蛋白質生物合成課件

蛋白質的生物合成（翻譯）ProteinBiosynthesis(Translation)【掌握】1．mRNA、tRNA，rRNA在翻譯過程中的作用和相互配合關系；2．遺傳密碼的特點；3．密碼子和反密碼子的關系?！臼煜ぁ?．遺傳密碼表的用法；2．翻譯的起始、肽鏈的延長、肽鏈的終止過程；3．翻譯后的加工?！玖私狻?．原核、真核生物翻譯起始的異同；2．信號肽的概念；3．蛋白質生物合成的抑制劑。

蛋白質生物合成的概念蛋白質生物合成(proteinbiosynthesis)也稱翻譯(translation)，是以mRNA為模板指導蛋白的合成，把mRNA分子上4種核苷酸的遺傳信息，變成蛋白質多肽鏈的20種氨基酸排列順序的過程，類似一種語言翻譯成另一種語言的情形，所以也稱為翻譯。定義基本原料：20種編碼氨基酸模板：mRNA適配器：tRNA

裝配機：核蛋白體主要酶和蛋白質因子：氨基酰-tRNA合成酶、轉肽酶、起始因子、延長因子、釋放因子等能源物質：ATP、GTP無機離子：Mg2+、K+蛋白質生物合成體系蛋白質合成的三大物質基礎（一）mRNA的發(fā)現(xiàn)1.1948年有人報道，當噬菌體感染了細菌后會產生一種很不穩(wěn)定的RNA，且大多數(shù)是和核糖體結合在一起的。2.1955年Brachet用洋蔥根尖和變形蟲進行了實驗；若加入RNA酶降解細胞中的RNA，則蛋白質合成就停止，若再加入從酵母中提取的RNA，則又可以重新合成一些蛋白質，這就表明，蛋白質的合成是依賴于RNA。Hall等人將T2噬菌體感染E.coli后立即產生的RNA分離出來，分別與T2和E.coli的DNA進行分子雜交，結果發(fā)現(xiàn)這種RNA只能和T2的DNA雜交形成“雜種”鏈，而不能和E.coli的DNA進行雜交。表明T2產生的這種RNA（即mRNA）至少和T2的DNA中的一條鏈是互補的。1961年Jacob等人進行了一系列的實驗提出了mRNA作為“信使”的證據。因此他們將這種能把遺傳信息從DNA傳遞到蛋白質上的物質稱為mRNA（messengerRNA）。

一、mRNA是蛋白質生物合成的直接模板mRNA的基本結構StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻譯區(qū)533’-端非翻譯區(qū)開放閱讀框架從mRNA5-端起始密碼子AUG到3-端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。翻譯模板mRNA及遺傳密碼◆mRNA是遺傳信息的攜帶者?遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子（cistron）。

?原核細胞細胞中數(shù)個結構基因常串聯(lián)為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種相關的蛋白質，為多順反子（polycistron）。?真核mRNA只編碼一種蛋白質，為單順反子（singlecistron）。

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AAA…遺傳密碼遺傳密碼（Geneticcode）是DNA上核苷酸與蛋白質中的氨基酸的對應關系。也是mRNA中蘊藏遺傳信息的堿基順序。mRNA中的4種堿基組成的密碼子代表了20種氨基酸，同時決定了翻譯過程的起始與終止位置。遺傳密碼的破譯1954年物理學家GeorgeGamov提出遺傳密碼的問題，并根據DNA中有4種核苷酸和蛋白質中20種氨基酸的對應關系，推理認為3個核苷酸為一個氨基酸編碼，可編碼64種氨基酸（43=64）是最理想的。因為在有四種核苷酸條件下，64是能滿足于20種氨基酸編碼的最小數(shù)。破譯遺傳密碼最簡單的方法是將DNA順序或mRNA順序和多肽相比較。1961年，Brenner和Crick用T4噬菌體實驗證明加入或減少1或2個核苷酸可導致形成不正常的蛋白質，但加入或減少3個核苷酸則生成的蛋白質常具有完全的活性。因此認為遺傳密碼是由3個核苷酸組成的，這被以后的實驗證明。最終于1966年破譯了所有氨基酸的密碼子。遺傳密碼表遺傳密碼的特點1.方向性(directional)翻譯時遺傳密碼的閱讀方向是5’→3’，即讀碼從mRNA的起始密碼子AUG開始，按5’→3’的方向逐一閱讀，直至終止密碼子。NC肽鏈延伸方向5′3′讀碼方向2.連續(xù)性(non-punctuated)編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼子及密碼子的各堿基之間既無間隔也無交叉。5’…….AUG

GCA

GUA

CAU……UAA3’AlaValHisMet終止密碼3.簡并性(degenerate)一種氨基酸可具有2個或2個以上的密碼子為其編碼。這一特性稱為遺傳密碼的簡并性。除色氨酸和甲硫氨酸僅有1個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯(lián)體為其編碼。為同一種氨基酸編碼的各密碼子稱為簡并性密碼子，也稱同義密碼子。各種氨基酸的密碼子數(shù)目4.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(xiàn)少數(shù)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。U321123擺動配對二、tRNA是氨基酸的運載工具及蛋白質生物合成的適配器tRNA的作用運載氨基酸：氨基酸各由其特異的tRNA攜帶，一種氨基酸可有幾種對應的tRNA，氨基酸結合在tRNA3ˊ-CCA的位置，結合需要ATP供能；充當“適配器”：每種tRNA的反密碼子決定了所攜帶的氨基酸能準確地在mRNA上對號入座。（二）蛋白質因子起始因子（initiationfactor，IF）延長因子（elongationfactor，EF）釋放因子（releasefactor，RF）氨基酸的活化?

氨基酸與特異的tRNA結合形成氨基酰-tRNA的過程稱為氨基酸的活化。?

參與氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合成酶。反應過程（一）氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酸＋ATP-E氨基酰-AMP-E＋PPi

第一步反應第二步反應氨基酰-AMP-E＋tRNA氨基酰-tRNA＋AMP＋EtRNA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tRNA都有高度特異性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。各種氨基酸和對應的tRNA結合后形成的氨基酰-tRNA表示為：氨基酸的三字母縮寫-tRNA氨基酸的三字母縮寫

例如：丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：

Met-tRNAMet特性（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA起始者tRNA(initiator-tRNA)：Met-tRNAiMet肽鏈延長(elongation)：Met-tRNAeMet真核生物原核生物：

起始密碼

fMet-tRNAifMet三、核蛋白體是蛋白質生物合成的場所核蛋白體的組成核蛋白體又稱核糖體，是由rRNA和多種蛋白質結合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒，是蛋白質生物合成的場所。原核生物真核生物核蛋白體小亞基大亞基核蛋白體小亞基大亞基S值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA23S-rRNA5S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5.8S-rRNA5S-rRNA蛋白質rpS21種rpL36種rpS33種rpL49種不同細胞核蛋白體的組成核糖體的組成原核生物核糖體70SMt2.7×106真核生物核糖體80SMt4.2×106原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)目錄第二節(jié)

蛋白質生物合成過程TheProcessofProteinBiosynthesis

翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。

整個翻譯過程可分為：起始(initiation)延長(elongation)終止(termination)一、翻譯起始參與翻譯起始復合物形成的多種蛋白質因子，稱為起始因子（initiationfactor,IF)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(translationalinitiationcomplex)。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AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結合

mRNA

起始密碼子上游S-D序列（核蛋白體結合位點），使mRNA與小亞基結合。mRNA上S-D序列后的小核苷酸序列可被小亞基蛋白rps-1結合。

S-D序列（Shine-Dalgarnosequence）

又稱核糖體結合位點（ribosomalbindingsite,RBS）

原核生物mRNA,AUG上游8-13nt部位;

4-9nt的一致序列，富含嘌呤(-AGGAGGU)；

與16s-rRNA的-CCUCCU-互補結合;

指導mRNA正確定位IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)結合到小亞基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結合，起始復合物形成AUG5'3'IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始復合物形成過程（二）真核生物翻譯起始復合物形成核蛋白體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結合；mRNA在核蛋白體小亞基就位；核蛋白體大亞基結合。Met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、eIF-6①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP真核生物翻譯起始復合物形成過程真核生物與原核生物翻譯起始的差異1.起始Met-tRNAiMet不需甲酰化；2.eIF種類多；3.小亞基先與Met-tRNAiMet結合，再與mRNA結合；5.ATP和GTP供能。4.mRNA與40s亞基的結合依靠帽子結合蛋白（CBP）復合物與mRNA帽子結構識別結合指在mRNA模板的指導下，氨基酸依次進入核蛋白體并聚合成多肽鏈的過程。1.進位(positioning)/注冊(registration)2.成肽(peptidebondformation)3.轉位(translocation)二、翻譯延長肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)循環(huán)式進行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomalcycle)，包括以下三步：每輪循環(huán)使多肽鏈增加一個氨基酸殘基。原核延長因子生物功能對應真核延長因子EF-Tu促進氨基酰-tRNA進入A位，結合分解GTPEF-1-αEF-Ts調節(jié)亞基EF-1-βγEFG有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子

延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongationfactor,EF)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。

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP進位的反應過程：（二）成肽是由轉肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。（三）轉位fMetAUG5'3'fMetTuGTP成肽→轉位→下一輪進位進位轉位成肽肽鏈合成延長(核蛋白體循環(huán))過程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、翻譯終止當mRNA上終止密碼出現(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。

終止相關的蛋白因子稱為釋放因子(releasefactor,RF)

?原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3

?真核生物釋放因子：eRF釋放因子的功能

?

一、識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。

?二、誘導轉肽酶改變?yōu)轷ッ富钚裕喈斢诖呋孽；D移到水分子-OH上，使肽鏈從核蛋白體上釋放。終止密碼的辨認：RF肽鏈從肽酰-tRNA水解出：RF誘導轉肽酶mRNA、卸載tRNA及RF從核蛋白體脫離大小亞基解聚：IF-1、IF-3解聚后的大、小亞基可再次結合，重新進入肽鏈合成過程原核生物肽鏈合成終止過程原核肽鏈合成終止過程原核肽鏈合成終止過程：多聚核蛋白體(polysome)

一條mRNA模板鏈都可附著10～100個核蛋白體，這些核蛋白體依次結合起始密碼子并沿5′→3′方向讀碼移動，同時進行肽鏈合成，這種mRNA與多個核蛋白體形成的聚合物稱為多聚核蛋白體(polysome)。

多聚核蛋白體

(polysome)——使蛋白質合成高速、高效進行。電鏡下的多聚核蛋白體真核生物終止過程

真核生物翻譯終止過程與原核生物相似，但只有1個釋放因子eRF，可識別所有終止密碼子，完成原核生物各類RF的功能。原核生物與真核生物肽鏈合成過程的主要差別原核生物真核生物mRNA一條mRNA編碼幾種蛋白質（多順反子）一條mRNA編碼一種蛋白質（單順反子）轉錄后很少加工轉錄后進行首尾修飾及剪接轉錄、翻譯和mRNA的降解可同時發(fā)生mRNA在核內合成，加工后進入胞液，再作為模板指導翻譯核蛋白體30S小亞基＋50S大亞基?70S核蛋白體40S小亞基＋60S大亞基?80S核蛋白體起始階段起始氨基酰-tRNA為fMet-tRNAfMet起始氨基酰-tRNA為Met-tRNAiMet核蛋白體小亞基先與mRNA結合,再與fMet-tRNAfMet結合核蛋白體小亞基先與Met-tRNAiMet結合，再與mRNA結合mRNA中的S-D序列與16SrRNA3-端的一段序列結合mRNA中的帽子結構與帽子結合蛋白復合物結合有3種IF參與起始復合物的形成有至少10種eIF參與起始復合物的形成延長階段延長因子為EF-Tu、EF-Ts和EF-G延長因子為eEF-1α、eEF-1βγ和eEF-2終止階段釋放因子為RF-1、RF-2和RF-3釋放因子為eRF第三節(jié)

蛋白質翻譯后修飾和靶向輸送PosttranslationalModificationandTargetingTransferofProtein翻譯后修飾新生多肽鏈不具備蛋白質的生物學活性，必須經過復雜的加工過程才能轉變?yōu)榫哂刑烊粯嬒蟮墓δ艿鞍踪|，這一加工過程稱為翻譯后修飾（posttranslationalmodification）翻譯后修飾包括?多肽鏈折疊為天然的三維結構

?肽鏈一級結構的修飾

?空間結構修飾翻譯后修飾使得蛋白質組成更加多樣化，從而使蛋白質結構上呈現(xiàn)更多的復雜性

一、一級結構的修飾（一）肽鏈N端的修飾（二）個別氨基酸的共價修飾（三）多肽鏈的水解修飾肽鏈N端的修飾翻譯過程以fMet-tRNAifMet作為第一個進位的起始物，蛋白質合成過程中，N端氨基酸總是α-氨基甲?；募琢虬彼?。天然蛋白質大多數(shù)不以甲硫氨酸為N端第一位氨基酸。細胞內脫甲?；富虬被拿缚梢猿-甲?；-端甲硫氨酸或N端附加序列。這一過程不一定等肽鏈合成終止才發(fā)生，也可在肽鏈合成中進行。個別氨基酸的修飾某些蛋白質肽鏈中存在共價修飾氨基酸殘基，在肽鏈合成后特異加工產生，蛋白質正常生物功能依賴于這些翻譯后修飾。

如：細胞內信號分子的絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸殘基的磷酸化介導細胞信號轉導。某些蛋白質分子中特定的酪氨酸殘基的磷酸化是正常細胞向惡性細胞轉化的重要步驟；膠原蛋白前體的賴氨酸、脯氨酸殘基羥基化對成熟膠原形成鏈間共價交聯(lián)結構的基礎；某些分泌型蛋白質常常形成鏈內二硫鍵，以維系和穩(wěn)定蛋白質的天然構象，從而避免受環(huán)境因素影響而變性。多肽鏈的水解修飾某些無活性的蛋白前體可經蛋白酶水解，生成活性的蛋白質、多肽，如胰島素原酶解成胰島素。真核細胞某些大分子多肽前體，經水解生成數(shù)種小分子活性肽。例：鴉片促黑皮質素原(POMC)的水解修飾多肽鏈的水解修飾二、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亞基聚合

具有四級結構的蛋白質由兩條以上的肽鏈通過非共價聚合，形成寡聚體（oligomer）。血紅蛋白分子22亞基的聚合。輔基連接蛋白質分為單純蛋白和結合蛋白兩類，各種主要的結合蛋白，合成后需要結合相應輔基，成為功能蛋白質。如：糖蛋白在多種糖基轉移酶的催化下添加糖鏈輔基，在內質網和高爾基體上完成。疏水脂鏈的共價連接

某些蛋白質，如Ras蛋白、G蛋白翻譯后需要在肽鏈特定位點共價連接一個、多個疏水性強的脂鏈，這些蛋白質通過脂鏈嵌入疏水膜脂雙層，定位成為特殊質膜內蛋白，才成為具有生物功能的蛋白質。蛋白質合成后需要經過復雜機制，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。三、蛋白質合成后的靶向輸送蛋白質的靶向輸送(proteintargeting)新生蛋白質的去向：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(signalsequence)靶向輸送蛋白信號序列或成分分泌蛋白信號肽內質網腔蛋白信號肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)線粒體蛋白N端靶向序列（20～35氨基酸殘基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T抗原）過氧化體蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶體蛋白Man-6-P（甘露糖-6-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(signalpeptide)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蛋白質進入內質網第四節(jié)

蛋白質生物合成的干擾和抑制InterferenceandInhibitionofProteinBiosynthesis一、許多抗生素通過抑制蛋白質生物合成發(fā)揮作用抗生素(antibiotics)是一類由某些真菌、細菌等微生物產生的藥物，有抑制其他微生物生長或殺死其他微生物的能力，對宿主無毒性的抗生素可用于預防和治療人、動物和植物的感染性疾病。嘌呤霉素：取代氨基酰-tRNA進入A位，使肽鏈延長終止四環(huán)素、金霉素：與30S小亞基結合，抑制氨基酰-tRNA進位鏈霉素、新霉素、卡那霉素、慶大霉素：與30S小亞基結合，引起讀碼錯誤抑制抑制蛋白質生物合成的抗生素氯霉素：與大亞基結合，抑制轉