1、,Protein Biosynthesis (Translation),蛋白质的生物合成(翻译),第十二章,蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。,第一节蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System,20种氨基酸作为原料 酶及蛋白因子，如IF、eIF等 ATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质包括：,三种RNA mRNA rRNA tRNA,1961年，Nirenberg 证明了mRNA的模板作用。,一、翻译模板mRNA及遗传密码,mRN
2、A是遗传信息的携带者,遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子（polycistron）。真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。,mRNA结构简图,mRNA上存在遗传密码,mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码（triplet codon）。,ORF,从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一
3、条多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。,遗传密码表,密码子的第一个字母,密码子的第二个字母,1. 连续性（commaless）,遗传密码的特点,编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间隔也无重叠。,基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。,2. 简并性（degeneracy）,遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有24个或多至6个密码子为之编码。,密码子简并性的生物学意义：减少有害突变。 遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。GCU ACUGC
4、C ACCGCA ACAGCG ACG,Ala,Thr,3. 通用性（universal）,蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 有少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,4. 摆动性（wobble）,tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为摆动性。,摆动配对,二、核蛋白体是多肽链合成的装置,核蛋白体的组成,原核生物核蛋白体结构模式,30S小亚基：有mRNA结合位点50S大亚基： E位：排出位（Exit site）转肽酶活性大小亚基共同组
5、成：A位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位(peptidyl site),三、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,tRNA在翻译过程中起接合体（adaptor）作用，又是氨基酸的运载体。,氨基酸 + tRNA,氨基酰- tRNA,ATP,AMPPPi,氨基酰-tRNA合成酶,（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,第一步反应,氨基酸ATPE 氨基酰-AMP-EAMP PPi,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRN
6、AifMet,（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA,fMet-tRNAifMet的生成：,第二节蛋白质生物合成过程The Process of Protein Biosynthesis,蛋白质合成中mRNA模板的方向：5 3；蛋白质的合成方向：N端 C端。蛋白质合成过程：起始延长终止,一、肽链合成起始,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。,参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，
7、IF）。原核生物起始因子有三种：IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。IF-2：促进起始tRNA与小亚基结合。IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性。,（一）原核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。,IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,S-D序列：在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，
8、RBS),S-D序列,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA与小亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,起始过程消耗1个GTP。,（二）真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始因子,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物翻译起始的特点核蛋白体是80S；起始因子种类多；起始tRNA的Met不需甲酰化；mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关；起始tRNA先与核
9、蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA,二、肽链的延长,指按照mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环（ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：进位（entrance）成肽（peptide bond formation）转位（translocation）,肽链合成的延长因子,（一）进位,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,（二）成肽,是由转
10、肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。,（三）转位,延长因子EF-G有转位酶（translocase ）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动。,fMet,fMet,真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,（四）真核生物延长过程,三、肽链合成的终止,当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF),识别
11、终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。,释放因子的功能,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,原核肽链合成终止过程,RF,核蛋白体循环,5,3,N terminal,原核生物蛋白质合成的能量计算氨基酸活化：2个PATP起始： 1个GTP延长： 2个GTP终止： 1个GTP结论：每合成一个肽键至少消耗4个P。,多聚核蛋白体 （polysome)一个mRNA分子可同时有多个核蛋白体在进行同一种蛋白质的合成，这种mRNA和多个核蛋白体的聚合物称为多聚核蛋白体。,多聚核蛋白体(p
12、olysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation,第 三 节,从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。主要包括多肽链折叠(fold)为天然的三维(threedimension)结构 肽链一级结构的修饰高级结构修饰,蛋白质的成熟,一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质,一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶
13、、蛋白辅助。,一级结构是空间构象的基础,蛋白质折叠的基本方式,分子伴侣热休克蛋白（hsp70）的作用,分子伴侣热休克蛋白（hsp60）的作用,二、一级结构的修饰,（一）肽链N端的修饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰三、高级结构的修饰（一）亚基聚合 （二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接,蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。,四、蛋白质合成后的靶向输送,蛋白质的靶向输送（protein targeting）,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称
14、为信号序列 。, 信号序列(signal sequence),靶向输送蛋白的信号序列或成分,（一）分泌蛋白的靶向输送,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网，再分别被包装成分泌小泡而分泌出细胞。,信号肽(signal peptide),各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。,信号肽的一级结构,N端侧碱性区,疏水核心区,C端加工区,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,（二）线粒体蛋白的靶向输送,（三）细胞核蛋白的靶向输送,蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,第 四 节,蛋白质生物
15、合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。,抗生素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。,一、抗生素类,四环素族,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理,嘌呤霉素作用示意图,二、其他干扰蛋白质生物合成的物质,毒素(toxin)干扰素(interferon),白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理,干扰素的作用机理,复习思考题：1. 概念：（1）翻译 （2）遗传密码（3）密码的摆动性 （4）氨基酸活化（5）SD序列 （6）信号肽（7）分泌性蛋白质 （8）靶向输送（9）多聚核蛋白体2. 简述RNA在蛋白质合成中的作用。3. 简述蛋白质生物合成的大体过程。,4. 原核生物和真核生物的翻译起始复合物的生成有何异同？5. 简单介绍信号肽假说的具体内容。6. 按下列DNA单链5TCGTCGACGATGATCTTCGGCTACTCGA3试写出：（1）DNA复制时另一条链的碱基顺序；（2）以此为模板，转录成mRNA的碱基顺序；（3）所合成肽链的氨基酸顺序。,
