第14章--蛋白质的生物合成--熊兴东-2018-11-15

第14章蛋白质的生物合成（翻译）ProteinBiosynthesis(Translation)1蛋白质的生物合成是指DNA结构基因中贮存的遗传信息，通过转录生成mRNA，再指导多肽链合成的过程。（翻译）2第1节蛋白质生物合成体系SystemofProteinBiosynthesis3•合成原料：20种氨基酸蛋白质生物合成的需要的原料三种RNA–mRNA（messengerRNA,信使RNA）—直接模板–rRNA（ribosomalRNA,核糖体RNA）—提供场所–tRNA（transferRNA,转移RNA）—转运氨基酸4参与的蛋白质因子、酶及酶的辅助因子：如起始阶段的起始因子、延长阶段的延长因子、终止阶段的释放因子，肽基转移酶、氨基酰-tRNA合成酶。能源：ATP主要参与氨基酸的活化；GTP提供翻译起始、延长、终止阶段所需能量5一、mRNA是蛋白质合成的模板(一）多顺反子和单顺反子•原核生物的多顺反子（polycistron）：原核细胞中数个功能相关的结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的一段mRNA可编码几种功能相关的蛋白质（即：一条mRNA可编码多个多肽链）PPP53蛋白质6PPPmG-53蛋白质•真核生物的单顺反子(singlecistron)：真核细胞一条mRNA只编码一条多肽链。7（二）mRNA的组成5-非翻译区（5-UTR）、开放阅读框架框（ORF）、3-非翻译区（3-UTR）PPPmG-535-非翻译区开放阅读框架框（openreadingframe，ORF）3-非翻译区8（三）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，称为三联体密码(tripletcoden)。起始密码子(initiationcoden):AUG终止密码子(terminationcoden):UAA,UAG,UGA9遗传密码表10（四）遗传密码的特点1.方向性（directionality)遗传密码阅读方向从5到3端决定了多肽链合成的方向是从氨基端到羧基端2.连续性(commalessness)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续排列，密码间既无间断也无交叉。(插入/缺失？)11同义密码子：除Met、Trp外，其余氨基酸均由2个以上密码子编码。3.简并性(degeneracy)每一个密码子仅对应一个氨基酸密码子的特异性是由前两位碱基决定的124.摆动性(wobble)转运氨基酸的tRNA的反密码子需要通过碱基互补与mRNA上的密码子反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律。摆动配对UUIle13密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG简并性和摆动性使一定程度的基因突变不影响正确功能蛋白的生成145.通用性(universality)1)遗传密码没有种属特异性，从原核生物、真核生物到人类都通用；2)动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体有相对独立的密码系统。线粒体内：起始密码子：AUG、AUA和AUU终止密码子：AGA、AGG15A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)二、核糖体(ribosome)是蛋白质合成的场所由大、小亚基组成，大亚基有肽基转移酶活性.16rRNA在蛋白质合成中的作用：参与组成核糖体，提供蛋白质合成的场所原核生物（70S）真核生物（80S）大亚基小亚基16SrRNA21种Pr18SrRNA33种Pr5SrRNA23SrRNA34种Pr28SrRNA5.8SrRNA5SrRNA49种Pr30S40S50S60S17核糖体的组成tRNA的功能：活化氨基酸密码子与对应氨基酸之间的接合体(adaptor)搬运氨基酸如：密码子GGU--携带反密码子ACC的tRNA--Gly密码子-------tRNA反密码子—氨基酸对号入座三、tRNA是蛋白质合成的搬运工具18反密码环：识别mRNA遗传密码氨基酸臂：携带特异的aa3AAU------------CAU---------------GUA5TyrmRNA19氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶1.氨基酸的活化（一）氨基酸的活化与氨基酰-tRNA合成酶2.氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)由ATP供能，催化氨基酸活化成氨基酰－tRNA高度特异地识别氨基酸和tRNA有20种，分别特异性识别相应的20种氨基酸及其tRNA具校正活性(proofreadingactivity)20（1）氨基酰-tRNAAla-tRNAAlaSer-tRNASerMet-tRNAMet（二）氨基酰-tRNA的表示方法（2）起始肽链合成的氨基酰-tRNA真核生物：Met-tRNAiMet（i:initiator）原核生物：fMet-tRNAifMet（f:N-formylmethionine）原核生物起始密码子编码的Met须甲酰化，而真核生物没有甲酰化21第2节蛋白质生物合成过程ProcessofProteinBiosynthesis起始(initiation)延长(elongation)终止(termination)从开放阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序从N端向C端延长肽链，直至终止密码出现。22一、翻译的起始（TranslationInitiation）mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)。起始因子(initiationfactors,IF)：参与翻译起始的的多种蛋白质因子原核生物:有三种,IF1IF2IF3真核生物:共发现10+种eIF23（一）原核生物翻译起始过程•核糖体大小亚基分离；•mRNA在小亚基定位结合；•起始氨基酰-tRNA与小亚基的结合；•核糖体大亚基结合。24IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离25AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合形成IF3-30S小亚基-mRNA三元复合物2627核糖体小亚基上的16s-rRNAmRNAAGGAPuPuUUUPuPuAUG5’UCCUUACCACUAGG3’S-D序列rps识别结合序列SD：Shine-Dalgarno，RBSrps：ribosomalproteininsmallsubunitmRNA上的识别序列核糖体小亚基蛋白IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'28IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'70S-fMet-tRNAifMet-mRNA起始复合物29（二）真核生物翻译起始过程核糖体大小亚基分离；小亚基与起始氨基酰-tRNA结合；mRNA与核糖体小亚基结合；核糖体大亚基结合。30met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PABP③MetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程P80S-Met-tRNAiMet-mRNA起始复合物PA31真核生物与原核生物翻译起始的区别：1.起始Met-tRNAiMet不需甲酰化；2.eIF种类多；3.小亚基先与Met-tRNAiMet结合，再与mRNA结合；5.ATP和GTP供能。4.mRNA与40s亚基的结合依靠帽子结合蛋白复合物与mRNA帽子结构的识别结合。32二、肽链的延长(peptideelongation)在mRNA密码序列的指导下，按次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止。核糖体循环(ribosomalcycle)：即肽链延长的过程在核糖体上连续循环进行，每次循环增加一个氨基酸。每次循环包括以下三步：–进位(entrance)–成肽(peptidebondformation)–转位(translocation)33•延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：eEF-1、eEF-234原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-αEF-TsGTP交换蛋白，使EF-Tu上的GDP交换成GTPEF-1-βγEF-G单体G蛋白，具有GTPase活性，水解GTP，发挥转位酶作用，促进肽酰-tRNA由A位移至P位EF-2肽链合成的延长因子35又称注册(registration)：相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位（一）进位氨基酰-tRNA-EF-Tu-GTP三元复合物36TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTs目录37（二）成肽指在肽基转移酶(peptidyltransferase)的作用下，将P位点的肽酰基转移到A位点的氨基酰-tRNA上，在A位形成肽键，使肽链延长。3839（三）转位核糖体向mRNA的3´端移动一个密码子的距离，A位上的二肽酰-tRNA移至P位，A位空出并对应下一个三联体密码。4041fMetAUG5'3'fMetTuGTP42进位转位成肽43核糖体循环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，真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。肽链合成的方向:N→C核糖体移动方向：沿mRNA5´端→3´端44三、翻译的终止(Translationtermination)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、核糖体等分离。45RF-3：水解GTP，促进RF-1或RF-2与核糖体结合，使肽基转移酶变为酯酶活性。真核生物的释放因子：eRFeRF可识别三种密码子,并需GTP供能。RF-1：识别UAA，UAGRF-2：识别UAA，UGA当mRNA上的终止密码子处在A位时，释放因子(RF)识别这种信号,进入终止阶段。原核生物46UAG5'3'RFCOO-目录原核生物肽链合成终止过程：4748蛋白质生物合成动画原/真核生物的多聚核糖体(polysome)——一条mRNA链上结合多个核糖体，同时进行多条多肽链的合成，使蛋白质合成高速、高效进行。49DNAmRNADNA↓原核：真核：mRNAmRNA核糖体和蛋白核糖体和蛋白hnRNA50翻译后加工及蛋白质的输送Post-translationProcessing&proteintargeting第3节51主要包括:多肽链折叠为天然的三维结构肽链一级结构的修饰空间结构修饰从核糖体释放出来的多肽链一般不具备生物活性。蛋白质的翻译后加工：将没有生物学活性的蛋白前体转变成具有生理功能的成熟蛋白质的过程。5253天然状态，有催化活性尿素、β-巯基乙醇透析（去除尿素、β-巯基乙醇）非折叠状态，无活性一、新生肽链的折叠牛核糖核酸酶蛋白质折叠的信息全部储存于肽链自身的氨基酸序列中，即蛋白质的空间构象由一级结构所决定几种协助蛋白折叠的大分子：1.分子伴侣(molecularchaperon)识别肽链的非天然构象，促进其正确折叠2.蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)促进肽酰-脯氨酸间肽键呈正确的顺式或反式构型一、新生肽链的折叠541.热激蛋白70（heatshockprotein，Hsp7