七章蛋白質(zhì)生物合成

ThecentraldogmaDNARNAProtein翻譯Chapter7

ProteinBiosynthesis(Translation)合成體系蛋白質(zhì)生物合成蛋白質(zhì)合成過程翻譯后的加工mRNA是翻譯的直接模板tRNA和氨基酰-tRNA核糖體是肽鏈合成的場所翻譯的起始肽鏈的延長(核糖體循環(huán))肽鏈合成的終止高級結(jié)構(gòu)的修飾一級結(jié)構(gòu)的修飾蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）－－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)一級結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序。1ProteinBiosynthesisSystem參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)三種RNA20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、無機(jī)離子mRNA（messengerRNA）rRNA（ribosomalRNA）tRNA（transferRNA）mRNAandcodenmRNA是遺傳信息的攜帶者Cistron(順反子)：遺傳學(xué)中，編碼一個多肽的遺傳單位。Polycistron(多順反子)：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)。Singlecistron(單順反子)：真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)。原核生物的多順反子真核生物的單順反子非編碼序列核糖體結(jié)合位點(diǎn)起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP5

3

蛋白質(zhì)PPPmG-5

3

蛋白質(zhì)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(tripletcoden)。initiationcoden(起始密碼):AUG

terminationcoden(終止密碼):UAA，UAG，UGA

第三個字母UCAGUCAGUCAGUCAG遺傳密碼表－－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，各個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈。openreadingframe,ORF開放閱讀框架連續(xù)性(commaless)遺傳密碼的特點(diǎn)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?；驌p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)。degeneracy簡并性

遺傳密碼中，除色氨酸(Trp)和甲硫氨酸(Met)僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯(lián)體為其編碼。三聯(lián)密碼的簡并性universal通用性蛋白質(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。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wobble擺動性轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補(bǔ)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。密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象Ribosome

多肽鏈合成的裝置核蛋白體的組成原核生物核糖體真核生物核糖體電鏡下觀察到原核生物核糖體的結(jié)構(gòu)原核生物翻譯過程中核糖體結(jié)構(gòu)模式E位：排出位(exitsite)P位：肽酰位(peptidylsite)A位：氨基酰位(aminoacylsite)tRNAandammoniaacidactivity氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂tRNA的三級結(jié)構(gòu)示意圖tRNA與酶結(jié)合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和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:Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet根據(jù)序列和活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)的不同，氨酰tRNA合成酶可以被分為兩大類：類型I含有兩個高度保守的序列基序，這類酶所催化的氨?；l(fā)生在tRNA上腺苷的2'-羥基上，并且酶分子通常的活性形式為單體或二聚體。包括GluRS、GlnRS、ArgRS、CysRS、MetRS、ValRS、IleRS、LeuRS、TyrRS和TrpRS，其中CysRS、MetRS、TyrRS和TrpRS為同源二聚體，其余為單體類型II含有三個高度保守的序列基序，這類酶所催化的氨?；l(fā)生在tRNA上同一個腺苷的3'-羥基上，并且酶分子通常的活性形式為二聚體或四聚體。例外的是苯丙氨酰tRNA合成酶，雖然被歸類于類型II，它催化的氨?；l(fā)生2'-羥基上。

包括GlyRS、AlaRS、ProRS、SerRS、ThrRS、HisRS、AspRS、AsnRS、LysRS和PheRS，其中AlaRS為同源四聚體，GlyRS和PheRS異源四聚體，其余為同源二聚體無論氨酰基開始被連接到腺苷上的哪一個羥基上，最終都會連接到3'羥基上，因為2'-O-氨酰-tRNA會通過酯交換反應(yīng)（transesterification）轉(zhuǎn)移到3'羥基上。兩類氨酰tRNA合成酶都是多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)。典型的情況下，一個氨酰tRNA合成酶是由一個催化結(jié)構(gòu)域和一個反密碼子結(jié)合結(jié)構(gòu)域（與tRNA上的反密碼子作用的區(qū)域，來保證氨基酸結(jié)合到正確的tRNA分子上）。一些氨酰tRNA合成酶還具有RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和“編輯”結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)將不正確連接的氨酰tRNA重新打開。同一類型中所有的氨酰tRNA合成酶的催化結(jié)構(gòu)域都是同源的，但兩個類型（類型I和II）之間卻沒有同源關(guān)系。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化3’5’3’5’氨基酸與tRNA分子結(jié)合使氨基酸本身被活化，利于下一步形成肽鍵的反應(yīng)。tRNA可攜帶氨基酸到mRNA的指定部位，使氨基酸被摻入到肽鏈合適的位置。原核生物：fMet-tRNAifMet真核生物：Met-tRNAiMet（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA2TheProcessofProteinBiosynthesis

initiationelongationtermination整個翻譯過程可分為：翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。一、肽鏈合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物(translationalinitiationcomplex)。（一）原核生物翻譯起始復(fù)合物形成核糖體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA（fMet-tRNAifMet

）的結(jié)合；核糖體大亞基結(jié)合。起始因子生物功能原核生物IF-1占據(jù)A位，防止其它tRNA結(jié)合IF-2促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合IF-3促進(jìn)大小亞基分離，提高P位對結(jié)合起始tRNA的敏感性原核生物各種起始因子的生物功能IF-3IF-11.核蛋白體大小亞基分離IF-3IF-1IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合AUG5'3'S-D序列－－細(xì)菌的mRNA通常含有一段富有嘌呤堿基的序列，位于起始AUG序列上游10個堿基左右的區(qū)域，能與16s-rRNA3’端的7個嘧啶堿基進(jìn)行互補(bǔ)識別，以幫助從起始AUG處開始翻譯。IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAifMet)結(jié)合到小亞基AUG5'3'IF-3IF-14.核糖體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成GTPGDP＋PiIF-1IF-3IF-2AUG5'3'（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；起始氨基酰-tRNA(Met-tRNAiMet)與小亞基結(jié)合；mRNA在核蛋白體小亞基就位；核蛋白體大亞基結(jié)合。起始因子生物功能真核生物eIF-1AeIF-1A穩(wěn)定起始復(fù)合體eIF-2促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合eIF-3促進(jìn)大小亞基分離eIF-4F復(fù)合物eIF-4A結(jié)合mRNA5’帽子,促進(jìn)mRNA掃描定位起始AUGeIF-4EeIF-4GeIF-5eIF-5B促進(jìn)各種起始因子從小亞基上分離，進(jìn)而結(jié)合大亞基真核生物各種起始因子的生物功能eIF3MetInitiatortRNAeIF2MeteIF3eIF2AUG40S43SmRNAeIF4FMet48SAUGMet48SAUGeIF1AeIF1eIF1eIF1AScanningMet48SAUGeIF1eIF1AeIF5B60SeIF5eIF1eIF1AeIF4FMetAUGeIF5BeIF5Met80SAUGTranslationeIF5BeIF5AUGAUG40SScanningTranslationinitiationmRNAIRESAUGTranslationinitiationAUG40SsubunitentersIRESsitedirectly80S80S(a)TranslationinitiationatAUGchosenbyscanning(b)TranslationinitiationatIRESsite40SAUGAUGmRNAIRES：內(nèi)部核糖體進(jìn)入序列二、肽鏈合成延長根據(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。肽鏈延長在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核糖體循環(huán)(ribosomalcycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步：進(jìn)位(entrance)成肽(peptidebondformation)轉(zhuǎn)位(translocation)延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)、EF-G真核生物：EF-1、EF-2原核延長因子生物功能對應(yīng)真核延長因子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-βγEFG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肽鏈合成的延長因子（一）進(jìn)位又稱注冊(registration)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)入核蛋白體A位。（二）成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。1212（三）轉(zhuǎn)位延長因子EF-2（EF-G）有轉(zhuǎn)位酶(translocase)活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核糖體向mRNA的3'側(cè)移動。1212進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽

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、核糖體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。

與終止相關(guān)的蛋白因子－－釋放因子(releasefactor,RF)

原核生物釋放因子：RF真核生物釋放因子：eRF是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。是誘導(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肽鏈合成終止過程真核肽鏈合成終止過程多聚核糖體(polysome)——使蛋白質(zhì)合成高速、高效進(jìn)行。電鏡下的多聚核糖體現(xiàn)象3PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation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)過不同的翻譯后復(fù)雜加工過程才轉(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)肽鏈一級結(jié)構(gòu)的修飾高級結(jié)構(gòu)修飾一、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端在核糖體上一出現(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。幾種有促進(jìn)蛋白折疊功能的大分子

分子伴侶(molecularchaperon)

蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(proteindisulfideisomerase,PDI)

肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)1.熱休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE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(jìn)各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊。熱休克蛋白促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊的基本作用——結(jié)合保護(hù)待折疊多肽片段，再釋放該片段進(jìn)行折疊。形成HSP70和多肽片段依次結(jié)合、解離的循環(huán)。HSP40結(jié)合待折疊多肽片段HSP70-ATP復(fù)合物HSP40-HSP70-ADP-多肽復(fù)合物ATP水解GrpEATPADP復(fù)合物解離，釋出多肽鏈片段進(jìn)行正確折疊伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進(jìn)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