[生化]蛋白質生物合成

1、目錄目錄蛋白質的生物合成蛋白質的生物合成（翻譯）（翻譯）第第 12 章章Protein Biosynthesis (Translation)目錄目錄本章重要知識點本章重要知識點蛋白質生物合成（翻譯）的概念蛋白質生物合成（翻譯）的概念mRNA、tRNA、核蛋白體在翻譯過程中的作、核蛋白體在翻譯過程中的作用，用，遺傳密碼的特點遺傳密碼的特點氨基酰氨基酰-tRNA合成酶的作用特點合成酶的作用特點 原核、真核生物翻譯過程的異同原核、真核生物翻譯過程的異同分子伴侶的作用，翻譯后修飾的形式分子伴侶的作用，翻譯后修飾的形式信號肽及其作用，各類蛋白質靶向輸送的特點信號肽及其作用，各類蛋白質靶向輸送的特點抗生素

2、、毒素和干擾素抑制翻譯的機制抗生素、毒素和干擾素抑制翻譯的機制目錄目錄蛋白質生物合成的概念蛋白質生物合成的概念蛋白質生物合成蛋白質生物合成(protein biosynthesis)也稱也稱翻譯翻譯(translation)，是生物細胞以，是生物細胞以mRNA為模板，為模板，按照按照mRNA分子中核苷酸的排列順序所組成的分子中核苷酸的排列順序所組成的密碼信息合成蛋白質的過程。密碼信息合成蛋白質的過程。 n定義定義目錄目錄（1）氨基酸的活化）氨基酸的活化（2）肽鏈的生物合成）肽鏈的生物合成（3）肽鏈形成后的加工和靶向輸送）肽鏈形成后的加工和靶向輸送n反應過程反應過程目錄目錄（1）維持多種生命活動

3、）維持多種生命活動（2）適應環(huán)境的變化）適應環(huán)境的變化（3）參與組織的更新和修復）參與組織的更新和修復n生物學意義生物學意義目錄目錄第一節(jié)第一節(jié)蛋白質生物合成體系蛋白質生物合成體系Protein Biosynthesis System目錄目錄1. 基本原料：基本原料：20種編碼氨基酸種編碼氨基酸2. 模板：模板：mRNA3. 適配器（適配器（運載體運載體）：）：tRNA4. 裝配機（裝配機（合成場所合成場所）：核蛋白體（）：核蛋白體（核糖體核糖體）5. 主要酶和蛋白質因子：氨基酰主要酶和蛋白質因子：氨基酰-tRNA合成酶、合成酶、轉肽酶、起始因子、延長因子、釋放因子等轉肽酶、起始因子、延長因子

4、、釋放因子等6. 能源物質：能源物質：ATP、GTP7. 無機離子：無機離子：Mg2+、 K+蛋白質生物合成體系蛋白質生物合成體系目錄目錄一、一、mRNA是蛋白質生物合成的直接模板是蛋白質生物合成的直接模板nmRNA的基本結構的基本結構Start of genetic messageCapEndTail5-端非翻譯區(qū)端非翻譯區(qū) 5 3 3-端非翻譯區(qū)端非翻譯區(qū) 開放閱讀框架開放閱讀框架 從從mRNA 5 -端起始密碼子端起始密碼子AUG到到3 -端終止密端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。目錄目

5、錄 mRNA是遺傳信息的攜帶者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遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反順反子子(cistron)。 原核細胞中數(shù)個結構基因常串聯(lián)為一個轉錄原核細胞中數(shù)個結構基因常串聯(lián)為一個轉錄單位，轉錄生成的單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相可編碼幾種功能相關的蛋白質，為關的蛋白質，為多順反子多順反子(polycistron) 。 真核真核mRNA只編碼一種蛋白質，為只編碼一種蛋白質，為單順反子單順反子(single cistron) 。原核生物的多順反子原核生物的多順反子真核生物的單順反子真核生物的單順反子非編碼序列非編碼序列核蛋白體結合位點核蛋白體

6、結合位點起始密碼子起始密碼子終止密碼子終止密碼子編碼序列編碼序列PPP5 3 蛋白質蛋白質PPPmG -5 3 蛋白質蛋白質AAA 目錄目錄n遺傳密碼遺傳密碼在在mRNA的開放閱讀框架區(qū)，以每的開放閱讀框架區(qū)，以每3個相鄰的核個相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸苷酸為一組，代表一種氨基酸(或其他信息或其他信息)，這種三，這種三聯(lián)體形式的核苷酸序列稱為聯(lián)體形式的核苷酸序列稱為密碼子（三聯(lián)體密碼）密碼子（三聯(lián)體密碼）。起始密碼子起始密碼子(initiation codon)：AUG終止密碼子終止密碼子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA密碼子（密碼子（codon）起始密

7、碼子和終止密碼子：起始密碼子和終止密碼子：目錄目錄遺遺傳傳密密碼碼表表目錄目錄遺傳密碼具有以下特點：遺傳密碼具有以下特點： 方向性方向性 ； 連續(xù)性；連續(xù)性； 簡并性；簡并性； 通用性；通用性； 擺動性。擺動性。目錄目錄n遺傳密碼的特點遺傳密碼的特點1. 方向性方向性(directional)翻譯時遺傳密碼的閱讀方向是翻譯時遺傳密碼的閱讀方向是53，即讀，即讀碼從碼從mRNA的起始密碼子的起始密碼子AUG開始，按開始，按53的方向逐一閱讀，直至終止密碼子。的方向逐一閱讀，直至終止密碼子。 NC肽鏈延伸方向肽鏈延伸方向53讀碼方向讀碼方向目錄目錄2. 連續(xù)性連續(xù)性(non-punctuated)

8、編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯(lián)體密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。既無間隔也無交叉。 AlaValHisMet終止密碼終止密碼目錄目錄基因損傷引起基因損傷引起mRNA閱讀框架內的堿基發(fā)閱讀框架內的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致生插入或缺失，可能導致框移突變框移突變(frameshift mutation)。纈纈 脯脯 蘇蘇 天冬天冬纈纈 丙丙 酪酪 甘甘纈纈 丙丙 絲絲 精精目錄目錄許多真核生物基因轉錄后有一個對許多真核生物基因轉錄后有一個對mRNA外顯子外顯子加工的過程，可通過特定堿基的插入、缺失或

9、置加工的過程，可通過特定堿基的插入、缺失或置換，使換，使mRNA序列中出現(xiàn)移碼突變、錯義突變或序列中出現(xiàn)移碼突變、錯義突變或無義突變，導致無義突變，導致mRNA與其與其DNA模板序列不匹配，模板序列不匹配，使同一前體使同一前體mRNA翻譯出序列、功能不同的蛋白翻譯出序列、功能不同的蛋白質。這種基因表達的調節(jié)方式稱為質。這種基因表達的調節(jié)方式稱為mRNA編輯編輯（mRNA editing）。 目錄目錄3. 簡并性簡并性(degenerate)一種氨基酸可具有一種氨基酸可具有2個或個或2個以上的密碼個以上的密碼子為其編碼。這一特性稱為遺傳密碼的簡并子為其編碼。這一特性稱為遺傳密碼的簡并性。性。除色

10、氨酸和甲硫氨酸僅有除色氨酸和甲硫氨酸僅有1個密碼子外，個密碼子外，其余氨基酸有其余氨基酸有2、3、4個或多至個或多至6個三聯(lián)體為個三聯(lián)體為其編碼。為同一種氨基酸編碼的各密碼子稱其編碼。為同一種氨基酸編碼的各密碼子稱為簡并性密碼子，也稱同義密碼子為簡并性密碼子，也稱同義密碼子 。目錄目錄各種氨基酸的密碼子數(shù)目各種氨基酸的密碼子數(shù)目目錄目錄4. 通用性通用性(universal)從簡單的病毒到高等的人類，幾乎使用從簡單的病毒到高等的人類，幾乎使用同一套遺傳密碼，因此，遺傳密碼表中的這同一套遺傳密碼，因此，遺傳密碼表中的這套套“通用密碼通用密碼”基本上適用于生物界的所有基本上適用于生物界的所有物種，

11、具有通用性。物種，具有通用性。密碼的通用性進一步證明各種生物進化密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。自同一祖先。目錄目錄已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細胞的線粒體、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。植物細胞的葉綠體。 通用密碼通用密碼 線粒體密碼線粒體密碼AUA 異亮異亮 蛋、起始蛋、起始AGA 精精 終止終止AGG 精精 終止終止UGA 終止終止 色色目錄目錄5. 擺動性擺動性(wobble) 反密碼子與密碼子之間的配對有時并不反密碼子與密碼子之間的配對有時并不嚴格遵守常見的堿基配對規(guī)律，這種現(xiàn)象稱嚴格遵守常見的堿基配對規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為擺動配對為擺動配對( (wobb

12、le base pairing) )。 tRNA反密碼子反密碼子第第1位堿基位堿基IUGACmRNA密碼子密碼子第第3位堿基位堿基U, C, AA, GU, CUGU3 2 11 2 3擺擺動動配配對對目錄目錄二、核蛋白體是蛋白質生物合成的場所二、核蛋白體是蛋白質生物合成的場所n核蛋白體的組成核蛋白體的組成核蛋白體核蛋白體又稱又稱核糖體核糖體，是由是由rRNA和多種蛋和多種蛋白質結合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒，是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。蛋白質生物合成的場所。目錄目錄原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋白核蛋白體體小亞基小亞基大亞基大亞基核蛋白核蛋白體體小

13、亞基小亞基大亞基大亞基S值值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA23S-rRNA5S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5.8S-rRNA5S-rRNA蛋白質蛋白質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不同細胞核蛋白體的組成(ribosomal protein，rp)核蛋白體核蛋白體的組成的組成目錄目錄原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式:A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit s

14、ite)目目 錄錄目錄目錄1與模板與模板mRNA和起始和起始tRNA結合位點：結合位點：主要與小亞基主要與小亞基有關。有關。2三個不同的三個不同的tRNA結合位點：結合位點：A位位：又稱氨?；?，可與新進入的氨基酰：又稱氨?；唬膳c新進入的氨基酰tRNA結合；由大、小亞基成分構成。結合；由大、小亞基成分構成。P位位：又稱肽?；唬膳c延伸中的肽?；河址Q肽?；唬膳c延伸中的肽?；鵷RNA結合；由大、小亞基成分構成。結合；由大、小亞基成分構成。E位位：又稱排出位，空載：又稱排出位，空載tRNA脫離核蛋白體前的脫離核蛋白體前的結合位點；主要由大亞基成分構成。結合位點；主要由大亞基成分構成。核蛋

15、白體大、小亞基的功能：核蛋白體大、小亞基的功能：目錄目錄3. 轉肽酶活性：轉肽酶活性：將將P位上的肽?；D移給位上的肽?；D移給A位上的氨基位上的氨基酰酰tRNA，形成肽鍵；由大亞基成分構成。，形成肽鍵；由大亞基成分構成。4. GTPase活性：活性：水解水解GTP，獲得能量；分別由大、，獲得能量；分別由大、小亞基成分構成。小亞基成分構成。5. 起動因子、延長因子及釋放因子的結合位點：起動因子、延長因子及釋放因子的結合位點：分別分別由大、小亞基成分構成。由大、小亞基成分構成。目錄目錄n原核生物核蛋白體結構模式原核生物核蛋白體結構模式 目錄目錄三、三、tRNAtRNA是氨基酸的運載工具及蛋白質是

16、氨基酸的運載工具及蛋白質生物合成的適配器生物合成的適配器ntRNA的作用的作用運載氨基酸：運載氨基酸：氨基酸各由其特異的氨基酸各由其特異的tRNA攜帶，攜帶，一種氨基酸可有幾種對應的一種氨基酸可有幾種對應的tRNA，氨基酸結合，氨基酸結合在在tRNA 3 -CCA的位置，結合需要的位置，結合需要ATP供能；供能；充當充當“適配器適配器”：每種每種tRNA的反密碼子決定了的反密碼子決定了所攜帶的氨基酸能準確地在所攜帶的氨基酸能準確地在mRNA上對號入座。上對號入座。二級結構三級結構反密碼環(huán)反密碼環(huán)氨基酸臂氨基酸臂ntRNA的構象的構象目錄目錄四、蛋白質生物合成需要酶類、四、蛋白質生物合成需要酶類

17、、蛋白質因子等蛋白質因子等（一）重要的酶類（一）重要的酶類氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的活化；催化氨基酸的活化；轉肽酶轉肽酶(peptidase)，催化核蛋白體，催化核蛋白體P位上的肽?；D位上的肽?；D移至移至A位氨基酰位氨基酰-tRNA的氨基上，使?；c氨基結合的氨基上，使?；c氨基結合形成肽鍵形成肽鍵;并受釋放因子的作用后發(fā)生變構，表現(xiàn)出并受釋放因子的作用后發(fā)生變構，表現(xiàn)出酯酶的水解活性，使酯酶的水解活性，使P位上的肽鏈與位上的肽鏈與tRNA分離；分離；轉位酶轉位酶(translocase)，催化核蛋白體向，催化核蛋白

18、體向mRNA3-端移端移動一個密碼子的距離，使下一個密碼子定位于動一個密碼子的距離，使下一個密碼子定位于A位。位。 目錄目錄（二）蛋白質因子（二）蛋白質因子起始因子（起始因子（initiation factor，IF）延長因子（延長因子（elongation factor，EF）釋放因子（釋放因子（release factor，RF）目錄目錄參與原核生物翻譯的各種蛋白質因子及其生物學功能參與原核生物翻譯的各種蛋白質因子及其生物學功能種類種類生物學功能生物學功能起始因子起始因子IF-1占據(jù)占據(jù)A位防止結合其他位防止結合其他tRNAIF-2促進起始促進起始tRNA與小亞基結合與小亞基結合IF-3促

19、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的的敏感性敏感性延長因子延長因子EF-Tu促進氨基酰促進氨基酰-tRNA進入進入A位，結合并分解位，結合并分解GTPEF-Ts調節(jié)亞基調節(jié)亞基EF-G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位移位移至至P位，促進位，促進tRNA卸載與釋放卸載與釋放釋放因子釋放因子RF-1特異識別特異識別UAA、UAG，誘導轉肽酶轉變?yōu)轷ッ?，誘導轉肽酶轉變?yōu)轷ッ窻F-2特異識別特異識別UAA、UGA，誘導轉肽酶轉變?yōu)轷ッ?，誘導轉肽酶轉變?yōu)轷ッ窻F-3可與核蛋白體其他部位結合，有可與核蛋白體其他部位結合，有G

20、TP酶活性，能酶活性，能介導介導RF-1及及RF-2與核蛋白體的相互作用與核蛋白體的相互作用參與真核生物翻譯的各種蛋白質因子及其生物學功能參與真核生物翻譯的各種蛋白質因子及其生物學功能種類種類生物學功能生物學功能起始因子起始因子eIF-1多功能因子，參與多個翻譯步驟多功能因子，參與多個翻譯步驟eIF-2促進起始促進起始tRNA與小亞基結合與小亞基結合eIF-2B, eIF-3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-4AeIF-4F復合物成分，有復合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除解螺旋酶活性，能解除mRNA5 -端的發(fā)夾結構，使其與小亞基結合端的發(fā)夾結構，使

21、其與小亞基結合eIF-4B結合結合mRNA，促進，促進mRNA掃描定位起始掃描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F復合物成分，結合復合物成分，結合mRNA 5 帽子帽子eIF-4GeIF-4F復合物成分，結合復合物成分，結合eIF-4E、eIF-3和和PolyA 結合蛋白結合蛋白eIF-5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-6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延長因子延長因子eIF1-促進氨基酰促進氨基酰-tRNA進入進入A位，結合分解位，結合分解GTP，相當于，相當于EF-TueIF1-調節(jié)亞基，相當于調節(jié)亞基，

22、相當于EF-TseIF-2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位移至位移至P位，促進位，促進tRNA卸載與釋放，相當于卸載與釋放，相當于EF-G 釋放因子釋放因子eRF識別所有終止密碼子，具有原核生物各類識別所有終止密碼子，具有原核生物各類RF的功能的功能目錄目錄蛋白質生物合成的能源物質為蛋白質生物合成的能源物質為ATP和和GTP;參與蛋白質生物合成的無機離子有參與蛋白質生物合成的無機離子有Mg2+、K+ 等。等。（三）能源物質及離子（三）能源物質及離子目錄目錄第二節(jié)第二節(jié)氨基酸的活化氨基酸的活化Activation of Amino Acids目錄目錄氨基酸

23、與特異的氨基酸與特異的tRNA結合形成氨基酰結合形成氨基酰-tRNA的過的過程稱為程稱為氨基酸的活化氨基酸的活化。氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA可以攜帶活化的氨基酸，也可以識可以攜帶活化的氨基酸，也可以識別別mRNA mRNA 分子上的遺傳密碼（分子上的遺傳密碼（tRNAtRNA分子的反密碼分子的反密碼環(huán)與環(huán)與 mRNAmRNA上的密碼配對）。上的密碼配對）。tRNAtRNA分子的分子的33末端末端CCA-OHCCA-OH是氨基酸的結合位是氨基酸的結合位點，與氨基酸的點，與氨基酸的羧基羧基生成生成酯鍵酯鍵。參與氨基酸的活化的酶：參與氨基酸的活化的酶：氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶。目錄目

24、錄n反應過程反應過程一、一、 氨基酸活化形成氨基酰氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶目錄目錄氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi 第一步反應第一步反應目錄目錄 第二步反應第二步反應氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA氨基酰氨基酰-tRNA AMP E目錄目錄n氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 結構結構氨基酰氨基酰tRNA合成酶的合成酶的3個結合位點個結合位點氨基酸和氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷形成氨基酰腺苷氨基酰轉移到氨基酰轉移到tRNA上上tRNA負載了氨基酸負載了氨基酸目錄目錄l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和合成酶對底物氨基酸和tRNA都都有高度特異性。有高度特異性。 特性特性tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP目錄目錄l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。合成酶具有校正活性。動動力力學學校校對對化化學學校校對對 特性特性目錄目錄n氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法的表示方法丙氨酰丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet各種氨基酸和對應的各種氨基酸和對應的tRNA結合后形成的結合后形