第17章蛋白質(zhì)的生物合成.

1、第十七章2014-12-3122014-12-312蛋白質(zhì)的生物合成，翻譯Protein Biosynthesis(Translation)2014-12-31蛋白質(zhì)生物合成的概念是細(xì)胞內(nèi)以mRNA為模板，按照mRNA分子中由核甘酸組成的密碼信息合成蛋白質(zhì)的過程，亦稱翻譯o本質(zhì):是將mRNA分子中4種核昔酸序列編碼的遺傳 信息（核酸語言），通過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)語言）。PolypeptideMessenger RNAh»n-OTRANSLATIONpeptide bondo亠-COOHAminoAcid 3AminoAcid 1A

2、minoAcid 2AminoAcid 4AminoAcid 52014-12-312蛋白質(zhì)生物合成的反應(yīng)過程 (1)氨基酸的活化過程：即各種氨基酸分別加載到 各自的tRNA分子上，形成氨基酰tRNA o (2)肽鏈的生物合成過程：即將mRNA的堿基排列 順序轉(zhuǎn)換成肽鏈中氨基酸的排列順序，并通過肽 鍵將氨基酸連接起來。 (3)肽鏈形成后的加工過程：即肽鏈合成后通過折 疊形成天然蛋白質(zhì)的三維構(gòu)象，并對(duì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和 空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾等，成為有生物學(xué)功能的天然 蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)合成動(dòng)畫一.二2014-12-31蛋白質(zhì)生物合成的生物學(xué)意義維持生物體的多種生命活動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的變化參與組織的更新和修復(fù)2014-

3、12-3152014-12-316本章內(nèi)容第一節(jié)蛋白質(zhì)生物合成體系第二節(jié)肽鏈的生物合成過程第三節(jié)蛋白質(zhì)翻譯后修飾和靶向輸送第四節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制2014-12-31第一節(jié)蛋白脆合成體系Protein Biosynthesis System2014-#-316蛋白質(zhì)生物合成(protein biosynthesis)過程十分復(fù)雜，幾乎 涉及細(xì)胞內(nèi)所有種類的RNA分子和幾十種蛋白質(zhì)因子。2014-12-312014-12-31有多聚腺昔酸(polyA)尾。一、mRNA是蛋白質(zhì)生物合成的直接模板()mRNA 結(jié)構(gòu)不同生物mRNA序列，都具有5匚端非翻譯區(qū)、開放閱讀框架區(qū)和端非翻譯區(qū)。真核生

4、物mRNA的51端有帽子結(jié)構(gòu)，3匚端1961 年，Nirenberg 證明 TmRNA的模板作用。2014-12-313*AAAAn3,非翻譯區(qū)PXPXP395,非翻譯區(qū)mRNA包括5 ' 非翻譯區(qū)(5 ' -untranslated region, 5 ' -UTR) 開放閱讀框區(qū)(open reading frame, ORF)3 '-非翻譯區(qū)(3 ' -untranslated region, 3 ' -UTR)2014-12-319mRNA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖取核mRNA典核mRNA55!編碼序列核糖體結(jié)合位點(diǎn)204-12-31AUGAUG步編碼蛋白

5、 H終止密碼了10順反子(cistron):遺傳學(xué)將編碼一個(gè)多肽的遺 傳單位稱為順反子。多順反子(polycistron)：在原核細(xì)胞中，數(shù)個(gè) 結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)排列而構(gòu)成一個(gè)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)，稱為多順反子。真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子 (single cistron)。2014-12-3111原核生物的多順反子I I IA/WN/1只& 蛋白質(zhì)真核生物的單順反子IM非編碼序列核蛋白體結(jié)合位點(diǎn)蛋白質(zhì)_尸 編碼序列起始密碼子終止密碼兀()遺傳密碼遺傳密碼(genetic coden)：在mRNA開放閱讀 框架區(qū)5,端至3匸端，以每3個(gè)相鄰

6、的核昔酸為一組，代表一種氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號(hào)，這種三聯(lián)體形式的核昔酸序列稱 為遺傳密碼(也稱密碼子)。開放閱讀框架(open reading frame,ORF):從 mRNA 5端的起始密碼子AUG到3,端終止密 碼子之間的核昔酸序列，稱為ORF。132014-12-31遺傳密碼表Second letterUCAGuPhenylalanineLeucineUCJ ucc UCAUCGSerineUAU UACTyrosineStop codon Stop codanCysteineStop codon TryptophanU C A GUUA UUGUAA UAGUGAUGGC

7、UU cue CUA CUGecu CCC CCA CCGCAU CACCAACAGCGU CGC CGA CGGucLeucineProlineHistidineGlutamineArgininecAGAAUU AUC AUAAUGisoleucincMethionine; initiation codonACU ACC ACA ACGThreonineAAU AACAsparag neAGUAGCSerineArginineU cAGAAA AAGLysineAGA AGGGGUU GUC GUA GUGValinaGCU GCC GCAGCG5GAU GACAspartic bddGGU

8、 GGC GGA GGGGlycineU c A GGAA GAGGlutamic add2014-12-3116起始密碼子（initiation codon）AUG終止密碼子（termination codons）UAA、DAG、UGA 1986年報(bào)道UGA代表selenocysteine（硒代半胱氨 酸）。 2002年報(bào)道在Archaea（產(chǎn)甲烷菌的甲胺甲基轉(zhuǎn)移 酶中發(fā)現(xiàn)）和真菌中發(fā)現(xiàn)UAG可能是編碼第22種 氨基酸pyrrolysine（ H比咯賴氨酸）的密碼子。2014-12-31遺佳密碼動(dòng)畫15遺傳密碼的特點(diǎn)即讀 按1方向性(direction)翻譯時(shí)的閱讀方向只能是53% 碼從mR

9、NA的起始密碼子AUG開始, 的方向逐一閱讀，直至終止密碼子。5- A |U G CHA C UlfU U AlIC U Alik C CilG C JIA U UlC C 3aCyM Thr lu Thr Ala lie2014-12-31162 連續(xù)性(non-punctuation)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，密碼間既無間斷也無交叉。重疊密碼非重疊連續(xù)的密碼Nonmnertapping code不連續(xù)的密碼2014-12-314cocnmaa ooiimiui-17框移突變基因損傷引起inRNA閱讀框架內(nèi)的堿 基發(fā)生插入或缺失，使讀碼產(chǎn)生錯(cuò)譯， 造成翻譯的氨基酸序列改變

10、，這種突變 稱為框移突變(frame shift mutation) omRNA|g c c |u a c|g g a u3r(+)插入G U A G C CUC A|iC G G iA U (一)缺失G U AC C U A C G|G A U| 2014-12-3118mRNA(b)55f讀碼方向I I I I I I I I I I Illi IlliAUCCCACUCAAUGC G A U UCCA U G AAsn AlaPro (終止密碼)3mRNA多肽鏈LeuThrMet圖12l遺傳密碼的連續(xù)性與惟移突變(a)氨基酸的排列順序?qū)?yīng)于mRNA洋列中密碼子的排列順字$ (b)孩仔酸插

11、入導(dǎo)致梃移突變;為描入的核昔酸2014-12-31193簡(jiǎn)并性(degenerate)一種氨基酸可具有兩個(gè)或兩個(gè)以的密碼子為其編碼， 這一特性稱為遺傳密碼的簡(jiǎn)并性。遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸有1個(gè)密碼子外，其 余氨基酸有2、3、4個(gè)或多至6個(gè)三聯(lián)體為其編碼。UUU UUCPZn'. alanineUCU UCCUAU UACTyrowneUGU UGCCysteineprinpUCA UCGUAAStop codonS3 codsUUGUAGStop codon敗 j TryptophanCUUecuCMHirtidintCGUcueLeucinecccProlifteCGC CG

12、A CGGArginineCUA CUGCCA CCGCAA CAGGluUmineAUU AUCAAU AA<HolevCineACU ACCTbreoQ«neA>por«9ineAGCSincAUAACAAAAAGA AGGAM芻霽"ACGAAGLyiin*Argin ir*I衆(zhòng)ValineGCU GCCGAU GACAspartic addGGU GGCGlycineGCA GCGAwnlfwGAA/JAZ：GutamkGGA GGGIadd氮基酸密碼子數(shù)目氨基酸密碼子數(shù)目Ala4Leu6Arg6Lys2Asn2Met1Asp2Phe2Cys2P

13、ro4Gin2Ser6Glu2Thr4Gly4Trp1His2Tyr2fie3Vai4AUGCGACUC A 匡 AUG C G A U同義密碼子為同一種氨基酸編碼的各密碼子，亦稱簡(jiǎn)并性密碼子。 前兩個(gè)堿基均相同，只是第三個(gè)堿基不同。若頭兩個(gè)堿基發(fā)生點(diǎn)突變，可譯出不同氨基酸，而第三個(gè)堿基的突變,不會(huì)影響氨基酸的翻譯2014-12-3122遺傳密碼的特異性主要取決于前兩位堿基。密碼子簡(jiǎn)并性的生物學(xué)意義:減少基因突變對(duì)蛋白質(zhì)功能的影響。2014-12-31GCU GCC> AlaGCAGCG丿ACC> ThrACAACG212014-12-31#2014-12-31#簡(jiǎn)并性允許的突變A

14、mino aci<lMpIHisPlu>ThrAsnArgTyrSerHeading fra in t* 15* A U <:, A ('l l r A C ( ： A A C| ('(5 (' J* A I I (Other mRNA sc(|ucmiccs that specify Iho zme amino Hci<lIleadmK frame 25* A U G C|(A C Uj U U A|C U A)|A C C)G C U|A U I(Amino acid swiucncnOthftr ammo aci(Ir resulting

15、from the alternntivp mKNA TM*i|uencex xhown above for reading frame IThrIx'u ThrAlaIA U DI 幣 C A|C (FXllA U CUQ U UllA C Ul<llo) <Ser) (Piro) (lie) (Vai) (Thr)lc A SIX C 山iGin) (Thr) (Anp) <Thr)2014-12-31#JQ AIA UKIG Q7(Air (lie) <Gly>(b)2014-12-31#4通用性(universal)蛋白質(zhì)生物合成整套密碼，從原核生物

16、到人類都通用。已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如線粒體、葉綠體以AUG、AUU> AUA為起始密碼子，而AUA兼有Mft密碼子功能。終止 密碼子是AGA. AGG, Trp密碼子是UGA等。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 AUA AUG UGA UGU UAA UAG 一般生物He Met(起始：T終止Trp 終止終止支原體纖毛蟲Gin GinGin Gin 235擺動(dòng)性(wobble)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼子需要通過堿 基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼反向配對(duì)結(jié)合， 但反密碼子與密碼子之間的并不嚴(yán)格遵守常見 的堿基配對(duì)規(guī)律，稱為擺動(dòng)配對(duì)(wobble base pairing)

17、o這一現(xiàn)象常見于反密碼子的第一位堿基與密 碼子的第三位堿基之間。2014-12-3124擺動(dòng)配對(duì)tRNAAnricodoninRNA &5321CAGU11 23GUCACthen tRNA maymRNA 3UGArecognize codonsuhaving these basesin third positionIf these bases are in first or wobble, position of anticodon密碼子、反密碼子擺動(dòng)配對(duì)2l1AIAUCI 123|CodontRNA反密碼 子第1位堿基IUGAcmRNA密碼 子第3位減基C,A,UA,GC,UUG

18、25二、核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所核糖 體的 組成Mr 28 x 10e5S rRNA 28S rRNAMt 1.6 x 10e5S rRNA23S rRNA34種蛋白5.8S rRNA 4Q禾h帶白貞核生物核找白體Mr 4.2 x 10®Mr 0.9 x 10e16S rRNA 21種蛋白小亞基Mr 1.4 x 10618S rRNA33種蛋白2014-12-32262014-12-3130核糖體的組成核蛋白體原核生物真核生物蛋白質(zhì)S值rRNA蛋白質(zhì)S值rRNA小亞基21種30S16S33種40S18S大亞基36種23S49種28S50S60S5.8S5S5S核蛋白體70S80S

19、2014-12-312730S小亞基：有mRNA結(jié)合位點(diǎn)50S大亞基：E位：排出位(Exit site) 轉(zhuǎn)肽酶活性大小乎基共同組孚：A位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位(peptidyl site)原核生物翻譯過程 中核糖體結(jié)構(gòu)模式小亞基(RNA氨基酸mRNA新生肽鏈三、tRNA是氨基酸的運(yùn)載工具ohtRNA在翻譯過程 中起適配器（adaptor） 作用，又是氨基酸的運(yùn)氨基酸臂Amino acid attachment sitemRNA S'(KNA轉(zhuǎn)運(yùn)載體tRNA動(dòng)畫UU127 IZ09 活 3 作用反密碼環(huán)29參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)三種RNA-mRNA (

20、messenger RNA,信使RNA)-rRNA ( ribosomal RNA,核蛋白體RNA )-tRNA (transfer RNA,轉(zhuǎn)移RNA)原料：20種氨基酸(AA)2014-12-3130重要的酶類氨基酰-tRNA合成酶：存在于胞液中，催化氨基酸的活化。轉(zhuǎn)肽酶：核糖體大亞基的組成成分，催化核糖體 P位上的肽?；D(zhuǎn)移至A位氨基酰-tRNA的氨基上, 使?；c氨基結(jié)合形成肽鍵，它受釋放因子的作 用后發(fā)生變構(gòu)，表現(xiàn)出酯酶的水解活性，使P位 上的肽鏈與tRNA分離。轉(zhuǎn)位酶：其活性存在于延長(zhǎng)因子G中，催化核糖 體向mRNA 3J端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離,使下一2014金密碼子定位于A位。3

21、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(releasing factor, RF ) 真核生物分別寫作£IF、eEF. eRFo能源物質(zhì)及離子能源物質(zhì)：ATP、GTP無機(jī)離子：如Mg2+、K+等。五、氨基酸的活化(-)氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酰tRNA由氨基酰tRNA合成酶(aminoacyl- tRNA synthetase)催化生成，每個(gè)氨基酸活化需 消耗2個(gè)高能磷酸鍵。氨基酸+ tRNA氨基酰-tRNA合成酶氨基酰tRNA2014-1L 34AATP AMP+PPi氨基酰-

22、tRNA合成酶催化氨基酰-tRNA合成過程 分二步進(jìn)行：2014-12-3133第一步反應(yīng)2014-1L 342014-1L 34OH OH2014-1L 34第二步反應(yīng)氨基酰-AMP-E+tRNA抵基酰-AMPAMPVCH0-HaH-Cd0HPI0氨基酰-tRNA+AMP+E2014-12-31tRNA氨基酰-tRNA 0-成旃氨基酰-tRNA合成酶對(duì)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，即將任何錯(cuò)誤的 氨基酰-AMP-E或氨基酰-tRNA的酯鍵水解，再換上與 密碼子相對(duì)應(yīng)的氨基酸。氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAI Ser-tRNASe Met

23、-tRNAMet氨基酸的活化形式：氨基酰一tRNA 氨基酸的活化部位：a竣基氨基酸與tRNA連接方式：酯鍵氨基酸活化耗能：2個(gè)卩2014-12-3137（二）起始肽鏈合成的氨基酰tRNA原核生物：fMet-tRNA 真核生物:MettRNA嚴(yán)t fMtt-tRNA嚴(yán)說的生成：Met-tRNAjfMet轉(zhuǎn)甲?；竑Met-tRNAj，Met2014-12-3138372014-12-31第二節(jié)肽鏈的生物合成過程The Process of Protein Biosynthesis2014-12-3139蛋白質(zhì)合成中mRNA模板的方向：5J3，蛋白質(zhì)的合成方向：N端C端蛋白質(zhì)合成過程：起始、延長(zhǎng)、

24、終止蛋白質(zhì)合成動(dòng)畫392014-12-31一、原核生物的肽鏈合成過程農(nóng)12-3參與原核生炯譯的各種蛋白質(zhì)兇子及其生物學(xué)功能ft生爸事功篦' ' - * 起始因子IF-1占據(jù)A位防止結(jié)合其他tRNA1F-2促進(jìn)fMet-tRNA與小亞基結(jié)合IE-3促進(jìn)大小亞基分離.提高P位對(duì)結(jié)合fMet-tRNA的敏感性庭長(zhǎng)因子EF-Tu促進(jìn)MMft tRNA進(jìn)人A位.結(jié)合并分鮮GTPEF-Ts調(diào)卄亞基EF-G有轉(zhuǎn)位活性.促St mRNA-BkBt-tRNA由A位移至P位，促進(jìn)tRNAfiJ«與釋放釋放因子RF-1待異識(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、UG

25、A,誘導(dǎo)轉(zhuǎn)Bk諄轉(zhuǎn)變?yōu)樵剕»zRF-3可與核糖體其他部位結(jié)合，有GTP酶活性.能介導(dǎo)RFJ及RF 2與核箝體的相互作用()肽鏈合成的起始指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(translational initiation complex)的過程。參與起始物質(zhì)：30S小亞基、50S大亞基、mRNA、 fMet-tRNAe 起始因子、GTP和Mg2+。翻譯起始動(dòng)畫2014-12-3141參與起始過程的蛋白質(zhì)因子稱起始因子(initiation factor, IF)O原核生物起始因子有三種：IF-1：占據(jù)A位防止結(jié)合其他tRNAoIF-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(duì)結(jié)合起始 氨基酰-tRNA (fMet-tRNAmet )敏感性。