教學(xué)課件蛋白質(zhì)翻譯

1、第十五章 蛋白質(zhì)的合成Protein Biosynthesis生物化學(xué)與分子生物學(xué)系李雅婷第十五章 蛋白質(zhì)的合成生物化學(xué)與分子生物學(xué)系蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，就是將mRNA中 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，即翻譯，就是將mRNA中 4 種核苷酸序列 蛋白質(zhì)合成體系Protein-synthesizing System 第一節(jié) 蛋白質(zhì)合成體系第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)基本原料：20種編碼氨基酸模板：mRNA適配器：tRNA裝配機(jī)：核蛋白體主要酶和蛋白質(zhì)因子：氨基酰-tRNA合成酶、轉(zhuǎn)肽酶、起始因子、延

2、長(zhǎng)因子、釋放因子等能源物質(zhì)：ATP、GTP無(wú)機(jī)離子：Mg2+、 K+參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)基本原料：20種編碼氨基酸一、mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板從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，稱(chēng)為開(kāi)放閱讀框架(open reading frame, ORF)。一、mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板從mRNA 5-端起始密碼子遺傳密碼在mRNA的開(kāi)放閱讀框架區(qū)，以每3個(gè)相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸(或其他信息)，這種三聯(lián)體形式的核苷酸序列稱(chēng)為密碼子。A、U、G、C四種核苷酸可組成64個(gè)密碼子密碼子（codon）起始密碼子和終止密碼子 起始密碼子（initiation co

3、don）：AUG 終止密碼子（termination codon）：UAA、UAG、UGA遺傳密碼在mRNA的開(kāi)放閱讀框架區(qū)，以每3個(gè)相鄰的核苷酸為一遺傳密碼表密碼子：64起始密碼:AUG終止密碼: UAA、UAG、UGA遺傳密碼表密碼子：傳密碼的特點(diǎn)： 方向性（directional） 連續(xù)性（ non-punctuated） 簡(jiǎn)并性（ degeneracy） 擺動(dòng)性（ wobble） 通用性（ universal）傳密碼的特點(diǎn)：遺傳密碼的特點(diǎn)方向性遺傳密碼的特點(diǎn)方向性連續(xù)性(commaless)各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼子間既無(wú)間斷也無(wú)交叉。 連續(xù)性(commaless)各個(gè)三聯(lián)體密碼連

4、續(xù)閱讀，密碼子簡(jiǎn)并性(degeneracy)編碼密碼子：編碼氨基酸：6120簡(jiǎn)并性(degeneracy)編碼密碼子：61 密碼子的第三位堿基和反密碼子的第一位堿基之間常出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象。tRNA分子上有相當(dāng)多的稀有堿基，其中次黃嘌呤（insosine，I）常出現(xiàn)于反密碼子第一位，是最常見(jiàn)的擺動(dòng)現(xiàn)象。擺動(dòng)性（ wobble） 密碼子的第三位堿基和反密碼子的第一位堿基之間常出現(xiàn)擺動(dòng)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(lèi)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。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。 通用性(universal)蛋白質(zhì)生物合

5、成的整套密碼，從原氨基酸臂3-CCA-OH與活化的氨基酸結(jié)合，形成氨基酰-tRNA，從而攜帶氨基酸 DHU環(huán)與氨基酰-tRNA合成酶結(jié)合反密碼環(huán)與mRNA密碼子識(shí)別配對(duì)TC環(huán)與核糖體上的rRNA識(shí)別結(jié)合 氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TC環(huán)二、tRNA是氨基酸和密碼子之間的特異銜接子氨基酸臂氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TC環(huán)二、tRNA是氨基酸A位：氨基酰位P位：肽酰位E位：排出位小亞基大亞基三、核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所合成肽鏈時(shí)mRNA與tRNA的相互識(shí)別、肽鍵形成、肽鏈延長(zhǎng)等過(guò)程全部在核糖體上完成，核糖體沿著模板mRNA鏈從5端向3端移動(dòng)。A位：氨基酰位P位：肽酰位E位：排出位小亞基大亞基三、核糖體

6、四、蛋白質(zhì)合成需要多種酶類(lèi)和蛋白質(zhì)因子酶類(lèi)：氨酰-tRNA合成酶肽酰轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)位酶 蛋白質(zhì)因子：起始因子（initiation factor，IF）延長(zhǎng)因子（elongation factor，EF）釋放因子（release factor，RF）四、蛋白質(zhì)合成需要多種酶類(lèi)和蛋白質(zhì)因子酶類(lèi)：蛋白質(zhì)因子：參與原核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學(xué)功能種類(lèi)生物學(xué)功能起始因子IF-1占據(jù)核糖體A位，防止A位結(jié)合其他tRNA IF-2促進(jìn)fMet-tRNAfMet與小亞基結(jié)合 IF-3促進(jìn)大、小亞基分離；提高P位對(duì)結(jié)合fMet-tRNAfMet的敏感性 延長(zhǎng)因子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合

7、并分解GTPEF-TsEF-Tu的調(diào)節(jié)亞基EF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位；促進(jìn)tRNA卸載與釋放 釋放因子RF-1特異識(shí)別UAA、UAG，誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ窻F-2特異識(shí)別UAA、UGA，誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ窻F-3具有GTP酶活性，介導(dǎo)RF-1及RF-2與核糖體的相互作用參與原核生物翻譯的各種蛋白質(zhì)因子及其生物學(xué)功能種類(lèi)生物學(xué)功能 氨基酸與tRNA的連接 The Attachment of Amino Acid onto its tRNA第二節(jié) 氨基酸與tRNA的連接第二節(jié)氨基酸與tRNA連接的專(zhuān)一性由氨酰-tRNA合成酶決定。氨酰-tRNA合成酶具有高度

8、專(zhuān)一性，既能識(shí)別特異的氨基酸，又能辨認(rèn)應(yīng)該結(jié)合該種氨基酸的tRNA。因此，氨酰-tRNA合成酶對(duì)底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。 一、氨酰-tRNA合成酶識(shí)別特定氨基酸和tRNA反應(yīng)過(guò)程氨基酸 + tRNA氨酰- tRNAATP AMPPPi氨酰-tRNA合成酶 Mg2+氨基酸與tRNA連接的專(zhuān)一性由氨酰-tRNA合成酶決定。一、教學(xué)課件蛋白質(zhì)翻譯氨酰-tRNA合成酶催化ATP分解為焦磷酸與AMP；第一步反應(yīng)第二步反應(yīng)AMP、酶、氨基酸三者結(jié)合為中間復(fù)合體（氨酰-AMP-酶），其中氨基酸的羧基與磷酸腺苷的磷酸以酐鍵相聯(lián)而活化；第三步反應(yīng)活化氨基酸與tRNA 3-CCA末端的腺苷酸的核糖2或

9、3位的游離羥基以酯鍵結(jié)合，形成相應(yīng)的氨酰-tRNA。氨酰-tRNA合成酶催化ATP分解為焦磷酸與AMP；第一步反氨酰-tRNA的合成氨酰-tRNA的合成二、肽鏈合成的起始需要特殊的起始氨酰-tRNA 起始氨酰-tRNA: Met-tRNAiMet 參與肽鏈延長(zhǎng)的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet 真核生物原核生物 起始氨酰-tRNA: fMet-tRNAfMet 二、肽鏈合成的起始需要特殊的起始氨酰-tRNA 起始氨酰-t 肽鏈的合成過(guò)程 Synthesis Process of Peptide Chain第三節(jié) 肽鏈的合成過(guò)程第三節(jié)翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(zhǎng)(elo

10、ngation)翻譯的終止(termination )整個(gè)翻譯過(guò)程可分為 ：翻譯過(guò)程從5-AUG開(kāi)始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長(zhǎng)肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。 以原核生物為例翻譯的起始(initiation)整個(gè)翻譯過(guò)程可分為 ：翻譯原核生物翻譯起始復(fù)合物的形成一、翻譯起始復(fù)合物的裝配啟動(dòng)肽鏈合成核糖體大小亞基分離mRNA與核糖體小亞基結(jié)合fMet-tRNAfMet結(jié)合在核糖體P位翻譯起始復(fù)合物形成。原核生物翻譯起始復(fù)合物的形成一、翻譯起始復(fù)合物的裝配啟動(dòng)肽鏈mRNA的S-D序列 SD序列 ：原核生物mRNA翻譯起始子AUG的上游413個(gè)核苷酸之前有富含嘌呤的序列。這一序列以AGGA為核心，

11、稱(chēng)之為SD序列。 該序列與30s小亞基上16srRNA 3-端富含嘧啶序列結(jié)合，穩(wěn)固了mRNA與小亞基的結(jié)合。mRNA的S-D序列 SD序列 ：原核生物mRNA翻譯起4. 核蛋白體大亞基結(jié)合1. 核蛋白體亞基的分離2. mRNA在核蛋白體小亞基上就位3. fmet-tRNA的結(jié)合70S4. 核蛋白體大亞基結(jié)合1. 核蛋白體亞基的分離2. IF-3IF-11）核糖體大小亞基分離蛋白質(zhì)的生物合成過(guò)程IF-3IF-11）核糖體大小亞基分離蛋白質(zhì)的生物合成過(guò)程AUG53IF-3IF-12）核糖體小亞基結(jié)合于mRNA的起始密碼子附近 AUG53IF-3IF-12）核糖體小亞基結(jié)合于mRNAIF-3IF-

12、1IF-2GTP3）fMet-tRNAfMet結(jié)合在核糖體P位AUG53IF-3IF-1IF-2GTP3）fMet-tRNAfMetIF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4）核糖體大亞基結(jié)合形成起始復(fù)合物AUG53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4）核糖體大亞基結(jié)合IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始復(fù)合物形成過(guò)程IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTP教學(xué)課件蛋白質(zhì)翻譯指根據(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(guò)程。 肽鏈延長(zhǎng)在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱(chēng)為核糖體循環(huán)(ribosomal cy

13、cle)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸，包括以下三步：進(jìn)位(entrance)成肽(peptide bond formation)轉(zhuǎn)位(translocation)二、在核糖體上重復(fù)進(jìn)行的三步反應(yīng)延長(zhǎng)肽鏈 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（一）進(jìn)位（注冊(cè)）指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進(jìn)入核糖體A位。 （一）進(jìn)位（注冊(cè)）指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨（二）成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過(guò)程。（二）成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽（三）轉(zhuǎn)位*肽鏈延伸方向：N端 C端（三）轉(zhuǎn)位*肽鏈延伸

14、方向：N端 進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽ribosomal cycle進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽ribosomal cycle三、終止密碼子和釋放因子導(dǎo)致肽鏈合成終止當(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、核糖體等分離，這些過(guò)程稱(chēng)為肽鏈合成終止。 三、終止密碼子和釋放因子導(dǎo)致肽鏈合成終止當(dāng)mRNA上終止密碼終止相關(guān)的蛋白因子稱(chēng)為釋放因子 (release factor, RF) 原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 RF-1識(shí)別UAA或UAG，RF-2識(shí)別UAA或UGA，RF-3則與GTP結(jié)合并使其水解，協(xié)助RF1與RF2與核糖體結(jié)合。釋放因子的功能一是識(shí)別終止密碼二是誘

15、導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚哉婧松飪H有eRF一種釋放因子，所有3種終止密碼子均可被eRF識(shí)別。終止相關(guān)的蛋白因子稱(chēng)為釋放因子釋放因子的功能真核生物僅有eR多聚核糖體（polyribosome或polysome）：多個(gè)核糖體結(jié)合在1條mRNA鏈上所形成的聚合物。多聚核糖體的形成可以使肽鏈合成高速度、高效率進(jìn)行。多聚核糖體多聚核糖體（polyribosome或polysome）：多 蛋白質(zhì)合成后的加工和靶向輸送 Processing and Targeting of Synthesized Proteins第四節(jié) 蛋白質(zhì)合成后的加工和靶向輸送第四節(jié)從核糖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)

16、過(guò)不同的翻譯后復(fù)雜加工過(guò)程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?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(jí)結(jié)構(gòu)的修飾高級(jí)結(jié)構(gòu)修飾 從核糖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(guò)不同一、新生肽鏈折疊需要分子伴侶 細(xì)胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊并不是自發(fā)完成的，其折疊過(guò)程需要其他酶或蛋白質(zhì)的輔助，這些輔助性蛋白質(zhì)可以指導(dǎo)新生肽鏈按特定方式正確折疊，它們被稱(chēng)為分子伴侶（molecular chaperone）。 目前研究得較為清楚的分子伴侶是熱激蛋白70（heat shock protein 70, Hsp70）家族和伴侶蛋白（chaperonin）。一、新生肽鏈折疊需要分子伴侶 細(xì)胞中大多數(shù)天然蛋白

17、質(zhì)折Hsp70作用示意圖Hsp70作用示意圖GroES/GroEL系統(tǒng)的作用原理GroES/GroEL系統(tǒng)的作用原理二、肽鏈水解加工產(chǎn)生具有活性的蛋白質(zhì)或多肽鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾二、肽鏈水解加工產(chǎn)生具有活性的蛋白質(zhì)或多肽鴉片促黑皮質(zhì)素原(三、氨基酸殘基的化學(xué)修飾改變蛋白質(zhì)的活性三、氨基酸殘基的化學(xué)修飾改變蛋白質(zhì)的活性結(jié)合蛋白質(zhì)合成后都需要結(jié)合相應(yīng)輔基，才能成為具有功能活性的天然蛋白質(zhì)。 具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)由兩條以上的肽鏈通過(guò)非共價(jià)鍵聚合，形成寡聚體(oligomer)。通過(guò)非共價(jià)鍵亞基聚合形成具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)輔基連接后形成完整的結(jié)合蛋白質(zhì)四、亞基聚合形成具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的活

18、性蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)合成后都需要結(jié)合相應(yīng)輔基，才能成為具有功能活性的天五、蛋白質(zhì)合成后被靶向輸送至細(xì)胞特定部位 *分泌性蛋白質(zhì)（ secretory proteins ）穿過(guò)合成所在的細(xì)胞到其它組織細(xì)胞去的蛋白質(zhì)，可統(tǒng)稱(chēng)為分泌性蛋白質(zhì)。例如各種肽類(lèi)激素、各種血漿蛋白、凝血因子、抗體等。蛋白質(zhì)靶向運(yùn)輸（ protein targeting） 蛋白質(zhì)合成后定向地到達(dá)其執(zhí)行功能的目標(biāo)地點(diǎn)。靶向輸送是對(duì)分泌性蛋白質(zhì)而言。分泌性蛋白質(zhì)可穿過(guò)膜性結(jié)構(gòu)（細(xì)胞膜、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)膜）五、蛋白質(zhì)合成后被靶向輸送至細(xì)胞特定部位 *分泌性蛋白質(zhì)（ 教學(xué)課件蛋白質(zhì)翻譯教學(xué)課件蛋白質(zhì)翻譯信號(hào)序列引導(dǎo)蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號(hào)序列引導(dǎo)蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)細(xì)胞核蛋白質(zhì)由核輸入因子運(yùn)載經(jīng)核孔入核 細(xì)胞核蛋白質(zhì)由核輸入因子運(yùn)載經(jīng)核孔