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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Protein Biosynthesis(,Translation),蛋白质的生物合成,(,翻译,),第十二章,翻译：,translation,即蛋白质生物合成。,蛋白质的生物合成过程就是将,mRNA,分子中由,碱基序列,组成的遗传信息，通过,遗传密码,破译的方式转变成为蛋白质中的,氨基酸排列顺序,，因而称为翻译,（,translation),。,主要内容,第一节、参与蛋白质合成的物质,第二节、蛋白质生物合成过程,第一节,蛋白质合成体系,Protein Biosynthesis System,生物体内的各种蛋白质都是生物体利用约,20,种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：,mRNA,：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸残基的排列顺序；,tRNA,：,搬运氨基酸的工具；,核蛋白体：蛋白体生物合成的场所；,酶及其他蛋白质因子；,供能物质及无机离子。,蛋白质合成体系,遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为,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蛋白质，为,多顺反子,（,polycistron,）。,真核生物一个,mRNA,只编码一种蛋白质，为,单顺反子,（,single,cistron,）。,一、,mRNA,是翻译的模板,mRNA,结构简图,mRNA,上存在遗传密码,作为指导蛋白质生物合成的模板,mRNA,中每三个相邻的核苷酸残基组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为,密码子,(coden),。共有,64,种不同的密码。,遗传密码具有以下特点：,连续性,；,简并性,；,通用性,；（但在线粒体或叶绿体中特殊）,摆动性,；,方向性,，即解读方向为,5 3,；,起始密码：,AUG,；终止密码：,UAA,、,UAG,、,UGA,。,遗传密码的特点,1.,连续性（,c,o,mmaless,）,编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间隔也无重叠。,重叠密码,非重叠,连续的,密码,不连续的密码,ORF,从,mRNA 5,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条多肽链，称为,开放阅读框架,(open reading frame,ORF),。,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,24,个或多至,6,个密码子为之编码。,同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象，叫做,简并性,。,同义密码子,：对应于同一种氨基酸的不同密码子。,遗传密码的简并性,3.,摆动性,（,wobble,）,tRNA,上反密码子的,第,1,位,碱基与,mRNA,密码子的,第,3,位,碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为,摆动性,。,摆动配对,4.,通用性,（,universal,）,蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。,有少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,二、,rRNA,和核蛋白体,氨基酸首先在核糖体内合成蛋白质，再输送至细胞其它组分中。,核糖体由大、小亚基构成。亚基中含有不同的蛋白质和,RNA,。,核蛋白体的组装,核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：,1,小亚基：可与,mRNA,、,GTP,和起动,tRNA,结合。,2,大亚基：,（,1,）,具有两个不同的,tRNA,结合点,。,A,位（右）,受位或氨酰基部位，可与新进入的氨酰,tRNA,结合；,P,位（左）,给位或肽酰基部位，可与延伸中的肽酰基,tRNA,结合。,E,位：排出位,（,Exit site,）,（,2,）,具有转肽酶活性,：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨酰,tRNA,，形成肽键。,（,3,）具有,GTPase,活性，水解,GTP,，获得能量。,（,4,）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。,原核生物核蛋白体结构模式,三、,tRNA,与氨基酸的活化,反,密码环,氨基酸臂,tRNA,在翻译过程,中起,接合体,（,adaptor,）,作用，又是,氨基酸的运载体。,在氨酰,tRNA,合成酶催化下，特定的,tRNA,可与相应的氨基酸结合，生成氨酰,tRNA,，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。,tRNA,反密码环中部的三个核苷酸残基构成三联体，可以识别,mRNA,上相应的密码，此三联体就称为,反密码子,(,anticoden,),。,能够识别,mRNA,中,5,端起动密码,AUG,的,tRNA,是一种特殊的,tRNA,，称为起动,tRNA,。,在原核生物中，起动,tRNA,是一种携带甲酰蛋氨酸的,tRNA,，即,tRNA,i,fmet,；而在真核生物中，起动,tRNA,是一种携带蛋氨酸的,tRNA,，即,tRNA,i,met,。,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,。,真核生物,：,Met-,tRNA,i,Met,原核生物,：,fMet-tRNA,i,f,Met,起始肽链合成的氨基酰,-tRNA,fMet-tRNA,i,fMet,的生成,：,四、起动因子（,IF,）,一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。,原核生物中存在,3,种起动因子，分别称为,IF,1-3,。在真核生物中存在,9,种起动因子（,eIF,）。,作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动,tRNA,及模板,mRNA,结合,。,五、延长因子（,EF,）,原核生物中存在,3,种延长因子（,EFTU,，,EFTS,，,EFG,），真核生物中存在,2,种（,EF1,，,EF2,）。,作用主要促使氨基酰,tRNA,进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。,六、释放因子（,RF,）,原核生物中有,4,种，在真核生物中只有,1,种。,主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。,氨基酸,+,tRNA,氨基酰,-,tRNA,ATP,AMP,PPi,氨基酰,-tRNA,合成酶,该酶存在于,胞液,中，与特异氨基酸的活化以及氨酰,tRNA,的合成有关。,七、氨基酰,tRNA,合成酶,(aminoacyl-tRNA synthetase),第一步反应,氨基酸,ATP,E,氨基酰,-AMP-E,AMP,PPi,第二步反应,氨基酰,-AMP-E,tRNA,氨基酰,-tRNA,AMP,E,每种氨酰,tRNA,合成酶对相应,氨基酸,以及携带氨基酸的数种,tRNA,具有,高度特异性,。,目前认为，该酶对,tRNA,的识别，是因为在,tRNA,的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。,氨基酰,-tRNA,合成酶具有校正活性,(proof-reading activity),。,氨基酰,-tRNA,的表示方法：,Ala-,tRNA,Ala,Ser-,tRNA,Ser,Met-,tRNA,Met,八、供能物质和无机离子,多肽链合成时，需,ATP,、,GTP,作为供能物质，并需,Mg,2+,、,K,+,参与。,第二节,蛋白质生物合成过程,The Process of Protein Biosynthesis,蛋白质合成中,mRNA,模板的方向：,5 3,；,蛋白质的合成方向：,N,端,C,端,。,蛋白质生物合成过程包括三大步骤：,氨基酸的活化与搬运,肽链的形成,多肽链合成后的加工修饰,氨基酸,+,tRNA,氨基酰,-,tRNA,ATP,AMP,PPi,氨基酰,-tRNA,合成酶,一、,氨基酸的活化与搬运,氨基酸的活化以及活化氨基酸与,tRNA,的结合，均由氨基酰,tRNA,合成酶催化完成。其反应过程为：,在此反应中，特异的,tRNA3,端,CCA,上的,2,或,3,位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成,氨基酸,tRNA,，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。,氨基酸,tRNA,的合成，可使氨基酸,活化；,搬运；,定位,。,二、肽链的形成,活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。,活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译,mRNA,上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为,核蛋白体循环,（,ribosomal cycle),。,核糖体循环可分为,起动、延长和终止,三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似。,指,mRNA,和起始氨基酰,-tRNA,分别与核蛋白体结合而形成,翻译起始复合物,(translational initiation complex),。,参与起始过程的蛋白质因子称起始因子,（,initiation factor,，,IF,）。,（一）,起动阶段,：,参与起始过程的蛋白质因子称起始因子,（,initiation factor,，,IF,）。,原核生物起始因子有三种：,IF-1,：占据,A,位防止结合其他,tRNA,。,IF-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,敏感性。,原核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离；,mRNA,在小亚基定位结合；,起始氨基酰,-tRNA,的结合；,核蛋白体大亚基结合。,IF-3,IF-1,1.,核蛋白体大小亚基分离,A,U,G,5,3,IF-3,IF-1,2.,mRNA,在小亚基定位结合,S-D,序列,(,Shine-Dalgarno sequence),：,在原核生物,mRNA,起始密码,AUG,上游，存在,49,个富含嘌呤碱的一致性序列，如,-AGGAGG-,，称为,S-D,序列。又称为核蛋白体结合位点,（,ribosomal binding site,，,RBS),S-D,序列,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,A,U,G,5,3,3.,起始氨基酰,tRNA,与小亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,A,U,G,5,3,4.,核蛋白体大亚基结合,IF-3,IF-1,A,U,G,5,3,IF-2,GTP,IF-2,-GTP,GDP,Pi,起始过程消耗,1,个,GTP,。,真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离；,起始氨基酰,-tRNA,结合；,mRNA,在核蛋白体小亚基就位；,核蛋白体大亚基结合。,真核生物中的,mRNA,具有帽子结构，已知需一种特殊的,帽子结合蛋白,（,CBP,）以识别此结构。,真核生物翻译起始因子,起始因子,生物功能,eIF-2,促进起始,tRNA,与小亚基结合,eIF-2B,eIF-3,促进大小亚基分离,eIF-4A,eIF-4F,复合物成分，有解螺旋酶活性，促进,mRNA,结合小亚基,eIF-4B,促进,mRNA,扫描定位起始,AUG,eIF-4E,eIF-4F,复合物成分，结合,mRNA 5,帽子,eIF-4G,eIF-4F,复合物成分，结合,eIF-4E,和,PAB,eIF-5,促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基,eIF-6,促进核蛋白体分离成大小亚基,Met,40S,Me,t,Met,40S,60S,mRNA,eIF-2B,、,eIF-3,、,eIF-6,elF-3,GDP+Pi,各种,elF,释放,elF-5,ATP,ADP+Pi,elF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB,真核生物翻译起始复合物形成过程,Met-tRNA,i,Met,-elF-2,-GTP,Met,60S,真核生物翻译起始的特点,核蛋白体是,80S,；,起始因子种类多；,起始,tRNA,的,Met,不需甲酰化；,mRNA,的,5,帽子和,3,poly A,尾结构与,mRNA,在核蛋白体就位有关；,起始,tRNA,先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合,mRNA,(,二,),、肽链的延长,指按照,mRNA,密码序列的指导，依次添加氨基酸,从,N,端向,C,端,延伸肽链，直到合成终止的过程,。,肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：,进位,（,entrance,）,成肽,（,peptide bond formation,）,转位,（,translocation,）,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,GTP,EF-1-,EF-Ts,调节亚基,EF-1-,EFG,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,EF-2,肽链合成的延长因子,1.,进位,指根据,mRNA,下一组遗传密码指导，使相应氨基酰,-tRNA,进入核蛋白体,A,位,。,此步骤需,GTP,，,Mg2+,，和,EF,参与,延长因子,EF-T,催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,A,U,G,5,3,Tu,Ts,GTP,2.,成肽,是由转肽酶,（,transpeptidase,）,催化的肽键形成过程。,此步骤需,Mg2+,，,K+,。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的,tRNA,从核蛋白上脱落。,3,.,转位,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,。,核蛋白体向,mRNA,的,3-,端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基,tRNA,从受体移到给位。,此步骤需,EF,（,EFG,）、,GTP,和,Mg2+,参与。此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰,tRNA,即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长,.,fMet,A,U,G,5,3,fMet,Tu,GTP,进位,转位,成肽,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，真核细胞核蛋白体没有,E,位，转位时卸载的,tRNA,直接从,P,位脱落。,真核生物延长过程,（三）,、肽链合成的终止,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,、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,肽链合成终止包括：,终止密码的辨认,肽链从肽,-,tRNA,上水解,mRNA,从核糖体中分离,核糖体大小亚基的拆分,终止相关的蛋白因子称为释放因子,(release factor,RF),识别终止密码，如,RF-1,特异识别,UAA,、,UAG,；而,RF-2,可识别,UAA,、,UGA,。,诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。,释放因子的功能,原核生物释放因子：,RF-1,，,RF-2,，,RF-3,真核生物释放因子：,eRF,1,识别：,RF,识别终止密码，进入核蛋白体的受位。,2,水解：,RF,使转肽酶变为水解酶，多肽链与,tRNA,之间的酯键被水解，多肽链释放。,3,解离：,通过水解,GTP,，使核蛋白体与,mRNA,分离，,tRNA,、,RF,脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。,原核肽链合成终止过程,U,A,G,5,3,RF,COO,-,翻译过程,IF-1,IF-3,IF-2,GTP,fMet,起始,IF-1,IF-3,IF-2,GTP,fMet,fMet,核糖体循环,fMet,核糖体循环,fMet,终止,IF-1,IF-3,原核生物蛋白质合成的,能量计算,氨基酸活化,：,2,个,PATP,起始,：,1,个,GTP,延长,：,2,个,GTP,终止,：,1,个,GTP,结论,：,每合成一个肽键至少消耗,6,个,P,。,多聚核蛋白体,（,polysome,),一个,mRNA,分子可同时有多个核蛋白体在进行同一种蛋白质的合成，这种,mRNA,和,多个核蛋白体的聚合物称为多聚核蛋白体,。,在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一,mRNA,分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。,从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白,。,主要包括,肽链一级结构的修饰,多肽链折叠为高级结构及其修饰,三、多肽链合成后的加工修饰,（一）一级结构的加工修饰：,1,肽链,N,端的修饰,N,端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。,去甲酰化：,甲酰化酶,甲酰蛋氨酸,-,肽 甲酸,+,蛋氨酸,-,肽,去蛋氨酰基：,蛋氨酸氨基肽酶,蛋氨酰,-,肽 蛋氨酸,+,肽,2,氨基酸的修饰：,由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。,3,二硫键的形成：,由专一性的氧化酶催化，将,-SH,氧化为,-S-S-,。,4,肽段的切除：,由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。,（二）高级结构的形成及修饰：,1,构象的形成：,在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。,2,亚基的聚合。,3,辅基的连接。,（三）靶向输送,蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为,靶向输送,（,protein targeting,）,。,大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为,信号肽,。,分泌性蛋白质,分泌蛋白质：,合成后分泌到血液循环中，或再到靶细胞去发挥功能的蛋白质。,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网，再分别被包装成分泌小泡而分泌出细胞,。,常见的信号肽由,1040,个氨基酸残基组成，,N,端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水的核心区，而,C,端由小分子氨基酸残基组成，可被信号肽酶识别并裂解。,分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的,信号肽识别粒子,（,SRP,）识别并特异结合，然后再通过,SRP,与膜上的,对接蛋白,（,DP,）识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,分泌型蛋白质的靶向运输,分泌性蛋白初级产物的,N,末端有信号肽结构。在分泌性蛋白合成中，信号肽一出现，就被信号肽识别粒子辨认并结合，将正在合成蛋白质的核蛋白体带到细胞膜的内侧面，信号肽识别粒子与其受体对接蛋白结合，促使膜蛋白通道开放，信号肽带动合成中的蛋白质沿通道穿过膜，信号肽在沿通道折回膜内时，被位于膜外侧的信号肽酶在加工区切断，使成熟的蛋白质释放到细胞外,.,