蛋白質(zhì)的生物合成翻譯-2.ppt

第15章 蛋白質(zhì)的生物合成翻譯 Protein Biosynthesis Translation,本章主要內(nèi)容,翻譯系統(tǒng) 蛋白質(zhì)生物合成的過程 翻譯后的加工修飾,重點和難點：,蛋白質(zhì)的生物合成過程 原核生物和真核生物蛋白質(zhì)合成的差異,一、蛋白質(zhì)的翻譯系統(tǒng),以mRNA為模板，在核糖體、tRNA和多種蛋白因子的共同作用下，將mRNA中4種核苷酸的語言解讀為蛋白質(zhì)中20種氨基酸的語言，稱為翻譯（Translation）。,原 料: 20 種氨基酸 mRNA: 合成蛋白質(zhì)的模板 tRNA: 原料氨基酸的“搬運工” rRNA: 與多種蛋白質(zhì)結(jié)合成核糖體， 為合成多肽鏈的“裝配機（操作臺）” 。,mRNA是遺傳信息的載體（載有遺傳密碼），是合成蛋白質(zhì)的模板，它以一系列三聯(lián)體密碼子的形式從DNA轉(zhuǎn)錄了遺傳信息。每個密碼子對應(yīng)一個氨基酸。 mRNA占細胞總RNA的5-10%，不穩(wěn)定，壽命短。,1. mRNA,一條多核苷酸鏈的堿基順序決定或編碼一條多肽鏈上的氨基酸的排列順序, 這種對應(yīng)關(guān)系稱為遺傳密碼。 三個堿基編碼一個氨基酸，三聯(lián)堿基稱為一個密碼子（codon）, 又稱三聯(lián)體密碼。,遺傳密碼（genetic code）,遺傳密碼的破譯,1961年，M. Nirenberg等用放射性同位素標(biāo)記的方法證明mRNA中核苷酸順序與蛋白質(zhì)中氨基酸之間的對應(yīng)關(guān)系。 人工合成多聚核苷酸: Nirenberg用poly U加入C14標(biāo)記的20種aa, 只合成有苯丙氨酸的寡肽, UUU=苯丙氨酸。 1966年，20中氨基酸對應(yīng)的61個密碼子和三個終止密碼子全部被查清破譯。,由AUG開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號。 起始密碼（initiation coden）: AUG （真核中起始為Met、原核中起始為fMet, 翻譯中間為Met） 終止密碼（termination coden）: UAA，UAG，UGA,編碼性,遺傳密碼的主要特征：,5 AUG CCA UGC ACC CGG GUU CAA UAG 3 Met Pro Cys Thr Arg Val Gln,從mRNA5端起始密碼子AUG到3端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架 (open reading frame, ORF)。,簡并性：同一氨基酸有多個不同密碼子， 除 Trp，Met 外, 同義密碼子。 通用性：大多數(shù)生物共同使用同一套密碼子, 但也會有所偏愛。 不重疊性：三聯(lián)體，連續(xù)性，無逗點，連續(xù)閱讀，5 到3。 例外：支原體，UGA 編碼 Trp；纖毛蟲，UAA 和 UAG編碼 Glu。,原核tRNA有30-40種，真核有50-60種，含70-90個核苷酸， 并有多種稀有堿基。 tRNA是最小的RNA， 占細胞總RNA的15%左右，其功能是搬運氨基酸和解讀密碼子。 tRNA 具有“四環(huán)一臂” 和 “三葉草” 形的典型結(jié)構(gòu)。,2. tRNA,tRNA的結(jié)構(gòu)“四環(huán)一臂” 倒L形的三級結(jié)構(gòu),tRNA上至少有4 個位點與多肽鏈合成有關(guān)：即3CCA氨基酸接受位點、氨酰-tRNA合成酶識別位點、核糖體識別位點和反密碼子位點。 每一個氨基酸有其相應(yīng)的tRNA攜帶, 氨基酸的羧基與tRNA的 3 CCA-OH 以酯鍵結(jié)合。而tRNA的反密碼子可以與mRNA上相應(yīng)的密碼子互補結(jié)合, 以使氨基酸正確“對號入座” （因為密碼子的序列對應(yīng)于多肽鏈上 的氨基酸序列）。,密碼子與反密碼子的配對方式,3. rRNA與核糖體（ribosome）,核糖體呈顆粒狀，是rRNA 與幾十種蛋白質(zhì)的復(fù)合體，由大、小亞基組成，每個亞基又含有不同的蛋白質(zhì)和rRNA，原核和真核生物不同。 含有合成蛋白質(zhì)多肽鏈所必需的酶、起始因子（IF）、延伸因子（EF）、釋放因子（RF）等。,不同細胞核糖體的組成,核糖體的組成,容納mRNA，并能沿著mRNA由5到3 移動，由tRNA解讀其密碼；每次移動的距離相當(dāng)于一個密碼子。 氨基酰位點（A位點），可結(jié)合氨基酰-tRNA； 肽?；稽c（P位點），可結(jié)合肽酰基-tRNA； 脫tRNA的出口位（E位點）; 肽?；D(zhuǎn)移酶中心，是形成肽鍵的位點等。,核糖體的功能,A位：氨?；鵷RNA位 (aminoacyl tRNA site),P位：肽?；鵷RNA (peptidyl tRNA site),E位：排出 (exit site),多核糖體,大腸桿菌由一 定數(shù)目的單個核糖 體與一個mRNA 分 子結(jié)合而成的念珠 狀結(jié)構(gòu)。,每個核糖體可獨立完成一條肽鏈的合 成，所以在多核糖體上可以同時進行多條 肽鏈的合成，提高了翻譯的效率。,4. 翻譯的方向,沿mRNA的5 3進行 多肽鏈的合成起始于氨基末端，然后逐步連續(xù)加接其他氨基酸殘基，延伸至羧基末端。,二、蛋白質(zhì)生物合成的過程,氨基酸的活化 蛋白質(zhì)合成的起始 肽鏈的延伸 合成終止,分為四個階段：,氨基酰-tRNA合成 (aminoacyl-tRNA synthetase),1. 氨基酸的活化,氨基酸的羧基與tRNA 的3端CCA-OH以酯鍵相連，因此其氨基是自由的。,第一步反應(yīng),氨基酸 ATPE 氨基酰-AMP-E PPi,氨基酰-tRNA合成酶,第二步反應(yīng),氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,氨基酰-tRNA表示方法：Ser-tRNASer,氨基酰-tRNA合成酶具有高度特異性，能夠?qū)Ｒ蛔R別底物氨基酸和tRNA，保證了翻譯的準(zhǔn)確無誤。 催化氨基酰-tRNA脫?；?，具有校正活化過程中可能發(fā)生的錯誤 。,氨基酰-tRNA合成酶的特點,密碼子-反密碼子的相互作用,氨基酸的加入需靠mRNA上的密碼子和tRNA上的反密碼子相互以堿基配對辨認。 密碼子的第一個堿基與反義密碼子的第三位配對。,擺動假說：密碼子的前兩個堿基嚴格遵守堿基配對規(guī)律為tRNA的反密碼子識別（編碼的特異性），他們中的任何不同即為不同tRNA識別，但第三個堿基不同，與反密碼子上相應(yīng)堿基結(jié)合很松（利于tRNA迅速解離） ，有一定的自由度，即擺動性。,反密碼子 3- X-Y-Z-5 密碼子 5- X- Y-Z - 3,密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象,密碼子,反密碼子,大腸桿菌中, 起始密碼子AUG所編碼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FH4 fMet-tRNAfmet + FH4,甲酰轉(zhuǎn)移酶, fMet-tRNAfmet的生成,2. 蛋白質(zhì)合成的起始,原核生物蛋白合成的起始：,在起始密碼子AUG上游10個核苷酸處，有一段可與核糖體結(jié)合、富含嘌呤的3-9個核苷酸序列，一般為AGGAGGU，此序列稱SD序列。 SD序列與核糖體小亞基中16S rRNA的3端互補結(jié)合有利于30S起始復(fù)合物的形成。, 翻譯的起始信號,SD 序列, 起始復(fù)合物的形成,IF-3: 與30S亞基結(jié)合，使大小亞基分離 IF-1和IF-2: 促進fMet-tRNA與30S亞基結(jié)合,需要GTP和三種起始因子（initiation factor, IF）,第一步: 核蛋白體大小亞基分離,30S亞基與IF3結(jié)合，促進核糖體大、小亞基解離,IF-3,E,第二步: 30S復(fù)合物的形成,30S小亞基中16SrRNA與SD序列配對，形成30S mRNA IF3 。 IF1、 IF2和GTP結(jié)合后與fMet-tRNA形成復(fù)合體，然后與30S mRNA IF3 結(jié)合成更大的復(fù)合物。,30S復(fù)合物釋放IF3后，與大亞基結(jié)合; IF2結(jié)合的GTP被水解，IF1、IF2均脫離。 50S大亞基與30S小亞基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAfMet構(gòu)成起始復(fù)合體。,第三步：核糖體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成,E,E,IF-1,IF-1,真核細胞的合成起始,起始氨基酸是Met，由特殊的tRNA攜帶為Met-tRNAi 起始因子有 eIF-1 eIF-9 60S亞基與起始Met-tRNAi、mRNA和40S亞基結(jié)合，形成80S的起始復(fù)合物。,3. 肽鏈的延伸,肽鏈在核蛋白體上連續(xù)循環(huán)式進行，每次循環(huán)增加一個氨基酸，每加接一個氨基酸殘基消耗2mol的的GTP , 每次循環(huán)包括以下三步： 進位 (entrance) 轉(zhuǎn)肽 (peptide bond formation) 移位 (translocation),延長因子（elongation factor：EF）, 進 位,指相應(yīng)氨基酰-tRNA進入70S復(fù)合體A位的過程。 參與因子：延長因子EF-Tu（Tu）、EF-Ts（Ts）、GTP、氨基酰-tRNA。,GTPase核糖體蛋白質(zhì),離開的GDP-Tu經(jīng)以下循環(huán)不斷使用,由核糖體大亞基上的肽?；D(zhuǎn)移酶催化 fMet-tRNAfMet + aa-tRNA 二肽酰-tRNA (fMet成為N末端) P 位 A 位 A 位 A位成肽后，P位留下空載tRNA, 轉(zhuǎn) 肽,無負荷的tRNA由E位點釋放； 肽酰tRNA從A位移到P位； EF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，可結(jié)合并水解 1分子GTP，促進核糖體向mRNA的3側(cè)移動。, 移 位,進位,移位,轉(zhuǎn)肽,4. 肽鏈合成的終止,氨基酸進位，肽鏈形成和延伸，核糖體沿著mRNA的53 方向移位，循環(huán)往復(fù)，新合成的肽鏈由N端向著C端不斷延長，直至mRNA上出現(xiàn)終止密碼，就沒有氨基酰-tRNA再進入A位點，肽鏈的合成終止。 相應(yīng)的肽鏈釋放因子RF1（對應(yīng)UAA、UAG），RF2（對應(yīng)UAA、UGA）占據(jù)A位，誘導(dǎo)肽酰轉(zhuǎn)移酶將P位上的肽鏈轉(zhuǎn)移給水，使肽鏈和tRNA從核糖體上釋放。 核糖體大、小亞基解離，并進入下一輪合成。,蛋白質(zhì)合成的終止,AA活化 2個高能磷酸鍵（1個ATP） 起始 1個（GTP變?yōu)镚DP） 進位 1個（GTP變?yōu)镚DP） 移位 1個（GTP變?yōu)镚DP）,第一個氨基酸參入需消耗3個（活化2+起始1）高能磷酸鍵, 以后每摻入一個氨基酸需要消耗4個（活化2+進位1個+移位1個）高能磷酸鍵。,蛋白質(zhì)的合成是一個高耗能過程,蛋白質(zhì)合成抑制劑抗生素類阻斷劑,嘌呤霉素 與氨基酰tRNA結(jié)構(gòu) 競爭抑制 相似 鏈霉素 與30S亞基結(jié)合 改變氨基酰tRNA 與密碼子的配對 四環(huán)素 阻斷氨基tRNA進 抑制肽鏈的延伸 入A位點 氯霉素 抑制50S亞基肽酰轉(zhuǎn) 抑制肽鏈延長 移酶活性 紅霉素 與50S亞基結(jié)合，抑 防礙移位 制肽酰轉(zhuǎn)移酶活性,真核和原核細胞參與翻譯的蛋白質(zhì)因子,階段 原核 真核 功 能 IF1 IF2 eIF2 參與起始復(fù)合物的形成 IF3 eIF3、eIF4C 起始 CBP I 與mRNA帽子結(jié)合 eIF4A B F 參與尋找第一個AUG eIF5 協(xié)助eIF2 、 eIF3、eIF4C的釋放 eIF6 協(xié)助60S亞基從無活性核糖體上解離 EF-Tu eEF1 協(xié)助氨酰-tRNA進入核糖體 延長 EF-Ts eEF1 幫助EF-Tu 、 eEF1周轉(zhuǎn) EF-G eEF2 移位因子 RF-1 終止 RF-2 eRF 釋放完整的肽鏈 RF-3,原核和真核生物蛋白質(zhì)合成差異,三、翻譯后的加工修飾,從核糖體釋放的多肽鏈，不一定具備生物活性。肽鏈從核糖體釋放后，經(jīng)過細胞內(nèi)各種修飾處理過程，成為有活性的成熟蛋白質(zhì)，稱為翻譯后加工。,修飾：蛋白質(zhì)的N末端、側(cè)鏈等的加工。 折疊：一級結(jié)構(gòu)形成高級結(jié)構(gòu)，發(fā)生在 肽鏈剛合成時，邊合成邊折疊。 定位：蛋白質(zhì)到達細胞目的地。 降解：防止異常或不需要的蛋白質(zhì)積累， 加速氨基酸的循環(huán)。,加工包括：,1. 修 飾,N端修飾 原核生物修飾時是由肽甲酰基酶除去甲?；鄶?shù)情況甲硫氨酸也被氨肽酶除去，真核生物中甲硫氨酸則全部被切除。 多肽鏈的水解切除 水解切除其中多余的肽段，使之折疊成為有活性的酶或蛋白質(zhì)。如酶原激活。,氨基酸側(cè)鏈的修飾 氨基酸側(cè)鏈的修飾包括羥化、羧化、甲基化及二硫鏈的形成等。 糖基化修飾 糖蛋白是細胞蛋白質(zhì)組成的重要成分。它是在翻譯后的肽鏈上以共價鍵與單糖或寡聚糖連接而成。糖基化是在酶催化下進行的。, 酶 二硫鍵異構(gòu)酶：促進二硫鍵的形成。 肽酰脯氨酰順反異構(gòu)酶：促進肽-脯氨酰肽