第12章蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）

1、蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）,第 八 章,論述題,試述蛋白質(zhì)生物合成體系討論原核生物與真核生物蛋白質(zhì)合成的異同,蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由 4 種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序 。,蛋白質(zhì)合成體系Protein Biosynthesis System,第 一 節(jié),20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、無機(jī)離子,參

2、與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括,三種RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白體RNA）tRNA（transfer RNA, 轉(zhuǎn)移RNA）,一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼,mRNA是遺傳信息的攜帶者,遺傳學(xué)將編碼一個(gè)多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。原核細(xì)胞中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順反子(polyc

3、istron) 。真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(single cistron) 。,原核生物的多順反子,真核生物的單順反子,,,目錄,mRNA上存在遺傳密碼,mRNA分子上從5?至3?方向，由AUG開始，每3個(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號(hào)，稱為三聯(lián)體密碼(triplet coden)。,起始密碼(initiation coden): AUG,終止密碼(termination coden

4、): UAA，UAG，UGA,遺傳密碼表,,,,,第三字母,UCAGUCAGUCAGCUAG,,目錄,從mRNA 5?端起始密碼子AUG到3?端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個(gè)蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。,1. 連續(xù)性(commaless),遺傳密碼的特點(diǎn),編碼蛋白質(zhì)氨基酸序

5、列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。,基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導(dǎo)致框移突變(frameshift mutation)。,2. 簡(jiǎn)并性(degeneracy),遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個(gè)密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個(gè)或多至6個(gè)三聯(lián)體為其編碼。,,目錄,2. 簡(jiǎn)并性(degeneracy),,目錄,3. 通用性(universal),蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類

6、都通用。 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。,4. 擺動(dòng)性(wobble),轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼反向配對(duì)結(jié)合，但反密碼與密碼間不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對(duì)規(guī)律，稱為擺動(dòng)配對(duì)。,U,擺動(dòng)配對(duì),,目錄,密碼子、反密碼子配對(duì)的擺動(dòng)現(xiàn)象,二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置,,,目錄,不同細(xì)胞核蛋白體的組成,核蛋白體的組成,,目錄,

7、原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),,目錄,三、tRNA與氨基酸的活化,反密碼環(huán),氨基酸臂,,,tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖,（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,第一步反應(yīng),氨基酸 ＋ATP-E —→ 氨基酰-AMP-E ＋ AMP ＋ PPi

8、,,目錄,第二步反應(yīng),氨基酰-AMP-E ＋ tRNA ↓ 氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E,,目錄,tRNA與酶結(jié)合的模型,,tRNA,,氨基酰-tRNA合成酶,,ATP,氨基酰-tRNA合成酶對(duì)底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。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-tRN

9、AMet,真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAifMet,（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA,蛋白質(zhì)生物合成過程 The Process of Protein Biosynthesis,,第 二 節(jié),翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(zhǎng)(elongation)翻譯的終止(termination ),整個(gè)翻譯過程可分為 ：,翻譯過程從閱讀框架的5´-AUG開始，按mRNA模板三

10、聯(lián)體密碼的順序延長(zhǎng)肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。,一、肽鏈合成起始,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物 (translational initiation complex)。,原核、真核生物各種起始因子的生物功能,（一）原核生物翻譯起始復(fù)合物形成,核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA的結(jié)合； 核蛋白體大亞基結(jié)合。,IF-3,IF-1,1. 核蛋白體大小亞基分離,,目錄,

11、IF-3,IF-1,2. mRNA在小亞基定位結(jié)合,,目錄,S-D序列,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結(jié)合到小亞基,,目錄,IF-3,IF-1,IF-2,,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成,,目錄,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,,目錄,（二）真核生物翻譯起始復(fù)合物形成,核蛋白體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結(jié)合；mRNA在核蛋白

12、體小亞基就位；核蛋白體大亞基結(jié)合。,真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程,,目錄,二、肽鏈合成延長(zhǎng),指根據(jù)mRNA密碼序列的指導(dǎo)，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。,肽鏈延長(zhǎng)在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸，包括以下三步：進(jìn)位(entrance)成肽(peptide bond formation)轉(zhuǎn)位(translocation),延伸過程

13、所需蛋白因子稱為延長(zhǎng)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,肽鏈合成的延長(zhǎng)因子,又稱注冊(cè)(registration),（一）進(jìn)位,指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進(jìn)入核蛋白體A位。,,目錄,延長(zhǎng)因子EF-T催化進(jìn)位（原核生物）,,目錄,Tu,Ts,GTP,,GDP,,Tu,,Ts,GTP,,目錄,（二）成肽,是

14、由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。,（三）轉(zhuǎn)位,延長(zhǎng)因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶( translocase )活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3'側(cè)移動(dòng) 。,fMet,fMet,,目錄,真核生物肽鏈合成的延長(zhǎng)過程與原核基本相似，但有不同的反應(yīng)體系和延長(zhǎng)因子。另外，真核細(xì)胞核蛋白體沒有E位，轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。,（四）真核生物延長(zhǎng)過程,三、肽鏈合成的終止,當(dāng)mRNA上終

15、止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。,終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子 (release factor, RF),一是識(shí)別終止密碼，如RF-1特異識(shí)別UAA、UAG；而RF-2可識(shí)別UAA、UGA。二是誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相?dāng)于催化肽?；D(zhuǎn)移到水分子-OH上，使肽鏈從核蛋白體上釋放。,釋放因子的功能,原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核

16、生物釋放因子：eRF,原核肽鏈合成終止過程,RF,,,目錄,多聚核蛋白體(polysome),——使蛋白質(zhì)合成高速、高效進(jìn)行。,,目錄,電鏡下的多聚核蛋白體現(xiàn)象,,目錄,蛋白質(zhì)合成后加工和輸送Posttranslational Processing & Protein Transportation,第 三 節(jié),從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復(fù)雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。,主要包

17、括,多肽鏈折疊為天然的三維結(jié)構(gòu) 肽鏈一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾高級(jí)結(jié)構(gòu)修飾,一、多肽鏈折疊為天然功能構(gòu)象的蛋白質(zhì),新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈N端在核蛋白體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始?？赡茈S著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產(chǎn)生正確的二級(jí)結(jié)構(gòu)、模序、結(jié)構(gòu)域到形成完整空間構(gòu)象。 一般認(rèn)為，多肽鏈自身氨基酸順序儲(chǔ)存著蛋白質(zhì)折疊的信息，即一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。細(xì)胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都不是自動(dòng)完成，而需要其他酶、蛋白輔助。

18、,幾種有促進(jìn)蛋白折疊功能的大分子,1. 分子伴侶 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI),1. 熱休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侶素(chape

19、ronins) GroEL和GroES家族,分子伴侶,分子伴侶是細(xì)胞一類保守蛋白質(zhì)，可識(shí)別肽鏈的非天然構(gòu)象，促進(jìn)各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊。,熱休克蛋白促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊的基本作用——結(jié)合保護(hù)待折疊多肽片段，再釋放該片段進(jìn)行折疊。形成HSP70和多肽片段依次結(jié)合、解離的循環(huán)。,,目錄,Hsp70反應(yīng)循環(huán),伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊過程,伴侶素的主要作用——為非自發(fā)性折疊蛋白質(zhì)提供能折疊形成天然空間構(gòu)象的微環(huán)境。

20、,Gro EL-Gro ES反應(yīng)循環(huán),蛋白二硫鍵異構(gòu)酶,多肽鏈內(nèi)或肽鏈之間二硫鍵的正確形成對(duì)穩(wěn)定分泌蛋白、膜蛋白等的天然構(gòu)象十分重要，這一過程主要在細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)行。,二硫鍵異構(gòu)酶在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯(cuò)配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質(zhì)形成熱力學(xué)最穩(wěn)定的天然構(gòu)象。,肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶,多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構(gòu)體，空間構(gòu)象明顯差別。,肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶可促進(jìn)上述順反兩種異構(gòu)體之間

21、的轉(zhuǎn)換。,肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶是蛋白質(zhì)三維構(gòu)象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構(gòu)型時(shí)，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準(zhǔn)確折疊。,二、一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾,（一）肽鏈N端和C端的切除和/或化學(xué)修飾（二）個(gè)別氨基酸的修飾（三）多肽鏈的水解修飾,,（一）肽鏈N端和C端的切除和/或化學(xué)修飾,細(xì)胞內(nèi)的脫甲酰基酶或氨基肽酶可以去除N-甲?；?、N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽鏈。,在真核細(xì)胞，50%的蛋白質(zhì)在翻譯后，氨基末端的氨基發(fā)生乙?；?。,有

22、些情況下，羧基末端的殘基也可被酶切除。,1. 個(gè)別氨基酸可進(jìn)行甲基化和乙?；揎?2. 蛋白質(zhì)糖基化（glycosylation）修飾是一種 復(fù)雜的化學(xué)修飾 3. 親脂性修飾：某些蛋白質(zhì)加入異戊二烯基團(tuán)4. 羥基化5. 大多數(shù)蛋白質(zhì)有二硫鍵的形成 6. 磷酸化,（二）氨基酸殘基的化學(xué)修飾有多種形式,（三）水解加工包括多蛋白水解加工和內(nèi)含肽的剪接,1．多蛋白水解加工可產(chǎn)生多種肽鏈,一些蛋白質(zhì)在合成之初是含有一

23、系列頭尾相連的蛋白質(zhì)的長(zhǎng)多肽鏈。多肽鏈的水解將裂解釋放出各種蛋白質(zhì)，釋放出的蛋白質(zhì)可能具有完全不同的功能。,鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾,2．內(nèi)含肽切除導(dǎo)致外顯肽連接,內(nèi)含肽是蛋白質(zhì)的內(nèi)部片段，翻譯后很快被剪切，兩個(gè)外顯肽連接到一起。內(nèi)含肽的長(zhǎng)度一般在300 ~ 600個(gè)氨基酸之間。剪接是由內(nèi)含肽自我催化的。,三、高級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾,（一）亞基聚合 （二）輔基連接,蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復(fù)雜機(jī)制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細(xì)胞

24、靶部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送。,四、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送,?蛋白質(zhì)的靶向輸送(protein targeting),所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在分選信號(hào)，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的適當(dāng)靶部位，這一序列稱為信號(hào)序列 。,? 信號(hào)序列(signal sequence),靶向輸送蛋白的信號(hào)序列或成分,（一）分泌蛋白的靶向輸送,真核細(xì)胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。,信號(hào)肽(signal

25、 peptide),各種新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列稱信號(hào)肽。,信號(hào)肽的一級(jí)結(jié)構(gòu),信號(hào)肽引導(dǎo)真核分泌蛋白進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng),,目錄,（二）線粒體蛋白的靶向輸送,,目錄,（三）細(xì)胞核蛋白的靶向輸送,,目錄,蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,第 四 節(jié),蛋白質(zhì)生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶點(diǎn)。它們就是通過阻斷真核、原核生物蛋白

26、質(zhì)翻譯體系某組分功能，干擾和抑制蛋白質(zhì)生物合成過程而起作用的。 可針對(duì)蛋白質(zhì)生物合成必需的關(guān)鍵組分作為研究新抗菌藥物的作用靶點(diǎn)。同時(shí)盡量利用真核、原核生物蛋白質(zhì)合成體系的任何差異，以設(shè)計(jì)、篩選僅對(duì)病原微生物特效而不損害人體的藥物。,抗生素(antibiotics)是微生物產(chǎn)生的能夠殺滅或抑制細(xì)菌的一類藥物。,抗代謝藥物指能干擾生物代謝過程，從而抑制細(xì)胞過度生長(zhǎng)的藥物，如：6-MP。,某些毒素也作用于基因信息傳遞過程。,一、抗生