生物化学_蛋白质的生物合成

第十三章 蛋白质的生物合成（翻译 ）Biosynthesis of Protein or Translation蛋白质生物合成的概况 概念：以mRNA为模板合成蛋白质的过程，又称翻译。 原料：20种氨基酸（1954年 Paul Zamecnik等） 中介分子：tRNA、mRNA、rRNA 分子(1958年M.B.Hoagland等) 。64个遗传密码（19611966Nirenberg等） 合成方向：从肽链的N端到C端（1961年Howard Dintzis） 合成场所：核糖体 合成体系建立：（19731976年）第一节 蛋白质生物合成的基本条件20种aamRNAtRNA核糖体氨酰tRNA 合成酶肽酰转移酶转位 酶各种因子ATP、GTPK+、 Mg2+一、 mRNA是蛋白质合成的直接模 板（一）mRNA的一般特 点： 种类繁多 大小不一：5006000 个碱基 半衰期短：原核生物1 3分钟，真核生物数 小时或几天 占细胞总RNA：1%2% 真核mRNA的5´端有N7-甲 基鸟苷的“帽状”结构 ：具有稳定mRNA及有助 于翻译起始的作用3 ´端有20250个 多聚腺苷酸（PolyA） 的“尾状”结构：具有 维持mRNA翻译模板的活 性*（组蛋白除外）翻译时是从mRNA编码区的起始密码子开始至终止 密码子结束。遗传密码(genetic code)：指mRNAmRNA分子中从5´3´端记数 ，三个相邻的核苷酸为一组，代表某中氨基酸或其它信 息,这相邻的三个核苷酸称为一个遗传密码。 遗传密码供有多少个呢？遗传密码类别 遗传密码代表的信息说明起始密码：AUG起始信号及氨 基酸信息（真核）代表蛋 氨酸 （原核）代表甲 酰蛋氨酸 终止密码：UAA、UAG、UGA终止信号UGA还代表硒代 半胱氨酸 余下的密码只代表氨基酸 信息（二）遗传密码的特点 方向性（directionality）2.连续性（commalessness ）谷氨酰胺（CAG ）插入精氨酸（AGU ）苏氨酸（ACA ）谷氨酰胺（AAC）缺失3 .简并性(degeneracy)同义密码子： 脯氨酸:CCU、CCC、CCA、CCG脯氨酸（CCU）组氨酸（CAC ）4.通用性（universality）遗传密码的特点 通用性（universality）5.摆动性（wobble）密码子与反密码子的摆动配对现象 tRNA反密码子的第1位碱基IUGAC mRNA密码子的第3位碱基U,C,AA,GU,CUG二、核糖体（rRNA）是蛋白质合成的场 所(一)rRNA的特点 种类：原核生物有 5S 、 23S、16S rRNA；真核生物有 28S、18S、5.8S、 5S rRNA 含量最多：占细胞 总RNA 80%90% rRNA与蛋白质构成 核糖体50SPA50SE转 肽 酶（二）核糖体上的主要功能部位肽酰位(P)： 结合肽酰-tRNA氨酰位(A)： 结合氨酰-tRNA催化肽键生成， 兼有酯酶活性空载tRNA排除位（ 真核无E位）53mRNA三、tRNA是运输氨基酸的工具tRNA的特点： 分子量最小：6090个 碱基 含有较多的稀有碱基 5´端大多为pG, 3´ 端均为-CCA 反密码子的第一位碱 基常出现次黄嘌呤（ I） 细菌中有3040种 tRNA；真核细胞中有 40 50种tRNA。氨基酸臂： 与氨基酸结合TC环（臂）： 与核蛋白体rRNA结合反密码子： 识别并结合mRNA密码子D臂： 氨酰-tRNA合成 识别位点（一）氨基酰-tRNA合成酶 催化氨基酰-tRNA的合成，兼有 酯酶活性。具有校正功能（误 差<10-4） 氨基酰tRNA合成酶使tRNA识别 特异的氨基酸。 氨基酸的活化形式：氨基酰- tRNA 氨基酸的活化部位：是羧基四、参与蛋白质合成的 酶类原核生物肽链的起始氨酰-tRNA为甲酰蛋氨酰-tRNA ;而 真核生物肽链为蛋氨酰-tRNA（二）肽酰转移酶(peptidyl transferase)（核酶）催化肽键生成，兼有酯酶活性-原核23SrRNA；真核28SrRNA肽链合成方向：NCA U G G G C53mRNAU A CC C GHNHCH2CO（三）转位酶催化核糖体移位 原核生物由延长因子G(80kD)催化 真核生物由延长因子2（100kD）起作用A U G G G C53mRNAU A CC C GHNHCH2CO五、主要的蛋白因子 起始因子（initiation factor,IF）（真核起始因子， eukaryotic initiation factor,eIF）：参与翻译的起始 延长因子（elongation factor,EF）：参与肽链的延长 终止释放因子（releasing factor,RF）及核蛋白体释放 因子（ribosomal releasing factor, RRF）：参与肽链合 成的终止第二节 肽链的生物合成过程一、原核生物的肽链合成过程原核生物翻译过程的各种蛋白质因子及其功能种类功能起始因子IF-1占据氨基酰位（A位），防止防止氨酰-tRNA过早地结合到A位 IF-2促进fMet-tRNAifMet与核糖体30S小亚基结合 IF-3结合核糖体30S小亚基，促进大、小亚基分离，提高肽酰位（ P位）对fMet-tRNAifMet的敏感性延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并水解GTPEF-Ts调节亚基 EF-G转位酶，使肽酰tRNA有A位转至P位，促进tRNA卸载与释放 释放因子RF-1识别终止密码子UAA和UAG，诱导肽酰转移酶转变为酯酶 RF-2识别终止密码子UAA和UGA，诱导肽酰转移酶转变为酯酶 RF-3与核糖体结合，具有GTP酶活性，介导RF-1及RF-2与核糖体 的相互作用（一）翻译的起始阶段在起始因子的作用下，fMet- tRNAifMet、mRNA与核糖体结 合，形成70S起始复合物的过 程。此阶段需要GTP及Mg2+参 加起始阶段包括四个小事件的发 生 核蛋白体大小亚基分离 mRNA在小亚基上定位结合 fMet-tRNAifMet的结合 核蛋白体大亚基的结合起始因子 功能IF-1占据氨基酰位（A位） ，防止tRNA过早地结 合到A位 IF-2促进fMet-tRNAifMet结 合到30S小亚基 IF-3 结合30S小亚基，促进 大、小亚基分离，并 提高P位对fMet- tRNAifMet的敏感性1.核蛋白体大小亚基分离50SIF-1IF-1促进大小亚基分离防止氨酰tRNA过早进位IF-3IF-3可防止核糖体的亚基过早聚合50SE2.mRNA在小亚基上定位结合mRNA定位基础是S-D序列 S-D序列（核糖体结合位点）是指位于mRNA起始密码（AUG） 的上游约813核苷酸部位存在有49个核苷酸组成的一致序 列，如AGGAGG。 小亚基上16S rRNA 的3´端存在有与S-D序列互补的序列UCCUCCIF-1IF-33' 5'16S rRNAmRNA在小亚基上定位结合IF3IF-3促进mRNA在小亚基定位结合AUG5´3´IF-1IF-3AUG5´3´3. fMet-tRNAifMet结合到小亚基 -首先占据P位IF-2GTPIF-2促进 fMet-tRNAifMet与小亚基结合同时tRNA 的反密码 子与mRNA 的密码子 配对结合4.核蛋白体大亚基的结合IF2自复合物解离的同时发生 GTP水解（消耗一个高能 磷酸键），大亚基随之与小 亚基结合，并释放各种起始 因子，形成70S起始复合物 ，为延伸作好了准备。IF-1IF-350SAUG5´3´IF-2GTPGDP+PiGTP（二）翻译的延长阶段肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，每 循环一次，形成一个肽键，即增加一个氨基酸残 基，故又称为核蛋白体循环 每次核蛋白体循环包括三个步骤： v进位（entrance）（注册） v成肽(peptide bond formation) v转位(translocation)1.进位：氨基酰-tRNA进到核糖体的A位原核延长因子EF-T主要是 促进氨基酰-tRNA进到 A位（消耗一个高能磷 酸键）。包括Tu（ 40kD）和Ts (28kD）两 个亚基。50SA A AA U G5´3´aa2UUU50SA A AA U G5´3´2.成肽：肽酰转移酶催化肽键的生成原核生物的肽酰转移酶为核糖体大亚基的23S rRNAaa2U U UfMetfMet每次移动一个遗传密码的距离，转位耗能（消耗GTP的一个 高能磷酸键）。 原核生物由转位酶是EF-G(80kD)，真核为延长因子23.转位-核糖体与mRNA相对移动同时有肽酰-tRNA由A位移向P位50SEaa2U U UfMetA A AA U G5´3´（三）翻译的终止阶段当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 。终止过程需要释 放因子参加。 终止过程需消耗GTP。释放因子功能RF-1辨认UAA、UAG 激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键 RF-2辨认UAA、UGA 激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键RF-3促进RF-1或RF-2进入A位， 具GTP酶活性，帮助肽链的释放50S E PAUGAAA5´3´RF-1RF-1：辨认UAA、UAG RF-2：辨认UAA、UGA 激活转肽酶的酯酶活性 而水解酯键RF-3RF-3：促进RF-1或RF-2进入A位， 具GTP酶活性，帮助肽链的释放fMetaa2 aa3 aa4 aa5 aa aa aa aa aa aan aaaa aa aa aa aa aa aa aa aa aan （二）真核生物的肽链合成过程真核生物翻译过程的蛋白质因子及其功能 起始因子功能 eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤 eIF-2促进起始Met-tRNAiMet与核糖体40S小亚基结合 eIF-2B与40S小亚基结合,促进大、小亚基分离 eIF-3与40S小亚基结合,促进大、小亚基分离;介导eIF-4F复合物- mRNA与 小亚基结合 eIF-4A具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA 5´端的发夹结构，使其与40S 小亚基结合。是eIF-4F复合物的组成成分。 eIF-4B与mRNA结合，促进mRNA扫描并定位起始AUG eIF-4E结合mRNA的5´端帽结构，是eIF-4F复合物的组成成分 eIF-4G与eIF-4E、eIF-3和polyA结合蛋白（PAB）结合。是eIF-4F复合物的 组成成分 eIF-5促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60S大亚基结 合形成80S起始复合物 eIF-6促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基真核生物翻译过程的蛋白质因子及其功能（续） 延长因子功能 eEF1促进氨基酰-tRNA进入A位，结合水解GTP（相当于原核EF-Tu） eEF1调节亚基（相当于原核EF-Ts ） eEF-2有转位酶活性（相当于原核EF-G）释放因子功能 eRF识别所有终止密码子（具有原核各种RF的功能(一)真核生物翻译的起始阶段在真核起始因子的作用下， Met-tRNAiMet 、mRNA与核糖 体结合，形成80S起始复合物的过程。起始阶段也包括四个小事件的发生 Ø 核蛋白体大小亚基分离 Ø Met-tRNAifMet与核糖体小亚基结合 Ø mRNA在小亚基上定位结合 Ø 核蛋白体大亚基的结合原核生物与真核生物翻译的起始步骤比较原核生物 （70S起始复合物形成）真核生物 （80S起始复合物）1.核蛋白体大小亚基分离1.核蛋白体大小亚基分离2.mRNA在小亚基上定位结合 （借助于S-D序列）2.起始蛋氨酰tRNA与核糖体小亚基结合 （43S前起始复合物）（肽链的第一个氨基酸为蛋氨酸）3.起始甲酰蛋氨酰tRNA的