蛋白质生物合成翻译.ppt

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1、第一节 蛋白质生物合成体系,参与蛋白质生物合成的物质 20种氨基酸 模板mRNA 核糖体（rRNA+蛋白质） tRNA（氨基酸载体）,延长因子 释放因子 能量物质及离子,氨基酰-tRNA合成酶 起始因子,一、模板mRNA 顺反子：遗传学将编码一个多肽链的遗传单位称为顺反子(cistron)。 原核生物多顺反子mRNA：mRNA可为功能相关的几种蛋白质肽链编码，称多顺反子(polycistron)。 真核生物单顺反子mRNA：一个mRNA分子只编码一种蛋白质肽链，称单顺反子(monocistron)。,开放读码框架： 从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子UAA(UAG,UGA)之间的

2、核苷酸序列，称为开放读码框架（open reading frame ,ORF）。 密码子：在ORF中每3个相邻碱基组成的三联体，构成1个密码子(codon)，编码1个氨基酸。,5,3,遗传密码：由A、G、C、U四种碱基可组成64种三联体密码子。 起始密码子（AUG，甲硫氨酸密码子) 终止密码子（UAA、UAG、UGA） 其余60种密码子(编码19种氨基酸) 图表,遗传密码的特点： （一）方向性（direction） 密码子及组成密码子的各碱基在mRNA中的排列具有方向性，阅读方向是53方向。 （二）连续性（commaless） mRNA中密码子及密码子的各碱基是连续排列的，无间隔，又称无标点性

3、（non-punctuation）,（三）简并性（degenerate） 简并性：指一种氨基酸具有2个或2个以上密码子。除色氨酸和甲硫氨酸有1个密码子，其余氨基酸有2，3，4个或6个密码子。 简并密码子：为同一氨基酸编码的各密码子，又称同义密码子。一般简并密码子前2位碱基相同，第3位碱基不同。如苏氨酸Thr密码子 。图,（四）通用性（universal） 从最简单的病毒，一直到人类，都使用同一套遗传密码。 仅发现少数例外，如线粒体中的密码子AUA是起始密码子兼甲硫氨酸密码子。,（五）摆动性（wobble） mRNA密码子与tRNA反密码子配对，有时出现不遵从碱基配对规律的情况，称为密码子的摆动

4、性，又称摆动配对。 常见于密码子第三位和反密码子第一位。其能使1种tRNA识别mRNA多种密码子。图,核糖体又称核蛋白体，由大、小亚基构成，每个亚基又含不同的蛋白质和rRNA。 原核生物： 核糖体70s=小亚基30s + 大亚基50s 真核生物： 核糖体80s=小亚基40s + 大亚基60s 图1，图2，图3,二、核糖体,三、 tRNA,tRNA以3-CCA-OH结合运载氨基酸。 tRNA以反密码环上的反密码子结合mRNA的密码子。 图,四、蛋白质合成需要的其他物质,（一）重要的酶类 氨基酰-tRNA合成酶：位于胞液中。 转肽酶：位于核糖体大亚基上，A位与P位之间。 转位酶：原核生物位于延长因

5、子EF-G中，真核生物位于延长因子eEF-2中。,（二）蛋白质因子,起始因子,原核起始因子IF (initiation factor),真核起始因子eIF (eukaryote),延长因子,释放因子,原核延长因子EF (elongation factor ),真核延长因子eEF (eukaryote),原核释放因子RF (release factor),真核释放因子eRF (eukaryote),所需能量物质：ATP、GTP。 无机离子：Mg2+、K+。,（三）能量物质及离子,第二节 氨基酸的活化,氨基酸活化,氨基酸 + tRNA + ATP,氨基酰-tRNA + AMP + PPi,氨基酰-

6、tRNA合成酶,tRNA以3-CCA-OH结合氨基酸（形成酯键。 图,氨基酸与特异tRNA在氨基酰-tRNA合成酶催化下生成氨基酰-tRNA的过程。,氨基酰-tRNA合成酶 （aminoacyl-tRNA synthetase） 1.具有高度特异性：酶对氨基酸和tRNA能高度特异地识别 2.具有校正活性：对氨基酸与tRNA出现的错配加以更正（水解酯键）。,氨基酰-tRNA的表示方法 Ala-tRNAAla Met-tRNAeMet fMet- tRNAfMet Met-tRNAiMet Met-tRNAeMet辨认结合延长中的AUG ； Met-tRNAiMet辨认结合真核起始AUG； fMe

7、t-tRNAfMet辨认结合原核起始AUG，称为N-甲酰甲硫氨酰-tRNA。(生成图),一、原核生物蛋白质合成过程 原核生物蛋白质合成过程需多种蛋白质因子参加，包括： 起始因子IF (intiation factor) 延长因子EF (elongation factor) 释放因子RF (release factor),第三节 蛋白质生物合成过程,蛋白质生物合成（翻译）包括起始、延长 和终止三个阶段,参与原核生物翻译的各种蛋白质因子,1.核糖体大小亚基分离 IF-1、IF-3与小亚基结合，促使核糖体大小亚基分离。（IF-1结合占据小亚基A位） 图,（一）起始阶段,2.mRNA在小亚基定位结合,

8、mRNA结合于小亚基上，此时AUG位于P位，第二个密码子位于A位。图,S-D序列：在mRNA起始AUG上游，因shine-Dalgarno发现命名，以AGGA为核心。 UCCU序列：在核糖体小亚基的16S-rRNA近3端，以UCCU为核心，与S-D序列互补结合。 图 rpS辨认序列：在mRNA上紧邻SD序列，可被核糖体小亚基蛋白rpS-1(ribosomal proteins in small subunit)辨认结合。 图,3.起始氨基酰tRNA的结合 fMet-tRNAfMet与IF-2GTP结合，再辨认结合于mRNA的起始AUG上 图 。 4.核糖体大亚基结合 IF-2结合的GTP分解，

9、促使3种IF脱离，核糖体大亚基结合在小亚基上，形成翻译起始复合物。此时fMet-tRNAfMet 位于核糖体的P位上，A位空着。 图,原核起始动画,(二) 延长阶段 （核糖体循环 ribosomal cycle） 核糖体循环分三步： 进位（positioning） 成肽(peptide bond formation) 转位（translocation） 每循环1次，肽链延长1个氨基酸，如此不断重复，直至肽链合成终止。延长过程需延长因子EF（elongation factor)参加。,1. 进位 起始结束时核糖体P位有fMet- tRNAfMet，A位空着。 氨基酰-tRNA根据A位上mRNA密

10、码子的指引，进入A位。 图 需延长因子EF-T的协助 。反应图,2. 成肽 转肽酶（transpeptidase）：核糖体大亚基上的蛋白质，位于P位和A位之间。 在转肽酶的催化下，将P位上的fMet-tRNAfMet的N-甲酰甲硫氨酰基转移到A位上的氨基酰-tRNA的氨基酰基上，形成肽键，反应在A位上进行(图) 。tRNAfMet 暂留P位上。图 (延长中P位上是肽酰-tRNA),3. 转位 延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性。 转位酶分解1分子GTP，促进核糖体沿mRNA 53移动一个密码子的位置。 此时，tRNAfMet(延长过程中为其他tRNA)移入E位并脱离，位于A

11、位上的肽酰-tRNA转入P位，A位空出。 图,肽链延长阶段如此三步一循环， 53方向阅读mRNA 密码子，肽链从N端C端延长。延长动画,当核糖体A位出现终止密码子（UAA,UAG,UGA）时，RF-1或RF-2辨认结合终止密码子，进入A位。 在RF-3介导下触发核糖体构象改变，诱导转肽酶转变为酯酶活性，水解肽-tRNA，释出肽链。 在IF-1、IF-3作用下各组分分离，翻译结束。图 动画,（三）终止阶段,真核生物蛋白质合成过程与原核生物基本相同，但反应更复杂，涉及的蛋白质因子更多，包括： 真核起始因子eIF 真核延长因子eEF 真核释放因子eRF。,二、真核生物蛋白质合成过程,参与真核生物翻译

12、的各种蛋白质因子,（一）起始阶段,eIF-2B、eIF-3与小亚基结合，在eIF-6参与下，促进大小亚基解离。,1. 核糖体大小亚基分离,2. Met-tRNAiMet与核糖体小亚基结合,eIF-2与GTP结合，再结合Met-tRNAiMet，在其他eIF参与下，与小亚基结合。,3. mRNA在核糖体小亚基就位,eIF-4E结合mRNA的5端帽子结构，并与eIF-4A、eIF-4G共同形成帽子结合蛋白复合物(eIF-4F复合物)。 polyA结合蛋白(polyA binding protein, PABP ）结合polyA。,eIF-4G通过分别与PABP和eIF-3结合而将mRNA结合于小亚

13、基上。 在eIF-4B和eIF-4A作用下，Met-tRNAiMet在mRNA上扫描结合起始AUG （其位于Kozak序列ACCAUGG中），使mRNA在小亚基上准确定位。,通过eIF-5作用和水解GTP供能，促使各种eIF从小亚基释放，大亚基与小亚基结合，形成翻译起始复合物。,4. 核糖体大亚基结合,（二）延长阶段,真核生物肽链延长过程与原核生物基本相同，延长因子不同,其核糖体无E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,真核翻译终止过程与原核相似，eRF只有一种，可完成原核各RF的功能。,（三）终止阶段,多聚核糖体（polysome）,原核与真核生物的一条mRNA上可附着10100个核糖体

14、，同时进行肽链合成，此mRNA与多个核糖体的聚合物称多聚核糖体，电镜下显示为羽毛状。 图1 图2,每个氨基酸活化为氨基酰tRNA消耗2个高能磷酸键。 进位、转位各消耗1个高能磷酸键。 为保持蛋白质合成的高度保真性而进行校正消耗能量。 每生成一个肽键，平均要消耗5个高能磷酸键（ATP+GTP）。,蛋白质翻译能量消耗,第三节 蛋白质翻译后修饰和靶向输送,新生多肽链必须经过翻译后加工修饰才能成为具有天然构象的功能蛋白质。 翻译后修饰包括多肽链折叠为天然构象蛋白质、一级结构的修饰、空间结构的修饰。 蛋白质合成后被定向输送到相应位置，发挥其功能作用即蛋白质靶向输送。,一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质,多

15、肽链折叠为天然构象的蛋白质一般需要其他酶或蛋白质的辅助。,参与多肽链折叠的大分子,分子伴侣,肽-脯氨酰顺反异构酶,蛋白二硫键异构酶,热休克蛋白,伴侣蛋白,1. 分子伴侣,分子伴侣是细胞内一类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的保守蛋白质。 参与多肽链折叠的分子伴侣主要有热休克蛋白和伴侣蛋白两大类。,热休克蛋白(heat shock protein, HSP)包括三族：,（1）热休克蛋白,HSP70 （DnaK ）,HSP40 （DnaJ）,GrpE,DnaK 、DnaJ分别是基因dnaK和dnaJ的产物。,HSP40-多肽复合物,HSP70-ATP复合物,HSP40-H

16、SP70-ADP-多肽复合物,ATP水解（HSP70催化）,GrpE,ATP,ADP,复合物解离，多肽链进行折叠,未完成折叠者可重复进行或进入GroEL反应循环折叠,热休克蛋白参与多肽链折叠的过程,（2）伴侣蛋白(chaperonin),伴侣蛋白包括GroEL和GroES家族。 GroEL是14个相同亚基组成的桶状的未封闭复合体，顶部是桶状空腔出口。 GroES是由7个相同亚基组成的圆顶状蛋白质，作盖子封闭GroEL出口，形成能完成肽链折叠的微环境。,多肽链折叠的GroELGroES反应循环,蛋白质二硫键对蛋白质天然构象形成非常重要。 蛋白质二硫键异构酶可催化肽链中错配二硫键断裂并形成正确二硫

17、键连接。其在内质网腔活性很高。,2. 蛋白二硫键异构酶,3. 肽-脯氨酰顺反异构酶,脯氨酸为亚氨基酸，多肽链中肽酰-脯氨酸间的肽键有顺反两种异构体。 肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进顺反异构体之间的转换。,（一）肽链N端和C端的修饰 新合成的肽链N端总是甲酰甲硫氨酸（原核生物）或甲硫氨酸（真核生物），在酶作用下除去N-甲酰基、N端甲硫氨酸或N端肽段。 C端也可出现修饰现象。,二、蛋白质一级结构的修饰,1.糖基化：天冬酰胺残基的酰胺基、丝氨 酸和苏氨酸残基的羟基可发生糖基化。 2.羟基化：胶原蛋白中脯氨酸、赖氨酸残基羟化。 3.甲基化：蛋白质的谷氨酸、精氨酸、天冬氨酸、赖氨酸残基可发生甲基化。,（二

18、）氨基酸残基的化学修饰,4.磷酸化：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸残 基磷酸化。 5.二硫键形成：肽链中的二硫键形成。 6.亲脂性修饰：某些蛋白质在特定位置连接亲脂性脂链，如脂肪酸链、多异戊二烯链等，以便嵌入膜脂双层。,某些多肽链经水解加工可产生多种不同活性的蛋白质或肽。,鸦片促黑皮质素原（POMC）,ACTH,-促黑激素（-MSH）,-促黑激素（-MSH）,内啡肽（、）,-脂酸释放激素,图,-脂酸释放激素,促肾上腺皮质激素样中叶肽,（三）多肽链的水解加工,三、空间结构的修饰,（一）亚基聚合 如血红蛋白22 亚基的聚合。 （二）辅基连接 如带辅基酶的辅基连接，糖蛋白的糖基连接。,四、蛋白质合成后的靶向

19、输送,蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的目标位点，此过程称为蛋白质的靶向输送。,（一）靶向输送的蛋白质信号序列 所有靶向输送的蛋白质存在N端或C端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到适当靶部位，此序列称为信号序列。 表,（二）分泌型蛋白的靶向输送,真核细胞分泌型蛋白合成时，由N端信号肽引导进入内质网处理。 通过内质网形成的囊泡转移到高尔基复合体，经糖基化后再包装为分泌小泡运至细胞膜。 通过胞吐作用分泌到胞外。,分泌型蛋白与溶酶体蛋白的靶向输送,分泌型蛋白进入内质网的过程：,真核细胞液中存在信号肽识别颗粒(signal recognition particles, SRP)，可识别结合分泌型蛋白

20、质的N端信号肽。 内质网膜上有SRP受体、核蛋白体受体、肽转位复合物参与蛋白质进入内质网过程。图,（三）溶酶体蛋白的靶向输送,溶酶体蛋白合成输送到高尔基复合体的过程与分泌型蛋白相同。 在高尔基复合体与6-磷酸甘露糖结合，再与6-磷酸甘露糖受体结合，并形成运输小泡。 运输小泡与分选小泡融合，分选小泡分出囊泡将蛋白运送溶酶体。受体可返回高尔基复合体再利用。,分泌型蛋白与溶酶体蛋白的靶向输送,（四）内质网蛋白的靶向输送,内质网驻留蛋白与分泌型蛋白一样，合成并进入内质网腔。 随囊泡输送到高尔基复合体加工。 内质网蛋白含有C-端滞留信号序列（C端-Lys-Asp-Glu-Leu），与高尔基复合体上的相应

21、受体结合，随囊泡输送回内质网。,（五）质膜蛋白的靶向输送,质膜蛋白在粗面内质网上合成后锚定在内质网膜上。 单次跨膜蛋白肽链中含一段跨膜序列（终止转移序列），多次跨膜蛋白肽链中含多个跨膜序列。跨膜序列可与内质网脂质双层作用而结合在一起。,质膜蛋白以跨膜形式通过内质网膜“出芽”形成囊泡，转移到高尔基复合体加工， 再随高尔基复合体形成的囊泡运至细胞膜，并与细胞膜融合为新的质膜。,（六）线粒体蛋白的靶向输送,要进入线粒体的蛋白与胞液中HSP70结合，转运到线粒体，通过蛋白N端信号序列，识别结合线粒体外膜的受体复合物。 线粒体外膜转运体(Tom)和内膜转运体(Tim)组成蛋白通道，线粒体中HSP70水解

22、ATP提供蛋白进入线粒体的动力。图,（七）细胞核蛋白的靶向输送,要进入细胞核的蛋白有核定位序列NLS，结合胞液的输入因子二聚体形成复合物，导向核膜孔。 核膜孔有小GTP酶Ran蛋白，分解GTP促进蛋白复合物进入细胞核内。 输入因子和先后从复合物解离，返回利用，蛋白质定位核内。 图,第五节 蛋白质生物合成的干扰和抑制,一、抗生素,抗生素(antibiotics)是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力。 对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。,（一）影响翻译起始的抗生素,伊短菌素可作用于原核、真核生物核糖体小亚基，引起mRNA

23、在核糖体上错位，阻碍翻译起始复合物的形成，为抗肿瘤药物。,（二）影响翻译延长的抗生素,1、干扰进位的抗生素,四环素、土霉素作用于原核生物核糖体小亚基A位，抑制氨基酰-tRNA进位 ，为抗菌药物。,2、引起读码错误的抗生素,链霉素、新霉素、巴龙霉素作用于原核生物核糖体小亚基，改变其构象，引起读码错误，影响蛋白质合成，均为抗菌药物。,3、影响肽键合成的抗生素,氯霉素与原核生物核糖体大亚基结合，阻止转肽酶催化的转肽反应。 林可霉素作用于原核生物核糖体大亚基A位和P位，抑制肽键形成。 红霉素作用于原核生物核糖体大亚基的肽链排出通道，抑制肽键的进一步形成。以上抗生素均为抗菌药物。,嘌呤霉素结构与酪氨酰-

24、tRNA相似，可取代一些氨基酰-tRNA进入核糖体A位，抑制蛋白质合成，对原核、真核生物均有作用，为抗肿瘤药物。 放线菌酮抑制真核生物核糖体转肽酶，用于医学研究。,4、影响转位的抗生素,夫西地酸、细球菌素可抑制原核生物EF-G的转位酶活性，阻止转位反应。 壮观霉素结合原核生物核糖体小亚基，抑制EF-G的转位酶催化的反应。 以上抗生素均为抗菌药物。,二、其他干扰蛋白质合成的物质 （一）毒素 1、白喉毒素,由白喉杆菌产生，是一种修饰酶，利用NAD+对真核生物eEF-2进行共价修饰，使eEF-2失活。对真核生物有剧烈的毒性。 图,蓖麻蛋白是蓖麻籽中所含的糖蛋白，由A、B两条多肽链组成。 A链是一种酶

25、，作用于真核生物核糖体大亚基的28S rRNA，催化其中腺苷酸发生脱嘌呤基反应，使28S rRNA降解。 B链对A链发挥毒性有重要的促进作用。,2蓖麻蛋白(ricin),真核细胞感染病毒后分泌的具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的复制。 分类： -型（白细胞型） -型（成纤维细胞型） -型（淋巴细胞型）,（二）干扰素IFN (interferon),干扰素在病毒双链RNA存在下，诱导一种蛋白激酶活化，使eIF-2发生磷酸化失活，抑制病毒蛋白质合成。图1 干扰素与双链RNA共同活化2-5寡聚腺苷酸（2-5A）合成酶，催化ATP聚合生成2-5A，可活化核酸内切酶RNase L，降解病毒mRNA。

26、图2,遗传密码表,遗传密码表,摆动配对,A,C,I,5,3,tRNA,aa,mRNA,3,1,核糖体大、小亚基结构模式,原核生物与真核生物核糖体组成,5,3,A位（aminoacyl site,氨基酰位）在大小亚基上 P位（peptidyl site,肽酰位）在大小亚基上 E位 （exit site，排出位）在大亚基上(真核无),翻译中的核糖体结构模式,A,C,G,5,3,tRNA,mRNA,C C A,OH,R | CH-NH2 | COOH,A,C,G,5,3,tRNA,mRNA,C C A,OH,R | CH-NH2 | COOH,S-CH3 | CH2 | CH2 | CH-,CHO-

27、NH2-,COO-tRNAfMet,S-CH3 | CH2 | CH2 | CH-,COO-tRNAfMet,转甲酰基酶,N10-CHO-FH4,Met- tRNAfMet,fMet- tRNAfMet,NH2-,N-甲酰甲硫氨酰tRNA生成,IF-1 IF-2 IF-3,eIF-2B eIF-2 eIF-3 eIF-4A eIF-4B eIF-4E eIF-4G eIF-5 eIF-6,结合小亚基促进大小亚基分离并据A位 与ATP 结合起始tRNA促进结合AUG结合小亚基促进大小亚基分离,原核生物,结合小亚基促进大小亚基分离 促进起始tRNA与小亚基结合 结合小亚基促进大小亚基分离 促进mR

28、NA结合小亚基有解螺旋酶活性 促进mRNA扫描定位起始AUG 结合mRNA 5帽子 结合eIF-4E和PAB（polyA结合蛋白） 促进各eIF从小亚基解离及大亚基结合 促进大小亚基分离,真核生物,起始因子,生物功能,5,3,E,mRNA,A G G A,Pu Pu U U U Pu Pu,A U G,S-D序列,rpS序列,5,3,E,mRNA,5,3,5,3,成肽,进位,转位,EF-G,GTP,EF-T,GTP,aa,进位,EF-T促 进进位,转肽酶催化肽键形成过程。,转肽酶,N,C,5,3,成肽,进位,转位,EF-G,GTP,EF-T,GTP,aa,5,3,成肽,进位,转位,EF-G,GTP,EF-T,GTP,aa,5,3,5,3,GTP,RF1,RF2,RF3,5,3,-GTP,多聚核糖体,电镜下的多聚核糖体现象,鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解加工,靶向输送蛋白的信号序列,信号肽引导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,白喉毒素的作用机理,白喉毒素,+,+,NAD+,尼克酰胺,干扰素诱导eIF-2磷酸化失活,ATP,eIF-2,ADP,eIF-2-P（失活）,Pi,磷酸酶,干扰素诱导病毒RNA降解,2- 5A,RNase L,RNaseL,活化,