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12 蛋白质的生物合成（翻译） Chapter 12 Protein Biosynthesis ， Translation

12 蛋白质的生物合成（翻译） Chapter 12 Protein Biosynthesis ， Translation. 本章重点与难点 重点：了解密码子的概念与特点； RNA 在蛋白质生物合成中的作用；蛋白质合成过程及合成后加工与运输。 难点：核糖体的结构；蛋白质合成过程；肽链合成后的加工与定向运输；蛋白质生物合成的干扰和抑制。. 什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列呢？. DNA: ATGCATGCATGC. 如何实现碱基序列到氨基酸序列的转变？. RNA: AUGCAUGCAUGC.

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12 蛋白质的生物合成（翻译） Chapter 12 Protein Biosynthesis ， Translation

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  1. 12 蛋白质的生物合成（翻译）Chapter 12 Protein Biosynthesis，Translation

  2. 本章重点与难点 重点：了解密码子的概念与特点；RNA在蛋白质生物合成中的作用；蛋白质合成过程及合成后加工与运输。 难点：核糖体的结构；蛋白质合成过程；肽链合成后的加工与定向运输；蛋白质生物合成的干扰和抑制。

  3. 什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列呢？ DNA: ATGCATGCATGC 如何实现碱基序列到氨基酸序列的转变？ RNA: AUGCAUGCAUGC PROTEIN: aa1 aa2 aa3 aa4

  4. 蛋白质的生物合成，即翻译或表达，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 。

  5. 参与蛋白质生物合成的物质包括 • 三种RNA • mRNA（作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序） • rRNA（蛋白体生物合成的场所） • tRNA（搬运氨基酸的工具） • 20种氨基酸(AA)作为原料 • 酶及众多蛋白因子，如IF、eIF • ATP、GTP、无机离子

  6. 一、翻译模板mRNA及遗传密码 • mRNA是遗传信息的携带者 • 遗传学将编码一个蛋白质或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mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron)。

  7. 3 5 PPP 蛋白质 3 mG - 5 PPP 蛋白质 非编码序列 核蛋白体结合位点 编码序列 起始密码子 终止密码子 原核生物的多顺反子 真核生物的单顺反子

  8. 我们已经知道,多肽上氨基酸的排列次序最终是由DNA上核苷酸的排列次序决定的，而直接决定多肽上氨基酸次序的是mRNA上的核苷酸的排列次序,不论是DNA还是mRNA都是由4种核苷酸构成，而组成多肽的氨基酸有20种,显然,必须是几个核苷酸的组合编码一个氨基酸才能应付局面.用数学方法很容易算出,如果每2个核苷酸编码1个氨基酸,那么4种核苷酸只有16中编码方式，显然不行,如果每3个核苷酸编码1个氨基酸,则有64种编码方式,很理想,如果4对1则有256种,太没必要也太复杂了,时刻记住生物体是一个最理想的体系.而且科学家们用生物化学实验已经证实是3个碱基编码1个氨基酸,称为三联体密码或密码子。我们已经知道,多肽上氨基酸的排列次序最终是由DNA上核苷酸的排列次序决定的，而直接决定多肽上氨基酸次序的是mRNA上的核苷酸的排列次序,不论是DNA还是mRNA都是由4种核苷酸构成，而组成多肽的氨基酸有20种,显然,必须是几个核苷酸的组合编码一个氨基酸才能应付局面.用数学方法很容易算出,如果每2个核苷酸编码1个氨基酸,那么4种核苷酸只有16中编码方式，显然不行,如果每3个核苷酸编码1个氨基酸,则有64种编码方式,很理想,如果4对1则有256种,太没必要也太复杂了,时刻记住生物体是一个最理想的体系.而且科学家们用生物化学实验已经证实是3个碱基编码1个氨基酸,称为三联体密码或密码子。

  9. 遗传密码的破译 在遗传密码的破译中,美国科学家M.W.Nirenberg等人做出了重要贡献 ,并于1968年获得了诺贝尔生理医学奖. 早在1961年，M.W.Nirenberg等人在大肠杆菌的无细胞体系中外加poly(U)模板、20种标记的氨基酸，经保温后得到了多聚phe-phe-phe，于是推测UUU编码phe。利用同样的方法得到CCC编码pro，GGG编码gly，AAA编码lys。 如果利用poly（UC），则得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推测UCU编码Ser，CUC编码Leu，因为poly（UC）有两种读码方式：UCU——CUC和CUC——UCU 采用这种方式，到1965年就全部破译了64组密码子。

  10. 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 coden)。在64个密码子中有61个编码氨基酸，3个不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用，称为终止密码子，它们是UAG、UAA、UGA，密码子AUG（编码Met）又称起始密码子。 起始密码(initiation coden): AUG ，GUG 终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA

  11. 遗传密码表

  12. 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个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。

  13. 遗传密码的特点 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，密码间既无间断也无交叉。

  14. 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)。

  15. 2. 简并性(degeneracy) 遗传密码共有64个，其中61个密码子对应20中氨基酸，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。

  16. 3. 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。 • 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。

  17. 4. 摆动性(wobble) 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。 5、方向性 即解读方向为5′→ 3′

  18. 摆动配对 U

  19. 反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。

  20. 密码子、反密码子配对的摆动现象

  21. 二、核蛋白体是多肽链合成的装置或场所

  22. 不同细胞核蛋白体的组成

  23. 核蛋白体的组成

  24. 大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。

  25. 原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式: P位：肽酰位 (peptidyl site) A位：氨基酰位 (aminoacyl site) E位：排出位 (exit site)

  26. 核糖体包括如下部位： 容纳mRNA的部位 结合氨基酰tRNA的部位（A－位点） 结合肽酰tRNA的部位（P－位点） 形成肽键的部位（转肽酶中心）

  27. 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）——受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）——给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。 （2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰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。

  28. 在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。 • 由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。

  29. 三、tRNA与氨基酸的活化 氨基酸臂 反密码环

  30. tRNA的三级结构示意图

  31. 氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸 + tRNA 氨基酰- tRNA ATP AMP＋PPi • 氨基酸的活化 • （一）氨基酰-tRNA合成酶 • (aminoacyl-tRNA synthetase)

  32. 第一步反应 氨基酸 ＋ATP-E —→ 氨基酰-AMP-E＋ AMP ＋ PPi

  33. 第二步反应 氨基酰-AMP-E ＋ tRNA ↓ 氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E

  34. tRNA与酶结合的模型 tRNA ATP 氨基酰-tRNA合成酶

  35. 氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 • 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

  36. （二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA 真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet

  37. 四、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，直至终止密码出现。 • 翻译的起始(initiation) • 翻译的延长(elongation) • 翻译的终止(termination ) 整个翻译过程可分为 ：

  38. 活化氨基酸的缩合——核蛋白体循环 • 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。 • 核蛋白体循环过程可分为起动、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，现以原核生物中的过程加以介绍。

  39. （一）肽链合成起始（翻译起始） 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)。

  40. 原核、真核生物各种起始因子的生物功能

  41. 1、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。

  42. 1）30S起动复合物的形成：在起动因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（fmet-tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。1）30S起动复合物的形成：在起动因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（fmet-tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。

  43. 2）70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。2）70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。 3）70S起动复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时，tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的给位（P位）。

  44. 在起始密码子AUG上游9-13个核苷酸处，有一段可与核糖体16S rRNA配对结合的、富含嘌呤的3-9个核苷酸的共同序列，一般为AGGA，此序列称SD序列。它与核糖体小亚基内16S rRNA的3’端一段富含嘧啶的序列 GAUCACCUCCUUA-OH（暂称反SD序列）互补，形成氢键。使得结合于30S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG。 • 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。

  45. S-D序列 ：mRNA上的AGGAGGU区域作为翻译起始信号，被称为Shine－Dalgarno顺序或S.D序列。

  46. 2、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。

  47. 40S elF-3 40S mRNA ② ATP met elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB ③ Met Met-tRNAiMet-elF-2-GTP ADP+Pi 60S Met elF-5 各种elF释放 eIF-2B、eIF-3、eIF-6 ④ ① GDP+Pi 60S Met 真核生物翻译起始复合物形成过程

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