蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）過(guò)程分析

1、蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）過(guò)程分析Protein Biosynthesis，Translation蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由 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)合成體系Protein Biosynthesis System 第 一 節(jié) 20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、無(wú)機(jī)離子參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括 三種RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白體RNA）tRNA（transfer RNA, 轉(zhuǎn)移R

2、NA）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(gè)多肽的遺傳單位稱(chēng)為順?lè)醋?cistron)。原核細(xì)胞中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個(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)，為多順?lè)醋?polycistron) 。真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順?lè)醋?single cistron) 。 原核生物的多順?lè)醋诱婧松锏膯雾樂(lè)醋臃蔷幋a序列核蛋白體結(jié)合位點(diǎn)起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP53蛋白質(zhì)PPPmG -53蛋白質(zhì)目 錄 mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5至3方向，由AUG開(kāi)始，每3個(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止

3、信號(hào)，稱(chēng)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 遺傳密碼表目 錄從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(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個(gè)蛋白質(zhì)多肽鏈，稱(chēng)為開(kāi)放閱讀框架(open reading frame, ORF)。 1. 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(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無(wú)間斷也無(wú)交叉。 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 mutat

4、ion)。 2. 簡(jiǎn)并性(degeneracy)遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個(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。目 錄2. 簡(jiǎn)并性(degeneracy)目 錄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(lèi)都通用。 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線(xiàn)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。 4. 擺動(dòng)性(wobble)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼需要通過(guò)堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼反向配對(duì)結(jié)合，但反密碼與密碼間不嚴(yán)格遵守常見(jiàn)的堿基配對(duì)規(guī)律，稱(chēng)為擺動(dòng)配對(duì)。 U擺動(dòng)配對(duì)目 錄密碼子、反密碼子配對(duì)的擺動(dòng)現(xiàn)象t

5、RNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U, C, AA, GU, CUG二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置目 錄原核生物真核生物核蛋白體小亞基大亞基核蛋白體小亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質(zhì)rpS 21種rpL 36種rpS 33種rpL 49種 不同細(xì)胞核蛋白體的組成 核蛋白體的組成目 錄三、tRNA與氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶（一）

6、氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 氨基酸的活化第一步反應(yīng)氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi 目 錄第二步反應(yīng)氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E目 錄 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(duì)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(proofreading activity) 。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tR

7、NAifMet（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程 The Process of Protein Biosynthesis 第 二 節(jié) 翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(zhǎng)(elongation)翻譯的終止(termination )整個(gè)翻譯過(guò)程可分為 ：翻譯過(guò)程從閱讀框架的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)。 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 initiation complex)。原核、真核生物各種起始因子的生物功能 （一）原核生物翻譯起始復(fù)合

8、物形成核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA的結(jié)合； 核蛋白體大亞基結(jié)合。IF-3IF-11. 核蛋白體大小亞基分離目 錄AUG53IF-3IF-12. mRNA在小亞基定位結(jié)合目 錄S-D序列 S-D序列：在原核生物mRNA起始密碼AUG上游，存在49個(gè)富含嘌呤堿的一致性序列，如-AGGAGG-，稱(chēng)為S-D序列。又稱(chēng)為核蛋白體結(jié)合位點(diǎn)（ribosomal binding site，RBS) IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結(jié)合到小亞基AUG53目 錄IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白體大亞

9、基結(jié)合，起始復(fù)合物形成AUG53目 錄IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目 錄（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結(jié)合；mRNA在核蛋白體小亞基就位；核蛋白體大亞基結(jié)合。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-2GDP+Pi各種elF釋放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過(guò)程 真核生物翻譯起始的特點(diǎn)核蛋白體是80S；起始因子種類(lèi)多；起始t

10、RNA的Met不需甲?；?；mRNA的5帽子和3poly A尾結(jié)構(gòu)與mRNA在核蛋白體就位有關(guān)；起始tRNA先與核蛋白體小亞基結(jié)合，然后再結(jié)合mRNA二、肽鏈合成延長(zhǎng)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)在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱(chēng)為核蛋白體循環(huán)(ribosomal cycle)，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)延伸過(guò)程所需蛋白因子稱(chēng)為延長(zhǎng)因子(elongation factor, EF)原核生物： EF-Tu, EF

11、-Ts EF-G真核生物：eEF-1 、eEF-2 原核延長(zhǎng)因子生物功能對(duì)應(yīng)真核延長(zhǎng)因子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTPEF-1-EF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-EFG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(zhǎng)因子 又稱(chēng)注冊(cè)(registration)（一）進(jìn)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(jìn)入核蛋白體A位。 目 錄延長(zhǎng)因子EF-T催化進(jìn)位（原核生物） 目 錄TuTsGTPGDPAUG53TuTs目 錄（二）成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過(guò)程。（三）轉(zhuǎn)位延長(zhǎng)因子

12、EF-G有轉(zhuǎn)位酶( translocase )活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3側(cè)移動(dòng) 。fMetAUG53fMetTuGTP目 錄進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽真核生物肽鏈合成的延長(zhǎng)過(guò)程與原核基本相似，但有不同的反應(yīng)體系和延長(zhǎng)因子。另外，真核細(xì)胞核蛋白體沒(méi)有E位，轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。（四）真核生物延長(zhǎng)過(guò)程 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(guò)程稱(chēng)為肽鏈合成終止。 終止相關(guān)的蛋白因子稱(chēng)為釋放因子 (release factor, RF) 一是識(shí)別終止密碼，如RF-1特異識(shí)別UAA、UAG

13、；而RF-2可識(shí)別UAA、UGA。二是誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相?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 原核肽鏈合成終止過(guò)程 UAG53RFCOO-目 錄 原核生物蛋白質(zhì)合成的能量計(jì)算氨基酸活化：2個(gè)PATP起始： 1個(gè)GTP延長(zhǎng)： 2個(gè)GTP終止： 1個(gè)GTP結(jié)論：每合成一個(gè)肽鍵至少消耗4個(gè)P。多聚核蛋白體(polysome)使蛋白質(zhì)合成高速、高效進(jìn)行。目 錄電鏡下的多聚核蛋白體現(xiàn)象目 錄蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜機(jī)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(guò)程稱(chēng)為蛋白質(zhì)的靶向

14、輸送。 三、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送蛋白質(zhì)的靶向輸送(protein targeting)所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在分選信號(hào)，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(chēng)為信號(hào)序列 。 信號(hào)序列(signal sequence)靶向輸送蛋白信號(hào)序列或成分分泌蛋白信號(hào)肽內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白信號(hào)肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)線(xiàn)粒體蛋白N端靶向序列（2035氨基酸殘基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）過(guò)氧化體蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶體蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向輸送蛋白的信號(hào)序列或成分 （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(guò)程首先要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。 信號(hào)肽(signal pep