1、蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）Protein Biosynthesis，Translation,第 十 二 章,生化教研室 雷 康 福,翻譯動(dòng)畫(huà),即翻譯，就是將mRNA中由4種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過(guò)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)的生物合成,本章主要學(xué)習(xí)內(nèi)容,mRNA、tRNA、 rRNA在翻譯過(guò)程中的作用，遺傳密碼的特點(diǎn) 氨基酰-tRNA合成酶的作用特點(diǎn) 原核、真核生物翻譯過(guò)程及異同 翻譯后修飾的形式 抗生素、毒素和干擾素抑制翻譯的機(jī)制,第一節(jié) 蛋白質(zhì)合成體系 Protein Biosynthesis System,原料： 三種RNA： mRNA：模板

2、 rRNA：組成核蛋白體翻譯場(chǎng)所 酶和蛋白質(zhì)因子： 氨基酰-tRNA合成酶、轉(zhuǎn)肽酶、轉(zhuǎn)位酶； IF、EF、RF等 ATP、GTP、無(wú)機(jī)離子等,參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì),tRNA:轉(zhuǎn)運(yùn)AA,20種AA,一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼,原核生物的多順?lè)醋?一條mRNA編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì),真核生物的單順?lè)醋?一條mRNA僅編碼一種蛋白質(zhì),目 錄,單復(fù)制子，多順?lè)醋?多復(fù)制子，單順?lè)醋?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(kāi)放閱讀框架(open reading frame, ORF),開(kāi)放閱讀框架,密碼子,mRNA上，

3、從5至3方向，由AUG開(kāi)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:AUG （Met）,終止密碼:（無(wú)意義密碼子）不編碼任何AA UAA，UAG，UGA,密碼子總64個(gè)，其中編碼AA 的為61個(gè),遺傳密碼表,遺傳密碼的特點(diǎn)： 方向性（directionality） 連續(xù)性（commalessness） 簡(jiǎn)并性（degeneracy） 通用性（universality） 擺動(dòng)性（wobble）,遺傳密碼的特點(diǎn),1. 方向性(directional),密碼子方向： 5 3 模板閱讀方向：5 3 多肽鏈延長(zhǎng)方向

4、：N端C端,2. 連續(xù)性（commaless）,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，既無(wú)跳躍也無(wú)重疊。,重疊閱讀,連續(xù)閱讀,跳躍閱讀,3n+1或3n+2 插入或缺失，可能導(dǎo)致框移突變,3. 簡(jiǎn)并性(degeneracy),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個(gè)以上密碼子。 這種多個(gè)密碼子編碼一個(gè)AA的現(xiàn)象，稱簡(jiǎn)并性。 編碼同一AA的密碼子稱同義密碼子。,遺傳密碼表,目 錄,密碼子簡(jiǎn)并性的生物學(xué)意義：減少有害突變。,4. 通用性（普遍性）,從原核生物到人類都共用同一套密碼。 有少數(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。

5、,5.擺動(dòng)性、擺動(dòng)配對(duì),3 2 1,不嚴(yán)格的堿基互補(bǔ),二、rRNA參與組成核蛋白體,原核生物翻譯過(guò)程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:,A位,受位,氨基酰位 (aminoacyl site),P位,給位,肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),目 錄,大亞基：轉(zhuǎn)肽酶活性部位,小亞基：mRNA結(jié)合位點(diǎn),三、tRNA與氨基酸的活化,反密碼環(huán),氨基酸臂,氨基酸臂,5,3,四、蛋白質(zhì)生物合成需要酶類、蛋白質(zhì)因子等,（一）重要的酶類,氨基酰-tRNA合成酶：催化氨基酸的活化 轉(zhuǎn)肽酶(肽酰轉(zhuǎn)移酶)：催化肽鍵的生成 轉(zhuǎn)位酶(EF-G)：轉(zhuǎn)位：A位P位,（二）蛋白質(zhì)因子,起始因子（in

6、itiation factor，IF） 延長(zhǎng)因子（elongation factor，EF） 釋放因子（release factor，RF）,真核生物前面加“e”，如eIF、eEF、eRF,能源物質(zhì)：ATP、GTP； 無(wú)機(jī)離子：Mg2+、K+ 等。,（三）能源物質(zhì)及離子,UTP糖原 CTP磷脂 GTP蛋白,一、氨基酸的活化 二、翻譯(起始、延長(zhǎng)、終止) 三、翻譯后的加工和靶向輸送,翻譯的相關(guān)過(guò)程,第二節(jié)氨基酸的活化,Activation of Amino Acids,一、tRNA和氨基酰-tRNA,AA tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,AA-tRNA,高度特異性 校正活性,AA的活化：,AA

7、活化,活化形式： 氨基酰tRNA 與tRNA連接方式： 酯鍵 活化耗能： 2個(gè)P,氨基酸,氨基酰-tRNA的表示方法,arg-tRNAarg,一種AA可以有多種對(duì)應(yīng)的tRNA 但一種tRNA只能轉(zhuǎn)運(yùn)一種AA,真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet,二、肽鏈合成的起始氨基酰-tRNA,fMet-tRNAifMet的生成：,蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程 The Process of Protein Biosynthesis,第 三 節(jié),mRNA模板閱讀的方向：53 蛋白質(zhì)是從N端C端合成 原核生物的起始tRNAfMet-tRNAifMet 真核生物的起始tRNAMet

8、-tRNAiMet,一、翻譯的起始階段,指在起始因子的幫助下，mRNA、起始氨基酰-tRNA與核蛋白體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物的過(guò)程。,起始因子 功能 IF-1 占據(jù)A位，防止tRNA過(guò)早地結(jié)合到A位 IF-2 促進(jìn)fMet-tRNA結(jié)合到30S小亞基P位 IF-3 促進(jìn)大小亞基分離，結(jié)合30S小亞基，防止它過(guò)早地與50S大亞基結(jié)合，并提高P位對(duì)fMet-tRNAfMet的特異性,原核生物各種起始因子的生物功能,（一）起始因子,（一）原核生物翻譯起始,核蛋白體大小亞基分離； mRNA在小亞基定位結(jié)合； fMet-tRNAfMet的結(jié)合； 核蛋白體大亞基結(jié)合。,IF-3,IF-1,1. 核蛋白體

9、大小亞基分離,目 錄,起始因子IF3使大小亞基分離，IF1占據(jù)A位 70s核糖體30s小亞基+50s大亞基,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亞基定位結(jié)合,RNA-RNA、RNA-蛋白質(zhì)相互辨認(rèn),IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAifmet )結(jié)合到小亞基,fMet-tRNAIF2 GTP三元復(fù)合物： 反密碼子與起始密碼子AUG配對(duì)結(jié)合,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,70S起始復(fù)合物： 核糖體大小亞基mRNAfMet-tRNA fMet-tRNA占據(jù)著P位。A位留空,IF-3,IF-1,

10、IF-2,-GTP,GDP,Pi,目 錄,真核起始因子 功能 eIF-1 多功能因子，參與多個(gè)翻譯步驟 eIF-2 促進(jìn)起始Met-tRNA與核糖體40S小亞基P位結(jié)合 eIF-2B 又稱鳥(niǎo)苷酸交換因子，將eIF-2上的GDP交換 成GTP eIF-3 首先與40S小亞基結(jié)合的因子，促進(jìn)大小亞基分離，并能加速后續(xù)步驟 eIF-4A 具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA 5端的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使其與40S小亞基結(jié)合。是eIF4F的組成成分,（二）真核生物翻譯起始,真核起始因子 功能 eIF-4B 與mRNA結(jié)合，對(duì)mRNA進(jìn)行掃描并定位第一個(gè)AUG eIF-4E 結(jié)合mRNA的帽子結(jié)構(gòu)，是eIF4F

11、的組成成分 eIF-4G 一種接頭蛋白，能與eIF4E、eIF-3和poly A結(jié)合蛋白（Pab-1p）結(jié)合將40S的小亞基富集至mRNA，進(jìn)而刺激翻譯。是eIF4F的組成成分 eIF-5 促進(jìn)上述起始因子從40S小亞基脫落，以便40S小亞基與60S大亞基結(jié)合形成80S起始復(fù)合物 eIF-6 促進(jìn)無(wú)活性的80S核糖體解聚生成40S小亞基和60S大亞基,Kozak序列：ACCAUGG,核蛋白體大小亞基分離； Met-tRNAMet結(jié)合； mRNA在核蛋白體小亞基就位； 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(guò)程,1、核蛋白體大小亞基分離,eIF-3,2、Met-tRNAMet結(jié)合,eI

12、F2，真核翻譯起始最重要的因子 先生成 Met-tRNAMetelF-2GTP三元復(fù)合物 再與40S小亞基結(jié)合,3、mRNA在核蛋白體小亞基就位,mRNA在核蛋白體小亞基就位,4、核蛋白體60S大亞基結(jié)合,核糖體大小亞基Met-tRNAmetmRNA,80S起始復(fù)合物：,真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過(guò)程,elF-2是關(guān)鍵因子,e IF2是生成起始復(fù)合物首先必需的蛋白質(zhì)因子 ，是真核生物蛋白質(zhì)合成調(diào)控的關(guān)鍵物質(zhì)，也是作為眾多生物活性物質(zhì)、抗代謝物、抗生素等物質(zhì)作用的靶點(diǎn)。,（三）原、真核生物翻譯起始比較書(shū)P306,原核生物,真核生物,起始復(fù)合體,70S （30S+50S）,80S （40S+60S

13、）,起始因子,3種,10多種,mRNA結(jié)構(gòu),S-D序（RBS） rpS辨認(rèn)序列,帽尾結(jié)構(gòu) Kozak序列,起始氨基 酰-tRNA,fmet-tRNAimet,met-tRNAimet,結(jié)合順序,小亞基mRNA fmet-tRNA(IF2-GTP) 大亞基,小亞基 met-tRNA(eIF2-GTP) mRNA 大亞基,二、肽鏈合成延長(zhǎng),肽鏈延長(zhǎng)在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核糖體循環(huán)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸，包括以下三步：,進(jìn)位；成肽；轉(zhuǎn)位,核糖體循環(huán),廣義：翻譯全程,狹義：翻譯延長(zhǎng),肽鏈合成的延長(zhǎng)因子 (elongation factor, EF),又稱注冊(cè)(registration),

14、（一）進(jìn)位,與密碼子對(duì)應(yīng)的氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，消耗一分子GTP（EF-Tu協(xié)助）,目 錄,EF-Tu-GTP催化進(jìn)位（原核）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,目 錄,(二)成 肽,由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化P位上氨基酸-COOH基與A位氨基酸的-NH2形成肽鍵。,（三）轉(zhuǎn)位（移位）,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,核蛋白體循環(huán)(狹義),肽鏈延長(zhǎng),三、肽鏈合成的終止,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，m

15、RNA、核蛋白體等分離，這些過(guò)程稱為肽鏈合成終止。,RF-3可結(jié)合核蛋白體其他部位，有GTP酶活性，能介導(dǎo)RF-1、RF-2與核蛋白體的相互作用。,釋放因子的功能：,識(shí)別終止密碼子,RF-1特異識(shí)別UAA、UAG； RF-2特異識(shí)別UAA、UGA。,誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)樗饷富钚?催化新生肽鏈與結(jié)合在P位的tRNA之間的酯鍵水解，使肽鏈從核蛋白體上釋放。,RF,目 錄,多肽鏈合成終止演示,原核肽鏈合成終止過(guò)程：,真核生物肽鏈合成的延長(zhǎng)過(guò)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(méi)有E位，轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。,真核生物延長(zhǎng)過(guò)程,真核生物翻譯終止,真核生物

16、翻譯終止過(guò)程與原核生物相似，但只有1個(gè)釋放因子eRF，可識(shí)別所有終止密碼子，完成原核生物各類RF的功能。,多聚核糖體,多聚核糖體,使蛋白質(zhì)合成高效高速進(jìn)行。 原因：mRNA壽命較短,一條mRNA鏈上結(jié)合著多個(gè)核糖體，同時(shí)合成多條相同的多肽鏈 。,多聚核蛋白體,延長(zhǎng)時(shí)的能量消耗：,活化：2個(gè)ATP 進(jìn)位：1個(gè)GTP 轉(zhuǎn)位：1個(gè)GTP 每添加一個(gè)氨基酸消耗4個(gè)高能磷酸鍵 第一個(gè)fMet:活化2 + IF2一個(gè) = 3個(gè)ATP 最后一個(gè)AA：活化2，進(jìn)位1，轉(zhuǎn)位1，終止1 = 5ATP,第四節(jié) 翻譯后加工,多肽鏈折疊 一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾 空間結(jié)構(gòu)的修飾 蛋白質(zhì)的靶向運(yùn)輸,post-translation

17、al processing,一、多肽鏈的折疊,1.分子伴侶,2.蛋白二硫鍵異構(gòu)酶,催化正確二硫鍵的形成,3.肽-脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶,促進(jìn)順?lè)磧煞N異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)換， 維持二者的比例。,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,二、一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾,（一）肽鏈N端的修飾 （二）個(gè)別氨基酸的修飾 （三）多肽鏈的水解修飾,三、空間結(jié)構(gòu)的修飾,亞基聚合,結(jié)合蛋白,輔基連接,四級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)合成后去路 1、保留在胞漿 2、進(jìn)入線粒體、細(xì)胞核等細(xì)胞器 3、分泌至體液，然后輸送到該蛋白質(zhì)應(yīng)起作用的靶器官和靶細(xì)胞,四、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送,穿膜,新生蛋白質(zhì)的去向：,

18、蛋白質(zhì)合成后定向輸送到其最終發(fā)揮生物功能的細(xì)胞靶部位的過(guò)程。,蛋白質(zhì)的靶向輸送(protein targeting),N末端特異氨基酸序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)靶向輸送。, 信號(hào)序列(signal sequence),信號(hào)肽的一級(jí)結(jié)構(gòu),信號(hào)肽識(shí)別顆粒（SRP）,SRP受體,極性小分子AA,蛋白質(zhì)的靶向輸送,分泌性蛋白進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的信號(hào)肽引導(dǎo)機(jī)制,1.SRP識(shí)別信號(hào)肽并結(jié)合,2.SRP將核蛋白體帶到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜,3.ER膜通道開(kāi)放,胞液,SRP受體,（二）線粒體蛋白的靶向輸送,（三）細(xì)胞核蛋白的靶向輸送,蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,第 五 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(guò)阻斷真核、原核生物蛋白質(zhì)翻譯體系某組分功能，干擾和抑制蛋白質(zhì)生物合成過(guò)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