蛋白质生物合成及加工.ppt

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1、2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,第16章 蛋白质生物合成及加工,第一节 遗传密码的破译第二节 蛋白质的合成过程第三节 蛋白质的加工、修饰及转运,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,第一节 遗传密码的破译,mRNA的翻译:按照mRNA上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程.,将mRNA中4种核苷酸的语言解读为蛋白质中20种氨基酸的语言翻译（Translation）,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 S

2、chool Pharmacy of Yantai University,20世纪50年代Paul Zamecnik将同位素标记的氨基酸注射到大鼠体内,分析不同时间肝脏内氨基酸的分布.时间长了会在任何地方都有,但注射后数分钟检测,全部跑到含有RNA的小颗粒中(即核糖体,ribosome).,蛋白质的合成发生在粗面内质网上,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,Crick比较了核酸和氨基酸的大小和形状后,认为不可能在空间上互补,对核酸蛋白质的信息传递作了以下预测：1)一种分子转换器,使信息从核酸序列转换成氨基酸序列

3、,这种分子很可能是核酸；3)不论以何种方式进入蛋白质翻译系统,都必须与模板形成氢键；4)有20种分子转换器,每种氨基酸一个；5)每种氨基酸必定有一个对应的酶,催化与特定的分子转换器结合.Crick还预言一个氨基酸对应三个核苷酸。,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,Crick预言的分子转换器(adaptor),2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,mRNA分子中每三个相临碱基组成一个密码子,代表一种氨基酸,或起始信号,或终止信

4、号mRNA上的四种碱基可组成64个密码子,其中61个代表不同的氨基酸,其余三个代表终止信号.,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,破译密码的必备条件：,要有确定的已知序列的mRNA要有同位素标记的氨基酸,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,证明三联体密码的三个著名实验的示意图,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,A、1961年,Marsha

5、ll Nirenberg合成了poly(U),将它放入20根试管中,每根试管中加入了大肠杆菌细胞质抽提物和一种有同位素标记的氨基酸.反应一段时间后用TCA(三氯乙酸)将蛋白质沉淀下来,测定同位素的量,结果发现在加了同位素标记Phe的试管的沉淀物中同位素含量特别高,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,B、1964年也是由M.Nirenberg等人完成的.首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体,然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育.由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接的是那一种氨基酸.该实验对于几种密

6、码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,C、由Khorana等人完成.利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列,以此多聚核苷酸作模板,在体外进行蛋白质合成,发现可生成三种重复的多肽链.若从A翻译,则合成出多聚Ile,即AUC对应Ile；若从U翻译,则合成出多聚 Ser,即UCA对应Ser；若从C翻译,则合成出多聚 His,即CAU对应 His.这是因为体外合成是无调控的合成,可以随机地从A、或U、或C翻译，所以有三种重复的多肽链生成.,2023年10月4日4时50分

7、,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,通过Nirenberg和Khorana两位科学家的辛勤工作,于1966年全部密码都被破译.共有64个密码,其中61个密码是编码氨基酸的，其余3种是终止密码，两位科学家获得了诺贝尔奖。,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,遗传密码表,第一位 5端,第三位 3端,第二位,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,1.连续性(commaless)

8、:编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读,密码间无间断、无交叉,遗传密码的特点,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,2.通用性(universal)：在所有生物中都一样，但在线粒体、支原体等中有少量变化,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,3.简并性(degeneracy)除Met,Trp外,其余氨基酸均由2个以上密码子编码.同义密码子.所对应的密码子的多少与该氨基酸在生物中的利用度成比例.但每一个密码子仅对应一个氨基

9、酸,不同物种对密码子有“偏爱性”,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,并不是一个tRNA对应一个密码子,一般只有三十几种tRNA来对应61个密码子,因此需有个机制让tRNA“偷懒”.这就是Crick的摆动性假说.,4.摆动性(wobble),2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,开放读码框架(open re

10、ading frame,ORF)mRNA链上,从5至3,以AUG为起点,每三个碱基作为一个密码子连续阅读,直至出现终止密码子,AUG至终止密码子之间称为ORF,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,核糖体蛋白质合成“工厂”核糖体的基本功能:结合mRNA,在mRNA上选择适当的区域开始翻译密码子(mRNA)和反密码子(tRNA)的正确配对肽键的形成存在:核糖体可游离存在,真核中,也可同内质网结合,形成粗糙内质网 原核中,与mRNA形成串状多核糖体,第二节 蛋白质的合成过程,2023年10月4日4时50分,烟台大学

11、药学院 School Pharmacy of Yantai University,mRNA,大肠杆菌核糖体的结构,原核与真核生物的核糖体比较,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,原核生物翻译过程中核糖体结构模式:,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,第一步 氨基酸的活化Activation of A

12、mino Acids第二步 起始 Initiation第三步 延伸 Elongation第四步 终止与释放Termination&Release第五部 折叠和修饰 Folding and Posttranslational Processing,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,tRNA的结构特征,与氨酰-tRNA合成酶结合,与核糖体结合,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院

13、School Pharmacy of Yantai University,氨酰-tRNA的合成(Aminoacyl-tRNA),2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,氨酰-tRNA的结构,细胞中一般只有二十种氨酰-tRNA合成酶,不同tRNA与同一氨基酸的结合均由同一个酶催化.合成酶有很强的校对功能.,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,氨基酰tRNA合成酶的活性是绝对专一性的,酶同时对氨基酸和tRNA高度特异地识别.氨基酰t

14、RNA合成酶有20种,分别特异性识别相应的20种氨基酸和相应的tRNA氨基酸,氨基酰tRNA合成酶,tRNA及mRNA上的密码子是一对一的关系,从而保证了遗传信息从mRNA准确地传递到蛋白质上,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,各种氨基酰tRNA的表示方法,丙氨基酰tRNA：ala-tRNAala,精氨基酰tRNA：arg-tRNAarg,甲硫氨基酰tRNA：met-tRNAmet,起始密码子AUG编码的met由tRNAimet(真核)或ftRNAifmet(原核)转运.,tRNAimet和tRNAfmet

15、称为起始者(initiator)tRNA,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,Howard Dintzis1961年证明蛋白质的合成方向:从N端到C端,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,细菌,线粒体和叶绿体中第一个氨基酸是甲酰化Met(fMet),连接在专用的tRNA上.因此Met有两个不同的tRNA对

16、应同一个AUG密码子.真核生物细胞是Met,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,fMet-tRNA的形成,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,原核与真核的翻译起始复合物有较大的差别,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,原核翻译起始复合物依赖于16SrRNA与mRNA的相互作用,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School P

17、harmacy of Yantai University,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,原核生物多肽合成延伸过程示意图,注意使用GTP而非ATP,是因为GTP会导致蛋白质构象的变化,容易从核糖体上脱落,注册,成肽,转位,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,核糖核

18、蛋白体循环注册,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,核糖核蛋白体循环成肽,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,肽键形成机制,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,核糖核蛋白体循环转位,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,2023年10月4日4时50分,烟台大

19、学药学院 School Pharmacy of Yantai University,大肠杆菌中有三种释放因子RF1,RF2和RF3.RF1识别A位的UAG和UAA,RF2识别A位的UGA和UAA,它们均可从tRNA上切离肽链并将tRNA从P位赶走RF3的功能不明,一般认为是它将30S和50S分开真核生物中只有一种RF,称为eRF,承包所有的工作,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,聚核糖体(polysome)可以加快蛋白质合成,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy o

20、f Yantai University,原核生物中转录与翻译偶连在一起,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,一、多肽链的修饰,1、肽链的N端修饰：去除N端fMet残基,第三节 蛋白质的加工、修饰及转运,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pha

21、rmacy of Yantai University,2、信号肽及部分肽段的切除,蛋白质完成跨膜运输，信号肽酶切除信号肽 往往还含有一段与活性无关的其他肽段，切除后才能形成有活性的蛋白质,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,3、蛋白质肽链的修饰,二硫键的形成：2个Cys-SH间脱氢氧化,辅助因子的连接：与糖、脂类、HA、血红素等结合形成结合蛋白质,亚基聚合：Hb的4个亚基聚合成四级结构,个别氨基酸的化学修饰,编码氨基酸：20种；蛋白质AA：100种编码AA化学修饰,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学

22、院 School Pharmacy of Yantai University,磷酸化：Ser、Thr、Tyr羟基化：Pro、Lys酰基化：His甲基化：Trp核糖基化：Arg,意义：调节蛋白质功能,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,二、多肽链的折叠,新生肽链折叠：分子伴侣、折叠酶折叠酶（Foldase）类：催化与折叠有关的化学反应的酶目前已知2个：二硫键异构酶（PDI）：使错误二硫键变成正确连接脯氨酰异构酶（PPI）：改变Pro构型,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharma

23、cy of Yantai University,分子伴侣（Molecular chaperone）：帮助新生肽链进行非共价折叠的一类蛋白质.热休克蛋白、伴侣素等,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,分子伴侣帮助新生肽链的正确折叠,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,泛酰蛋白质的合成,蛋白质的降解,酸性N-末端蛋白质的修饰在蛋白质降解系统中的作用,被蛋白质降解系统识别,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 Schoo

24、l Pharmacy of Yantai University,泛酰蛋白质降解的途径,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,蛋白质的合成部位：核糖体,合成后的去向：,1）保留在胞浆2）进入细胞核、线粒体或其它细胞器3）分泌至体液（胞外）运输到靶器官和靶细胞,靶向运输（Protein targeting）,蛋白质合成后，定向到达其执行功能的目标地点,三、蛋白质的转运,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,1、分泌性蛋白质：,穿过合

25、成所在的细胞到其他组织细胞的蛋白质肽类激素、血浆蛋白、凝血因子、抗体蛋白,胰蛋白酶原、凝血酶原,信号肽：蛋白质的N端存在一段由疏水性AA构成的肽段，引导蛋白质穿越膜结构,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,1040个AA残基组成；三个区段,信号肽的共同结构,1）N端带正电荷的氨基酸：Lys、Arg等碱性AA2）中间：1015或更多的疏水AA区段：Leu、Ile等 利于分泌性蛋白进入膜结构3）C端能被信号肽酶裂解的部位：Ala、Gly、Ser、Cys；跨膜运输完成，信号肽酶识别并切割信号肽,2023年10月4日

26、4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,信号蛋白的特定序列：引导蛋白质运输至特定的靶器官、组织或细胞结构 A的信号肽接到B蛋白，B蛋白就到达A蛋白的到达区,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,1）蛋白质在核糖体合成，首先合成出信号肽（段）2）信号肽被信号识别体（SRP）蛋白结合，肽链延伸停止3）SRP与内质网膜ARP受体结合，核糖体与膜上核糖体受体结合4）SRP释放5）肽链延长重新开始，完成蛋白质合成6）信号肽酶切除信号肽，蛋白质释放入内质网腔内,

27、蛋白质靶向运输到内质网,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,蛋白质的分泌,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,2、线粒体蛋白质的运输 由核基因编码的线粒体外膜蛋白质的N端有导肽，起信号肽的作用，可以与外膜上的相应位点相识别，导肽富含带正电荷的氨基酸及Ser、Thr。3、细胞核蛋白的运输 依靠核定位序列（nuclear localization sequence，NLS）可存在于肽链的不同部位，富含Lys，Arg，Pro,2023年10月4日4时50分,烟台大学药学院 School Pharmacy of Yantai University,第四节 影响蛋白生物合成的药物,