蛋白质的生物合成

Chapter12ProteinBiosynthesis，Translation蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation）。What'stranslation?Section1ProteinBiosynthesisSystem需要解决的问题：1.参与多肽链生物合成的物质有哪些？各有何作用？2.什么是顺反子？什么是单顺反子？什么是多顺反子？3.什么是遗传密码？共有多少种？起始密码和终止密码分别有哪些？4.什么是开放阅读框？5.遗传密码的特点有哪些？6.核糖体大、小亚基是怎样组装的？有何生理功能？7.什么是多聚核糖体？8.氨基酰tRNA合成酶有何生理作用？其作用特点是什么？9.什么是起始tRNA？原核和真核生物的起始tRNA分别携带何种氨基酸？10.原核生物和真核生物的起始因子、延长因子和释放因子分别有哪些？各有何作用？11.多肽链生物合成时的供能物质有哪些？能量消耗有多少？蛋白质生物合成体系1.原料：20种编码氨基酸2.模板：mRNA3.载体：tRNA4.装配机：核糖体（核蛋白体）5.酶和蛋白因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子（IF）、延长因子（EF）、释放因子（RF）等6.供能物质：ATP、GTP7.无机离子：Mg2+、K+一、mRNA是多肽链生物合成的直接模板mRNAisthedirecttemplateforpeptidebiosynthesismRNA是翻译的直接模板。遗传学将编码一条多肽链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多肽链，为多顺反子（polycistron）。真核mRNA只编码一条多肽链，为单顺反子（singlecistron）。多顺反子与单顺反子mRNA上的遗传密码起始密码（initiationcodon）:AUG终止密码（terminationcodon）:UAA，UAG，UGAWhat'sgeneticcodon?•作为指导多肽链生物合成的模板，mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为遗传密码。•遗传密码共有64种，其中：标准的通用遗传密码表从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（openreadingframe,ORF）。StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻译区533’-端非翻译区开放阅读框架遗传密码具有以下特点：①连续性；②简并性；③通用性；④方向性；⑤摆动性。1.连续性（commaless）：遗传密码的特点指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。5’…….AUGGCAGUACAU……UAA3’AlaValHisMet终止密码遗传密码的连续性基因损伤引起mRNA开放阅读框内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变（frame-shiftmutation）。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。同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性。遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。遗传密码的简并性3.通用性（universal）：蛋白质多肽链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、植物细胞的叶绿体等。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。4.方向性（direction）：指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿5→3方向进行。5.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上的遗传密码反平行配对结合。但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称为摆动配对。密码子与反密码子的摆动配对tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUGU摆动配对现象示意图核糖体（又称核蛋白体），是多肽链合成的场所，是由多种rRNA与蛋白质组装形成的复合体。二、核糖体是多肽链生物合成的场所Ribosomeistheplaceforpeptidebiosynthesis核糖体的组成大肠杆菌核糖体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为多肽链生物合成的场所。1．三个与tRNA结合的位点：⑴A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。⑵P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。⑶E位：又称排出位，见于原核生物，空载tRNA脱离核糖体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。核糖体大、小亚基的功能原核生物翻译过程中核糖体结构模式A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)2.与模板mRNA和起始tRNA结合位点：主要与小亚基有关。3.转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键；由大亚基成分构成。4.GTPase活性：水解GTP，获得能量；分别由大、小亚基成分构成。5.起始因子、延长因子及释放因子的结合位点：分别由大、小亚基成分构成。在多肽链生物合成过程中，常常由若干核糖体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核糖体之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多聚核糖体（polysome）。多聚核糖体示意图电镜下的多聚核糖体氨基酸臂反密码环三、tRNA是多肽链生物合成的运载工具和适配器tRNAisthecarrierandadapterforpeptidebiosynthesistRNA的三级结构示意图能够识别mRNA中5´端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即fMet-tRNAfmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即Met-tRNAimet。在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码AUG。氨基酸的活化与携带连接反应由氨基酰tRNA合成酶催化。特异的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而由tRNA携带活化的氨基酸参与多肽链的生物合成。四、氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸的活化与连接Theactivatingandlinkingwiththeircarriersofaminoacidsarecatalyzedbyaminoacyl-tRNAsynthetases氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰tRNA合成酶催化的反应氨基酸＋ATP-E→氨基酰-AMP-E＋PPi第一步：活化反应第二步：连接反应氨基酰-AMP-E＋tRNA↓氨基酰-tRNA＋AMP＋E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（proof-readingactivity）。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAlaSer-tRNASerMet-tRNAMet与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因子（initiationfactor，IF）。五、起始因子参与多肽链生物合成的起始过程Initiationfactorsparticipateintheinitiationprocessofpeptidebiosynthesis原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起始因子（eIF）。IF的作用主要是促进核糖体小亚基与起始tRNA及模板mRNA结合。原核和真核生物中各种起始因子的生物功能与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子（elongationfactor，EF）。六、延长因子参与多肽链生物合成的延长过程ElongationfactorsparticipateintheelongationprocessofpeptidebiosynthesisEF-Tuboundwithribosome原核生物中存在3种延长因子（EF-TU，EF-TS，EF-G），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。EF的作用主要是促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受位；并可促进移位过程，即具有转位酶活性，可催化核糖体向mRNA3’-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。多肽链合成的延长因子与多肽链合成终止并使之从核糖体上释放相关的蛋白因子称为释放因子（releasefactor，RF）。七、释放因子参与多肽链生物合成的终止ReleasefactorsparticipateintheterminationprocessofpeptidebiosynthesisEukaryoticReleaseFactorRF在原核生物中有3种，在真核生物中只有1种。原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3真核生物释放因子：eRFRF的生物学功能主要有：①识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。②诱导转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，使肽链从核糖体上释放。多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2个高能磷酸键，肽键形成时（进位和转位）又消耗2个高能磷酸键，合成错误的校正和消除常需消耗1个高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基平均需消耗5个高能磷酸键（5分子ATP）。八、多肽链生物合成过程需要供能物质和无机离子Energymaterialsandionsareneededintheprocessofpeptidebiosynthesis课后讨论：mRNA模板上是否存在特殊的结构，以便于核糖体的辨认和结合？在原核生物和真核生物中，这种特殊的结构是否相同？Section2TheProcessofPeptideBiosynthesis需要解决的问题：1.原核生物和真核生物中，多肽链的生物合成包括哪些主要的步骤？2.什么是核糖体循环？核糖体循环主要由哪些反应过程所组成？3.多肽链合成时，延长一个氨基酸残基需要消耗多少分子ATP？蛋白质生物合成过程包括三大步骤：①氨基酸的活化与搬运；②活化氨基酸在核糖体上缩合生成多肽链；③多肽链合成后的加工修饰。本节主要介绍活化氨基酸在核糖体上缩合生成多肽链的过程，这一过程包括多肽链合成的起始、延长和终止三个阶段。包括以下几个步骤：核糖体大、小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核糖体大亚基结合。一、原核生物的多肽链合成过程Theprocessesofpeptidesynthesisinprokaryotes（一）原核生物多肽链合成的起始IF-3IF-11.核糖体大、小亚基分离：IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核糖体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。此时，IF-1占据核糖体的A位。AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基的精确定位结合：原核生物mRNA在核糖体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制：①核糖体小亚基对模板mRNAS-D序列的辨认和结合；②核糖体小亚基对模板mRNA小核苷酸序列的辨认结合。原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为Shine-Dalgarno序列（S-D序列），即核糖体结合位点（RBS）。而原核16SrRNA存在一段富含嘧啶的序列，二者之间可通过碱基配对，使mRNA与核糖体小亚基结合。小核苷酸序列是mRNA上紧接S-D序列之后的序列，可被核糖体