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1、第八章第八章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 （翻译（翻译）Protein Biosynthesis，Translation 翻译是蛋白质生物合成的同义词翻译是蛋白质生物合成的同义词l 翻译的过程就是将核酸中由翻译的过程就是将核酸中由4 4种种碱基序碱基序列列组成的遗传信息，通过组成的遗传信息，通过遗传密码遗传密码破译的破译的方式转变成为蛋白质中的方式转变成为蛋白质中的2020种种氨基酸排列氨基酸排列顺序顺序。8.1 8.1 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系l 20种氨基酸（种氨基酸（AA）作为原料作为原料l酶及众多蛋白因子，酶及众多蛋白因子，如如IF、eIFlATP、GTP、无机离子无
2、机离子参与蛋白质生物合成的物质包括：参与蛋白质生物合成的物质包括：l 三种三种RNAmRNA（messengerRNA,信使信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移转移RNA）蛋白质合成的场所是蛋白质合成的模板是模板与氨基酸之间的接合体是蛋白质合成的原料是核糖体mRNAtRNA20种氨基酸8.1.1 8.1.1 翻译模板翻译模板mRNA及遗传密码及遗传密码*mRNA是遗传信息的携带者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遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子顺反子(cistron)。原核生物的一段原核生物的一
3、段mRNA常常编码几种功能相关的蛋常常编码几种功能相关的蛋白质，这种白质，这种mRNA被称为被称为多顺反子多顺反子（polycistron）。真核生物的一段真核生物的一段mRNA常常只能编码一条多肽链，常常只能编码一条多肽链，这种这种mRNA被称为被称为单顺反子单顺反子（singlecistron）。多顺多顺反子反子单顺单顺反子反子真核生物真核生物原核生物原核生物非编码序列*mRNA上存在遗传密码上存在遗传密码 mRNA分分子子上上从从5 至至3 方方向向，由由AUG开开始始，每每3个个核核苷苷酸酸为为一一组组，决决定定肽肽链链上上某某一一个个氨氨基基酸酸或或蛋蛋白白质质合合成成的的起起始始、
4、终终止止信信号号，称称为为三三联联体体密密码码（tripletcode）起始密码（起始密码（initiationcoden）:AUG终止密码（终止密码（terminationcoden）:UAA，UAG，UGA遗遗传传密密码码表表从从mRNA5 端端起起始始密密码码子子AUG到到3 端端终终止止密密码码子子之之间间的的核核苷苷酸酸序序列列，各各个个三三联联体体密密码码连连续续排排列列编编码码一一个个蛋蛋白白质质多多肽肽链链，称称为为开开放放阅阅读读框框架架(openreadingframe,ORF)。1 1、连续性（、连续性（CommalessCommaless）遗传密码的特点：遗传密码的特点
5、：编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连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。续阅读，密码间既无间断也无交叉。移码突变（框移突变）移码突变（框移突变）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 2、简并性（、简并性（DegeneracyDegeneracy）由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymous codon）。减少了变异对生物的影响转转运运氨氨基基酸酸的的tRNA上上的的反反密密码码子子需需要要通通
6、过过碱碱基基互互补补与与mRNA上上的的遗遗传传密密码码子子反反向向配配对对结结合合，在在密密码码子子与与反反密密码码子子的的配配对对中中，前前两两对对严严格格遵遵守守碱碱基基配配对对原原则则，第第三三对对碱碱基基有有一一定定的的自自由由度度，可可以以“摆摆动动”，这这种现象称为密码子的摆动性。种现象称为密码子的摆动性。3 3、摆动性（、摆动性（WobbleWobble）摆动摆动摆动摆动配对配对配对配对密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子反密码子第第1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子密码子第第3位碱基位碱基U,C,AA,GU,CUG4 4、通用性（、
7、通用性（UniversalUniversal）从病毒直到人类，细胞核从病毒直到人类，细胞核DNA指导的蛋白指导的蛋白质合成都使用同一套遗传密码。质合成都使用同一套遗传密码。8.1.2 8.1.2 tRNA结构与功能结构与功能反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂氨基酸臂氨基酸臂ACC1 2 31 2 3tRNA的三级结构示意图的三级结构示意图tRNA的功能的功能1、解读、解读mRNA的遗传信息的遗传信息2 2、运输的工具，运载氨基酸、运输的工具，运载氨基酸tRNA有两个关键部位：有两个关键部位：3端端CCA：接受氨基酸，形成氨酰接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。与与mRNA结合部位结合部位反密码子部位
8、反密码子部位l tRNA分子的反密码环与分子的反密码环与mRNA上的密码配对。上的密码配对。tRNA的的3-末端末端_是氨基酸的结合位点是氨基酸的结合位点,由由_之间的之间的“对号入座对号入座”，保证了从核酸到蛋白质信息传递的准确性，保证了从核酸到蛋白质信息传递的准确性。-CCA-OH氨基酸氨基酸密码子密码子反密码子反密码子35ICCA-OH53CCA-OHGGCCCGtRNA凭借自身的反密码子与凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。tRNA的种类的种类1 1、起始起始tRNA和延伸和延伸tRNA能特
9、异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA称起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。真核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸是Met，起始AA-tRNA为Met-tRNAiMet。原核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸并不是 甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸，起始AA-tRNA为fMet-tRNAfMettRNA的种类的种类2 2、同工同工tRNA代表同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA。3、校正、校正tRNA8.1.3核核糖体糖体目目录录核核糖糖体体的的组组成成表表1原核和真核生物核糖体的组成及功能原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基核糖体亚基rRNAs蛋白蛋白RNA的特异
10、顺序和功能的特异顺序和功能细菌细菌70S50S23S=2904bp31种种(L1-L31）含）含CGAAC和和GTCG互补互补2.5106D5S=120bp66%RNA30S16S=1542bp21种种(S1-S21)16SRNA(CCUCCU)和和S-D顺序顺序(AGGAGG)互补互补哺乳动物哺乳动物80S60S28S=4718bp49种种4.2106D5S=120bp60%RNA5.8S=160bp40S18S=1874bp33种种和和Capm7G结合结合在单个核糖体上，可化分多个功能活性中心，在蛋白质合成过程中各有专一的识别作用和功能。mRNA结合部位小亚基 结合或接受AA-tRNA部位
11、（A位）大、小亚基 结合或接受肽基tRNA的部位大亚基 肽基转移部位（P位）大、小亚基 形成肽键的部位（转肽酶中心）大亚基核糖体的功能：合成蛋白质核糖体是肽链合成的装置核糖体是肽链合成的装置 （1）P位位：即肽位：即肽位(peptidylsite)，或给位，在延长或给位，在延长成肽之后，连接肽链的肽酰成肽之后，连接肽链的肽酰tRNA占据的位置，肽占据的位置，肽链转位至此，延长继续。链转位至此，延长继续。（2）A位位：即氨基酰位：即氨基酰位(aminoacylsite)，或称受位，或称受位，每次延长，氨基酰每次延长，氨基酰tRNA就加入到就加入到A位上，延长成肽，位上，延长成肽，此位因接受肽酰基
12、链，故名受位。此位因接受肽酰基链，故名受位。（3）E位位：tRNA排出位排出位(exitsite)原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽位位：肽位(peptidylsite)E位：排出位位：排出位(exitsite)目目录录8.2 蛋白质生物合成过程氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)8.2.1 氨基酸的活化氨基酸的活化l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底
13、物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高都有高度特异性。度特异性。l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。l氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法：的表示方法：Ala-tRNAAlaSer-tRNASerMet-tRNAMet 原核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：真核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：甲酰甲硫氨酸fMet-tRNAfMet甲硫氨酸Met-tRNAiMet第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi 目目录录第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-EtRNA
14、氨基酰氨基酰-tRNAAMPE目目录录 tRNAtRNA与酶与酶与酶与酶结合的模型结合的模型结合的模型结合的模型tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP8.2.2 8.2.2 肽链合成起始肽链合成起始 甲甲硫氨酰硫氨酰tRNA与与mRNA结合到核蛋白结合到核蛋白体上，生成体上，生成翻译起始复合物翻译起始复合物 （translational initiation complextranslational initiation complex）起始因子起始因子IF IF 和和 eIFeIF起始步骤起始步骤 IF IF eIFeIF 亚基分离亚基分离 IFIF3 3（IFIF1 1）eIFe
15、IF3 3 mRNAmRNA就位就位核酸核酸核酸，核酸核酸，核酸蛋白质蛋白质 eIFeIF3 3,eIF,eIF1 1,eIF,eIF4A4A之间的辨认结合之间的辨认结合 eIFeIF4B 4B,CBP-1,CBP-1 eIFeIF4E4E （CBP-2CBP-2）起始起始tRNAtRNA就位就位IFIF2 2,GTP,GTP（IFIF1 1）eIFeIF2 2,co-eIF,co-eIF2 2-GTP-GTPeIFeIF3 3,eIF,eIF4C4C大亚基结合大亚基结合各种各种IFIF脱落，脱落，GTPGTP水解水解 eIFeIF5 5,eIF,eIF4D4D原核生物翻译起始复合物形成原核生
16、物翻译起始复合物形成l核核糖糖体大小亚基分离；体大小亚基分离；lmRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；l起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合；l核核糖糖体大亚基结合。体大亚基结合。IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离2 2、30S30S小亚基通过小亚基通过SDSD序列与序列与mRNAmRNA模板相结合。模板相结合。A U G53IF-3IF-1S-DS-D序列：在翻译起始密码子序列：在翻译起始密码子AUGAUG的上游，相的上游，相距约距约8 81313个核苷酸处，有一段由个核苷酸处，有一段由4-64-6个核苷个核苷酸组成的富含嘌呤的序列。这一序列以酸组成的富含嘌呤的序列。这一序
17、列以AGGAAGGA为核心，因其发现者是为核心，因其发现者是Shine-Shine-DalgarnoDalgarno而得而得名名 。S-D序列序列IF-3IF-1IF-2GTP3.3.在IF-2和GTP的帮助下，fMet-tRNA 进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。A U G53fMetIF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4 4、带有tRNA、mRNA和3个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放翻译起始因子。A U G53真核生物翻译起始复合物形成真核生物翻译起始复合物形成l核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；l起始氨基酰起
18、始氨基酰-tRNA结合；结合；lmRNA在核蛋白体小亚基就位；在核蛋白体小亚基就位；l核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。真核生物翻译的起始真核生物翻译的起始l 首先，起始因子首先，起始因子eIF3eIF3结合到核糖体（结合到核糖体（80S80S）的小亚的小亚基（基（40S40S）上，使大亚基（上，使大亚基（60S60S）与小亚基解离与小亚基解离l 甲硫酰甲硫酰tRNAtRNA（Met-Met-tRNAtRNAi imetmet ）结合结合l mRNAmRNA结合（需结合（需帽结合蛋白帽结合蛋白CBPCBP）metmet40S40S60S60SMeMet tMetMet40S40S60S6
19、0SmRNAeIF-2BeIF-2B、eIF-3eIF-3、eIF-6elF-3elF-3GDP+Pi各种各种各种各种elFelF释放释放释放释放elF-5ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物形成过程复合物形成过程8.2.3肽链合成延长肽链合成延长根根据据mRNA密密码码序序列列的的指指导导，顺顺序序添添加加的的氨氨基基酸酸从从N端端向向C端端延延伸伸肽肽链链，直直到到合合成成终终止止的过程。的过程。l肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，肽链延长在核糖体上连续性循环式进行
20、，又称为又称为核糖体循环核糖体循环(ribosomalcycle)，每次循环每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：增加一个氨基酸，包括以下三步：进位进位(entrance)成肽成肽(peptidebondformation)转位转位(translocation)l延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：真核生物：EF-1、EF-2原核延长原核延长因子因子生物功能生物功能对应真核延对应真核延长因子长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，位，
21、结合分解结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EF-G有有转位酶转位酶活性，促进活性，促进mRNA-肽肽酰酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，促位，促进卸载进卸载tRNA释放释放EF-2肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子又称注册又称注册(registration)（一）进位（一）进位指根据指根据mRNA下下一组遗传密码指导，一组遗传密码指导，使相应氨基酰使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体进入核蛋白体A位。位。目目录录延长因子延长因子EF-T催化催化进位（原核生物）进位（原核生物）目目录录TuTsGTPA U G53Tu TsGTP目目录录fMetA U G53目目录
22、录q 转肽酶转肽酶催化催化 P P位位-fMet-tRNAffMet-tRNAfMetMet+A+A位位-aa-tRNAaa-tRNA 肽肽(fMetfMet成成 （酰基）（酰基）（氨基）（氨基）为为N N末端末端)（A A位上）位上）q A A位成肽后，位成肽后，P P位留下空载位留下空载tRNAtRNA（二）成肽（二）成肽成肽是由转肽酶成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的催化的肽键形成过程。肽键形成过程。E位位（三）转位（三）转位（TranslocationTranslocationTranslocationTranslocation）l转位酶转位酶（Translocase
23、Translocase）（活性存在于活性存在于EF-GEF-G中）中）EE延长因子延长因子EF-G有转位酶有转位酶活性，可结合并水解活性，可结合并水解1 1分分子子GTP，促进核蛋白体向促进核蛋白体向mRNA的的3 3侧移动。侧移动。进进位位转转位位成肽成肽l核糖体阅读核糖体阅读mRNAmRNA密码子是从密码子是从5 5向向3 3方向进行，肽链合成是从方向进行，肽链合成是从_端向端向_端端方向进行的。方向进行的。NC真真核核生生物物肽肽链链合合成成的的延延长长过过程程与与原原核核基基本本相相似，但有不同的反应体系和延长因子。似，但有不同的反应体系和延长因子。另另外外，真真核核细细胞胞核核蛋蛋白
24、白体体没没有有E位位，转转位位时时卸载的卸载的tRNA直接从直接从P位脱落。位脱落。真核生物延伸过程真核生物延伸过程8.2.48.2.4肽链合成终止肽链合成终止 （TerminationTerminationTerminationTermination）终止密码的辨认及肽链从肽酰终止密码的辨认及肽链从肽酰-tRNAtRNA水解释放。水解释放。终止过程也需蛋白质因子被称为释放因子终止过程也需蛋白质因子被称为释放因子(RF)(RF)终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)一一、是是识识别别终终止止密密码码，如如RF-1特特异异识识别别UAA、
25、UAG；而；而RF-2可识别可识别UAA、UGA。二二、是是诱诱导导转转肽肽酶酶改改变变为为酯酯酶酶活活性性，相相当当于于催催化化肽肽酰酰基基转转移移到到水水分分子子-OH上上，使使肽肽链链从从核核糖糖体体上释放。上释放。释放因子的功能释放因子的功能原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程U A G53RFCOO-目目录录多聚核蛋白体多聚核蛋白体(polysome)使蛋白质合成高速、使蛋白质合成高速、高效进行。高效进行。目目录录8.3 8.3 蛋白质合成后加工蛋白质合成后加工Posttra
26、nslational Processing&Protein Transportation新生蛋白质经蛋白酶切后变成有功能的成熟蛋白质新生蛋白质经蛋白酶切后变成有功能的成熟蛋白质1 1、N N端端fMetfMet或或MetMet的切除的切除2 2、二硫键的形成、二硫键的形成两个半胱氨酸两个半胱氨酸-SH -SH -SH 二硫键二硫键氧化3 3、特定氨基酸的修饰、特定氨基酸的修饰 磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羟磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羟基化和羧基化基化和羧基化前前胰胰岛岛素素原原蛋蛋白白翻翻译译后后成成熟熟过过程程示示意意图图4、切除新生肽链中非功能片段本章重点本章重点l蛋白质合成的一般知识蛋白质合成的一般知识l遗传密码的特点遗传密码的特点l核糖体的功能活性中心核糖体的功能活性中心l氨酰氨酰-tRNA合成酶与氨基酸的活化合成酶与氨基酸的活化l原核翻译的起始原核翻译的起始l原核翻译的延伸原核翻译的延伸l原核翻译的终止原核翻译的终止