蛋白質(zhì)的生物合成翻譯ProteinBiosynthesisTransla2.ppt

1、a,1,蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯） Protein Biosynthesis，Translation,生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室 朱利娜,十三章,a,2,將mRNA分子中 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)一級結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序過程，稱為蛋白質(zhì)的生物合成或翻譯（translation,a,3,參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 翻譯模板mRNA及遺傳密碼 核蛋白體是多肽鏈合成的裝置 tRNA和氨基酸的活化 蛋白質(zhì)的生物合成過程 蛋白質(zhì)合成后加工和輸送 蛋白質(zhì)生物合成的干擾與抑制,a,4,第一節(jié),蛋白質(zhì)生物合成體系 Protein Biosynthesis Syst

2、em,a,5,參與蛋白質(zhì)合成的物質(zhì),原料：20種氨基酸 模板：mRNA 運載體：tRNA 場所：核蛋白體（rRNA與蛋白質(zhì)構(gòu)成） 蛋白質(zhì)因子： 起始因子（initiation factor, IF） 延長因子（elongation factor，EF） 釋放因子（release factor，RF） 其他：酶類、ATP、GTP、無機離子等,a,6,一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼,mRNA是遺傳信息的攜帶者,遺傳學(xué)將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。 原核細(xì)胞中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個轉(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(polycistron)

3、。 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,a,8,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(zhì)合成的起始、終止信號，稱為三聯(lián)體密碼(triplet coden,起始密碼(initiation coden): AUG,終止密碼(termination coden): UAA，UAG，UGA,數(shù)量：64（43,遺傳密碼表,a,10,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(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀

4、框架(open reading frame, ORF,a,11,1. 連續(xù)性(commaless,遺傳密碼的特點,編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉,a,12,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,a,13,2. 簡并性(degeneracy,遺傳密碼中，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，甚至多至6個三聯(lián)體為其編碼,a,14,遺傳密碼的簡并性,a,15,3. 通用性(universal,蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細(xì)

5、胞的線粒體、植物細(xì)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,a,16,4. 擺動性(wobble,轉(zhuǎn)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(jié)合，但反密碼與密碼間不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺動配對,a,17,擺動配對,a,18,密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象,a,19,二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置,核蛋白體的組成,a,20,核蛋白體的組成,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,a,22,三、tRNA與氨基酸的活

6、化,tRNA 運載活化型氨基酸,a,23,tRNA反密碼子與mRNA上的密碼子配對,A U C,a,24,氨基酸的活化,催化氨基酸與tRNA結(jié)合生成氨基酰-tRNA 具有絕對專一性： 對氨基酸及tRNA都能高度特異識別 具有校正活性(proofreading activity,一、氨基酰-tRNA合成酶,a,25,氨基酰-tRNA合成酶,OAMP酶,a,26,氨基酰-tRNA的表示方法,arg-tRNAarg,一種tRNA只能結(jié)合一種氨基酸，一種氨基酸可結(jié)合多種tRNA(稱為同功tRNA,a,27,二、起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA,tRNAiMet：起始者tRNA(initiator-tRN

7、A) tRNAeMet：肽鏈延長中攜帶Met的tRNA tRNAifMet：起始者tRNA攜帶N-甲酰甲硫氨酸（fMet,真核生物：Met-tRNAiMet 原核生物：fMet-tRNAifMet,a,28,第二節(jié),蛋白質(zhì)生物合成過程 The Process of Protein Biosynthesis,a,29,氨基酰-tRNA的合成 肽鏈合成 起始階段( initiation ) 延長階段(elongation) 終止階段(termination,a,30,一、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 initia

8、tion complex)。有多種蛋白質(zhì)因子參與這一過程，稱為起始因子（initiation factor，IF,a,31,原核、真核生物各種起始因子的生物功能,a,32,1. 核蛋白體大小亞基分離（IF3，IF1） 2. mRNA在小亞基上定位結(jié)合 3. fMet-tRNAifMet的結(jié)合（IF2，GTP） 4. 核蛋白體大亞基結(jié)合,一）原核翻譯起始復(fù)合物形成,fmet-tRNA fMet -mRNA-核蛋白體,需要三種起始因子（IF）及GTP的參與,起始復(fù)合物,a,33,1. 核蛋白體大小亞基分離,IF-3,IF-1,a,34,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亞基定位結(jié)合,mRNA與

9、小亞基的結(jié)合依賴于,SD序列與16S rRNA 3端部分序列的互補 rps-1與mRNA上SD序列后的一段序列識別結(jié)合,a,35,S-D序列 (Shine-Dalgarno sequence,mRNA起始密碼AUG上游約813個核苷酸處，有49個核苷酸組成的富含嘌呤的一致序列，以AGGA為核心，也叫做核蛋白體結(jié)合位點(ribosomal binding site, RBS,a,36,3. fMet-tRNAifmet 結(jié)合到小亞基,IF-3,IF-1,a,37,4. 核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成,50S,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,IF-1,IF-3,50S,50S,a,39,

10、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； Met-tRNAiMet結(jié)合； mRNA在核蛋白體小亞基就位； 核蛋白體大亞基結(jié)合,a,40,40S,真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程,a,41,真核生物翻譯起始特點,核蛋白體為80S（40S60S） 起始tRNA攜帶的甲硫氨酸不需要甲?；?mRNA5端帽子結(jié)構(gòu)與其在核蛋白體上就位有關(guān)，需要帽子結(jié)合蛋白復(fù)合物(eIF-4F)參與 eIF2與Met-tRNAiMet和GTP結(jié)合構(gòu)成復(fù)合體后先與40S小亞基結(jié)合，然后才與mRNA結(jié)合,a,42,二、肽鏈的延長,指根據(jù)mRNA密碼序列的指導(dǎo)，依次添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程,

11、a,43,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）或注冊（registration） 成肽（peptide bond formation） 轉(zhuǎn)位（translocation） 需要延長因子（elongationfactor， EF ）和GTP的參與,a,44,肽鏈合成的延長因子,a,45,一）進位,指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位,a,46,延長因子EF-T催化進位 （原核生物,Tu,GDP,Pi,a,48,二）成肽,P位上fMet-tRN

12、AifMet（或延長中的肽酰-tRNA）由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化，將氨基?；ɑ蜓娱L中的肽酰基）從tRNA轉(zhuǎn)移，與A位下一氨基酰-tRNA的-氨基形成肽鍵連接。成肽后，（N）肽酰-tRNA 將暫留A位，P位有卸載的tRNA,a,49,肽鏈合成延長階段的肽鍵形成過程,成 肽,a,50,三）轉(zhuǎn)位,延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶( translocase )活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3側(cè)移動。使肽酰-tRNA-mRNA相對位移進入核蛋白體P位，而卸載的tRNA則移入E位，A位留空并對應(yīng)下一組三聯(lián)體密碼，準(zhǔn)備適當(dāng)?shù)陌被?tRNA進位而開始下一輪核蛋白體循環(huán)

13、,a,51,轉(zhuǎn) 位,a,52,a,53,a,54,核蛋白體循環(huán),從5AUG開始直至終止密碼子 核蛋白體從53方向閱讀mRNA遺傳密碼 肽鏈的合成是從N端到C末端 每進行一次核蛋白體循環(huán)，肽鏈延長一個 氨基酸,a,55,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(yīng)體系和延長因子。 另外，真核細(xì)胞核蛋白體沒有E位，轉(zhuǎn)位時卸載的tRNA直接從P位脫落,四）真核生物延長過程,a,56,三、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，mRNA、核蛋白體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止,a,57,終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子 (release fa

14、ctor, RF,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(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚裕喈?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 真核生物釋放因子：eRF,a,58,終止密碼的辨認(rèn)：RF 肽鏈從肽酰-tRNA水解出：RF誘導(dǎo)轉(zhuǎn)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(jié)合，重新進入肽鏈合成過程,原核生物肽鏈合成終止過程,a,59,原核肽鏈合成終止過程,a,60,多聚核蛋白體（polysome,a,61

15、,第三節(jié),蛋白質(zhì)合成后加工和輸送 Post-translational Processing & Protein Transportation,a,62,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)榫哂刑烊粯?gòu)象的功能蛋白,主要包括,多肽鏈折疊為天然的三維結(jié)構(gòu) 肽鏈一級結(jié)構(gòu)的修飾 高級結(jié)構(gòu)修飾,在胞液核蛋白體合成的各種蛋白質(zhì)，還需要靶向輸送到特定細(xì)胞部位發(fā)揮生物作用,a,63,一、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

16、級結(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存著蛋白質(zhì)折疊的信息，即一級結(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)折疊都不是自動完成，而需要其他酶、蛋白輔助,a,64,幾種有促進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,a,65,1. 熱休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和G

17、reE族 2. 伴侶素(chaperonins) 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)，可識別肽鏈的非天然構(gòu)象，促進各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊,a,66,熱休克蛋白促進蛋白質(zhì)折疊的基本作用 結(jié)合保護待折疊多肽片段，再釋放該片段進行折疊。形成HSP70和多肽片段依次結(jié)合、解離的循環(huán),a,67,伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進蛋白質(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,a,68,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)進行,二硫鍵異構(gòu)酶

18、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,a,69,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)酶可促進上述順反兩種異構(gòu)體之間的轉(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，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準(zhǔn)確折疊,a,70,二、一級結(jié)構(gòu)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,a,71,鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾,a,72,胰島素原（86肽,胰島素的翻譯后加工,a,73,

19、三、高級結(jié)構(gòu)的修飾,一）亞基聚合 （二）輔基連接 （三）疏水脂鏈的共價連接,a,74,蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復(fù)雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細(xì)胞靶部位，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,a,75,所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在分選信號，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，這一序列稱為信號序列,信號序列(signal sequence,a,76,靶向輸送蛋白的信號序列或成分,a,77,一）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入內(nèi)質(zhì)網(wǎng),信號肽(signal

20、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,a,78,信號肽的一級結(jié)構(gòu),a,79,1336個氨基酸殘基組成 堿性N端：帶正電荷的堿性氨基酸 疏水核心區(qū)：疏水中性氨基酸為主 C端加工區(qū)：極性小分子氨基酸,信號肽的特點,a,80,信號肽引導(dǎo)真核分泌蛋白進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng),a,81,二）線粒體蛋白的靶向輸送,a,82,三）細(xì)胞核蛋白的靶向輸送,所有靶向輸送的胞核蛋白多肽鏈內(nèi)含有特異信號序列，稱為核定位序列（nuclear localization sequence。NLS）。 NLS為48個氨基酸殘基組成的短序列，富含帶正電的賴氨酸、精氨酸及脯氨酸。不同NLS間未發(fā)現(xiàn)共有序列。NLS可

21、位于肽鏈不同部位，且在蛋白質(zhì)進核定位后不被切除。 新合成胞核蛋白靶向輸送涉及幾種蛋白質(zhì)成分，包括核輸入因子（nuclear importin）和，以及一種小GTP酶Ran蛋白,a,83,a,84,蛋白質(zhì)生物合成的干擾與抑制 Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,第四節(jié),a,85,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。它們就是通過阻斷真核、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)生物合成過程而起作用的。 可針對蛋白質(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。同時盡量利用真核、原核生物蛋白質(zhì)合成體系的任何差異，以設(shè)計、篩選僅對病原微生物特效而不損害人體的藥物,a,