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1、蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）Protein Biosynthesis，Translation,第 十 二 章,蛋白質(zhì)的生物合成即翻譯，就是將核酸中由 4 種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序。也是基因表達的最后的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié) 。,蛋白質(zhì)合成體系Protein Biosynthesis System,第 一 節(jié),20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIF

2、ATP、GTP、無機離子,參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括,三種RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白體RNA）tRNA（transfer RNA, 轉(zhuǎn)移RNA）,C,一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼,mRNA是遺傳信息的攜帶者,遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。原核細胞中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相

3、關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順反子(polycistron) 。真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(single cistron) 。,原核生物的多順反子,真核生物的單順反子,,mRNA上存在遺傳密碼,mRNA分子上從5?至3?方向，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，稱為三聯(lián)體密碼(triplet coden)。,起始密碼(initiation coden): AUG,終止密碼(term

4、ination coden): UAA，UAG，UGA,遺傳密碼表,1. 連續(xù)性(commaless),遺傳密碼的特點,編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。,基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致框移突變(frameshift mutation)。,2. 簡并性(degeneracy),遺傳密碼中，除色氨酸和甲

5、硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯(lián)體為其編碼。,遺傳密碼表,3. 通用性(universal),蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。,4. 擺動性(wobble),轉(zhuǎn)運氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結(jié)合，但反密碼與密碼間不嚴格遵守常見的堿基配

6、對規(guī)律，稱為擺動配對。,U,擺動配對,密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象,二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置,,不同細胞核蛋白體的組成,核蛋白體的組成,原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),三、tRNA與氨基酸的活化,反密碼環(huán),氨基酸臂,,,tRNA的三級結(jié)構(gòu)示意圖,由誰保證tRNA所接的氨基酸是應當接的氨基酸種

7、類呢？？,（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,第一步反應,氨基酸 ＋ATP-E —→ 氨基酰-AMP-E ＋ AMP ＋ PPi,第二步反應,氨基酰-AMP-E ＋ tRNA ↓ 氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E,tRNA與酶結(jié)合的模型,,tRNA,,氨基酰-tRNA合成酶,,ATP,氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。氨基酰-

8、tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet,真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAifMet,（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA種類,真核生物： Met-tRNAMet原核生物： Met-tRNAMet,（三）氨基酰-tRNA依靠蛋白因子轉(zhuǎn)運到核糖體,起始氨酰-t

9、RNA的IF-2因子循環(huán) IF-2因子循環(huán)，如eIF2因子被磷酸化后，就不能被GEF因子重新利用，結(jié)果就不能形成Met-tRNAmet的eIF2-GTP形式，導致蛋白質(zhì)生物合成啟動效率降低。,IF-2因子循環(huán),Tu/Ts因子循環(huán),中間氨基酰-tRNA的Tu/Ts因子循環(huán)Tu/Ts因子循環(huán),蛋白質(zhì)生物合成過程 The Process of Protein Biosynthesis,,第 二 節(jié),翻譯的起始(ini

10、tiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination ),整個翻譯過程可分為 ：,翻譯過程從閱讀框架的5´-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。,一、肽鏈合成起始,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結(jié)合而形成翻譯起始復合物 (translational initiation complex)。,原核、真核生物各種起始因子的生物功能,（一）原核生物

11、翻譯起始復合物形成,核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA的結(jié)合； 核蛋白體大亞基結(jié)合。,IF-3,IF-1,1. 核蛋白體大小亞基分離,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亞基定位結(jié)合,S-D序列,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結(jié)合到小亞基,IF-3,IF-1,IF-2,,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復合物形成,IF-3,IF

12、-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,（二）真核生物翻譯起始復合物形成,核蛋白體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結(jié)合；mRNA在核蛋白體小亞基就位；核蛋白體大亞基結(jié)合。,真核生物翻譯起始復合物形成過程,,eIF2,二、肽鏈合成延長,指根據(jù)mRNA密碼序列的指導，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。,肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個氨

13、基酸，包括以下三步：進位(entrance)成肽(peptide bond formation)轉(zhuǎn)位(translocation),延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongation factor, EF)原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1 、EF-2,肽鏈合成的延長因子,又稱注冊(registration),（一）進位,指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰-tRNA進入

14、核蛋白體A位。,,,,,目 錄,延長因子EF-T催化進位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,,GDP,,Tu,,Ts,GTP,（二）成肽,是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。,（三）轉(zhuǎn)位,延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶( translocase )活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3'側(cè)移動 。,fMet,fMet,,,,,目 錄,真核生物肽鏈合成的延長過程與原核基本相似，但有不同的反應

15、體系和延長因子。另外，真核細胞核蛋白體沒有E位，轉(zhuǎn)位時卸載的tRNA直接從P位脫落。,（四）真核生物延長過程,三、肽鏈合成的終止,當mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。,終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子 (release factor, RF),一是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。二是誘導轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)?/p>

16、酯酶活性，相當于催化肽酰基轉(zhuǎn)移到水分子-OH上，使肽鏈從核蛋白體上釋放。,釋放因子的功能,原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物釋放因子：eRF,原核肽鏈合成終止過程,RF,,,,,,目 錄,多聚核蛋白體(polysome),——使蛋白質(zhì)合成高速、高效進行。,,,,,目 錄,電鏡下的多聚核蛋白體現(xiàn)象,,,,,目 錄,蛋白質(zhì)合成后加工和輸送Posttranslational Processing & Pro

17、tein Transportation,第 三 節(jié),從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。,主要包括,肽鏈一級結(jié)構(gòu)的修飾多肽鏈折疊為天然的三維結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu)修飾,一、一級結(jié)構(gòu)的修飾,（一）肽鏈N端的修飾（二）個別氨基酸的修飾（三）多肽鏈（如信號肽）的水解,鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾,二、多肽鏈折疊為天然功能構(gòu)象的蛋白質(zhì),新生肽鏈的折疊在肽鏈合成

18、中、合成后完成，新生肽鏈N端在核蛋白體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始。可能隨著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產(chǎn)生正確的二級結(jié)構(gòu)、模序、結(jié)構(gòu)域到形成完整空間構(gòu)象。 一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質(zhì)折疊的信息，即一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。細胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都不是自動完成，而需要其他酶、蛋白輔助。,幾種有促進蛋白折疊功能的大分子,A. 分子伴侶 (molecular chaperon) B. 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶 (prote

19、in disulfide isomerase, PDI)C. 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI),1. 熱休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侶素(chaperonins) GroEL和GroES家族,A分子伴侶,分子伴侶是細胞一類保守蛋白質(zhì)，可識別肽鏈的非天然構(gòu)象，促進各功能域和整體

20、蛋白質(zhì)的正確折疊。,熱休克蛋白促進蛋白質(zhì)折疊的基本作用——結(jié)合保護待折疊多肽片段，再釋放該片段進行折疊。形成HSP70和多肽片段依次結(jié)合、解離的循環(huán)。,伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進蛋白質(zhì)折疊過程,伴侶素的主要作用——為非自發(fā)性折疊蛋白質(zhì)提供能折疊形成天然空間構(gòu)象的微環(huán)境。,B 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶,多肽鏈內(nèi)或肽鏈之間二硫鍵的正確形成對穩(wěn)定分泌蛋白、膜蛋白等的天然構(gòu)象十分重要，這一過程主要在細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進行。,二硫鍵異構(gòu)酶在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔

21、活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質(zhì)形成熱力學最穩(wěn)定的天然構(gòu)象。,C 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶,多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構(gòu)體，空間構(gòu)象明顯差別。,肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶可促進上述順反兩種異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)換。,肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶是蛋白質(zhì)三維構(gòu)象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構(gòu)型時，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準確折疊。,三、高級結(jié)構(gòu)的修飾,（一）亞基聚合 （二）輔基連接

22、（三）疏水脂鏈的共價連接,亞基聚合,輔基連接,疏水脂鏈的共價連接,蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞靶部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送。,四、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送,?蛋白質(zhì)的靶向輸送(protein targeting),所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在分選信號，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為信號序列 。,? 信號序列(signal sequence),靶向輸送

23、蛋白的信號序列或成分,（一）分泌蛋白的靶向輸送,真核細胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。,信號肽(signal peptide),各種新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列稱信號肽。,信號肽的一級結(jié)構(gòu),信號肽引導真核分泌蛋白進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng),,,,,目 錄,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)進一步被加上糖基,（二）線粒體蛋白的靶向輸送,,,,,目 錄,（三）NLS介導的細胞核靶向輸送,,,,,目 錄,蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制Interfere

24、nce & Inhibition of Protein Biosynthesis,第 四 節(jié),蛋白質(zhì)生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶點?？沟鞍踪|(zhì)生物合成就是通過阻斷真核、原核生物蛋白質(zhì)翻譯體系某組分功能，干擾和抑制蛋白質(zhì)生物合成過程而起作用的。 可針對蛋白質(zhì)生物合成必需的關(guān)鍵組分作為研究新抗菌藥物的作用靶點。同時盡量利用真核、原核生物蛋白質(zhì)合成體系的任何差異，以設(shè)計、篩選僅對病原微生物特效而不損害人體的藥物。,

25、抗生素(antibiotics)是微生物產(chǎn)生的能夠殺滅或抑制細菌的一類藥物。,抗代謝藥物指能干擾生物代謝過程，從而抑制細胞過度生長的藥物，如：6-MP。,某些毒素也作用于基因信息傳遞過程。,一、抗生素類,抗生素抑制蛋白質(zhì)生物合成的原理,嘌呤霉素結(jié)構(gòu)上類似酪氨酸衍生物，能與酪氨酸t(yī)RNA形成酪氨酰tRNA，后者在密碼子為酪氨酸的地方肽鏈延長發(fā)生阻斷。,嘌呤霉素作用示意圖,,四環(huán)素族,,,,,目 錄,幾種主要抗生素抑制蛋白質(zhì)生物合成的原

26、理,附：幾類主要抑制劑（抗生素）作用位點,酶作用抑制劑 氧化呼吸鏈抑制劑、解偶聯(lián)劑DNA合成抑制劑RNA合成抑制劑蛋白質(zhì)合成抑制劑細胞信號傳遞抑制劑,經(jīng)常采用各種特異性抑制劑對相應生化過程進行研究,二、其他干擾蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì),A毒素(toxin)B干擾素(interferon),A 白喉毒素(diphtheria toxin)的作用機理,,白喉毒素,+,+,B 干擾素的二重作用機理,1. 干擾素誘導eIF2磷酸化而失