蛋白質合成翻譯

1、 蛋白質的生物合成，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一級結構中20種氨基酸的排列順序 。蛋白質合成體系蛋白質合成體系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、無機離子參與蛋白質生物合成的物質包括l 三種RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白體RNA）tRNA（transfer RNA, 轉移RNA）一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼 mRNA是遺傳信息的攜帶者 遺傳學將編

2、碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。 原核細胞中數個結構基因常串聯為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質，為多順反子(polycistron) 。 真核mRNA只編碼一種蛋白質，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非編碼序列核蛋白體結合位點起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP53蛋白質PPPmG -53蛋白質目 錄l mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質合成的起始、終止信號，稱為三聯體密碼(triplet coden)。起始密碼(init

3、iation coden): AUG 終止密碼(termination coden): UAA，UAG，UGA 遺傳密碼表目 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，各個三聯體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質多肽鏈，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。 1. 連續(xù)性連續(xù)性(commaless)l遺傳密碼的特點編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。 基因損傷引起mRNA閱讀框架內的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致框移突變(frameshift mutation)。 2. 簡并性簡并性(degeneracy)遺傳密碼

4、中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯體為其編碼。目 錄2. 簡并性簡并性(degeneracy)目 錄3. 通用性通用性(universal) 蛋白質生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 已發(fā)現少數例外，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。 密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。 4. 擺動性擺動性(wobble)轉運氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結合，但反密碼與密碼間不嚴格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺動配對。 U擺動配對目 錄密碼子、反密碼子配對的擺動現象tRNA反密碼子反密碼子第第1位堿基

5、位堿基IUGACmRNA密碼子密碼子第第3位堿基位堿基U, C, AA, GU, CUG二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置目 錄原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋核蛋白體白體小亞基小亞基大亞基大亞基核蛋核蛋白體白體小亞基小亞基大亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白蛋白質質rpS 21種種rpL 36種種rpS 33種種rpL 49種種 不同細胞核蛋白體的組成 核核蛋蛋白白體體的的組組成成目 錄原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式:A位：氨基酰位(aminoacyl

6、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的三級結構示意圖的三級結構示意圖氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)l 氨基酸的活化第一步反應氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi目 錄第二步反應氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E目 錄 tRNA與酶結合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP 氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRN

7、A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-tRNAMet 真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAifMet（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA蛋白質生物合成過程蛋白質生物合成過程 The Process of Protein Biosynthesis 第 二 節(jié) 翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination )整個翻譯過程可分為 ：翻譯過程從閱讀框架的5-AUG開始

8、，按mRNA模板三聯體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現。 一、肽鏈合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結合而形成翻譯起始 復 合 物 ( t r a n s l a t i o n a l i n i t i a t i o n c o m p l e x ) 。原核、真核生物各種起始因子的生物功能 促進核蛋白體分離成大小亞基促進核蛋白體分離成大小亞基eIF-6促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基eIF-5eIF-4F復合物成分，結合復合物成分，結合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F復合物成分，結合復合物成分

9、，結合mRNA5帽子帽子eIF-4E結合結合mRNA，促進，促進mRNA掃描定位起始掃描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F復合物成分，有解螺旋酶活性，促進復合物成分，有解螺旋酶活性，促進mRNA結結合小亞基合小亞基IF-4A最先結合小亞基促進大小亞基分離最先結合小亞基促進大小亞基分離eIF-2B，eIF-3促進起始促進起始tRNA與小亞基結合與小亞基結合eIF-2真核真核生物生物促進大小亞基分離，提高促進大小亞基分離，提高P位對結合起始位對結合起始tRNA敏感性敏感性EIF-3促進起始促進起始tRNA與小亞基結合與小亞基結合EIF-2占據占據A位防止結合其他位防止結合其他tRNAIF-1原

10、核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子促進核蛋白體分離成大小亞基促進核蛋白體分離成大小亞基eIF-6促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基eIF-5eIF-4F復合物成分，結合復合物成分，結合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F復合物成分，結合復合物成分，結合mRNA5帽子帽子eIF-4E結合結合mRNA，促進，促進mRNA掃描定位起始掃描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F復合物成分，有解螺旋酶活性，促進復合物成分，有解螺旋酶活性，促進mRNA結結合小亞基合小亞基IF-4A最先結合小亞基促進大小亞基分離最先結合小亞基促進大

11、小亞基分離eIF-2B，eIF-3促進起始促進起始tRNA與小亞基結合與小亞基結合eIF-2真核真核生物生物促進大小亞基分離，提高促進大小亞基分離，提高P位對結合起始位對結合起始tRNA敏感性敏感性EIF-3促進起始促進起始tRNA與小亞基結合與小亞基結合EIF-2占據占據A位防止結合其他位防止結合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子（一）原核生物翻譯起始復合物形成核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結合；起始氨基酰-tRNA的結合； 核蛋白體大亞基結合。IF-3IF-11. 核蛋白體大小亞基分離目 錄A U G53IF-3IF-12. mRNA在小亞基定

12、位結合目 錄S-D序列 IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結合到小亞基A U G53目 錄IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白體大亞基結合，起始復合物形成A U G53目 錄IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目 錄（二）真核生物翻譯起始復合物形成l核蛋白體大小亞基分離；l起始氨基酰-tRNA結合；lmRNA在核蛋白體小亞基就位；l核蛋白體大亞基結合。mRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRN

13、AiMet-elF-2 -GTP真核生物翻譯起始復合物形成過程二、肽鏈合成延長指根據mRNA密碼序列的指導，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。 l肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步： 進位(entrance) 成肽(peptide bond formation) 轉位(translocation) 延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongation factor, EF)原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1 、EF-2 原核延長原核延長因

14、子因子生物功能生物功能對應真核延對應真核延長因子長因子EF-Tu促進氨基酰促進氨基酰-tRNA進入進入A位，位，結合分解結合分解GTPEF-1-EF-Ts調節(jié)亞基調節(jié)亞基EF-1-EFG有轉位酶活性，促進有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，位，促進卸載促進卸載tRNA釋放釋放EF-2肽鏈合成的延長因子 又稱注冊又稱注冊(registration)（一）進位指根據mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位。目 錄延長因子EF-T催化進位（原核生物）目 錄Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP目 錄（二）成肽是由轉肽酶(tr

15、anspeptidase)催化的肽鍵形成過程。（三）轉位延長因子EF-G有轉位酶( translocase )活性，可結合并水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3側移動 。fMetA U G53fMetTuGTP目 錄進位轉位成肽真核生物肽鏈合成的延長過程與原核基本相似，但有不同的反應體系和延長因子。另外，真核細胞核蛋白體沒有E位，轉位時卸載的tRNA直接從P位脫落。（四）真核生物延長過程 三、肽鏈合成的終止當mRNA上終止密碼出現后，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。終止相關的蛋白因子稱為釋放因子 (release fact

16、or, RF) 一是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。二是誘導轉肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相當于催化肽?；D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 真核生物釋放因子：eRF 原核肽鏈合成終止過程 U A G53RFCOO-目 錄多聚核蛋白體(polysome)使蛋白質合成高速、高效進行。目 錄電鏡下的多聚核蛋白體現象目 錄蛋白質合成后加工和輸送蛋白質合成后加工和輸送Posttranslational Processing & Protein Transportation第 三 節(jié)

17、從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質生物活性，必需經過不同的翻譯后復雜加工過程才轉變?yōu)樘烊粯嬒蟮墓δ艿鞍?。主要包括l多肽鏈折疊為天然的三維結構 l肽鏈一級結構的修飾l高級結構修飾 一、多肽鏈折疊為天然功能構象的蛋白質 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，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，產生正確的二級結構、模序、結構域到形成完整空間構象。 一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質折疊的信息，即一級結構是空間構象的基礎。 細胞中大多數天然蛋白質折疊都不是自動完成，而需要其他酶、蛋白輔助。 幾種有促進蛋白折疊功能的大分子1. 分子伴侶

18、(molecular chaperon) 2. 蛋白二硫鍵異構酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰順反異構酶 (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(chaperonins) GroEL和GroES家族分子伴侶分子伴侶是細胞一類保守蛋白質，可識別肽鏈的非天然構象，促進各功能域和整體蛋白質的正確折疊。 熱休克蛋白促進蛋白質折疊的基本作用結合保護待折疊多肽片段，再釋放該片段進行折疊。形成H

19、SP70和多肽片段依次結合、解離的循環(huán)。 HSP40結合待折疊多肽片段 HSP70-ATP復合物 HSP40- HSP70-ADP-多肽復合物 ATP水解GrpE ATPADP復合物解離，釋出多肽鏈片段進行正確折疊 伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進蛋白質折疊過程 伴侶素的主要作用為非自發(fā)性折疊蛋白質提供能折疊形成天然空間構象的微環(huán)境。 蛋白二硫鍵異構酶 多肽鏈內或肽鏈之間二硫鍵的正確形成對穩(wěn)定分泌蛋白、膜蛋白等的天然構象十分重要，這一過程主要在細胞內質網進行。 二硫鍵異構酶在內質網腔活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質形成熱力學最穩(wěn)定的天然構象。

20、肽-脯氨酰順反異構酶 多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構體，空間構象明顯差別。 肽酰-脯氨酰順反異構酶可促進上述順反兩種異構體之間的轉換。 肽酰-脯氨酰順反異構酶是蛋白質三維構象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構型時，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準確折疊。 二、一級結構的修飾（一）肽鏈N端的修飾（二）個別氨基酸的修飾（三）多肽鏈的水解修飾鴉片促黑皮質素原鴉片促黑皮質素原(POMC)的水解修的水解修飾飾NC信號肽PMOCKRKR103肽 ( ？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin三、高級結構的修飾（一）亞基聚合 （二）輔基連接（三）疏水脂鏈的共價連接 蛋白質合成后需要經

21、過復雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞靶部位，這一過程稱為蛋白質的靶向輸送。 四、蛋白質合成后的靶向輸送蛋白質的靶向輸送(protein targeting)所有靶向輸送的蛋白質結構中存在分選信號，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質轉移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為信號序列 。 信號序列(signal sequence)靶向輸送蛋白靶向輸送蛋白信號序列或成分信號序列或成分分泌蛋白分泌蛋白信號肽信號肽內質網腔蛋白內質網腔蛋白信號肽，信號肽，C端端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列序列)線粒體蛋白線粒體蛋白N端靶向序列（端靶向序列（2035氨基酸殘基）氨基酸殘基

22、）核蛋白核蛋白核定位序列（核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）抗原）過氧化體蛋白過氧化體蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）序列）溶酶體蛋白溶酶體蛋白Man-6-P（甘露糖（甘露糖-6-磷酸）磷酸）靶向輸送蛋白的信號序列或成分 （一）分泌蛋白的靶向輸送真核細胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進入內質網。 信號肽(signal peptide) 各種新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列稱信號肽。 信號肽的一級結構信號肽引導真核分泌蛋白進入內質網 目 錄（二）線粒體蛋白的靶向輸送 目 錄（三）細胞核蛋白的靶向輸送目 錄蛋白

23、質生物合成的干擾和抑制蛋白質生物合成的干擾和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis第 四 節(jié) 蛋白質生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶點。它們就是通過阻斷真核、原核生物蛋白質翻譯體系某組分功能，干擾和抑制蛋白質生物合成過程而起作用的。 可針對蛋白質生物合成必需的關鍵組分作為研究新抗菌藥物的作用靶點。同時盡量利用真核、原核生物蛋白質合成體系的任何差異，以設計、篩選僅對病原微生物特效而不損害人體的藥物。 l抗生素(antibiotics)是微生物產生的能夠殺滅或抑制細菌的一類藥物。l抗代謝藥物指能干擾生物代謝過程，從而

24、抑制細胞過度生長的藥物，如：6-MP。l 某些毒素也作用于基因信息傳遞過程。一、抗生素類抗生素抗生素作用點作用點作用原理作用原理應用應用四環(huán)素族（金霉素四環(huán)素族（金霉素 新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）鏈霉素、卡那霉素、鏈霉素、卡那霉素、新霉素新霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素紅霉素紅霉素梭鏈孢酸梭鏈孢酸 放線菌酮放線菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素原核核蛋白原核核蛋白體小亞基體小亞基原核核蛋白原核核蛋白體小亞基體小亞基原核核蛋白原核核蛋白體大亞基體大亞基原核核蛋白原核核蛋白體大亞基體大亞基原核核蛋白原核核蛋白體大亞基體大亞基真核核蛋白真核核蛋白體大亞基體大亞基真核、原核真核、原核核蛋白體核蛋白體 抑

25、制氨基酰抑制氨基酰-tRNA與小亞基與小亞基結合結合改變構象引起讀碼錯誤、抑改變構象引起讀碼錯誤、抑制起始制起始抑制轉肽酶、阻斷延長抑制轉肽酶、阻斷延長抑制轉肽酶、妨礙轉位抑制轉肽酶、妨礙轉位與與EFG-GTP結合，抑制肽結合，抑制肽鏈延長鏈延長抑制轉肽酶、阻斷延長抑制轉肽酶、阻斷延長氨基酰氨基酰-tRNA類似物，進位類似物，進位后引起未成熟肽鏈脫落后引起未成熟肽鏈脫落抗菌藥抗菌藥抗菌藥抗菌藥抗菌藥抗菌藥抗菌藥抗菌藥抗菌藥抗菌藥醫(yī)學研究醫(yī)學研究抗腫瘤藥抗腫瘤藥抗生素抑制蛋白質生物合成的原理 嘌呤霉素作用示意圖四環(huán)素族氯霉素鏈霉素和卡那霉素嘌呤霉素放線菌酮目 錄二、其他干擾蛋白質生物合成的物質

26、毒素(toxin) 干擾素(interferon)白喉毒素(diphtheria toxin)的作用機理NCONH2N+OCH2OOHOHADPCONH2白喉毒素（有活性）OCH2OOHOHADP（無活性）干擾素的作用機理干擾素誘導的蛋白激酶dsRNA1. 干擾素誘導eIF2磷酸化而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）Pi磷酸酶2. 干擾素誘導病毒干擾素誘導病毒RNA降解降解降解mRNAdsRNA干擾素AAPAPPPP252552- 5AAPPPATP2-5A合成酶RNaseLRNaseL活化1. 連續(xù)性連續(xù)性(commaless)l遺傳密碼的特點編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯體密碼連

27、續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。 三、tRNA與氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂原核、真核生物各種起始因子的生物功能 促進核蛋白體分離成大小亞基促進核蛋白體分離成大小亞基eIF-6促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基eIF-5eIF-4F復合物成分，結合復合物成分，結合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F復合物成分，結合復合物成分，結合mRNA5帽子帽子eIF-4E結合結合mRNA，促進，促進mRNA掃描定位起始掃描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F復合物成分，有解螺旋酶活性，促進復合物成分，有解螺旋酶活性，促進mRNA結結合小亞基

28、合小亞基IF-4A最先結合小亞基促進大小亞基分離最先結合小亞基促進大小亞基分離eIF-2B，eIF-3促進起始促進起始tRNA與小亞基結合與小亞基結合eIF-2真核真核生物生物促進大小亞基分離，提高促進大小亞基分離，提高P位對結合起始位對結合起始tRNA敏感性敏感性EIF-3促進起始促進起始tRNA與小亞基結合與小亞基結合EIF-2占據占據A位防止結合其他位防止結合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子促進核蛋白體分離成大小亞基促進核蛋白體分離成大小亞基eIF-6促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基促進各種起始因子從小亞基解離，進而結合大亞基eIF-5eIF-4F復合物成分，結合復合物成分，結合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F復合物