蛋白质生物合成的机制

4.4.2翻译的起始
在模板mRNA编码区 端形成核糖体 编码区5’端形成核糖体在模板 编码区 端形成核糖体 mRNA-起始 起始tRNA复合物 复合物, 起始 复合物 (甲酰 甲硫氨酸放入核糖体 位点。 甲酰)甲硫氨酸放入核糖体 位点。 甲酰 甲硫氨酸放入核糖体P位点
30S亚基能与 亚基能与mRNA结合 结合(IF3参加，识别起始 参加， 亚基能与 结合 参加 密码子AUG），在IF1参与下，30S参与下， 密码子 ） 参与下 mRNA-IF3进一步与 进一步与fMet-tRNAf、GTP结 进一步与 、 结 并释放IF3，形成30S复合物：30S复合物： 合，并释放 ，形成 复合物 mRNA- fMet-tRNAf 30S起始复合物与 起始复合物与50S大亚基相结合，形成 大亚基相结合， 起始复合物与 大亚基相结合 70S复合物时，消耗一分子 复合物时， 复合物时 消耗一分子GTP，并释放出 ， IF1和IF2。 和 。
(2) 核 糖体 结合位 点也含 有一个 信号 起 始密码 子 （ initiation codon）－AUG。 ） 。
4.4.3肽链的延伸 肽链的延伸
延伸的三个阶段： 延伸的三个阶段： 的三个阶段
主要是密码子-反密码子的识别； ⑴进位反应：主要是密码子-反密码子的识别；
肽链的形成； ⑵转肽反应：肽链的形成；
核糖体沿mRNA移动与肽基-tRNA的移位这两 个过程是耦联的。
每次循环需要三个延伸因子：EF-Tu、Ts、EFG和2分子的GTP，在mRNA密码子指导下，肽 链延伸一个氨基酸。
延伸因子(Elongation factor，EF） 延伸因子 ， ）
延伸因 子 E F 4500 T u EF-T E F 3000 T s EF-G 80000 + EF-Ts帮助EF-Tu完成GDP被GTP取代， EF-Ts帮助EF-Tu完成GDP被GTP取代， 帮助EF 完成GDP 取代 恢复活性 + EF-Tu-GTP结合氨基酰-tRNA（ EF-Tu-GTP结合氨基酰-tRNA（延伸 结合氨基酰 tRNA）进入核糖体A位与mRNA mRNA结合 tRNA）进入核糖体A位与mRNA结合 MW GTP 结合 能力 生物学活性
白 质 合 成 各 阶 段 的 主 要
3．肽链的延伸 2．肽链的起始 1．氨基酸的活化
成 分 简 表
4．肽链的终止 5．折叠和加工
4.4.1氨基酸的活化 4.4.1氨基酸的活化
氨基酸在掺入肽链前必须活化， 氨基酸在掺入肽链前必须活化 ， 在胞液中 进行。 进行。 氨基酸的活化是指各种参加蛋白质合成的 AA 与 携 带 它 的 相 应 的 tRNA 结 合 成 氨 酰 tRNA的过程 活化反应在氨酰 的过程。 氨酰tRNA 的过程 。 活化反应在 氨酰 -tRNA 合成 的催化下进行。 酶的催化下进行。 活化反应分两步进行： 活化反应分两步进行：
OH
P
P P
O H O C-C-R NH3 +
氨基酸活化的总反应式是： 氨基酸活化的总反应式是：
氨酰氨酰-tRNA 合成酶
氨基酸+ATP+tRNA →氨酰 氨酰氨基酸+ATP+tRNA +H2O →氨酰-tRNA+AMP+PPi 20种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰 tRNA合成 种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰20种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰-tRNA合成 氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性 合成酶具有高度的专一性， 酶。氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性，它既能识 别相应的氨基酸（ 构型） 别相应的氨基酸 （ L- 构型 ） ， 又能识别与此氨基酸 相对应的一个或多个tRNA 分子；即使AA AA识别出现错 相对应的一个或多个tRNA 分子；即使AA识别出现错 此酶具有水解功能， 可以将其水解掉。 误 ， 此酶具有水解功能 ， 可以将其水解掉 。 这种高 度的专一性保证了氨基酸与其特定的tRNA准确匹配， 准确匹配， 度的专一性保证了氨基酸与其特定的 准确匹配 从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。 从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。 tRNAIle——携带Ile的tRNA 携带Ile的 携带Ile Ile异亮氨酰Ile- tRNAIle——异亮氨酰-tRNAIle 异亮氨酰
蛋
阶段 必需组分 20种氨基酸 20种氨基酸 20种氨基酰 tRNA合成酶 种氨基酰20种氨基酰-tRNA合成酶 20种或更多的 种或更多的tRNA 20种或更多的tRNA ATP， ATP，Mg2+ mRNA 甲酰甲硫氨酰N-甲酰甲硫氨酰-tRNA mRNA上的起始密码子 AUG） 上的起始密码子（ mRNA上的起始密码子（AUG） 核糖体小亚基 核糖体大亚基 GTP， GTP，Mg2+ 起始因子（IFIFIF起始因子（IF-1，IF-2，IF-3） 功能核糖体（起始复合物） 功能核糖体（起始复合物） AAAA-tRNA 伸长因子 GTP， GTP，Mg2+ 肽基转移酶 ATP MRNA上的终止密码子 MRNA上的终止密码子 释放因子（RFRF- RF释放因子（RF-1，RF-2，RF-3） 参与起始氨基酸的切除、 参与起始氨基酸的切除、修饰等加工过程的酶
AA-AMP1、 活化 ： AA-AMP-E复合物的形成
Mg 2+
AA+ATP+E
Mn
2+
AA-AMP-E +PPi AA-AMP-
O = -
E-CR1-C-O ~P-O- CH2 腺嘌呤 NH2 O OH O
高能酸苷键
OH OH
2、 转移
AA-AMPAA-AMP-E+ tRNA 氨酰氨酰-tRNA +AMP+E C CA
5’
图4-17 细菌中肽链延 伸的第二步反应：键 的生成。
3、移位
在EF-G（移位酶）的作用下，核糖体沿mRNA5 → 3’方向 EF移位酶）的作用下，核糖体沿mRNA5’→ mRNA5 方向 移动，每次移动一个密码子的距离，结果使原来在A 移动，每次移动一个密码子的距离，结果使原来在A上的肽 tRNA移到了 位点，原来在P位点的无负载的tRNA 移到了P tRNA离开核 酰-tRNA移到了P位点，原来在P位点的无负载的tRNA离开核 糖体，同时一个新的密码子进入空的A位， EF-G 催化的移 糖体，同时一个新的密码子进入空的A EF- 催化的移 位过程需水解GTP提供能量。肽链合成从 GTP提供能量 位过程需水解GTP提供能量。肽链合成从N-C。
4.4 蛋白质合成的生物学机制
中心法则指出，遗传信息的表达最终是 中心法则指出， 合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质， 合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质 ， 这种 mRNA上所携带的遗传信息 上所携带的遗传信息, 以mRNA上所携带的遗传信息,到多肽链上所携 带的遗传信息的传递， 带的遗传信息的传递 ， 就好象以一种语言翻 译成另一种语言时的情形相似 ， 所以称 以 mRNA 为 模 板 的 蛋 白 质 合 成 过 程 为 翻 译 (translation)。 (translation)。 蛋白质合成过程十分复杂， 需要mRNA mRNA、 蛋白质合成过程十分复杂 ， 需要 mRNA 、 tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与 和多种蛋白因子参与。 tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。
重新参与下一轮循环
2、转肽
肽酰转移酶
在肽酰转移酶的作用下P位点上fMet在肽酰转移酶的作用下P位点上fMet-tRNAf的甲酰 fMet 甲硫氨酸从相应的tRNA上解离下来， tRNA上解离下来 COOH与刚进 甲硫氨酸从相应的tRNA上解离下来，其-COOH与刚进 位的氨酰-tRNA上的 上的- 形成肽键（实质是A 入A位的氨酰-tRNA上的-NH2形成肽键（实质是A位点 氨酰-tRNA氨基亲核攻击酯键羰基），无负荷的tRNA 氨基亲核攻击酯键羰基），无负荷的 氨酰-tRNA氨基亲核攻击酯键羰基），无负荷的tRNA 留在P 此时A位点携带一个二肽。 留在P位，此时A位点携带一个二肽。 AA fMet P A AA-fMet 3’ 5’ P A 3’
IF-2
+
IF-3
IF-3a IF-3β
20668 19997
-
•
现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子 有两个， 即甲硫氨酸的密码子(AUG) (AUG)和缬氨酸 有两个 ， 即甲硫氨酸的密码子 (AUG) 和缬氨酸 的密码子(GUG)( 极少出现) (GUG)(极少出现 原核生物中, 的密码子 (GUG)( 极少出现 ) 。 在 原核生物中 , 起始密码子AUG 起始密码子AUG 所编码的氨基酸并不是甲硫氨 酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸 甲酰甲硫氨酸。 酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸。 fMet-tRNAifMet fMetfMet-tRNAf的形成 N10-甲酰 4 甲酰FH 甲酰
(1) 小 亚 基 上 16SrRNA3′ 端 的 (3′-UCCUCC-5′ ） 和 Shine-Dalgarno 顺 序 （ 5′-AAACAGGAGG-3′ 原 核 生物mRNA上嘌呤区）互补，相互结合，使下游的 上嘌呤区） 生物 上嘌呤区 互补，相互结合， AUG起始密码子定位在 位上。 起始密码子定位在P位上 起始密码子定位在 位上。
起始因子(Initiation factor，IF） 起始因子 ， ）
Ecoli三种 三种:IF1 IF2 三种 IF的性质特点： 的性质特点： 的性质特点
IF IF-1 IF-2a IF-2b 不同 形式 MW 9500 117000 85000 GTP结合 结合 能力 -
IF3
生物学活性
无特异功能， 无特异功能，但具有加强 IF2和 和 IF3的活性作用。 的活性作用。 的活性作用 生成IF2-GTP-fMet-tRNAfmet与 生成 前起始复合物结合形成30S三元 前起始复合物结合形成 三元 复合物 1.使得 使得30S与mRNA结合，形成 结合， 使得 与 结合 前起始复合物。 前起始复合物。 2.解离活性，使70S核糖体颗粒 解离活性， 解离活性 核糖体颗粒 解离为30S和50S亚基。 亚基。 解离为 和 亚基
⑶移位反应：tRNA和mRNA相对核糖体的移动 和 相对核糖体的移动
1、进位
促进氨酰促进氨酰-tRNA 进入 位与mRNA mRNA结合 A位与mRNA结合
新的氨酰- tRNA进入 进入A 需要消耗GTP 并需EF Tu（ GTP， EF新的氨酰- tRNA进入A位。需要消耗GTP，并需EF-Tu（热不稳 ,EF-Ts（热稳定）两种延伸因子。 定）,EF-Ts（热稳定）两种延伸因子。 EF-Tu-GTP+下一个要进入的氨酰-tRNA→ 形成复合物， EF-Tu-GTP+下一个要进入的氨酰-tRNA→ 形成复合物，将这个氨 下一个要进入的氨酰 送入核糖体A 同时GTP GTP→ 酰-tRNA 送入核糖体A位，同时GTP→ GDP + Pi，EFTu-GDP释放。 Pi，EFTu-GDP释放。 释放 EF-TuEFEF-Tu-GDP+ EF-Ts EF-TuEF-Tu-Ts + GTP EF-TuEห้องสมุดไป่ตู้-Tu-Ts + GDP EF-TuEFEF-Tu-GTP + EF-Ts
蛋白质合成的场所是核糖体, 蛋白质合成的场所是核糖体, 场所是核糖体 原料是20种 氨基酸， 原料是20种L-氨基酸， tRNA则是模板与氨基酸之 则是模板与氨基酸之 间的接合体，反应所需能量 间的接合体，反应所需能量 ATP、GTP提供 提供， 由ATP、GTP提供，此外还有 2+、 2+、K+ 等金属离子参与。 等金属离子参与。 Mg
5’
P A A P P A A P A P
3’
5’
3’
图4-18 细菌中肽链延伸的 第三步反应：移位。核糖体 ：移位。 通过EF-G介导的 介导的GTP水解 通过 介导的 水解 所 提 供 的 能 量 向 mRNA 模 末端移动一个密码子， 板3’末端移动一个密码子， 末端移动一个密码子 使二肽基-tRNA完全进入 完全进入P 使二肽基 完全进入 位 ,准备开始新一轮肽链延 准备开始新一轮肽链延 伸。
甲酰化酶
Met-tRNAf +
fMet-tRNAf + FH4
真核生物：Met-tRNAMet。真核生物无甲基化过程，起 真核生物无甲基化过程， 真核生物
始氨基酸是Met,起始tRNA为 始氨基酸是Met,起始tRNA为tRNAiMet Met,起始tRNA
图4-12翻译起始复合 物的形成。
翻译时第一个密码子如何被识别的？ 翻译时第一个密码子如何被识别的？