蛋白质的生物合成 课件.ppt

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1、蛋白质的生物合成Protein Biosynthesis,第 十一 章,本章内容,第一节 蛋白质生物合成体系 第二节 蛋白质生物合成过程 第三节 蛋白质合成后加工和输送 第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制（主要自学）,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。,蛋白质的生物合成，即翻译，以mRNA为模板形成蛋白质的过程，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。,

2、20世纪生物化学史上的三大进步,Zamecnik证明了蛋白质合成的场所是核糖体发现氨基酸被激活后,与tRNA结合Crick推测tRNA的功能是适配器,导致遗传密码的阐明,蛋白质合成体系,第一节,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,参与蛋白质生物合成的物质包括,三种RNAmRNA（messenger RNA,信使RNA）rRNA（ribosomal RNA,核糖体RNA）tRNA（transfer RNA,转移RNA）,蛋白质合成的场所（工厂）是核糖体；运输氨基酸到模板上的是t适配器；模板是m；氨基酸变为活化态与t共价结合形成氨酰t，催化这个过

3、程的酶叫氨酰t合成酶。,一、mRNA-模板,m RNA是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。,原核生物和真核生物mRNA的比较,原核细胞mRNA的结构特点,5,3,先导区,AGGAGGU,SD区,半衰期短许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在AUG作为起始密码；AUG上游712个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区，16S rRNA3-端反向互补而使mRNA与核糖体结合。,真核细胞mRNA的结构特点,m7G-5ppp-N-3 p,帽子结构功能使mRNA免遭核酸酶的破坏使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。,P

4、oly(A)尾巴的功能是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性,AAAAAAA-OH,二、氨基酸转运工具tRNA,反密码子环,氨基酸臂,*tRNA的一级结构特点 含 1020%稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC,tRNA的二级结 三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,*tRNA的三级结构 倒L形,*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,密码子与反密码子的配对关系,反密码子,tRNA,5,3,A U C,5,mRNA,3,密码子,1 2 3,1、tRNA的结构特

5、征三叶草型二级结构,2、tRNA的功能,（1）被特定的氨酰-tRNA合成酶识别，使tRNA接受正确的活化氨基酸。,（2）识别mRNA链上的密码子。,（3）在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生长的多肽链与核 糖体的作用。,在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。,三、蛋白质合成的工厂-核 糖 体,核糖体是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。,2、核糖体的功能,1、核糖体的结构和组成,核糖体的组成,原核生物核糖体的组成,占RNA总量的80,功能:参

6、与组成核蛋白体，作为蛋白 质生物合成的场所。,特征：单链，螺旋化程度较tRNA低 与蛋白质组成核糖体后方能 发挥其功能,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨酰基位(aminoacyl site),P位：肽酰基位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),四、氨酰-tRNA合成酶,氨酰-tRNA合成酶的特点,a、专一性：对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一 的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。对tRNA 具有极高专一性。（第二遗传密码系统）,b、校对作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以 水解错误活化的氨基酸。,氨基酸的活化,E,氨基酸,ATP

7、+,氨酰腺苷酸,E-AMP,PPi,第一步,AMP,第二步,E,氨基酸的活化,3-氨酰-tRNA,1.氨酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。2.氨酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity)。3.氨酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet,生物体内有两种tRNA用于运转蛋氨酸：起始密码子AUG；用于中间参入的密码子AUG分别标记为：Met-tRNAMet 和fMet-tRNAfMet只有一种蛋氨酸的氨酰tRNA合成酶,起始肽链合成的氨酰-tRNA,真核生物：Met-tRNAMet-蛋氨酰tR

8、NA原核生物：fMet-tRNAfMet-N-甲酰蛋氨酰tRNA,五、什么是遗传密码和密码子？,遗传密码:DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。,Established the chemicalstructure oftRNA,Established the in vitro system for revealing the genetic codes,Devised methods to synthesize RNAs wit

9、h definedsequences,（1）、三联体密码的破译,2、以随机共聚合指导多肽的合成,例：以随机共聚物A、C为模板，任意排列可 出现8种三体，获得六种氨基酸组成的多肽。,1、以均聚物为模板指导多肽的合成,3、以特定的共聚物为模板指导多肽的合成,4、核糖体结合技术,以均聚物为模板指导多肽的合成,PolyU为模板，产生的多肽链为Polyphe,PolyA为模板，产生的多肽链为Polylys,PolyC为模板，产生的多肽链为Polypro,以特定的共聚物为模板指导多肽的合成,（1）以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽、PolyUG的模板，合成产物为Lys和Val。,（2）以多聚

10、三核苷酸作为模板，可得三种氨 基酸组成的多肽。,All 64 geneticcodes,（2）几个基本概念,错义蛋白:在阅读一个mRNA分子，开始时阅读框就必须正确无误，如果在阅读框开始时错过一个或两个碱基，或在mRNA上的核糖体偶然跳过了一个核苷酸,随后的所有密码子将会与原来不同，从而导致错义蛋白。起始密码子（initiation codon)：AUG，多肽链开始的 信号。终止密码子（termination codon)：也称无意义密码子，多肽链终止的信号，UAA、UAG、UGA。Trp和Met是唯一密码子编码的。,1.连续性,（3）、遗传密码的特点,编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续

11、阅读，密码间既无间断也无交叉。,2.简并性(degeneracy),遗传密码共有64个，其中61个密码子对应20种氨基酸，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。,3.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。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码子的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,4.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。,5、方向性 即解读方向为5 3,U,摆动配对,密码子、反密码子配对的摆

12、动现象Crick 提出的摆动学说,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，连续50个以上密码子排列编码，无终止密码子，这段顺序称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。,（4）什么是开放阅读框？,蛋白质的生物合成过程,第二节,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：,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。,一、原核生物的翻译过程,（一）起始阶段1.核蛋白体大小亚基分离-IF3；2.mRNA与小亚基结合；3

13、.起始氨基酰-tRNA与小亚基结合；4.核蛋白体大亚基结合；,S-D序列-富含嘌呤 引导mRNA 的起始密码子到30S小亚基的正确位置,蛋白质合成起始需要的因子,30S小亚基mRNA起始fMet-tRNAfMet起始因子-IF1、IF2、IF3GTP50S大亚基,肽链合成的起始,30S亚基 mRNA IF3-IF1复合物,30S mRNA GTP-fMet tRNA-IF2-IF1复合物,70S起始复合物,mRNA+30S亚基-IF3,IF-1,70S起始复合物,70S起始复合物的组分,甲酰甲硫氨酰t（mRNA)3050起始因子、g,起始因子的功能,IF1-占据A位，防止结合其他的氨酰tRNA

14、;IF2-促进起始氨酰tRNA与小亚基的结合；IF3-促进大小亚基的结合，提高P位的敏感性。,（二）延长阶段,肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：1.进位(entrance)2.成肽(peptide bond formation)3.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：EF-1、EF-2,肽链的延长,进位,肽键形成,移位,进位,(TuTs),肽键形成,3,（EF-G）,Tu/Ts的作用机理,（三）终

15、止阶段 与终止相关的蛋白因子称为释放因子(release factor,RF)原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3，RR,识别终止密码自，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。R3：影响释放速度。,释放因子的功能,肽链合成的终止及释放,（1）释放因子RF1或RF2进入核糖体A位。（2）多肽链的释放（3）70S核糖体解离,RF,释放因子：也称终止因子，在肽键延伸过程中，当终止密码子出现在核糖体的A位时，蛋白多肽链合成即终止。释放因子使核糖体与mRNA分离，大肠杆菌有三种释放因子，真核生物中有一个释放因子eLF

16、。延长因子：蛋白质合成过程中肽链延伸所需的特 异蛋白质因子TU、TS和G。70S起始复合物：核糖体70S与mRNA、fmettRNA 形成的复合物，它的形成标志着肽链延伸的开始。,二、真核生物多肽链的合成（自学）,1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2、起始氨基酸为Met，不是fMet；3、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；4、起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子；5、真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。,真核细胞蛋白质合成的特点,核糖体为80S，由60S的大亚基和40S

17、的小亚基组成起始密码AUG起始tRNA为MettRNA起始复合物结合在mRNA 5端AUG上游的帽子结构，真核mRNA无富含嘌呤的SD序列（除某些病毒mRNA外）已发现的真核起始因子有近9种（eukaryote Initiation factor，eIF）eIF4A.eIF4E.P220复合物称为帽子结构结合蛋白复合物（CBPC）肽链终止因子（EF1 EF1）及释放因子（RF）,线粒体、叶绿体内蛋白质的合成同于原核细胞,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,肽链合成的延长因子,蛋白质合成后加工和输送,第三节,主要包括,多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰高级结构的修饰 靶向输送,一、

18、多肽链折叠为天然构象的蛋白质,（一）分子伴侣(molecular chaperon)分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。1.热休克蛋白(heat shock protein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族 2.伴侣素(chaperonins)GroEL和GroES家族,伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程,伴侣素的主要作用为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。,（二）蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫

19、键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。,（三）肽-脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl cis-trans isomerase,PPI)肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。,二、一级结构的修饰,（一）肽链N端的修饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰,三、高级结构的修饰,（一）亚基聚合（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接,四、蛋白质合成后的靶向输送,蛋白质的靶向输送(protein targeting)蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞

20、靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。,信号序列(signal sequence),蛋白质生物合成的干扰和抑制,第四节,一、抗生素类抗生素抑制蛋白质生物合成的原理,二、其他干扰蛋白质生物合成的物质,（一）毒素(toxin)-真核生物（二）干扰素(interferon),原核生物与真核生物蛋白质合成的区别,（1）起始复合物形成所参与的因子不同 原核：IF1、IF2、IF3、70S核糖体 真核：9种起始因子参与（EIF1，EIF2，EIF3，EIF4（a、b、c、d、e、f）EIF5，EIF6）和80S核糖体（2）起始复合物形成的次序差异 原核：30S+mRNA 前起始复合物+50S 70S起始复合物 真核：40S与EIF3和EIF4C形成的43S复合物，再与mRNA结 合形成48S前起始复合物，再与60大亚基结合形成80S 起始复合物（3）延长和终止的差异 延长：基本过程相似，但参与因子不同 原核：EFTU、EFTS、EFG 真核：EF1、EF1、EF2（G）终止：原核：RF1、RF2、RF3、RR 真核：RF,