1、蛋白质的生物合成（翻译）Protein Biosynthesis，Translation,第 十 二 章,就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。,蛋白质的生物合成（翻译）Protein Biosynthesis，Translation,蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System,第 一 节,20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质包括,三种RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（riboso
2、mal RNA, 核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA, 转移RNA）,一、翻译模板mRNA及遗传密码,mRNA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mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,目 录,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，
3、称为三联体密码(triplet coden)。,起始密码(initiation coden): AUG,终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA,遗传密码表,目 录,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个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。,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，密码间既无间断也无交叉。,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(frame-shift mu
4、tation)。,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2、3、4个或多至6个三联体为其编码。,目 录,目 录,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。 已发现少数例外，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),转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。,U,摆动配对,目 录,密码子、反密码子配对的摆动现象,二、核蛋白体
5、是多肽链合成的装置,目 录,不同细胞核蛋白体的组成,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),目 录,三、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,tRNA的三级结构示意图,（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 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi,目 录,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,目 录,tRNA与酶结合的模型,tRNA,氨基酰-tR
6、NA合成酶,ATP,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。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-tRNAifMet,（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA,蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,第 二 节,起始(initiation)延长(elongation)终止(termination ),整个翻译过程可分为 ：,翻译
7、过程从阅读框架的5-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。,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)。,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,（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,目 录,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,目 录,S-D序列,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( f
8、Met-tRNAimet )结合到小亚基,目 录,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,目 录,（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。,真核生物翻译起始复合物形成过程,二、肽链合成延长,根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止。,肽链延长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，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptide bond
9、 formation)转位(translocation),延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF)原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1 、EF-2,肽链合成的延长因子,又称注册(registration),（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。,目 录,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,目 录,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,目 录,（二）成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,（三）转位,延长因子EF-G有转位酶( tr
10、anslocase )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,目 录,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),一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。二是诱导转
11、肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，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,目 录,多聚核蛋白体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,目 录,电镜下的多聚核蛋白体现象,目 录,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,多肽链折叠为天然的三
12、维结构 肽链一级结构的修饰高级结构修饰,一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质,新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。 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、蛋白辅助。,几种有促进蛋白折叠功能的大分子,1. 分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-
13、脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI),1. 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侣素(chaperonins) GroEL和GroES家族,分子伴侣,分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。,热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。,伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程,伴侣素的主要作用为非自发性折叠蛋白质提供能折
14、叠形成天然空间构象的微环境。,蛋白二硫键异构酶,多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。,二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。,肽-脯氨酰顺反异构酶,多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。,肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。,肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。,二、一级结构的修饰,（一）肽链N端的修
15、饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰,鸦片促黑皮质素原(POMC)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
16、前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,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,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,目 录,（二）线粒体蛋白的靶向输送,目 录,（三）细胞核蛋白的靶向输送,目 录,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。 可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗
17、菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。,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。,抗代谢药物指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如：6-MP。,某些毒素也作用于基因信息传递过程。,一、抗生素类,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理,嘌呤霉素作用示意图,四环素族,目 录,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,白喉毒素,+,+,干扰素的作用机理,1. 干扰素诱导eIF2磷酸
18、化而失活,2. 干扰素诱导病毒RNA降解,思考题,何为翻译( translation)? 参与翻译的RNA有几类,各起什么作用?何为三联体密码(coden),三联体密码有什么基因特性?三联体密码共有多少个?编码氨基酸的密码子有几个?起始密码子有哪几个?终止密码有哪几个? 何为密码子的简并性(degeneracy)何为广义密码(general genetic coden),副密码(paracoden),空间密码(spatial coden)?何为顺反子(cistron),何为多顺反子(poly-cistron),何为单顺反子(mono-cistron)?开放阅读框架(open reading f
19、rame, ORF)。,9. 原核生物翻译的基本过程是什么?10.何为SD序列(S-D sequence),如果没有S-D序列,原核生物的翻译会出现什结果?11.何为核糖体循环 (ribosomal cycle)，说明其基本过程.12.原核生物蛋白质合成时,为什么会出现多聚核蛋白体(polysome)?真核生物蛋白质合成时, 也会出现多聚核蛋白体(polysome)吗,为什么?13.何为分子伴侣 (molecular chaperon),它有什么功能? 14.何为信号肽(signal peptide) ,有什么结构特点?,15. 何为开放阅读框(opening reading fram,ORF)16.何为分子折叠(Molecular folding)17.简述蛋白质翻译后的加工过程(post-translational processing) 18.试列出tRNA分子上与多肽合成有关的位点。19.简述密码的简并性（degeneracy)和同义密码子（synonymous codon)及其在生物上的重要性。,
