《蛋白质合成》PPT课件.ppt

第第 十十 二二 章章蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成（Protein Biosynthesis）生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室 姚真真姚真真 即翻译即翻译（translation)，将核酸中，将核酸中 4 4 种核苷酸种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中方式解读为蛋白质一级结构中2020种氨基酸种氨基酸的的排列顺序排列顺序 。蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 protein biosynthesis mRNAPROTEINtranslation4种种核苷酸核苷酸排列顺序排列顺序20种种氨基酸氨基酸排列顺序排列顺序AUCGSer Tyr Gly Trp Ala ValLeu Ile PhePro Cys MetAsn Gln ThrAsp Glu LysArg His蛋白质合成体系蛋白质合成体系Protein Biosynthesis SystemProtein Biosynthesis System 第第 一一 节节 参与参与蛋白质生物合成的蛋白质生物合成的物质物质mRNA2020种氨基酸种氨基酸rRNAtRNA酶酶蛋白质因子蛋白质因子ATPGTP无机离子无机离子l20种氨基酸种氨基酸(AA)作为原料作为原料l酶及众多蛋白因子，如酶及众多蛋白因子，如IF、eIF lATP、GTP、无机离子、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括参与蛋白质生物合成的物质包括l 三种三种RNAmRNA（messenger RNA,信使信使RNA）rRNA（ribosomal RNA,核蛋白体核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA,转运转运RNA）一、翻译模板一、翻译模板mRNAmRNA及遗传密码及遗传密码v mRNAmRNA上存在遗传密码上存在遗传密码v mRNAmRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者v mRNAmRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者cistronpolycistronsingle cistron顺反子顺反子多顺反子多顺反子单顺反子单顺反子遗遗传传学学将将编编码码一一个个多多肽肽的的遗遗传传单单位位称为称为顺反子顺反子(cistroncistron)。真真核核mRNAmRNA只只编编码码一一种种蛋蛋白白质质，为为单单顺顺反反子子(single(single cistroncistron)。原原核核细细胞胞中中数数个个结结构构基基因因常常串串联联为为一一个个转转录录单单位位，转转录录生生成成的的mRNAmRNA可可编编码码几几种种功功能能 相相 关关 的的 蛋蛋 白白 质质，为为 多多 顺顺 反反 子子(polycistronpolycistron)。原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG-5 3 蛋白质蛋白质v mRNAmRNA上存在遗传密码上存在遗传密码mRNA分分子子上上从从5 至至3 方方向向，由由AUG开开始始，每每3个个核核苷苷酸酸为为一一组组，决决定定肽肽链链上上某某一一个个氨氨基基酸酸或或蛋蛋白白质质合合成成的的起起始始、终终止止信信号号，称为称为三联体密码三联体密码(triplet coden)。起始密码起始密码(initiation coden):AUG 终止密码终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA 遗遗传传密密码码表表从从mRNA 5 端端起起始始密密码码子子AUG到到3 端端终终止止密密码码子子之之间间的的核核苷苷酸酸序序列列，各各个个三三联联体体密密码码连连续续排排列列编编码码一一个个蛋蛋白白质质多多肽肽链链，称称为为开开放放阅阅读读框框架架(open reading frame,ORF)。开放阅读框架(ORF)1.连续性连续性(commaless)遗传密码的特点遗传密码的特点编码蛋白质氨基酸序列的各个三编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。也无交叉。基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。2.简并性简并性(degeneracy)遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有仅有一个密码子外，其余氨基酸有2 2、3 3、4 4个或多至个或多至6 6个三联体为其编码。个三联体为其编码。3.通用性通用性(universal)蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。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密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。一祖先。4.摆动性摆动性(wobble)转转运运氨氨基基酸酸的的tRNAtRNA的的反反密密码码需需要要通通过过碱碱基基互互补补与与mRNAmRNA上上的的遗遗传传密密码码反反向向配配对对结结合合，但但反反密密码码与与密密码码间间不不严严格格遵遵守守常常见见的的碱碱基基配配对对规规律律，称称为为摆动配对。摆动配对。U摆动配对摆动配对U密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、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遗传密码的特点遗传密码的特点1.连续性连续性(commaless)2.简并性简并性(degeneracy)3.通用性通用性(universal)4.摆动性摆动性(wobble)二、核蛋白体是多肽链合成的装置二、核蛋白体是多肽链合成的装置原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质蛋白质rpS 21种种rpL 36种种rpS 33种种rpL 49种种 不同细胞核蛋白体的组成不同细胞核蛋白体的组成 核核蛋蛋白白体体的的组组成成36种蛋白Protein synthesis.mov原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)起始复合物起始复合物成肽成肽转位转位三、三、tRNAtRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂tRNAtRNA的三级结构示意图的三级结构示意图氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶（一）（一）氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)氨基酸的活化氨基酸的活化第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi 底物底物-酶复合物酶复合物第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E tRNA tRNA与酶与酶与酶与酶结合的模型结合的模型结合的模型结合的模型tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATPv氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有都有高度特异性。高度特异性。v氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性(proofreading activity)。v氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法：的表示方法：vAla-tRNAAla vSer-tRNAServMet-tRNAMet 真核生物真核生物：Met-tRNAiMet原核生物原核生物：fMet-tRNAifMet（二）（二）起始肽链合成的氨基酰起始肽链合成的氨基酰-tRNAtRNA（甲酰化的甲硫氨酸）（甲酰化的甲硫氨酸）蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 The Process of Protein BiosynthesisThe Process of Protein Biosynthesis 第第 二二 节节 l翻译的起始翻译的起始(initiation)(initiation)l翻译的延长翻译的延长(elongation)(elongation)l翻译的终止翻译的终止(termination)(termination)整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为 ：翻翻译译过过程程从从阅阅读读框框架架的的5-AUG开开始始，按按mRNAmRNA模模板板三三联联体体密密码码的的顺顺序序延延长长肽肽链链，直直至终止密码出现。至终止密码出现。一、肽链合成起始一、肽链合成起始指指mRNA和和起起始始氨氨基基酰酰-tRNA分分别别与与核核蛋蛋白白体体结结合合而而形形成成翻翻译译起起始始复复合合物物(translational initiation complex)。起始复合物起始复合物成肽成肽转位转位E原核、真核生物各种起始因子的生物功能原核、真核生物各种起始因子的生物功能（一）原核生物翻译起始复合物形成（一）原核生物翻译起始复合物形成l核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；lmRNAmRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；l起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA的结合；的结合；l核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离A U G53IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合在原核在原核mRNA起始起始AUG密码上游约密码上游约8-13核苷酸部位，存在核苷酸部位，存在4-9个核苷酸的一致序个核苷酸的一致序列，富含嘌呤碱基，称为列，富含嘌呤碱基，称为Shine-Dalgarno序列（序列（S-D序列），又称为核蛋白体结合序列），又称为核蛋白体结合位点（位点（ribosomal binding site,RBS)。S-D序列序列IF-3IF-1IF-2GTP3.3.起始氨基酰起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAtRNA(fMet-tRNAi imetmet )结合到小亚基结合到小亚基A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi（二）真核生物翻译起始复合物形成（二）真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰起始氨基酰-tRNA结合；结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。metmet40S40S60S60SMeMet tMetMet40S40S60S60SmRNAeIF-2BeIF-2B、eIF-3eIF-3、eIF-6 elF-3elF-3GDP+Pi各种各种各种各种elFelF释放释放释放释放elF-5ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物形成过程复合物形成过程（polyA尾）尾）（帽）（帽）二、肽链合成延长二、肽链合成延长指指根根据据mRNA密密码码序序列列的的指指导导，次次序序添添加加氨氨基基酸酸从从N端端向向C端端延延伸伸肽肽链链，直直到到合合成成终终止止的过程。的过程。肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：个氨基酸，包括以下三步：进位进位(entrance)成肽成肽(peptide bond formation)转位转位(translocation)Protein_Synthesis.movProtein_Synthesis.movl延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor,EF)原核生物：原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：真核生物：EF-1、EF-2 原核延长原核延长因子因子生物功能生物功能对应真核延对应真核延长因子长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，位，结合分解结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽肽酰酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，促位，促进卸载进卸载tRNA释放释放EF-2肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 又称注册又称注册又称注册又称注册(registration)(registration)（一）进位（一）进位指根据指根据mRNA下下一组遗传密码指导，一组遗传密码指导，使相应氨基酰使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体进入核蛋白体A位。位。目目 录录延长因子延长因子EF-T催化催化进位（原核生物）进位（原核生物）Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP（二）成肽（二）成肽是由转肽酶是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽催化的肽键形成过程。键形成过程。（三）转位（三）转位延长因子延长因子EF-G有转位酶有转位酶(translocase)活性，可结合并水活性，可结合并水解解1分子分子GTP，促进核蛋白体向，促进核蛋白体向mRNA的的3侧移动侧移动 。进进位位转转位位成肽成肽真真核核生生物物肽肽链链合合成成的的延延长长过过程程与与原原核核基基本本相似，但有不同的反应体系和延长因子。相似，但有不同的反应体系和延长因子。另另外外，真真核核细细胞胞核核蛋蛋白白体体没没有有E E位位，转转位位时卸载的时卸载的tRNAtRNA直接从直接从P P位脱落。位脱落。（四）真核生物延长过程（四）真核生物延长过程 三、肽链合成的终止三、肽链合成的终止当当mRNA上终止密码出现后，多上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中中释出，释出，mRNA、核蛋白体等分离，、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。这些过程称为肽链合成终止。终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子(release factor,RF)一一是是识识别别终终止止密密码码，如如RF-1特特异异识识别别UAA、UAG；而；而RF-2可识别可识别UAA、UGA。二二是是诱诱导导转转肽肽酶酶改改变变为为酯酯酶酶活活性性，相相当当于于催催化化肽肽酰酰基基转转移移到到水水分分子子-OH上上，使使肽肽链链从从核核蛋蛋白体上释放。白体上释放。释放因子的功能释放因子的功能原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF 原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 U A G53RFCOO-多聚核蛋白体多聚核蛋白体(polysome)使蛋白质合成高速、使蛋白质合成高速、高效进行。高效进行。真核、原核都有此现象。真核、原核都有此现象。电镜下的多聚核蛋白体现象电镜下的多聚核蛋白体现象目目 录录