生化14 蛋白质的生物合成(翻译)

40S
elF-3
② met
Met Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP
ATP
mRNA
③
elF4E, elF4G, elF4A,
elF4B, PAB
ADP+Pi
60S
①
eIF-2B、eIF-3 eIF-6
40S
60S
Met
elF-5
④
各种elF释放 GDP+Pi
真核生物翻译起始
Met
复合物形成过程
参与的蛋白质因子、酶及酶的辅助因子 起始因子、延长因子、释放因子、转
肽酶、氨基酰-tRNA合成酶
一、mRNA是蛋白质合成的模板
mRNA是遗传信息的携带者
• 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) 。
肽基转移酶变为酯酶活性，催化肽酰 基转移到水分子-OH上，使肽链从核 糖体上释放，并水解GTP。
（一）进位
又称注册(registration)
指根据mRNA下 一组遗传密码指导， 使相应氨基酰-tRNA 进入核糖体A位。
延长因子EF-T催化 进位（原核生物）
Tu TGsTP
Tu GDP
Ts GTP
5'
AUG
3'
目录
（二）成肽
指在肽基转移酶的作用下，将P位点 的肽酰基转移到A位点的氨基酰-tRNA上， 在A位形成肽键，使肽链延长。
1. 起始Met-tRNAiMet不需甲酰化 2. eIF种类多 3. 小亚基先与Met-tRNAiMet结合, 再与
mRNA结合 4. mRNA与40s亚基的结合依靠帽子结合
蛋白(CBP)与mRNA帽子结构的识别结合 5. ATP和GTP供能
二、肽链延长
指根据mRNA密码序列的指导，次 序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链， 直到合成终止的过程。
3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到 小亚基
IF-2 GTP
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
4. 核蛋白体大亚基结合，70S起始复合物形成
IF-2 GGDTPPPi
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
原核生物各种起始因子(IF)的生物功能
起始因子
生物功能
IF-1 占据A位防止结合其他tRNA；阻止大 小亚基的结合
遗传密码的特点 1. 方向性
mRNA分子中遗传密码阅读方向 是从 5→3
2. 连续性
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 无间断也无交叉。
基因转录后存在一种对mRNA外显子 加工过程，通过特定碱基的插入、缺失 或置换，导致mRNA的移码、错义突变 或提前终止，使得同一mRNA前体翻译 出序列、功能不同的蛋白质。这种基因 表达的调节方式称为mRNA编辑 (mRNA editing)。
翻译的延长(elongation)
翻译的终止(termination )
一、翻译的起始
指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别 与核糖体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。
参与这一过程的多种蛋白质因子， 称为起始因子(initiation factor, IF)。
AMP＋PPi
第一步反应：酶找相应的氨基酸
氨基酸 ＋ATP-E —→ 氨基酰-AMP-E ＋ AMP ＋ PPi
第二步反应：酶找相应的tRNA
氨基酰-AMP-E ＋
tRNA
↓
氨基酰-tRNA ＋
AMP ＋ E
氨基酰tRNA合成酶的活性是绝对专 一性的，酶同时对氨基酸和tRNA高 度特异地识别。
肽链延长在核糖体上连续性循环式进行， 称为核糖体循环(ribosomal cycle)，每次 循环增加一个氨基酸。
每次循环包括以下三步：： – 进位(entrance) – 成肽(peptide bond formation) – 转位(translocation)
延伸过程所需蛋白因子称为延长因子 (elongation factor, EF) 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 真核生物：eEF-1 、eEF-2
已发现少数例外，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。
5. 摆动性
转运氨基酸的tRNA的反密码需要通 过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向 配对结合，但反密码与密码间不严格遵 守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。
摆 动 配 对
UU
密码子、反密码子配对的摆动现象
另外，真核细胞核糖体没有E位，转 位时卸载的tRNA直接从P位脱落。
肽链合成的延长因子
原核延长因 子
生物功能
对应真核延长 因子
EF-Tu EF-Ts
促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分 解GTP
调节亚基
EF-1-α EF-1-βγ
EF-G
有转位酶活性，促进肽酰-tRNA由A 位前移到P位，促进卸载tRNA释放
生化14 蛋白质的生物合成(翻译)
目录
生化14 蛋白质的生物合成(翻译)
目录
蛋白质的生物合成，即翻译，就是 将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗 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20种氨基酸的 排列顺序 。
第一节
蛋白质生物合成体系
Protein Biosynthesis System
目录
mRNA在原核生物核糖体小亚基定位涉及： (1) S-D序列 (Shine-Dalgarno, RBS) (2) rps识别序列
mRNA在真核生物核糖体小亚基定位涉及：
(1) GCC(A/G)CCAUGG (2) 多种蛋白质因子,如帽子结合复合物eIF-4F
真核生物各种起始因子的生物功能
eIF-2：单体GTP结合蛋白, 促进起始 Met-tRNAiMet与40S小亚基结合
tRNA反密码子 第1位碱基
I
U G AC
mRNA密码子 第3位碱基
U, C, A A, G U, C U
G
二、核糖体是多肽链合成的装置
组成、结构与功能特点：
结构复杂而精密 由数种rRNA（占60%左右）及多种蛋
白质组成。
rRNA起着主导的作用，蛋白质协助维 持rRNA的功能区域。
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（二）氨基酰-tRNA的表示方法
真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet
大肠杆菌起始密码子编码的met须甲酰化
CH3
CH3
S
转甲酰基酶
S
CH2
N10-CHO-FH4
CH2
CH2
H2N CH COO tRNAfMet
O
CH2
H-C-HN CH COO tRNAfMet
氨基酰tRNA合成酶有20种，分别特 异性识别相应的20种氨基酸和相应的 tRNA。
tRNA与 酶结合的 模型
tRNA
ATP
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性 (proofreading activity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法：
Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet
eIF-4B：结合mRNA, 促进mRNA扫描定位 起始AUG
eIF-4E：eIF-4F复合物成分, 结合mRNA的 5´端帽子结构
eIF-4G：eIF-4F复合物成分, 连接eIF-4E、 eIF-3和PABP等组分
PAB：PolyA结合蛋白结合3´端polyA尾
真核生物与原核生物翻译起始的不同点
• 真核细胞mRNA只编码一种蛋白质，为 单顺反子(single cistron) 。
原核生物的多顺反子
5 PPP
3
真核生物的单顺反子
5 mG - PPPห้องสมุดไป่ตู้
蛋白质
3
蛋白质
非编码序列
核糖体结合位点
编码序列
起始密码子
终止密码子
mRNA上存在遗传密码
mRNA分子上从5至3方向，由AUG 开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上 某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终 止信号，称为三联体密码(triplet code)。
起始密码 (initiation codon): AUG 终止密码(termination codon):
UAA，UAG，UGA
遗 传 密 码 表
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，每个 三联体密码连续排列编码一个蛋白质多 肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。
EF-2
三、翻译的终止
当核糖体A位出现mRNA的终止密码 后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA 中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分 离，这些过程称为肽链合成终止。
终止相关的蛋白质因子称为释放因子 （release factor，RF）
RF-1：UAA，UAG
RF-2：UAA，UGA RF-3：促进RF-1或RF-2与核糖体结合，诱导
IF-2 促进起始tRNA与30S小亚基结合
IF-3 结合30S小亚基，促进大小亚基分离； 提高P位对结合起始tRNA敏感性
（二）真核生物的翻译起始过程
核糖体大小亚基分离 起始氨基酰-tRNA结合； mRNA与核糖体小亚基结合 小亚基沿mRNA扫描查找起始点 80S起始复合物形成
(adaptor) 的作用。
密码子—tRNA反密码子—氨基酸是对号入座。
如：密码子GGU--携带反密码子ACC的tRNA-Gly
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（一）氨基酸的活化与氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase)
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA
氨基酰- tRNA
ATP
eIF-2B：鸟苷酸交换因子(GEF), 将eIF-2上的 GDP交换成GTP
eIF-3：最先与40S小亚基结合, 促进大小亚基 分离
eIF-5：水解GTP, 促进各种起始因子从核糖 体释放, 进而结合大亚基
eIF -6：促进核糖体分离成大小亚基
eIF-4A：eIF-4F复合物成分, 有解旋酶活性, 有利用mRNA扫描
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 (frameshift mutation)。
3. 简并性
遗传密码中，除Met、Trp外，其 余氨基酸均由2个以上密码子为其编码。 同义密码子
但每一个密码子仅对应一个氨基酸。
不同物种对密码子有“偏爱性” 。
4. 通用性
蛋白质生物合成的整套密码，从原核 生物到人类都通用。
（三）转位
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 糖体向mRNA的3'侧移动。
目录
fMet fMet
Tu GTP
5'
AUG
3'
进 位
成肽 转 位
（四）真核生物延长过程
真核生物肽链合成的延长过程与原 核基本相似，但有不同的反应体系和延 长因子。
真核细胞起始密码子编码的met不须甲酰化
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第二节
蛋白质生物合成过程
The Process of Protein Biosynthesis
翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始， 按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽 链，多肽链的合成是从N端向C端，直至 终止密码出现。
整个翻译过程可分为 翻译的起始(initiation)
核 糖 体 的 组 成
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原核生物翻译过程中核糖体结构模式
P位：肽酰位 (peptidyl site) A位：氨基酰位 (aminoacyl site) E位：排出位
(exit site)
三、tRNA是蛋白质合成的搬运工具
氨基酸臂
反密码环
tRNA的三级结构
tRNA的功能 搬运氨基酸 活化氨基酸 在密码子与对应氨基酸之间起适配器
参与蛋白质生物合成的物质包括 三种RNA
–mRNA（messenger RNA, 信使RNA） –rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA） –tRNA（transfer RNA, 转移RNA）
合成原料 20种氨基酸 (AA)
能源 ATP主要参与氨基酸的活化
GTP提供翻译起始、延长、终止阶段 所需能量
（一）原核生物的翻译起始过程
核糖体大小亚基分离 mRNA在小亚基上定位结合 起始氨基酰-tRNA的结合 70S起始复合物形成
1. 核蛋白体大小亚基分离
IF-1 IF-3
2. mRNA在小亚基定位结合
5'
3'
AUG
IF-1
IF-3
S-D序列 (Shine-Dalgarno, RBS) rps (ribosomal protein in small subunit)