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1、蛋白质的生物合成,第15章,蛋白质生物合成的概念,蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称翻译(translation)，是生物细胞以mRNA为模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。,定义,（1）氨基酸的活化(负载)（2）肽链的生物合成（3）肽链形成后的加工和靶向输送,反应过程,第一节参与蛋白质合成的主要物质,基本原料：20种编码氨基酸mRNA：模板tRNA：氨基酸运载体（读码器）核糖体：蛋白质合成场所（装配机）主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、肽酰转移酶(转肽酶)、起始因子、延长因子、释放因子等能源物质：ATP、GTP无机离
2、子：Mg2+、K+,蛋白质生物合成体系,5UGGGTACATGTC 3,3 a c c c a t g t a c a g 5,5UGGGUACAUGUC 3,NTrp Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,遗传密码,反密码,Trp,氨基酸,一、mRNA从DNA传递遗传信息,1、mRNA的一级结构,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)。,真核生物的单顺反子mRNA,5端非翻译区,3端非翻译区,PolyA,5帽子,3,5-端非翻译区中包含核糖体结合位点RBS(ri
3、bosomal binding site),原核生物的多顺反子mRNA,5端非翻译区,3端非翻译区,5-端非翻译区中包含核糖体结合位点RBS，其特点含有SD序列。,2、密码子,在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。,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：,Marshall W.NirenbergThe Nobel Prize in Physiology or Medicine
4、 1968,遗传密码表,第一个字母,第二个字母,第三个字母,3、密码子的特点,1）方向性(directional),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。,2）连续性(non-punctuated),编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。,3）简并性(degenerate),一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并性。除色氨酸和甲硫氨酸仅有1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。为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并
5、性密码子，也称同义密码子。,各种氨基酸的密码子数目,4）通用性(universal),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。,已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,4、阅读框,二、tRNA是氨基酸的转运工具又是读码器,1、tRNA是氨基酸转运工具：氨基酸各由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在tRNA 3-CCA的位置（3 OH端），结合需要ATP供能。,2、tRNA是读码器：每种tRNA的反密码子决定了所携带
6、的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。,二级结构,三级结构,反密码环,氨基酸臂,tRNA的构象,5UGGGTACATGTC 3,3 a c c c a t g t a c a g 5,5UGGGUACAUGUC 3,NTrp Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,遗传密码,反密码,Trp,氨基酸,3.tRNA读码存在摆动性(wobble),反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对(wobble base pairing)。,U,3 2 1,1 2 3,摆动配对,U,AUUAUC Ile 异亮氨酸AUA,异亮氨酸,氨基
7、酸,遗传密码,三、核糖体是蛋白质的合成机器,核糖体的组成,是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。,不同细胞核蛋白体的组成,1、肽酰转移酶活性中心 在23S或28SrRNA上，可催化肽键形成。,2、tRNA结合位点,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),A位：氨基酰位Aminoacyl siteP位：肽酰位Peptidyl site排出位：E位：exit site,第二节氨基酸的活化（负载）,氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。参
8、与氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合成酶。,反应过程,一、氨基酸活化形成氨基酰-tRNA,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。,二、氨基酰-tRNA的表示方法,丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet,各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的氨基酰-tRNA表示为：,氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写,例如：,三、原核与真核生物的起始氨基酰-tRNA,tRNAiMet与甲硫氨酸
9、结合后形成Met-tRNAiMet，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。,tRNAMet和甲硫氨酸结合后生成Met-tRNAMet，必要时进入核糖体，为延长中的肽链添加甲硫氨酸。,起始氨基酰-tRNA:Met-tRNAiMet,参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet,真核生物,原核生物,起始氨基酰-tRNA:fMet-tRNAifMet,N10甲酰四氢叶酸,第三节大肠杆菌蛋白质的合成,翻译时，从mRNA的起始密码子AUG开始，按53方向逐一读码，直至终止密码子。于是，合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始，从N-
10、端C-端延长，直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸。,起始(initiation)延长(elongation)终止(termination),整个过程可分为：,一、翻译起始,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的过程。,1.核糖体解离；2.30S小亚基与mRNA结合；3.起始氨基酰-tRNA与mRNA-30S小亚基结合；4.50S大亚基与以上复合物结合。,IF-3,IF-1,1.核糖体解离,IF-3,IF-1,2、30S小亚基与mRNA结合,原核生物mRNA在核蛋白体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制：,在各种mRNA起始AUG上游约813核苷酸部位，存在
11、一段由49个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为Shine-Dalgarno序列(S-D序列)，又称核蛋白体结合位点(ribosomal binding site,RBS)。mRNA序列上紧接S-D序列后的小核苷酸序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1识别并结合。,S-D序列,小亚基中的16S-rRNA 3-端有一富含嘧啶碱基的短序列，如-UCCUCC-，通过与S-D序列碱基互补而使mRNA与小亚基结合。,IF-3,IF-1,3.起始氨基酰-tRNA与mRNA-30S小亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4.50S大亚基与以上复合物结合,IF-
12、3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,起始复合物形成过程,指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进入核糖体并聚合成多肽链的过程。,1.进位(positioning)/注册(registration)2.成肽(peptide bond formation)3.易位(转位translocation),二、翻译延长,1.进位,又称注册(registration)，是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核糖体A位的过程。,进位需要延长因子EF-Tu与EF-Ts参与。,2.成肽,成肽是在转肽酶(peptidase，即肽酰转移酶)的催化下，核糖体P位上起始氨基酰-tRNA的N-
13、甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA的-氨基结合形成肽键的过程。,转肽酶存在于大亚基之中。,成肽的反应过程,3.易（转）位,转位是在转(易)位酶的催化下，核糖体向mRNA的3-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核糖体的A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程。,转位需要延长因子EF-G参与。,fMet,fMet,成肽转位下一轮进位,肽链合成延长(核糖体循环)过程,三、翻译终止,指核糖体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分离的过程。,终止阶段需要释放因子RF-
14、1、RF-2和 RF-3参与。,1、终止过程,2、释放因子,RF-3可结合核糖体其他部位，有GTP酶活性，能介导RF-1、RF-2与核糖体的相互作用。,释放因子的功能：,识别终止密码子,RF-1特异识别UAA、UAG；RF-2特异识别UAA、UGA。,诱导转肽酶转变为酯酶活性,催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解，使肽链从核糖体上释放。,原核肽链合成终止过程,RF,参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。,四、多核糖体循环,1条mRNA模板链可附着10100个核蛋白体，这些核糖体依次结合起始密码子并沿53方向读码移动
15、，同时进行肽链合成，这种mRNA与多个核糖体形成的聚合物称为多聚核糖体(polysome)。,多聚核糖体,电镜下的多聚核糖体,第四节蛋白质的翻译后修饰,新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰(posttranslational modification)。翻译后修饰包括多肽链折叠为天然的三维构象及对肽链一级结构的修饰、空间结构的修饰等。翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。,蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位点的过程称为蛋白质的靶向输送(protein targeting)
16、。,一、肽链部分切除,二、个别氨基酸的修饰,1糖基化 2羟基化 3甲基化 4磷酸化 5二硫键形成 6亲脂性修饰,三、肽链折叠和亚基装配,细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要以下酶和蛋白质辅助。,分子伴侣(molecular chaperon)蛋白质二硫键异构酶 肽-脯氨酰顺反异构酶,通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质,辅基连接后形成完整的结合蛋白质,第五节真核生物蛋白质的靶向输送,蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。,靶向输送蛋白的信号序列或成分,分泌蛋白的靶向输送,真核细胞分
17、泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,1、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。,2、信号识别颗粒及其受体,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,3、分泌蛋白的共翻译转运过程,第六节蛋白质生物合成的抑制剂,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。可利用蛋白质生物合成体系设计药物针对蛋白质生物合成必需的关键组分利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异,一、许多抗生素通过抑制蛋白质生物合成发挥作用,抗生素(antibiotics)是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力。,常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用,四环素族,二、其他干扰蛋白质生物合成的物质,是真核细胞蛋白质合成的抑制剂，它作为一种修饰酶，可修饰真核生物的延长因子，使之失活。,1白喉毒素(diphtheria toxin),白喉毒素的作用机理：,白喉毒素,+,+,2蓖麻蛋白(ricin),作用于真核生物核蛋白体大亚基的28S rRNA，催化其中特异腺苷酸发生脱嘌呤基反应，使28S rRNA降解，使核蛋白体大亚基失活.,小结,蛋白质生物合成（翻译）的概念mRNA、tRNA、核糖体在翻译过程中的作用，遗传密码的特点原核生物的蛋白质生物合成过程许多抗生素可抑制原核生物蛋白质的合成,
