第15章 蛋白质的生物合成-翻译

ProteinBiosynthesis，Translation第15章蛋白质的生物合成－翻译本章主要内容1.翻译系统2.蛋白质生物合成的过程3.多肽链翻译后的修饰4.蛋白质的到位重点和难点：原核生物蛋白质合成的过程原核生物与真核生物蛋白质合成的区别1蛋白质的翻译系统以mRNA为模板，在核糖体、tRNA和多种蛋白因子的共同作用下，将mRNA中4种核苷酸的语言解读为蛋白质中20种氨基酸的语言，又称翻译（Translation）。1.1蛋白质的生物合成原料:20种氨基酸mRNA:合成蛋白质的模板。tRNA:原料氨基酸的“搬运工”。rRNA:与多种蛋白质结合成核糖体，为合成多肽链的装配机。mRNA是遗传信息的载体（载有遗传密码），是合成蛋白质的模板，它以一系列三联体密码子的形式从DNA转录了遗传信息。每个密码子代表一个氨基酸。1.2mRNA遗传密码（geneticcode）：核酸中的核苷酸碱基序列与蛋白质中的氨基酸序列之间的对应关系。三个碱基编码一个氨基酸，三联碱基称为一个密码子（codon）。(1)遗传密码1961年，M.Nirenberg等用放射性同位素标记的方法对密码子的组成进行了推测，证明mRNA中核苷酸的排列顺序与蛋白质中氨基酸之间的对应关系，是以每三个核苷酸代表一个氨基酸，又称三联体密码。至1966年，20中氨基酸对应的61个密码子和三个终止密码子全部被破译。遗传密码的破译由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。起始密码（initiationcoden）:AUG终止密码（terminationcoden）:UAA，UAG，UGA①编码性（2）遗传密码的主要特征：遗传密码表从mRNA5’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(openreadingframe,ORF)。AUGUAAORF②简并性（同一氨基酸有多个不同密码子，除Trp，Met外）同义密码③通用性（共同使用同一套密码子）④不重叠性（三联体，连续性，无逗点，连续阅读，5’到3’）⑤兼职性（终止密码编码氨基酸的密码）⑥例外（支原体，UGA编码Trp；纤毛虫，UAA和UAG编码Glu）原核tRNA有30-40种，真核有50-60种，含70-90个核苷酸，并有多种稀有碱基。tRNA是最小的RNA，占细胞总RNA的15%左右，其功能是搬运氨基酸和解读密码子。tRNA具有“四环一臂”和“三叶草”形的典型结构。1.3tRNAtRNA的结构－“四环一臂”倒L形的三级结构密码子与反密码子的配对方式1.4核糖体的结构和功能（ribosome）(1)核糖体的化学组成核糖体呈颗粒状，由大小亚基组成，每个亚基又含有不同的蛋白质和rRNA，原核和真核生物不同。原核生物真核生物核糖体小亚基大亚基核糖体小亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16SrRNA5SrRNA23SrRNA18SrRNA28SrRNA5SrRNA5.8SrRNA蛋白质21种34种33种49种不同细胞核糖体的组成核糖体的组成蛋白质合成中，核糖体首先与mRNA结合，按5’到3’方向移动，每次移动的距离相当于一个密码子。A位：氨酰基tRNA位(aminoacyltRNAsite)P位：肽酰基tRNA(peptidyltRNAsite)E位：排出位(exitsite)（2）核蛋白体是肽链合成的装置①P位：即肽位(Peptidylsite)，3’端连接肽链的肽酰tRNA占据的位置。②A位：即氨基酰位(Aaminoacylsite)，氨基酰tRNA就加入到A位上，③E位：tRNA释放结合位点(Exitsite)（3）核蛋体的功能（4）多核糖体大肠杆菌由一定数目的单个核糖体与一个mRNA分子结合而成的念珠状结构。每个核糖体可独立完成一条肽链的合成，所以在多核糖体上可以同时进行多条肽链的合成，提高了翻译的效率。2.原核生物蛋白质合成过程分为四个阶段：（1）活化（2）起始（3）延伸（4）终止氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA合成(aminoacyl-tRNAsynthetase)（1）氨基酸的活化第一步反应氨基酸＋ATP＋E—→氨基酰-AMP-E＋PPi氨基酰tRNA合成酶第二步反应氨基酰-AMP-E＋tRNA↓氨基酰-tRNA＋AMP＋E氨基酰-tRNA表示方法：Ser-tRNASer①氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。②催化氨基酰-tRNA脱酰基,具有校正活性。（2）氨基酰-tRNA合成酶的特点（3）密码子-反密码子的相互作用氨基酸的加入需靠mRNA上的密码子和tRNA上的反密码子相互以碱基配对辨认。摆动学说：密码子的头两个碱基严格遵守碱基配对规律为tRNA的反密码子识别，他们中的任何不同即为不同tRNA识别，但第三个碱基不这样，有一定的自由度，即摇摆性。反密码子3’-X’-Y’-Z’-5’密码子5’-X-Y-Z-3’密码子、反密码子配对的摆动现象反密码子第一位碱基密码子第三位碱基IUGCAA,C,UA,GU,CGU（4）翻译的起始大肠杆菌中,起始密码子AUG所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸（fMet）。Met-tRNA+N10-甲酰FH4fMet-tRNAfmet+FH4甲酰化酶①fMet-tRNAfmet的生成在起始密码子AUG上游9-13个核苷酸处，有一段可与核糖体结合、富含嘌呤的3-9个核苷酸的共同序列，一般为AGGAGGU，此序列称SD序列。使得结合于小亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG。②翻译的起始信号shine-Dalgarno顺序③70s起始复合物的形成IF-1和IF-2促进fMet-tRNA与30S亚基结合。IF-3与30S亚基结合，使大小亚基分离。需要GTP和三种起始因子（initiationfactor）IF-3第一步:核蛋白体大小亚基分离E30S亚基首先与IF1和IF3结合，IF3促进70S核糖体亚基的解离IF-1第二步:30S复合物的形成小亚基16SrRNA与SD序列配对。IF2和GTP结合后与fMet-tRNAfmet形成复合体。IF-3mRNA在小亚基定位结合EIF-1小亚基16SrRNA与SD序列配对。AUG5'3'IF-3IF-2GTPAUG5'3'EIF-1IF2和GTP结合后与fMet-tRNAfmet形成复合体,结合在AUG上。IF-3IF-1IF-2-GTP-GDPPiAUG5'3'IF2结合的GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAifMet构成起始复合体。第三步：核糖体大亚基结合，起始复合物形成EEIF-3IF-1IF-1(5)肽链延长肽链在核蛋白体上连续循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：①进位(entrance)②成肽(peptidebondformation)③转位(translocation)原核延长因子生物功能EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-Ts调节亚基EF-G有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放延长因子（elongationfactor：EF）又称注册(registration)①进位指相应氨基酰-tRNA进入70S复合体A位的过程。GTPase核糖体蛋白质转肽酶催化：核蛋白体大亚基上的蛋白质。P位-fMet-tRNAfMet+A位-aa-tRNA肽(fMet成（酰基）（氨基）为N末端)（A位上）A位成肽后，P位留下空载tRNA②成肽E位③转位（Translocation）EE①无负荷的tRNA由E位点释放；②肽腺tRNA从A位移到P位；③EF-G有转位酶活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3'侧移动。移位的特征：进位转位成肽方向（5）肽链合成的终止①使肽链合成终止的信号。②有阅读终止信号的蛋白质释放因子。RF1：识别终止密码子UAA和UAG。RF2：识别终止密码子UAA和UGA。RF3：具GTP酶活性，激活RF1和RF2活性协助肽链的释放。释放因子参与（Relasefactor,RF）原核肽链合成终止过程RF结合GTP并与终止密码结合，使肽酰转移酶活性变为水解酶活性。30S与mRNA分离核糖体释放因子GTP蛋白质合成的终止AA活化2个高能磷酸键（1个ATP）起始1个（GTP变为GDP）进位1个（GTP变为GDP）移位1个（GTP变为GDP第一个氨基酸参入需消耗3个（活化2+起始1）高能磷酸键,以后每掺入一个AA需要消耗4个（活化2+进位1个+移位1个）高能磷酸键。蛋白质的合成是一个高耗能过程（6）蛋白质合成抑制剂嘌呤霉素与氨基酰tRNA结构竞争抑制（原核相似真核）链霉素与30S亚基结合改变氨基酰tRNA与密码子的配对四环素阻断氨基tRNA进抑制肽链的延伸入A位点氯霉素抑制50S亚基肽酰转抑制肽链延长移酶活性红霉素与50S亚基结合，抑防碍移位制肽酰转移酶活性原核生物真核生物核糖体70S（30S、50S）80S（40S、60S）起始tRNAfMet-tRNAfmetMet-tRNA起始信号多个起始密码子AUG，上游有SD序列，翻译几种多肽。只有一个AUG密码子，每种mRNA只转译出一种多肽。相关因子起始因子延伸因子、终止因子均为3种13种起始因子、2种延伸因子、1种终止因子转录翻译偶联，mRNA不需加工转录翻译偶联转录翻译不偶联，mRNA需加工抑制剂氯霉素、链霉素等环己亚胺、白喉素等合成速度快慢（7）真核生物蛋白质的生物合成3蛋白质的加工从核糖体释放的多肽连，不一定具备生物活性。肽连从核糖体释放后，经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活性的成熟蛋白质，称为翻译后加工。加工包括：折叠和修饰蛋白质的折叠：一级结构形成高级结构，发生在肽链刚合成时，边合成边折叠。蛋白质的修饰：对蛋白质的N末端、侧链等的加工。①酶：二硫键异构酶，促经二硫键的形成，脯氨酰顺反异构酶，促进钛脯氨酰肽键的旋转，与新生肽链形成密切相关，加速蛋白质的折叠（1）蛋白质的折叠②分子伴侣：能够帮助新生肽链正确组装，成熟、自身不产生终产物的蛋白质，具有酶的特征，热休克蛋白。(1)N—端修饰：原核生物肽甲酰基酶除去甲酰基，氨肽酶除去甲硫氨酸（部分保存）。真核生物中甲硫氨酸则全部被切除。（2）蛋白质的修饰水解切除其中多余的肽段（信号态），使之折叠成为有活性的酶或蛋白质。如酶原激活。(2)多肽链的水解切除(3)氨基酸侧链的修饰：氨基酸侧链的修饰包括羟化、羧化、甲基化、糖基化、共价交链及二硫链的形成等。二硫链：半胱氨酸巯基在二硫键异构酶作用下形成。羧化：凝血酶原的谷氨酸羧化为γ-氨基谷氨酸。甲基化：肌肉和细胞色素含有甲基赖氨酸。糖基化：肽链上以共价键与单糖或寡聚糖在酶催化下连接而成。磷酸化：丝氨酸、酪氨酸、苏氨酸的羟基与磷酸基团相连。共价交链：胶原蛋白和弹性蛋白。核糖体合成的蛋白质从他们合成的地方转运到其他部位或细胞外发挥作用，称为蛋白质的转位。（1）共翻译转位（2）翻译后转位4蛋白质的转位信号肽（signalpeptide）：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。（1）共翻译转位共同特点：13-36个氨基酸残基组成N端：正电荷氨基酸中间区：疏水活性区（10-15）C端：加工区,极性氨基酸（信号肽酶切割信号肽的部位）（1）识别正在合成多肽将要通过内质网膜的核糖体（2）辨认信号肽，形成SRP-信号肽-核糖体复合物（3）暂停多肽链的合成（4）引导SRP-信号肽-核糖体复合物至内质网膜（5）与膜上受体结合（dockingprotein,DP）新生肽链进内质网：信号识别蛋白（signalrecognitionparticle,SRP）是一种核糖核酸蛋白复合体，由6种不同蛋白质与7SRNA组成，沉降系数为11sD