蛋白质翻译(课堂PPT)

第十二章
蛋白质的生物合成(翻译)
Protein Biosynthesis (Translation)
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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)。
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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
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第一节
蛋白质合成体系
Protein Biosynthesis System
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蛋白质合成体系
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：
① 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； ② tRNA：搬运氨基酸的工具； ③ 核蛋白体：蛋白体生物合成的场所；
④ 酶及其他蛋白质因子； ⑤ 供能物质及无机离子。
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一、 mRNA是翻译的模板
• 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）。
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mRNA结构简图
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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。
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遗传密码的特点
遗传密码具有以下特点：① 连续性；② 简 并性；③ 通用性；（但在线粒体或叶绿 体中特殊）④摆动性；⑤方向性，即解 读方向为5′→ 3′ ；⑥ 起始密码：AUG； 终止密码：UAA、UAG、UGA。
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1. 连续性（commaless） 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。
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重叠密码
非重叠连续的密码 不连续的密码
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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)。
5' m 7Gppp
AUG
5'非 翻 译 区
编 O码 R区 F
3' UAA AAA… … An
3'非 翻 译 区
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2. 简并性（degeneracy）
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。
遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个
密码子外，其余氨基酸有2~4个或多至6个密码
子为之编码。
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遗传密码的简并性
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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。
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摆动配对
t R N A 反 密 码 碱 基I
U
C
m R N A 密 码 碱 基 A ， C ， U A ， G C ， G ， U
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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。
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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。
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核 蛋 白 体 的 组 装
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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。
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原核生物核蛋白体结构模式
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三、tRNA与氨基酸的活化
tRNA在翻译过程 中起接合体（adaptor） 作用，又是氨基酸的运 载体。
氨基酸臂
反密码环
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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)。
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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tRNAifmet；而 在真核生物中，起动tRNA是一种携带 蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。
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。
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起始肽链合成的氨基酰-tRNA 真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet
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fMet-tRNAifMet的生成：
转 甲 酰 基 酶 M e t-tR N A ifM e t N 1 0 -C H O F H 4 fM e t-tR N A ifM e t
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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 IF1- 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。
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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。
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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。
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七、氨基酰tRNA合成酶
(aminoacyl-tRNA synthetase)
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。
氨基酸 + tRNA 氨基酰-tRNA合成酶 氨基酰- tRNA ATP AMP＋PPi
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第一步反应
氨基酸＋ATP＋E —→氨基酰-AMP-E＋AMP ＋ PPi
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第二步反应
氨基酰-AMP-E ＋
tRNA
↓
氨基酰-tRNA ＋
AMP ＋ E
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• 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。
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• 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-tRNAAla
Ser-tRNASer
Met-tRNAMet
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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Mg2+、K+参与。
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第二节
蛋白质生物合成过程
The Process of Protein Biosynthesis
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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： ①氨基酸的活化与搬运 ②肽链的形成 ③多肽链合成后的加工修饰
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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：
氨基酸 + tRNA 氨基酰-tRNA合成酶 氨基酰- tRNA ATP AMP＋PPi
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• 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 ①活化；②搬运；③定位。
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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。
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（一）起动阶段：
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）。
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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。
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◆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。
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1. 核蛋白体大小亚基分离
IF-1 IF-3
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2. mRNA在小亚基定位结合
5' IF-3
AUG
IF-1
3'
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S-D 序列(Shine-Dalgarno sequence) ：
在原核生物mRNA起始密码AUG上 游，存在4~9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)
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S-D序列
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3. 起始氨基酰tRNA与小亚基结合
IF-2 GTP
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
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4. 核蛋白体大亚基结合
IF-2 GGDTPPPi
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
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IF-2G-GGDTTPPPi
5'
AUG
3'
IF-3
IF-1
起始过程消耗1个GTP。
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◆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。
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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
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40S
elF-3
②
Met Met
③
Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP
mRNA
ATP elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB
ADP+Pi
60S
① eIF-2B、eIF-3、
eIF-6
40S
Met
elF-5
④
各种elF释放 GDP+Pi
60S
Met
真核生物翻译起始 复合物形成过5程8
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
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(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。
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• 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）
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肽链合成的延长因子
原核延 长因子
生物功能
EF-Tu 促进氨基酰-tRNA进入A位， 结合分解GTP