第十二章 蛋白质生物合成_课件.ppt

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1、蛋白质生物合成,体内蛋白质合成的过程称为蛋白质生物合成。将mRNA分子中核苷酸（或碱基）的顺序转变蛋白质分子中氨基酸残基的顺序的过程称为翻译。相当于，把核酸中的A、G、C、U/T 4种碱基组成的遗传信息，破译为蛋白质分子中的20种氨基酸排列顺序。翻译的过程有三个阶段：起始，延长，终止。,第一节 三种RNA在蛋白质生物合成中的作用,一、mRNA的模板作用mRNA是蛋白质多肽链合成的直接模板。mRNA将DNA的遗传信息传递给蛋白质，是基因表达时的中介，所以又称信使RNA。每一种mRNA至少能指导合成一条多肽链。,遗传密码（又称密码子，简称密码）：mRNA分子中含有AGCU四种不同的碱基所代表的核苷

2、酸。从53方向每3个相邻的核苷酸组成一个三联密码即遗传密码。可组成64种不同的密码。包含：20种氨基酸，起始密码，终止密码。,背景环境分析,蛋白质生物合成体系基本原料：20种编码氨基酸模板：mRNA适配器：tRNA装配机：核蛋白体主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等能源物质：ATP、GTP无机离子：Mg2+、K+,背景环境分析,mRNA的基本结构,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，称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。,背景环境分析,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,背景环境分析

3、,遗传密码的特点：1连续性,编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。,背景环境分析,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。,背景环境分析,2.方向性,翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。,背景环境分析,3简并性 在遗传密码表中，共有64组密码（43）。其中，3组作为翻译的终止密码（UAA、UAG和UGA）；AUG兼作翻译的起始密码（AUG是蛋氨酸的密码），其余61组密码（包括AUG作为亮氨酸的密码）共同编码20种-氨基酸。因此，必然有一种氨

4、基酸由多组密码编码的现象，称为密码的简并性。实际上，除色氨酸与蛋氨酸（由一个密码编码）外，其余氨基酸均由两个或两个以上的密码编码（26个）。,背景环境分析,各种氨基酸的密码子数目,背景环境分析,4通用性:无论原核生物如病毒、细菌等和真核生物包括人类都共用一套遗传密码即三联体密码。只是不同生物对密码子具有偏爱性。,背景环境分析,（二）tRNA是搬运氨基酸的工具1.tRNA的结构,背景环境分析,tRNA分子中与蛋白质合成有关的位点：1）氨基酸结合位点；2）氨酰-tRNA合成酶识别位点；3）核糖体识别位点；4）反密码位点：反密码与密码结合时方向相反。即反密码的第1、2、3位碱基分别与密码的第3、2、

5、1位碱基配对。,背景环境分析,反密码与密码配对时，反密码的第2、3位碱基分别与密码的第2、1位碱基配对时严格遵循碱基配对规则（即A与U、G与C配对），而反密码的第1位碱基与密码的第3位碱基配对时不严格遵循碱基配对规则，后者成为摆动配对或不稳定配对（wobble base pair）。,摆动配对情况 通过摆动配对，使得携带有同种氨基酸的不同tRNA分子可分别结合在几种同义密码上。如反密码为IGC的丙氨酰-tRNA，可分别结合到同义密码GCU、GCC、GCA上（GCU、GCC、GCA均为编码丙氨酸的密码）。摆动配对的存在对于保持生物物种的稳定具有重要意义。,tRNA是氨基酸与遗传密码间的适配器,2

6、.氨酰-tRNA 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：丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet起始者甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAiMet延长甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAeMet,在生物体内，一种tRNA只能与一种氨基酸结合（即一种tRNA只能搬运一种氨基酸），而一种氨基酸可与一种以上的tRNA分子结合，所以，tRNA的种类(80种以上）比氨基酸（20种）多。,(三)核糖体是蛋白质生物合成的场所 核糖体是肽链合成的“装配

7、机”。胞质中核糖体种类：游离的核糖体-合成细胞固有蛋白 与粗面内质网结合的核糖体-合成带有信号肽的分泌性蛋白质 核糖体由大、小亚基组成，其组成成份包括rRNA和蛋白质。,不同细胞核蛋白体的组成,在核糖体上，与蛋白质生物合成有关的主要结构有：1有容纳mRNA的部位；2有结合氨酰-tRNA的部位，称为氨酰基部位，简称A位;有结合肽酰-tRNA的部位，称为肽酰基部位，简称P位；3.有结合蛋白质因子的部位；4有转肽基酶（transpeptidase）存在，可催化肽键的形成；5.具有延长因子依赖的GTP酶活性。A位和P位呈紧密相邻，每个部位的宽度正好相当于mRNA上一个遗传密码的宽度。,mRNA与核糖体

8、的结合 原核生物核糖体的小亚基的rRNA（16S）的3末端有一富含嘧啶的区段，可与mRNA分子的起始部位的一段富含嘌呤的区段互补结合，使mRNA结合至核糖体上。mRNA分子中的这段富含嘌呤的区段称为S-D序列(通常为GGAGGU)。S-D序列位于mRNA的5端紧接起始信号的上游。,原核生物mRNA的S-D序列及其与16SrRNA的结合,三、蛋白质生物合成过程 蛋白质的生物合成过程包括：氨基酸的活化与转运活化氨基酸在核糖体上形成多肽链。后者是蛋白质生物合成的中心环节，又称核糖体循环。翻译后加工,第二节 蛋白质生物合成的基本过程,氨基酸的活化与转运（准备阶段）肽链合成的起始肽链的延长肽链的终止翻译

9、后的加工修饰,氨基酸与tRNA的结合需要氨酰tRNA合成酶催化，并需要消耗ATP。,一、氨基酸的活化与转运,氨基酸的活化是指氨基酸与tRNA结合为氨基酰-tRNA的过程，称为氨基酸的活化。在胞质中进行。,第一步反应,第二步反应,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。绝对专一性：1个A.A对应1个氨基酰tRNA合成酶催化反应：活化A.A-活化“-COOH”，消耗2个ATP，产 物氨酰tRNA酶的两个位点：结合位点-结合正确的A.A，活化 水解位点-保证A.A序列的正确性(校正活性),氨基酰-tRNA合成酶,二、肽链起始阶段 是指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结

10、合而形成翻译起始复合物的过程。基本过程：1.核蛋白体大小亚基分离；2.mRNA在小亚基定位结合；3.起始氨基酰-tRNA的结合；4.核蛋白体大亚基结合。,指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。,1.进位/注册2.转肽3.移位,三、肽链延长阶段,肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，包括以下三步：,每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。,1.进位,又称注册，是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核蛋白体A位的过程。,进位需要延长因子EF-Tu与EF-Ts参与。,2.转肽,转肽是在转肽酶的催化下，核蛋白体P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基

11、或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA的-氨基结合形成肽键的过程。,3.移位,转位是在转位酶（延长因子EF-G）的催化下，核蛋白体向mRNA的3-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程。,移位需要延长因子EF-G参与。,肽链合成延长(核蛋白体循环)过程,四、肽链终止阶段,指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。,终止阶段需要释放因子RF-1、RF-2和 RF-3参与。,RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶

12、活性，能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。,释放因子的功能：,识别终止密码子,RF-1特异识别UAA、UAG；RF-2特异识别UAA、UGA。,诱导转肽酶转变为酯酶活性,催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。,原核肽链合成终止过程,五、肽链合成后的加工修饰阶段新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰。翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。,几种加工修饰方法,1、水解修饰的作用2、个别氨基酸残基的共价修饰作用3、二硫键的形成4、亚基间的聚

13、合和连接辅基,蛋白质生物合成具有重要的意义,第三节 蛋白质生物合成的临床应用,一、分子病 是由于DNA分子上基因的遗传信息缺陷，引起mRNA分子异常和合成蛋白质异常，是蛋白质分子一级结构发生改变所致的疾病的总称。例如：镰刀形红细胞性贫血（人类发现的第一个）分子病是一种遗传病,二、干扰素抗病毒感染,干扰素(IFN)是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。干扰素分为-（白细胞）型、-（成纤维细胞）型和-（淋巴细胞）型三大类，每类各有亚型，分别具有其特异作用。,干扰素抑制病毒的作用机制有两方面：,一是干扰素在某些病毒双链RNA存在时，能诱导特异的蛋白激酶活化，该活化

14、的蛋白激酶使eIF-2磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质合成；二是干扰素能与双链RNA共同活化特殊的2-5寡聚腺苷酸（2-5A）合成酶，催化ATP聚合，生成单核苷酸间以2-5磷酸二酯键连接的2-5A，经2-5A活化核酸内切酶RNase L，后者可降解病毒mRNA，从而阻断病毒蛋白质合成。,干扰素的作用机制:,1.干扰素诱导eIF2磷酸化而失活,2.干扰素诱导病毒RNA降解,抗生素,抗生素是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。,三、蛋白质生物合成的阻断剂,许多抗生素可影响DNA的复制，转

15、录及翻译过程，从而通过抑制细菌或肿瘤蛋白质的合成，发挥抗菌抗肿瘤的作用。1、复制过程的阻断剂例：放线菌素、丝裂霉素2、转录过程阻断剂例：利福霉素、利福平3、翻译过程阻断剂例：链霉素、卡那霉素,常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用,四、基因工程技术,（一）基因工程的概念 基因工程又称基因拼接技术，是在体外用人工方法将不同来源的基因与基因载体重组，导入适当的宿主细胞（细菌或其他物质细胞）内进行复制，随着细胞增殖，DNA重组体得到扩增，再通过基因表达得到大量产物的技术成为基因工程，也成重组DNA技术。,（二）基因工程常用的载体,载体：一种运载工具1、质粒2、噬菌体3、病毒,（三）基因工程常用的工具酶,1、限制性内切酶2、DNA连接酶3、DNA聚合酶4、其他酶类,（四）基因工程的主要步骤,1、目的基因的获取2、基因载体的选择与制备3、目的基因与载体的拼接和重组4、重组DNA分子导入宿主细胞5、重组DNA分子的筛选与鉴定6、目的基因的表达,（五）基因工程的应用,1、基因工程药物2、基因诊断3、基因治疗4、遗传病的预防,作 业,1、遗传密码的几个重要特点2、加工修饰常见的几种方式,