干扰蛋白质生物合成的物质,毒素(toxin)干扰素(interferon),白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理,白喉毒素,+,+,干扰素的作用机理,1.干扰素诱导eIF2磷酸化而失活,2.干扰素诱导病毒RNA降解,
