第四章 從mRNA到蛋白質(zhì)

翻譯(translation):即蛋白質(zhì)生物合成，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。當(dāng)前第1頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所是蛋白質(zhì)合成的模板是模板與氨基酸之間的接合體是蛋白質(zhì)合成的原料是核糖體mRNAtRNA20種氨基酸當(dāng)前第2頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)主要內(nèi)容第一節(jié)蛋白質(zhì)生物合成體系第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成過程第三節(jié)蛋白質(zhì)合成后加工和運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制當(dāng)前第3頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)第一節(jié)蛋白質(zhì)合成體系1.遺傳密碼——三聯(lián)子2.tRNA3.核糖體當(dāng)前第4頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)1.遺傳密碼——三聯(lián)子（一）定義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(tripletcoden)。起始密碼(initiationcoden):AUG終止密碼(terminationcoden):

UAA，UAG，UGA

當(dāng)前第5頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)遺傳密碼表當(dāng)前第6頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)（二）遺傳密碼的性質(zhì)1）簡(jiǎn)并性2）普遍性與特殊性3）連續(xù)性4）擺動(dòng)性當(dāng)前第7頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)1）簡(jiǎn)并性

由一種以上密碼子編碼同一個(gè)氨基酸的現(xiàn)象稱為簡(jiǎn)并（degeneracy），對(duì)應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子（synonymouscodon）。當(dāng)前第8頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)減少了變異對(duì)生物的影響當(dāng)前第9頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)2）普遍性與特殊性蛋白質(zhì)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(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。當(dāng)前第10頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)生物密碼子線粒體DNA編碼的氨基酸核DNA編碼的氨基酸所有UGA色氨酸終止子酵母CUA蘇氨酸亮氨酸果蠅AGA絲氨酸精氨酸哺乳類AGA/G終止子精氨酸哺乳類AUA甲硫氨酸異亮氨酸線粒體與核DNA密碼子使用情況的比較當(dāng)前第11頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。3）連續(xù)性當(dāng)前第12頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)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(frameshiftmutation)。當(dāng)前第13頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)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，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(openreadingframe,ORF)。

當(dāng)前第14頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA上的反密碼子需要通過堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼子反向配對(duì)結(jié)合，在密碼子與反密碼子的配對(duì)中，前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基配對(duì)原則，第三對(duì)堿基有一定的自由度，可以“擺動(dòng)”，這種現(xiàn)象稱為密碼子的擺動(dòng)性。4）擺動(dòng)性當(dāng)前第15頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)U擺動(dòng)配對(duì)當(dāng)前第16頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第17頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)密碼子、反密碼子配對(duì)的擺動(dòng)現(xiàn)象tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U,C,AA,GU,CUG當(dāng)前第18頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)3′OHACCAC-GU-AC-GUG5′PCGC-GG-CCGCGGCCGUCAmCCφTUAGmCCGCGAAGDDGmGDDDAACmDAGAGCGAUGCAUAφCUGUAAATψ環(huán)CCA末端DHU環(huán)反密碼子反密碼子環(huán)酵母tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)與二級(jí)結(jié)構(gòu)2、tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)：

“三葉草形”氨基酸臂當(dāng)前第19頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)與密碼子配對(duì)連接氨基酸三級(jí)結(jié)構(gòu)：倒“L形”當(dāng)前第20頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)3.核糖體

核糖體是蛋白質(zhì)的合成部位，不同細(xì)胞核糖體的組成：

原核生物真核生物核糖體小亞基大亞基核糖體小亞基大亞基S值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質(zhì)21種34種33種50種當(dāng)前第21頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)

在單個(gè)核糖體上，可化分多個(gè)功能活性中心，在蛋白質(zhì)合成過程中各有專一的識(shí)別作用和功能。

●mRNA結(jié)合部位——小亞基●結(jié)合或接受AA-tRNA部位（A位）——大亞基●結(jié)合或接受肽基tRNA的部位——大亞基●肽基轉(zhuǎn)移部位（P位）——大亞基●形成肽鍵的部位（轉(zhuǎn)肽酶中心）——大亞基當(dāng)前第22頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)原核生物翻譯過程中核糖體結(jié)構(gòu)模式:A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)當(dāng)前第23頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成過程當(dāng)前第24頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)蛋白質(zhì)生物合成過程氨基酸活化肽鏈的起始、伸長(zhǎng)、終止新合成多肽鏈的折疊和加工當(dāng)前第25頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)氨基酸的活化必需組分：20種氨基酸20種或更多的tRNA20種氨酰-tRNA合成酶ATP,Mg2+當(dāng)前第26頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)（1）氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酸的活化當(dāng)前第27頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)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(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ser-tRNASerMet-tRNAMet

當(dāng)前第28頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)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-tRNAMet（2）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA當(dāng)前第29頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)第一步反應(yīng)氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E＋AMP＋PPi

當(dāng)前第30頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)第二步反應(yīng)氨基酰-AMP-E＋tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP＋E當(dāng)前第31頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)

tRNA與酶結(jié)合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP當(dāng)前第32頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)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。肽鏈的起始、伸長(zhǎng)、終止1）肽鏈的起始當(dāng)前第33頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)肽鏈起始必需組分：

mRNAN-甲酰甲硫氨酸-tRNAmRNA上的起始密碼子（AUG）核糖體大、小亞基GTP,Mg2+起始因子（IF-1,IF-2,IF-3等）

當(dāng)前第34頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)IF-3IF-1翻譯起始(原核生物)為例又可被分成4步：（P122）

（1）核蛋白體大小亞基分離當(dāng)前第35頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)（2）30S小亞基通過SD序列與mRNA模板相結(jié)合AUG5'3'IF-3IF-1當(dāng)前第36頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)S-D序列：mRNA起始密碼前的一段富含嘌呤核苷酸的序列,可與核糖體小亞基16S-rRNA上富含嘧啶序列相結(jié)合。

當(dāng)前第37頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)IF-3IF-1IF-2GTP（3）在IF-2和GTP的幫助下，fMet-tRNAfMet進(jìn)入小亞基的P位，tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配對(duì)。AUG5'3'當(dāng)前第38頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi（4）GTP水解，釋放翻譯起始因子，帶有tRNA、mRNA和3個(gè)翻譯起始因子的小亞基復(fù)合物與50S大亞基結(jié)合。AUG5'3'當(dāng)前第39頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi當(dāng)前第40頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)真核生物翻譯起始的特點(diǎn)●核糖體較大,為80Ｓ；●起始因子比較多；●mRNA5′端具有m7Gppp帽子結(jié)構(gòu)●Met-tRNAMet

●mRNA的5′端帽子結(jié)構(gòu)和3′端polyA都參與形成翻譯起始復(fù)合物；當(dāng)前第41頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)真核生物翻譯起始復(fù)合物形成(區(qū)別原核生物)

原核生物中30S小亞基首先與mRNA模板相結(jié)合，再與fMet-tRNAfMet結(jié)合，最后與50S大亞基結(jié)合。而在真核生物中，40S小亞基首先與Met-tRNAMet相結(jié)合，再與模板mRNA結(jié)合，最后與60S大亞基結(jié)合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始復(fù)合物（P124）。當(dāng)前第42頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAMet-elF-2

-GTP真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程當(dāng)前第43頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)

肽鏈延伸由許多循環(huán)組成，每加一個(gè)氨基酸就是一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括：AA-tRNA與核糖體結(jié)合（進(jìn)位）、肽鍵的生成（成肽）和

移位（轉(zhuǎn)位）。

2）肽鏈的延伸指根據(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。當(dāng)前第44頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)延伸過程所需蛋白因子稱為延長(zhǎng)因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2當(dāng)前第45頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)原核延長(zhǎng)因子生物功能對(duì)應(yīng)真核延長(zhǎng)因子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTPEF-1-αEF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-βγEF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進(jìn)卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長(zhǎng)因子當(dāng)前第46頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)（1）AA-tRNA與核糖體A位點(diǎn)的結(jié)合需要消耗GTP，并需EF-Tu、EF-Ts兩種延伸因子當(dāng)前第47頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第48頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)通過延伸因子EF-Ts再生GTP,形成EF-Tu?GTP復(fù)合物

EF-Tu-GDP+EF-TsEF-Tu-Ts+GDP

EF-Tu-Ts+GTPEF-Tu-GTP+EF-Ts重新參與下一輪循環(huán)當(dāng)前第49頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)（2）肽鍵形成

是由轉(zhuǎn)肽酶/肽基轉(zhuǎn)移酶催化當(dāng)前第50頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)（3）移位核糖體向mRNA3’端方向移動(dòng)一個(gè)密碼子。需要消耗GTP，并需EF-G延伸因子當(dāng)前第51頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)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)。當(dāng)前第52頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)fMetAUG5'3'fMetTuGTP當(dāng)前第53頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽當(dāng)前第54頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)3）肽鏈的終止當(dāng)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。

當(dāng)前第55頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)

RF1：識(shí)別終止密碼子UAA和UAG終止因子RF2：識(shí)別終止密碼子UAA和UGA

RF3：具GTP酶活性，刺激RF1和RF2活性，協(xié)助肽鏈的釋放（原核生物）真核生物只有一個(gè)終止因子（eRF）終止相關(guān)的蛋白因子稱為終止因子或釋放因子(releasefactor,RF)當(dāng)前第56頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)原核肽鏈合成終止過程當(dāng)前第57頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)UAG5'3'RFCOO-當(dāng)前第58頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)多聚核蛋白體(polysome)——使蛋白質(zhì)合成高速、高效進(jìn)行。當(dāng)前第59頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)電鏡下的多聚核蛋白體現(xiàn)象當(dāng)前第60頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)蛋白質(zhì)合成后加工和運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制第三節(jié)當(dāng)前第61頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)主要包括一、蛋白質(zhì)前體的加工二、蛋白質(zhì)合成抑制劑三、蛋白質(zhì)運(yùn)輸當(dāng)前第62頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)一）蛋白質(zhì)前體的加工

1、N端fMet或Met的切除2、二硫鍵的形成3、特定氨基酸的修飾4、切除新生肽鏈中非功能片段當(dāng)前第63頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)1）N端fMet或Met的切除新生蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶切后變成有功能的成熟蛋白質(zhì)當(dāng)前第64頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)2）二硫鍵的形成

mRNA中沒有胱氨酸的密碼子，蛋白質(zhì)中的二硫鍵是通過兩個(gè)半胱氨酸的-SH基氧化生成的3）特定氨基酸的修飾

磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羥基化和羧基化當(dāng)前第65頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)4）切除新生肽鏈中非功能片段前胰島素原蛋白翻譯后成熟過程示意圖當(dāng)前第66頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)二）蛋白質(zhì)合成抑制劑當(dāng)前第67頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)三）蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)前第68頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)蛋白性質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制主要類型分泌蛋白質(zhì)在結(jié)合核糖體上合成，并以翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制運(yùn)輸免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等細(xì)胞器發(fā)育蛋白質(zhì)在游離核糖體上合成，以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制運(yùn)輸核、葉綠體、線粒體、乙醛酸循環(huán)體、過氧化物酶體等細(xì)胞器中的蛋白質(zhì)膜的形成兩種機(jī)制兼有質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、類囊體中的蛋白質(zhì)當(dāng)前第69頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)1、翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制信號(hào)肽假說●信號(hào)肽：常指新合成多肽鏈中用于指導(dǎo)蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移的N-末端氨基酸序列（有時(shí)不一定在N端），長(zhǎng)度一般在13~36個(gè)殘基之間。當(dāng)前第70頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)●信號(hào)序列特點(diǎn)：（1）一般帶有10-15個(gè)疏水氨基酸；（2）在靠近該序列N-端常常有1個(gè)或數(shù)個(gè)帶正電荷的氨基酸；（3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位點(diǎn)處常常帶有數(shù)個(gè)極性氨基酸，離切割位點(diǎn)最近的那個(gè)氨基酸往往帶有很短的側(cè)鏈（丙氨酸或甘氨酸）。當(dāng)前第71頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)●信號(hào)肽假說內(nèi)容：信號(hào)肽假說認(rèn)為，編碼分泌蛋白的mRNA在翻譯時(shí)首先合成的是N末端帶有疏水氨基酸殘基的信號(hào)肽，它被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體識(shí)別并與之相結(jié)合。信號(hào)肽經(jīng)由膜中蛋白質(zhì)形成的孔道到達(dá)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔，隨即被位于腔表面的信號(hào)肽酶水解，由于它的引導(dǎo)，新生的多肽就能夠通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜進(jìn)入腔內(nèi)，最終被分泌到胞外。翻譯結(jié)束后，核糖體亞基解聚、孔道消失，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜又恢復(fù)原先的脂雙層結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前第72頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第73頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)新生蛋白質(zhì)通過同步轉(zhuǎn)運(yùn)途徑進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的主要過程當(dāng)前第74頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)2、翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制當(dāng)前第75頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)(1)線粒體蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)①在運(yùn)轉(zhuǎn)前大多以前體形式存在，由成熟蛋白質(zhì)和位于N端的一段前導(dǎo)肽組成，當(dāng)前體蛋白過膜時(shí)，前導(dǎo)肽被多肽酶水解，釋放成熟蛋白質(zhì)；蛋白質(zhì)通過線粒體內(nèi)膜的運(yùn)轉(zhuǎn)是個(gè)需能過程；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，首先由外膜上的Tom受體復(fù)合蛋白識(shí)別Hsp70或MSF等分子伴侶結(jié)合的待轉(zhuǎn)運(yùn)多肽，通過Tom和Tim組成的膜通道進(jìn)入線粒體內(nèi)腔。

蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的能量來自線粒體Hsp70引發(fā)的ATP水解和膜電位差當(dāng)前第76頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)(2)葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)：①活性蛋白水解酶位于葉綠體基質(zhì)內(nèi)②葉綠體膜能夠特異地與葉綠體蛋白的前體結(jié)合③葉綠體蛋白質(zhì)前體內(nèi)可降解序列因植物和蛋白質(zhì)種類不同而表現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)前第77頁\共有86頁\編于星期六\8點(diǎn)（3）核定位蛋