第十七章 蛋白质的生物合成（翻译） Protein synthesis，Translation 生化教研室 崔安芳 mRNA 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)。 n第一节 蛋白质生物合成体系 n第二节 氨基酸与tRNA的连接 n第三节 肽链的生物合成过程 n第四节 蛋白质合成后加工和靶向输送 n第五节 蛋白质生物合成的干扰和抑制 本章主要内容 蛋白质生物合成的体系 Protein Biosynthesis System 第 一 节 蛋白质合成的模板： 模板与氨基酸之间的接合体： 蛋白质合成的场所：核糖体 mRNA tRNA 酶及众多蛋白因子 如IF、eIF 能量：ATP、GTP 蛋白质合成的原料： 20种氨基酸 一、mRNA是蛋白质生物合成的信息模板 mRNA结构简图 l 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)。 起始密码(initiation coden): AUG 终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA 1968 Nobel Prize in Physiology 并受释放因子的作用后发生变构，表现出 酯酶的水解活性，使P位上的肽链与tRNA分离； 转位酶(translocase)，催化核蛋白体向mRNA3-端移 动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。 目录 36 起始因子（initiation factor，IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF） 目录 37 参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能 种类生物学功能 起始因子IF-1 占据核糖体A位，防止A位结合其他tRNA IF-2促进fMet-tRNAfMet与小亚基结合 IF-3促进大、小亚基分离；提高P位对结 合fMet- tRNAfMet的敏感性 延长因子EF-Tu 促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并分解GTP EF-TsEF-Tu的调节亚 基 EF-G有转位酶活性，促进mRNA-肽酰 -tRNA由A位移 至P位；促进tRNA卸载与释放 释放因子RF-1特异识别 UAA、UAG，诱导转肽 酶转变为酯 酶 RF-2特异识别 UAA、UGA，诱导转肽 酶转变为酯 酶 RF-3具有GTP酶活性，介导RF-1及RF-2与核糖体的相 互作用 参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能 种类生物学功能 起始因子eIF-1 多功能因子，参与翻译的多个步骤 eIF-2促进Met-tRNAiMet与小亚基结合 eIF-2B结合小亚基，促进大、小亚基分离 eIF-3结合小亚基，促进大、小亚基分离；介导eIF-4F复合物-mRNA 与小亚基结合 eIF-4A eIF-4F复合物成分；有RNA解螺旋酶活性，解除mRNA 5-端的 发夹结 构，使其与小亚基结合 eIF-4B结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUG eIF-4EeIF-4F复合物成分，识别结 合mRNA 的5帽结构 eIF-4G eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和PAB eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离 eIF-6促进大、小亚基分离 延长因子eIF1- 促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP，相当于EF-Tu eIF1-调节亚 基，相当于EF-Ts eIF-2有转位酶活性，促进mRNA-肽酰 -tRNA由A位移至P位，促进 tRNA卸载与释放，相当于EF-G 释放因子eRF 识别 所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能 第二节 氨基酸的活化 20种不同的氨基酸在氨酰-tRNA合成酶作用下 分别与相应的tRNA发生酯化反应，生成氨酰- tRNA 目录 40 第二节 氨基酸与tRNA的连接 目录 41 氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的 过程称为氨基酸的活化。 参与氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合成酶。 氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰-tRNA合成酶 一、氨基酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和 tRNA l氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和 tRNA都有高度特异性。 第一步反应 氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi n步骤 第二步反应 氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E ATP l氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度 特异性。 l氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity)当发生错配时，可以水解酯键，再重新 与正确的底物结合。 l蛋白质合成的错误率在1/10000，比DNA合成错误率 高很多。 目录 48 n氨基酰-tRNA的表示方法 丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla 精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg 甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet 各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的 氨基酰-tRNA表示为： 氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写 例如： n氨基酰-tRNA的书写： nAla-tRNAAla nMet-tRNAMet nfmet-tRNAfmet nMet-tRNAiMet 真核生物： Met-tRNAiMet(initiator-tRNA) 原核生物： fMet-tRNAfMet (N-formyl methionine) 与甲硫氨酸结合的tRNA，在真核生物中至少有两 种：tRNAimet和tRNAmet ； 原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸 ，即N-甲酰甲硫氨酸（ fMet ）。 二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨基 酰-tRNA 肽链的生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis 第 三 节 52 l翻译过程包括起始（initiation）、延长 （elongation）和终止（termination）三 个阶段。 l真核生物的肽链合成过程与原核生物的 肽链合成过程基本相似，只是反应更复 杂、涉及的蛋白质因子更多。 l起始(initiation) l延长(elongation) l终止(termination ) 一、原核生物的肽链合成过程： 模板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的过程。 一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成 （一）原核生物翻译起始复合物的形成 55 需要 1. 30S小亚基 2. mRNA 3. 起始fMet - tRNAfMet 4. 起始因子(IF1,IF2,IF3) 5. ATP，GTP 6. 50S大亚基 起始过程： 1. 核糖体大小亚基分离； 2. 核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子 附近； 3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位 ； 4. 核糖体大亚基结合形成起始复合物。 IF-3 IF-1 1. 核糖体大小亚基分离 防止大亚基过早结合 A U G53 IF-3 IF-1 mRNA如何准确定位？ 2. 核糖体小亚基结合于mRNA的起始密码子附近 S-D序列：mRNA起始密码上游的一段富含嘌 呤碱基的特殊保守序列，可与核糖体小亚基 16S-rRNA上富含嘧啶碱基的短序列相结合。 起始AUG由于与S-D序列邻近而与其它的AUG区别开来 Shine-Dalgarno sequence 61 lmRNA上邻近RBS下游，还有一段短核苷酸 序列，可被小亚基蛋白rpS-1识别并结合。 l通过上述RNA-RNA、RNA-蛋白质相互作 用，小亚基可以准确定位mRNA上的起始 AUG。 IF-3 IF-1 IF-2 GTP 3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位 A U G53 防止fMet-tRNAfMet进入A位 IF-3 IF-1 IF-2 GTPGDP Pi 4. 核糖体大亚基结合形成起始复合物 AUG 53 IF-3 IF-1 AUG 53 IF-2 GTP IF-2GDP Pi 翻译起始复合物：完整核糖体mRNAfMet-tRNAfMet （二）真核生物翻译起始复合物的形成 1. 核糖体大小亚基分离； 2. Met-tRNAiMet定位结合于小亚基P位； 3. mRNA与核糖体小亚基定位结合； 4. 核糖体大亚基结合。 metmet 40S40S 60S60S MeMet t MetMet 40S40S 60S60S mRNA eIF-2BeIF-2B、eIF-3eIF-3、 eIF-6 GDP+Pi 各种各种elFelF释放释放 elF-5 ATP ADP+Pi 帽子结合蛋白复合物（ elF4E, elF4G, elF4A）, elF4B,PAB Met Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP 图-真核生物翻译起 始复合物形成过程 66 67 真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂 ； 起始因子有数十种（命名较混乱），但只有2种 延长因子和1种终止因子。 起始氨基酸为Met，不是fMet。（如何与内部 Met区别？） 肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首先识别 mRNA的5端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG； 68 eIF-2B, eIF-3促进大小亚基分离（未显示） Met-tRNAiMet在结合了GTP的eIF2等起始因子协助下 结合于40S小亚基P位。 eIF4F复合物（组组成：eIF4E, eIF4G, eIF4A）结结合于 mRNA 5- CAP。 40s小亚基在eIF3协助下与mRNA及eIF4G结合。 真核生物翻译起始前复合物的形成： Met 69 ATP水解释放能量推动翻译 起始前复合物向3端前进“扫 描”，使Met-tRNAiMet准确定 位在起始密码子（机制？） eIF5促使结合于eIF2上的 GTP水解，并促使起始因子 的解离。 60S大亚基加入，形成完整 80S核蛋白体，翻译开始。 Met Met Met 70 Kozak序列 Marilyn Kozak Kozak序列是位于真核生物mRNA 5端帽子结构后面的一段核酸序列 ，通常是ACCACCAUGG，为18S rRNA提供识别和结合位点。对应 于原核生物的SD序列。 真核生物翻译起始复合物 Pab1p 72 l翻译起始复合物形成后，核糖体从 mRNA的5端向3端移动，依据密码子 顺序，从N端开始向C端合成多肽链。 二、在核糖体上重复进行的三步反应 延长肽链 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，又称核糖体循环。 n 包括以下三步： 1. 进位 (entrance) 2. 成肽 (peptide bond formation) 3. 转位 (translocation) 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。 n 延长过程所需的蛋白因子称为延长 因子(elongation factor, EF) l真核生物：eEF-1 、 eEF-1 、 eEF-2 目录 75 1. 进位（entrance） 又称注册(registration)， 是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进 入并结合到核糖体A位的过程。 目录 76 真核生物肽链延长过程 目录 77 2.成肽 成肽是指肽基转移酶（转肽酶）催化两 个氨基酸间肽键形成的反应。 肽基转移酶的化学本质：RNA，属于一种 核酶。 成肽 由转肽酶（rRNA核酶）催化的 肽键形成过程 目录 79 真核生物肽链延长过程 目录 80 3. 转位 指的是核糖体沿着mRNA的移位。 移位