生物化学第十二章蛋白质的生物合成

目录蛋白质的生物合成（翻译）ProteinBiosynthesis，Translation第十二章目录蛋白质生物合成的概念蛋白质生物合成(proteinbiosynthesis)也称翻译(translation)，是生物细胞以mRNA为模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息指导合成蛋白质的过程。目录1.基本原料：20种编码氨基酸2.模板：mRNA3.适配器：tRNA4.装配机：核蛋白体5.主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等6.能源物质：ATP、GTP7.无机离子：Mg2+、K+第一节蛋白质合成体系目录一、模板mRNA及遗传密码mRNA是遗传信息的携带者43=64（AUG、UAG、UGA)mRNA分子上从5往3方向，由AUG开始，每3个相邻的核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或合成的起始、终止信号，称为三联体密码。起始密码：AUG（肽链中间为甲硫氨酸）终止密码：UAA，UAG，UGA目录第一个核苷酸第二个核苷酸第三个核苷酸UCAGU苯丙氨酸苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸酪氨酸酪氨酸终止密码终止密码半胱氨酸半胱氨酸终止密码色氨酸UCAGC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸组氨酸组氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGA异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸天冬酰胺天冬酰胺赖氨酸赖氨酸丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸UCAGG缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸UCAG遗传密码表目录遗传密码的特点1.方向性(directional)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′读码方向目录2.连续性(non-punctuated)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。5’…….AUGGCAGUACAU……UAA3’AlaValHisMet终止密码目录基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)。缬脯苏天冬缬丙酪甘缬丙丝精目录3.简并性(degenerate)一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并性。除色氨酸和甲硫氨酸仅有1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。同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子。目录各种氨基酸的密码子数目目录4.通用性(universal)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。目录已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。通用密码线粒体密码AUA异亮蛋、起始AGA精终止AGG精终止UGA终止色目录5.摆动性(wobble)反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对(wobblebasepairing)。tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUGU摆动配对目录UU目录二、核蛋白体是蛋白质生物合成的场所核蛋白体的组成：核蛋白体又称核糖体，是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。目录原核生物真核生物核蛋白体小亚基大亚基核蛋白体小亚基大亚基S值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA23S-rRNA5S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5.8S-rRNA5S-rRNA蛋白质rpS21种rpL36种rpS33种rpL49种不同细胞核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物核蛋白体的结构模式:A位：氨基酰位(受位)P位：肽酰位(给位)E位：排出位(卸位)目录目录三、tRNA是氨基酸的运载工具及匹配器tRNA的作用:1、运载氨基酸：氨基酸各由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在tRNA3ˊ-CCA的位置，结合需要ATP供能；2、充当“匹配器”：每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。二级结构三级结构反密码环氨基酸臂tRNA的构象目录四、蛋白质合成需要酶类及蛋白质因子（一）重要的酶类1、氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyltRNAsynthetase)催化氨基酸活化生成氨基酰-tRNA。2、转肽酶(peptidase)（1）催化形成肽键;（2）受释放因子的作用发生变构，水解P位上的肽链与tRNA分离。3、转位酶(translocase)催化核蛋白体向mRNA3’-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。目录（二）蛋白质因子1、起始因子（initiationfactor，IF）2、延长因子（elongationfactor，EF）3、释放因子（releasefactor，RF）目录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参与真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eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2B,eIF-3最先结合小亚基，促进大小亚基分离eIF-4AeIF-4F复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除mRNA5´-端的发夹结构，使其与小亚基结合eIF-4B结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F复合物成分，结合mRNA5´帽子eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和PolyA结合蛋白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延长因子eIF1-α促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP，相当于EF-TueIF1-βγ调节亚基，相当于EF-TseIF-2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，相当于EF-G释放因子eRF识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能结合小亚基，促进大小亚基分离，协助eIF-4F复合物的功能目录蛋白质生物合成的能源物质为ATP和GTP;参与蛋白质生物合成的无机离子有Mg2+、K+等。（三）能源物质及离子目录第二节氨基酸的活化ActivationofAminoAcids氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。参与氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合成酶。目录氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA合成（氨基酸的活化）第一步反应氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E＋PPi目录第二步反应氨基酰-AMP-E＋tRNA↓氨基酰-tRNA＋AMP＋E目录目录tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP目录1、氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。2、氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性•氨基酰-tRNA的表示方法：丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet氨基酰-tRNA合成酶的作用:目录真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet肽链合成起始的氨基酰-tRNA：fMet：N-甲酰甲硫氨酸目录•遗传学将编码一条多肽的遗传单位称为顺反子。•原核生物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mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)。第三节蛋白质生物合成过程TheProcessofProteinBiosynthesis目录原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP53蛋白质PPPmG-53蛋白质目录.从目录从mRNA5端起始密码子到3端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架。翻译过程从开放阅读框架的AUG开始，按mRNA模板从5ˊ→3ˊ方向逐一读码，延长肽链，直至终止密码出现。肽链的合成从起始甲硫氨酸开始，从N→C端延长，直至终止。翻译的起始翻译的延长翻译的终止进位成肽转位翻译过程可分为目录（一）原核生物肽链合成起始1、核蛋白体大小亚基分离；2、mRNA在小亚基定位结合；3、起始氨基酰-tRNA的结合；4、核蛋白体大亚基结合。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的过程.一、原核生物肽链合成过程IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离目录AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合目录目录原核生物mRNA与核蛋白体小亚基准确结合的两种机制：1、在mRNA起始AUG上游约8～13核苷酸部位，有一段由4～9个核苷酸组成的序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称S-D序列为核蛋白体结合位点(RBS)。每一条mRNA上均拥有各自的S-D序列和起始AUG。目录S-D序列S-D序列为核蛋白体結合点，rpS-1识别序列为核蛋白体小亚基识别并结合点。2、mRNA上紧接S-D序列后的小段核苷酸序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1识别并结合。目录IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'目录目录IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'目录目录（二）肽链合成延长根据mRNA密码序列的指导，不断添加氨基酸，从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。肽链延长在核蛋白体上连续循环进行，称为核蛋白体循环(ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位核蛋白体循环成肽转位（脱落）又称注册(registration)1、进位根据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。目录目录延长因子EF-T（Tu-Ts二聚体）催化进位TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目录目录2、成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。目录3、转位在转位酶的催化下，核蛋白体向mRNA的3´-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A位、而原占据A位的肽酰-tRNA移入P位。转位需要延长因子EF-G参与，EF-G有转位酶活性，并可水解1分子GTP，释放能量促进核蛋白体移动，使起始tRNA-mRNA移进核蛋白体P位，而欲卸除的tRNA则移入E位。目录延长因子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目录进位转位成肽肽链合成延长(核蛋白体循环)过程目录（三）终止核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止。肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离。终止过程需要释放因子RF-1、RF-2和RF-3参与。目录3、RF-3可结合核蛋白体其他部位，有G