第38章-蛋白质合成及转运

第38章蛋白质合成及转运蛋白质合成的分子基础翻译的步骤蛋白质的运输及翻译后修饰*翻译（translation）指以新生的mRNA为模板，把核酸中由A、G、C、U四种符号组成的遗传信息，破译为蛋白质分子中20种氨基酸排列顺序。模板：mRNA原料：20种编码氨基酸氨基酸运载体：tRNA场所：核蛋白体酶：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶蛋白质因子：IF、EF、RF能量（ATP、GTP）（一）mRNA是蛋白质合成的模板StartofgeneticmessageCapEndTail5-端非翻译区533-端非翻译区开放阅读框架从mRNA5-端起始密码子AUG到3-端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。一、蛋白质合成的分子基础遗传密码开放阅读框架内每3个碱基组成的三联体，决定一个氨基酸，称为遗传密码。起始密码子(initiationcodon)：AUG终止密码子(terminationcodon)：UAA、UAG、UGA密码子（codon）起始密码子和终止密码子：遗传密码的破译1954年Gamov对遗传密码进行探讨，提出三联体(triplet)1961年FrancisH.C.Crick的实验结果表明三联体密码学说正确，提出遗传信息在核酸分子上以非重叠、无标点、三联体的方式编码同年，FrançoisJacob和JacquesMonod证明了mRNA的存在Nirenberg等人工合成mRNA并寻找氨基酸和三连密码子的关系Nirenberg用均聚核糖核苷酸作模板指导多聚氨基酸合成，破译PolyU、polyA、polyC是最早破译的密码子Khorana等用化学合成结合酶促反应合成含二三四核苷酸重复序列的多聚核苷酸作模板找出氨基酸的密码子1966年完全确定编码20种氨基酸的密码子（全部64个密码子）1961-1966：破译遗传密码NobelPrizein1968RobertW.HolleyHarGobindKhoranaMarshallNirenberg利用重复共聚物破译密码20种氨基酸的遗传密码字典密码的基本单位密码的简并性（degeneracy）密码的变偶性/摆动性（wobble）密码的通用性（universal）遗传密码的基本特性密码的基本单位密码的阅读方向是5→3密码为不重叠，无标点的三联体密码翻译时许从起始密码AUG开始确定阅读框架（readingframe）移码突变是非常严重的突变翻译时遗传密码的阅读方向是5′→3′，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按5′→3′的方向逐一阅读，直至终止密码子。NC肽链延伸方向5′3′读码方向基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(fram-shiftmutation)。缬脯苏天冬缬丙酪甘缬丙丝精密码的简并性（degeneracy）一个氨基酸可具有多个密码子氨基酸密码子数目与该氨基酸残基在蛋白质中的使用频率有关，频率越大密码子数越多密码的变偶性（wobble）密码子专一性取决于前两个密码子，第三个密码子作用有限，tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时前两位碱基配对严格第三位碱基可有一定变动这个现象称变偶性。即一个tRNA反密码子可识别多个简并密码子。在tRNA反密码子中除A、U、G、C四种碱基外，经常出现次黄嘌呤（I）。可与U、A、C配对，使次黄嘌呤反密码子可识别更多的反密码子。实验证明，酵母丙氨酸反密码子IGC可阅读GCU、GCC、GCA。U321123摆动配对变偶性反密码子第一位碱基密码子第三位碱基AUCGGU、CUA、GIU、C、A反密码子与密码子之间的碱基配对LeuGluLysAlaGlyValSerAspGlnAsnIleThrProMetPheTryHisArgTrpCys密码子数108642123456蛋白质中残基的百分数密码的通用性（universal）和变异性（variability）从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套“通用密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。线粒体以及少数生物体的密码子有变异。已知的线粒体变异密码子密码防错系统密码编排方式使得密码子中一个碱基被置换结果常是编码相同的氨基酸或以物理化学性质相近的氨基酸取代。使基因突变造成的伤害降到最低限度。防错系统原核生物和真核生物mRNA的比较起始密码的选择原核mRNA是蛋白质合成的模板辨认起始密码子是翻译起始的必须步骤：确定阅读框架按照不重叠三联体密码子翻译产生对应的氨基酸并形成肽键当到达终止密码时，合成结束，肽链释放通常终止密码不止一个，而是连续出现2-3个终止密码对于某些病毒，如果中间有起始密码，则一条mRNA可产生2条或多条肽链阅读框架反密码环氨基酸臂（二）tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上tRNA的接头（adaptor）作用3´-端上的氨基酸接受位点识别氨酰-tRNA合成酶的位点核糖体识别位点反密码子位点密码子-反密码子的识别tRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。密码子与反密码子的阅读方向均为5´3´，两者反向平行配对。基因间的校正突变3-A-U-C-55-U-A-G-3突变tRNATyr的反密码子（正常时应为3-A-U-G-5）此终止密码被读作TyrGluH2NCOOH第一个突变：由于DNA突变使mRNA分子中GAG变为UAGGAG(Glu)UAG（终止密码）H2NCOOHTyrH2NCOOH第二个突变：tRNATyr的反密码子GUA突变成CUA突变tRNATyr可以将终止密码UAG读作Tyr氨基酰-tRNA合成酶具有绝对专一性，对氨基酸、tRNA两种底物都能高度特异性地识别。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。氨基酸+ATP+tRNA氨基酰-tRNA+AMP+ppiMg2+氨基酰-tRNA合成酶氨基酸活化形成氨基酰-tRNA氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAlaSer-tRNASerMet-tRNAMet真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet起始肽链合成的氨基酰-tRNAtRNA3′末端N-甲酰甲硫氨酸(fmet)的合成（三）核蛋白体（核糖体）是肽链合成的场所30S60S40S50S70S80S原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)核糖体结构与功能A位点（氨酰基位点）结合氨酰-tRNA的位点P位点（肽酰基位点）结合肽酰-tRNA的位点分为三个阶段翻译的起始翻译的延长翻译的终止以原核生物为例二、翻译的步骤参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能种类生物学功能起始因子IF-1占据A位防止结合其他tRNAIF-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的敏感性延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并分解GTPEF-Ts调节亚基EF-G有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促进tRNA卸载与释放释放因子RF-1特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶RF-2特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯酶RF-3可与核蛋白体其他部位结合，有GTP酶活性，能介导RF-1及RF-2与核蛋白体的相互作用翻译的起始翻译起始是把带有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA连同mRNA结合到核蛋白体上，生成翻译起始复合物（translationalinitiationcomplex），此过程需要多种起始因子的参与。识别mRNA的起始密码子为AUG，AUG对应的氨基酸为Met。有两种甲硫氨酸专一性的tRNA：tRNAiMet—只与起始密码子结合tRNAMet—只与肽链内部的AUG有关在原核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲酰甲硫氨酸。4.核蛋白体大亚基结合原核生物起始复合物的生成1.核蛋白体亚基的分离2.mRNA在核蛋白体小亚基上就位3.fmet-tRNAf的结合70S70S起始复合物(70Sinitiationcomplex)30S亚基-mRNA-50S亚基-fMet-tRNAMet复合物。此时fMet-tRNAMet占据着P位，而A位暂为空位，等待能与第二个密码子匹配的氨酰-tRNA进位。SD序列：大肠杆菌mRNA起始密码AUG的上游8~13个核苷酸处，有4~6个核苷酸组成的富含嘌呤的序列。这一序列以AGGA为核心，称之为SD序列。该序列与30s小亚基上16srRNA3’-端富含嘧啶序列结合，稳固了mRNA与小亚基的结合。因此又称为核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS）。核蛋白体小亚基蛋白SD序列IF-3IF-1核蛋白体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-1mRNA在小亚基定位结合IF-3IF-1IF-2GTP起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi肽链的延长翻译过程的肽链延长有3个重复的延伸反应。进位/注册（registration）转肽（transpeptidation）移位（translocation）进位指氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，进入核蛋白体的A位。需EF-T的协助。PA延长因子EF-T催化进位（原核生物）TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP转肽A、P位的氨基酸形成肽键PAPAP位上tRNAimet所携带的甲酰甲硫氨酰（fmet）转移到A位，与A位上的氨基酸形成肽键生成的二肽酰-tRNA在A位P位上无负载的tRNA移位延长因子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。fMetAUG5'3'fMetTuGTP进位转位成肽*肽链延伸方向：N端C端肽链延长通过以上三步，完成了氨基酸的一轮添加。每延伸一个氨基酸，需要消耗2分子GTP→GDP。(进位和移位)随着核糖体在mRNA上从5'→3'方向滑动，新生链从N端→C端延伸。mRNA上的核苷酸序列被“翻译”成多肽链上的氨基酸序列每添加1个氨基酸需要消耗4个高能键原核肽链合成终止过程终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)一是识别终止密码；二是诱导转肽酶改变为酯酶活性释放因子的功能原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3UAG5'3'RFCOO-多聚核蛋白体(polysome)——使蛋白质合成高速、高效进行。四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线菌酮蛋白质合成的抑制剂蛋白质生物合成的抑制剂嘌呤霉素puromycin结构类似氨基酰-tRNA，与后者竞争，形成转肽反应中氨基酰异常复合体链霉素streptomycin能与30S-亚基结合四环素tetracyclines能阻断氨基酰-tRNA进入A位点氯霉素chloramphenicol能阻断70S核糖体中的50S大亚基的肽酰转移酶的活性放线菌酮cycloheximide被认为与氯霉素的作用类似，但它主要作用于真核生物的80S核糖体中的60S亚基红霉素erythromycin与50S大亚基结合，并阻断移位作用，将肽酰-tRNA冻结在A位点上真核生物多肽链的合成真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂起始氨基酸为Met，不是fMet肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首先识别mRNA的5'端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞三、蛋白质的运输及翻译后修饰新生的蛋白质要