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1、第十五章蛋白质的生物合成第十五章蛋白质的生物合成 翻译翻译本章主要内容：本章主要内容：4 参与蛋白质生物合成的生物大分子及其功能参与蛋白质生物合成的生物大分子及其功能4 原核生物蛋白质的合成过程原核生物蛋白质的合成过程 4 真核生物蛋白质的合成过程真核生物蛋白质的合成过程4 蛋白质翻译后的修饰蛋白质翻译后的修饰4 加工与蛋白质的折叠、运输加工与蛋白质的折叠、运输中心法则基因在原核和真核细胞中最终得到表达基因在原核和真核细胞中最终得到表达蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 Biosynthesis of Protein翻译的概念翻译的概念蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，
2、再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译(translation)。什么是翻译？什么是翻译？原料原料氨基酸，氨基酸，20种种mRNA是合成蛋白质的是合成蛋白质的“蓝图（或模板）蓝图（或模板）”tRNA是原料氨基酸的是原料氨基酸的“搬运工搬运工”rRNA与多种蛋白质结合成核糖体与多种蛋白质结合成核糖体作为合成多肽链的作为合成多肽链的装配机（操作台）装配机（操作台）酶及其他蛋白质因子；酶及其他蛋白质因子；供能物质及无机离子。供能物质及无机离子。第一节蛋白质生物合成体系第一节蛋白质生物合成体系一、一、mRNA翻译模板翻译模板遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistro
3、n)。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)。v mRNA是遗传信息的携带者mRNA的基本结构的基本结构Start of genetic messageCapEndTail5-端非翻译区 533-端非翻译区 开放阅读框架 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)。作为指导蛋白质生物合成的模板。mRNA中每三个相邻的核苷酸组
4、成三联体，代表一个氨基酸的信息，称为密码密码(coden)。共有64种不同的密码。遗传密码具有以下特点：方向性，即解读方向为5 3；起始密码：AUG；终止密码：UAA、UAG、UGA；连续性；通用性；（但在线粒体或叶绿体中特殊）简并性；摆动性。二二 、遗传密码、遗传密码遗传密码的方向性遗传密码的方向性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。起始密码和终止密码起始密码和终止密码遗传密码的起始密码子与终止密码子。密码子 AUG 具有特殊性，不仅是甲硫氨酸的密码子，如果位于 mRNA 5端起始部位，它还代表肽链合成的起始密码子。密
5、码子 UAA、UAG、UGA 是肽链合成的终止密码子遗遗 传传 密密 码码 表表密码子的专一性主要由头两位碱基决定，而第三位碱基有较大的灵活性。当第三位密码子的专一性主要由头两位碱基决定，而第三位碱基有较大的灵活性。当第三位碱基发生突变时，仍能翻译出正确的氨基酸，从而使合成的多肽仍具有生物学活性。碱基发生突变时，仍能翻译出正确的氨基酸，从而使合成的多肽仍具有生物学活性。遗传密码的连续性遗传密码的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)。一种氨基酸可具
6、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性密码子，也称同义密码子。遗传密码的简并性遗传密码的简并性2023/4/4Department of Biochemistry-17-遗传密码表遗传密码表遗传密码的兼并性遗传密码的兼并性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。遗传密码的通用性遗传密码的通用性已发现少数例外，如动物
7、细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。通用密码 线粒体密码AUA 异亮 蛋、起始AGA 精 终止AGG 精 终止UGA 终止 色 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)。tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG遗传密码的摆动性遗传密码的摆动性变偶性变偶性反密码子反密码子5 5端的碱基与密码子的第三位配对不严格端的碱基与密码子的第三位配对不严格稀有核苷酸稀有核苷酸遗传密码的摆动配对遗传密码的摆动配对摆动性二、核糖体蛋白质合成的场所二、核糖体蛋白质合成的场所n核糖体的组成核
8、糖体又称核蛋白体，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。核糖体是核糖体是rRNA rRNA 与几十种蛋白质的复合体，有大、小两个亚基构成。与几十种蛋白质的复合体，有大、小两个亚基构成。含有合成蛋白质多肽链所必需的酶、起始因子（含有合成蛋白质多肽链所必需的酶、起始因子（IFIF）、延伸因子）、延伸因子（EFEF）、释放因子（）、释放因子（RFRF）等。）等。原核的核糖体（原核的核糖体（70S70S）=30S=30S小亚基小亚基 +50S+50S大亚基大亚基 其中其中 30S30S小亚基含小亚基含16S rRNA 16S rRNA 和和2121种蛋白质种
9、蛋白质 50S50S大亚基含大亚基含23S23S，5SrRNA5SrRNA和和3434种蛋白质种蛋白质 真核的核糖体（真核的核糖体（80S80S）=40S=40S小亚基小亚基 +60S+60S大亚基大亚基 其中其中 40S 40S 小亚基含小亚基含18S rRNA 18S rRNA 和和3333种蛋白质种蛋白质 60S 60S 大亚基含大亚基含28S28S，5.8S5.8S，5SrRNA5SrRNA和和4949种蛋白质种蛋白质rRNA（核糖体（核糖体RNA）与核糖体（）与核糖体（ribosome）核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物真核生物核蛋白体小亚基大亚基核蛋白体小亚基大亚基S值70S30
10、S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA23S-rRNA5S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5.8S-rRNA5S-rRNA蛋白质rpS 21种rpL 34种rpS 33种rpL 49种Department of Biochemistry核核蛋蛋白白体体的的组组装装-28-大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体30S亚基呈哑铃状50S亚基带有三角中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所 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 site)核
11、蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：1小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。2大亚基：（1）具有不同的tRNA结合点。A位（右）受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；E位，排出位。（2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。（3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。（4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。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
12、位：排出位(exit site)在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构；称为多核蛋白体。原核原核tRNAtRNA有有30-4030-40种，真核有种，真核有50-6050-60种，含种，含70-9070-90个核苷酸，个核苷酸，并有多种并有多种稀有碱基稀有碱基。tRNAtRNA是是最小最小的的RNARNA，占细胞总占细胞总RNA RNA 的的15%15%左右。左右。tRNA tRNA 具有具有“四环一臂四环一臂”和和“三叶草三叶草”形的典型结构。形的典型结构。tRNA转运转运RNA三、三、tRNA氨
13、基酸的运载工具及适配器氨基酸的运载工具及适配器tRNA的结构的结构“四环一臂四环一臂”倒倒L形的三级结构形的三级结构 v运载氨基酸：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，结合需要ATP供能；v充当“适配器”：每种tRNA的反密码决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，称为反密码(anticoden)。反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即AU，GC配对。但反密码的第一个核苷酸与密码的第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反
14、密码第一个核苷酸为，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对不稳定配对。四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白质因子等（一）重要的酶类氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的活化；转肽酶(peptidase)，催化核蛋白体P位上的肽酰基转移至A位氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键;并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，使P位上的肽链与tRNA分离；转位酶(translocase)，催化核蛋白体向mRNA3-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。起始因子（起始因子（IF）原核生物中存
15、在3种起动因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。启动因子的作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。（二）蛋白质因子（二）蛋白质因子延长因子（延长因子（EF）原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。释放因子（RF）v原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类生物学功能起始因子IF-1占据A位防止结合其他tRNAIF-2促进起始tRNA与小
16、亚基结合IF-3促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA的敏感性延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并分解GTPEF-Ts调节亚基EF-G有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促进tRNA卸载与释放释放因子RF-1特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯酶RF-3可与核蛋白体其他部位结合，有GTP酶活性，能介导RF-1及RF-2与核蛋白体的相互作用参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类生物学功能起始因子eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2B
17、,eIF-3最先结合小亚基，促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5-端的发夹结构，使其与小亚基结合eIF-4B结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合mRNA 5帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和PolyA 结合蛋白eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基延长因子eIF1-促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP，相当于EF-TueIF1-调节亚基，相当于EF-TseIF-2有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促进tRNA卸载与释放，相当于EF-G 释放因子eRF识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能（三）供能物质和无机离子（三）供能物质和无机离子多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。