生物化学第15章蛋白质生物合成课件.ppt

第15章,蛋白质的生物合成,15.1 蛋白质的合成体系15.1.1 mRNA15.1.2 核糖体15.1.3 tRNA,15.2 蛋白质的合成过程,15.2.1 氨基酸的活化15.2.2 活化氨基酸的转运15.2.3 肽链合成的起始15.2.4 肽链合成的延长15.2.5 肽链合成的终止,15.3 蛋白质合成后的加工15.4 蛋白质合成所需的能量15.5 蛋白质的定向转运15.6 蛋白质合成的抑制剂15.7 寡肽的生物合成,15. 1 蛋白质合成体系 P391,蛋白质的生物合成,蛋白质生物合成(protein bisynthesis)，也称翻译，在细胞代谢中占有重要地位，早期研究工作是用大肠杆菌的无细胞体系(cellfrees stem)进行；蛋白质生物合成在细胞质中进行；蛋白质合成的原料是氨基酸，反应所需能量由ATP和GTP提供，约占生物合成反应总耗能量的90%；,蛋白质的生物合成快速而复杂,以E.coil为例，蛋白质占细胞干重50左右。每个细胞中约有3000种不同的蛋白质分子，每种蛋白质又有无数分子，而大肠杆菌细胞的分裂周期不过20min，可见蛋白质生物合成的速度之快；蛋白质生物合成过程十分复杂，几乎涉及到细胞内所有种类的RNA和几十种蛋白质因子；真核细胞蛋白质合成机制与大肠杆菌有许多相似之处；,蛋白质合成过程有许多机制保证蛋白质合成的忠实性,15. 1. 1 mRNA P393,DNA上的遗传信息转录给mRNA；mRNA携带有为20种氨基酸编码的密码子和指导氨基酸掺入到肽链中的信息；P393表15-1是mRNA上的密码子：1. AUG：起始密码，也是甲硫氨酸的密码； 是蛋白质合成的起始信号；2. UAA、UGA、UAG：终止密码，是蛋白质合成的终止信号；,遗传密码基本特点 P394,略。,15. 1. 2 核糖体 P396,核糖体是蛋白质合成的部位；,核糖体存在部位,核糖体存在于细胞质中或细胞内膜上：1. 原核细胞中：核糖体或以游离形式分布在细胞质基质内，或附着在细胞质膜内侧，或与mRNA 结合形成串状的多核糖体；2. 真核细胞中：核糖体既可游离存在，也可与细胞内质网（真核细胞重要细胞器，属于细胞膜系统）结合，形成 粗面内质网；3. 线粒体、叶绿体及细胞核有自己的核糖体；,（1）核糖体的组成和结构 P396,核糖体是一个巨大的核糖核蛋白体； 由两个亚基构成：一个较大，一个较小； 1. 原核细胞核糖体： 70S亚基：由30S和50S亚基组成；2. 真核细胞核糖体： 80S亚基：由40S和 60S亚基组成；,表15-4,表15- 4,P397,（2）核糖体的功能,详见蛋白质合成过程；,15. 1. 3 tRNA P398,每一种组成蛋白质的氨基酸（20种），至少有一种tRNA负责转运，大多数氨基酸具有几种用来转运的tRNA；一个细胞中常含有50或更多的不同tRNA分子；书写时，将所运氨基酸写在tRNA的右上角，如 tRNAPhe及tRNASer分别表示转运Phe和Ser的tRNA；,tRNA分子上与多肽合成有关的位点 P398,1. 3端-CCA上氨基酸接 受位点；2.氨酰-tRNA合成酶识别 位点；3.核糖体识别位点；4.反密码子位点；,第二套密码系统 P398,tRNA分子中贮存的遗传密码称第二套密码系统；第二套密码系统专一性决定tRNA分子所携带的氨基酸，是保证蛋白质生物合成的忠实性机制之一；tRNA的反密码子中的核苷酸与mRNA中的第三个核苷酸配对时不严格遵循碱基配对原则；,15. 2 蛋白质的合成过程 P399,蛋白质合成是最复杂的生物化学过程之一，有上百种不同的蛋白质以及30多种RNA分子参与；,蛋白质生物合成反应分5个阶段 P399,1. 氨基酸的活化与转移；2.活化氨基酸的转运；3.肽链合成的起始；4.肽链合成的延长；5. 肽链合成的终止；,1. 多肽链合成方向：从N端向C端进行；2. mRNA上读码（翻译）方向：从mRNA 5端向3端进行;因mRNA从DNA模板的转录作用也由53进行，所以mRNA的转录还没有完成时，翻译就可以开始；,读码方向和肽链合成方向,15. 2.1 氨基酸的活化,氨基酸在参加蛋白质生物合成之前需要活化以获取能量;在氨酰-tRNA合成酶催化下，生成氨酰-AMP ： 氨基酸 + ATP 氨酰-tRNA合成酶 氨酰AMP-酶 + PPi 高能复合物在氨酰-AMP分子中，氨酰基同腺苷酸核糖C-5上的磷 酸基结合；,15. 2. 2 活化氨基酸的转运,氨酰AMP-酶的氨酰基转移给tRNA形成氨酰-tRNA ，再转移到核糖体上的一段反应；仍由氨酰-tRNA合成酶催化完成；氨酰-tRNA合成酶在转运时有校对作用：发现tRNA错 装氨基酸，能将氨基酸水解下来，并换上正确氨基酸；,在活化氨基酸的转移过程中，tRNA起3种作用,1. 为正确转运所需氨基酸，tRNA能识别专一性的氨酰-tRNA 合成酶（tRNA没有识别氨基酸的能力）； 2. tRNA能识别mRNA的密码子，将携带的氨基酸引到照 mRNA密码顺序特定的“座位上入座”；3. tRNA能使正在生长的肽链与参加转译的核糖体结合；对照P398 15.1.3 tRNA中所述4个位点。,氨酰-tRNA合成酶,1.有2个底物：氨基酸和相应的tRNA； 2.对底物具有高度专一性；3.有两个识别位点： 识别所需氨基酸并与之连接； 识别特定tRNA，将氨基酸转移给tRNA；4.催化活化氨基酸转运时同时进行氨基酸校对；酶的这种高度专一性和校对作用是保证遗传信息准确翻译的重要条件；,氨酰-tRNA合成酶催化的反应,1. 催化2个反应：氨基酸活化和转移；2. 每合成1个氨酰-tRNA，消耗1个ATP的2个高能磷酸键 1个用来形成氨基酸和tRNA之间的酯键； 1个用来驱使反应向前进行。,15. 2. 3 肽链合成的起始 P400,多肽合成在核糖体上完成；大肠杆菌中多肽链合成分三个阶段： 起始、延长、终止；,原核细胞合成蛋白质时的起始物是f Met - tRNAf（甲酰甲硫氨酰-tRNA）,f Met - tRNAfMet ：f 表示甲酰基； 即第一个氨基酸总是甲硫氨酸（ Met ）；见P401图15-7；,f Met-tRNAfMet 形成过程,核糖体和起始tRNA如何识别mRNA分子上起始密码AUG,mRNA分子5端序列对起始密码的选择有重要作用；mRNA上的起始密码子为AUG，少数为GUG；AUG与GUG还分别是链内Met与Val的密码子，f Met-tRNAfMet 怎样找到真正的起始密码子呢？通过SD序列；,SD序列 2-1 P395,SD序列：细菌（原核生物）的mRNA在离起始密码子AUG 5侧约10个核苷酸处有一段富含嘌呤的核苷酸序列，称 （49个核苷酸长度）；SD序列与30S核糖体亚基中的16S rRNA3 末端一部分核苷酸序列互补，这部分碱基配对使核糖体与mRNA结合，使起始 tRNA找到mRNA上真正的起始密码子；,SD序列 2-2 P396图15-4,真核生物如何识别起始密码子,通过扫描机制寻找起始密码： 其mRNA通常只为一条多肽链编码，核糖体与mRNA 5端结合之后，通过一种扫描机制向3移动寻找起始密码，翻译起始于从核糖体进入部位向下游扫描到的第一个AUG序列； （mRNA5末端的帽子结构可能对于核糖体进入部位的识别起到一定作用）；,真核生物核糖体识别mRNA上AUG的位点,原核生物：形成70S起始复合物 P401,主要参与物；（1）eIF-l6： 多种起始因子；（2）30S、50S、fMet - tRNAf、mRNA；（3）能量：GTP；分3步：,起始复合物的形成,P401 图15-7,（1）形成30S-mRNA-IF复合物： 在IF-2，3促成下，30S同mRNA结合形成；（2）形成30S起始复合物(30S-mRNA-fMet-tRNAf-GTP- IF-1-IF-2复合物) ： 30S-mRNA-IF-3复合物在IF-1、IF-2参加下与fMet- tRNAf及GTP结合形成，放出IF-3；（3）形成70S起始复合物： (70S-mRNA-fMet-tRNAf) 50S的加入和GTP的水解形成，释出IF-1和IF-2；fMet-tRNAf位于70S核糖体的P位置（接受肽基）上；,真核生物：形成80S起始复合物 P402,自己阅读。,15. 2. 4 肽链的延长： P402,从70S起始复合物开始，肽链延长过程包括3步： （1） 进位； （2）转肽； （3）移位；主要参与物：（1）EF-T：延长因子，有EF-Tu、EF-Ts 、EF-G；（2）能量：GTP；（3）新来的氨酰- tRNA；,核糖体上有接受肽基的P位和接受氨酰基的A位,1. P位：fMet-tRNAfMet在P位；2. A位：新来的AA- tRNA进A位并成肽；3. fMet-tRNAfMet移到A位成肽；4 .肽基移到P位，A位空，又接受新来的氨酰- tRNA；,70S,（1）进位,P402图15-8,（2）转肽 P403图15-9,fMet tRNA上fMet到A位，其上的羧基与新来的氨酰-tRNA上的氨基形成肽键；空载的tRNA仍在P位；转肽酶催化反应；,（3）移位, tRNA从P位脱落； 形成的肽链由A位移到P位； A位空； 移位酶（G蛋白）催化核糖体移位：在mRNA 上移动一个密码子；,P284图13-8,肽链延长详述,（1）进位：在mRNA指导下， 氨酰-tRNA与70S的A位结合，EF-T和GTP参加；除fMet-tRNAf外，一切氨酰-tRNA都需与EF-Tu-GTP结合后才能同70S起始复合物的A位结合；fMet-tRNAf不能同EF-Tu结合，所以fMet-tRNAf不被引到 A位；,（2）转肽：, 在转肽酶（肽基转移酶）催化下，P位上fMet-tRNAf的fMet基转给A位上新来氨酰-tRNA，fMet的羧基与A位新来氨基酸的NH2基结合形成肽键，由GTP提供能量； 无载荷的OH-tRNAf留在P位上；,（3）移位: fMet-tRNAf的肽基转移给新来的氨酰-tRNA形成肽键后： 脱落： P位上的OH-tRNAf离开P位；移位：A位上的氨酰-tRNA移到P位，A位空，供下轮肽键延长时新来氨基酸结合之用；移位：同时，核糖体沿mRNA的5向3方向移动1个密码子，mRNA的下一个密码子进入A位，被前来参加蛋白质合成的新氨酰-tRNA反密码子识别，将氨基酸引进预定位置；需移位酶（G因子）和GTP参加；,15. 2. 5 肽链合成的终止 P404,主要参与物（表13-3）：（1）R：释放因子 ： R1：识别UAA和UAG； R2：识别UAA和UGA；（2）终止密码子：UAA，UGA和UAG ；当肽链延长到终止密码时（即转译到终止密码时）， RF在A位上同终止密码结合，肽链延长停止；,肽链的释放,在P位上，R（释放因子） 水解肽链与tRNA间的酯键；70S复合物解体；,真核细胞蛋白质生物合成起始复合物,1. 合成肽链的起始物：Met - tRNA；2. 起始复合物：80S起始复合物；3. 起始因子：eIF；,肽链合成结束后,1. 被释出的多肽链按照各自的遗传特定方式折叠成有独特构象的蛋白质分子；2. tRNA可再作为活化氨基酸的载体；3. 70S核糖体解离成30S和50S亚基，准备另一个蛋白质分子合成；4. mRNA只能使用一次或数次，便被核糖核酸酶降解，新合成的mRNA不断从细胞核转移到核糖体上，以保证蛋白质合成持续进行；,蛋白质合成过程总结,15. 3 蛋白质合成的后加工 P405,由mRNA翻译出来的多肽链，多数是没有功能的，一般要经过各种方式的“加工处理”才能转变成为有一定生物学功能的蛋白质。加工的方式很多，主要包括8种：掌握：8种加工方式中任意3种，不要求详细步骤。, N端甲酰基或N端氨基酸的除去：原核细胞蛋白质经去甲酰基酶水解除去N端的甲酰基，然后在氨肽酶的作用下再切去1个或多个N端的氨基酸； 真核细胞中N端的甲硫氨酸常常在肽链的其他部分还未完全合成时就已经水解下来。, 信号肽的切除：某些蛋白质在合成过程中，在新生肽链的N端有一段信号肽(约1530个氨基酸残基)，由高度疏水性氨基酸组成，这种强的疏水性有利于多肽链穿过内质网膜，当多肽链穿过内质网膜，进入内质网腔后立即被信号肽酶作用,将信号肽除去。 二硫键的形成：mRNA中没有胱氨酸密码子，胱氨酸中的二硫键是通过2个半胱氨酸-SH基的氧化形成的。, 氨基酸的修饰：有些氨基酸如羟脯氨酸、羟赖氨酸没有对应的密码子，这些氨基酸是在肽链合成后由羟化酶催化使氨基酸羟化而成。 切除一段肽段：某些蛋白质合成后要经过专一的蛋白酶水解，切除一段肽段，才能显示生物活性。 加糖基：糖蛋白中的糖链是在多肽链合成中或合成后通过共价键连接到相关的肽段上。, 辅基的附加 ：许多蛋白质的活性需要共价结合的辅基。这些辅基是在多肽链离开核糖体后才与多肽链结合的。如乙酰-COA羧化酶与生物素的共价结合，以及细胞色素与血红素的共价结合等； 多肽链的折叠：蛋白质的一级结构决定高级结构，所以合成后的多肽链能自动折叠。但是在细胞中并不是所有蛋白质合成后都能自动折叠，现已发现了1个能帮助其他蛋白质折叠的蛋白质，称分子伴侣或多肽链结合蛋白，有些蛋白质在分子伴侣的帮助下，折叠成正确构象。,15. 4 蛋白质合成所需能量 P406,由ATP和GTP提供能量；蛋白质合成反应不可逆；能量保证表达的准确性；,15. 5 蛋白质的定向转运（阅读） P407,蛋白质定向地到达其执行功能的目标地点，称为定向转运（protein targeting）；原、真核生物新合成的蛋白质须转运到特定亚细胞部位或运输到胞外才能发挥其相应的功能，尤其在真核生物中，新合成的多肽被送往溶酶体、线粒体、叶绿体、细胞核等细胞器；蛋白质的加工修饰也在特定的细胞器中进行；,蛋白质的定向转运机制 信号肽理论,多肽链中的信号序列（信号肽）控制蛋白质在细胞内的转移与定位；,正在合成的多肽链进入内质网加工的8个步骤,在细胞溶胶中的核糖体大、小亚基附着在mRNA上形成蛋白质合成的起始复合物，开始蛋白质合成；信号序列即信号肽最早出现于合成过程中，因为它处于N端；信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）是一种核蛋白，由1分子7S RNA和6个不同的多肽组成。当多肽合成到约70个氨基酸长时，它识别信号序列，并与核糖体结合，阻止肽链延长或使延长速度减慢，防止未成熟蛋白质释放入细胞溶胶中；,正在合成的多肽链进入内质网加工的8个步骤,核糖体-信号识别颗粒复合物，通过SRP与内质网上的SRP受体（停泊蛋白，docking protein ）结合；新生肽链被传递到内质网的一个多肽转移复合物上，伴随GTP的水解，信号识别颗粒解离并重新进入SRP循环并被利用；蛋白质合成重新开始，在ATP驱使下，转移复合物将正在生长的多肽转递进内质网腔；信号肽被信号肽酶切除；肽链合成完毕，核糖体从内质网膜上解离重新进入核糖体循环。,15. 6 蛋白质合成的抑制剂（要求制药专业掌握）,许多抗生素及毒素可抑制蛋白质合成:1.氯霉素、四环素、链霉素：抑制原核细胞的翻译，不作用于真核细胞，氯霉素只结合70S核糖体(原核)不与80S(真核)核糖体结合。氯霉素对人的毒性可能与线粒体蛋白质合成受到抑制有关；链霉素、新霉素、卡那霉素与原核细胞30S核糖体相结合，可引起密码错读；,2.嘌呤霉素对蛋白质合成的抑制作用发生在成肽上；嘌呤霉素的结构与AA-tRNA3端上的AMP残基结构相似。肽酰转移酶也能促使氨基酸与嘌呤霉素结合，形成肽酰嘌呤霉素，但其连键不是酯键，而是酰胺键；肽酰-嘌呤霉素复合物很易从核糖体上脱落，从而使蛋白质合成过程中断。,3.由白喉棒状杆菌所产生的白喉毒素是一种蛋白质，由寄生于某些白喉杆菌内的溶源性噬菌体的基因组所编码。白喉毒素可以与EF-2（延长因子）结合，可以抑制肽链的移位作用，抑制蛋白质合成。几微克毒素足以致人于死命；,15.7 寡肽的生物合成,略。,原核细胞与真核细胞在蛋白质合成上的区别,全面复习本章后总结。,本章重点,1.蛋白质的生物合成过程概要：5个步骤概要； 涉及到的重要酶和复合物：mRNA，tRNA，核糖体（真、原核），氨酰-tRNA，氨酰-tRNA合成酶，转肽酶，移位酶，起始物，（70S，80S）起始复合物，起始氨基酸） ；2.原核细胞与真核细胞在蛋白质合成上的主要区别；3.蛋白质合成后的加工：掌握其中任意3种方式，不要求详细步骤；4.蛋白质合成所需能量：5个步骤中，哪个步骤需ATP，哪个步骤需GTP；5.制药专业掌握：蛋白质生物合成的抑制剂和抑制机理。,习 题,1. P411思考题。4题：书面和电子版。,