生物化学_蛋白质的生物合成.ppt

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1、第十三章 蛋白质的生物合成（翻译） Biosynthesis of Protein or Translation,蛋白质生物合成的概况,概念：以mRNA为模板合成蛋白质的过程，又称翻译。 原料：20种氨基酸（1954年 Paul Zamecnik等） 中介分子：tRNA、mRNA、rRNA 分子(1958年M.B.Hoagland等)。 64个遗传密码（19611966Nirenberg等） 合成方向：从肽链的N端到C端（1961年Howard Dintzis） 合成场所：核糖体 合成体系建立：（19731976年）,第一节 蛋白质生物合成的基本条件,20种aa,mRNA,tRNA,核糖体,氨

2、酰tRNA合成酶,肽酰转移酶,转位酶,各种因子,ATP、GTP,K+、Mg2+,一、 mRNA是蛋白质合成的直接模板,（一）mRNA的一般特点： 种类繁多 大小不一：5006000个碱基 半衰期短：原核生物13分钟，真核生物数小时或几天 占细胞总RNA：1%2% 真核mRNA的5端有N7-甲基鸟苷的“帽状”结构：具有稳定mRNA及有助于翻译起始的作用 3 端有20250个多聚腺苷酸（PolyA）的“尾状”结构：具有维持mRNA翻译模板的活性 *（组蛋白除外）,翻译时是从mRNA编码区的起始密码子开始至终止密码子结束。,遗传密码(genetic code)：指mRNA分子中从53端记数，三个相邻

3、的核苷酸为一组，代表某中氨基酸或其它信息,这相邻的三个核苷酸称为一个遗传密码。 遗传密码供有多少个呢？,（二）遗传密码的特点,方向性（directionality）,2.连续性（commalessness）,谷氨酰胺（CAG）,精氨酸（AGU）,苏氨酸（ACA）,谷氨酰胺（AAC）,3 .简并性(degeneracy),同义密码子： 脯氨酸:CCU、CCC、CCA、CCG,脯氨酸（CCU）,组氨酸（CAC）,4.通用性（universality）,遗传密码的特点,通用性（universality）,5.摆动性（wobble）,二、核糖体（rRNA）是蛋白质合成的场所,(一)rRNA的特点 种类

4、：原核生物有5S 、 23S、16S rRNA；真核生物有28S、18S、5.8S、5S rRNA 含量最多：占细胞总RNA 80%90% rRNA与蛋白质构成核糖体,（二）核糖体上的主要功能部位,肽酰位(P)： 结合肽酰-tRNA,氨酰位(A)： 结合氨酰-tRNA,催化肽键生成，兼有酯酶活性,空载tRNA排除位（真核无E位）,三、tRNA是运输氨基酸的工具,tRNA的特点： 分子量最小：6090个碱基 含有较多的稀有碱基 5端大多为pG, 3端均为-CCA 反密码子的第一位碱基常出现次黄嘌呤（I） 细菌中有3040种tRNA；真核细胞中有40 50种tRNA。,氨基酸臂： 与氨基酸结合,T

5、C环（臂）： 与核蛋白体rRNA结合,反密码子： 识别并结合mRNA密码子,D臂： 氨酰-tRNA合成 识别位点,（一）氨基酰-tRNA合成酶 催化氨基酰-tRNA的合成，兼有酯酶活性。具有校正功能（误差10-4） 氨基酰tRNA合成酶使tRNA识别特异的氨基酸。 氨基酸的活化形式：氨基酰-tRNA 氨基酸的活化部位：是羧基,四、参与蛋白质合成的酶类,原核生物肽链的起始氨酰-tRNA为甲酰蛋氨酰-tRNA ;而真核生物肽链为蛋氨酰-tRNA,（二）肽酰转移酶(peptidyl transferase)（核酶） 催化肽键生成，兼有酯酶活性 -原核23SrRNA；真核28SrRNA 肽链合成方向：

6、NC,（三）转位酶催化核糖体移位 原核生物由延长因子G(80kD)催化 真核生物由延长因子2（100kD）起作用,五、主要的蛋白因子 起始因子（initiation factor,IF）（真核起始因子，eukaryotic initiation factor,eIF）：参与翻译的起始 延长因子（elongation factor,EF）：参与肽链的延长 终止释放因子（releasing factor,RF）及核蛋白体释放因子（ribosomal releasing factor, RRF）：参与肽链合成的终止,第二节 肽链的生物合成过程,一、原核生物的肽链合成过程,（一）翻译的起始阶段,在起始

7、因子的作用下，fMet-tRNAifMet、mRNA与核糖体结合，形成70S起始复合物的过程。此阶段需要GTP及Mg2+参加 起始阶段包括四个小事件的发生 核蛋白体大小亚基分离 mRNA在小亚基上定位结合 fMet-tRNAifMet的结合 核蛋白体大亚基的结合,1.核蛋白体大小亚基分离,2.mRNA在小亚基上定位结合,mRNA定位基础是S-D序列 S-D序列（核糖体结合位点）是指位于mRNA起始密码（AUG）的上游约813核苷酸部位存在有49个核苷酸组成的一致序列，如AGGAGG。 小亚基上16S rRNA 的3端存在有与S-D序列互补的序列UCCUCC,mRNA在小亚基上定位结合,IF3,

8、IF-3促进mRNA在小亚基定位结合,3. fMet-tRNAifMet结合到小亚基 -首先占据P位,4.核蛋白体大亚基的结合,IF2自复合物解离的同时发生GTP水解（消耗一个高能磷酸键），大亚基随之与小亚基结合，并释放各种起始因子，形成70S起始复合物，为延伸作好了准备。,IF-1,IF-3,IF-2,GTP,（二）翻译的延长阶段,肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，每循环一次，形成一个肽键，即增加一个氨基酸残基，故又称为核蛋白体循环 每次核蛋白体循环包括三个步骤： 进位（entrance）（注册） 成肽(peptide bond formation) 转位(translocation

9、),进位：氨基酰-tRNA进到核糖体的A位,原核延长因子EF-T主要是促进氨基酰-tRNA进到A位（消耗一个高能磷酸键）。包括Tu（40kD）和Ts (28kD）两个亚基。,成肽：肽酰转移酶催化肽键的生成,原核生物的肽酰转移酶为核糖体大亚基的23S rRNA,每次移动一个遗传密码的距离，转位耗能（消耗GTP的一个高能磷酸键）。 原核生物由转位酶是EF-G(80kD)，真核为延长因子2,转位-核糖体与mRNA相对移动 同时有肽酰-tRNA由A位移向P位,（三）翻译的终止阶段,当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离。终止过程需要释放因子参加

10、。 终止过程需消耗GTP。,RF-1,RF-1：辨认UAA、UAG RF-2：辨认UAA、UGA 激活转肽酶的酯酶活性 而水解酯键,RF-3,RF-3：促进RF-1或RF-2进入A位， 具GTP酶活性，帮助肽链的释放,（二）真核生物的肽链合成过程,(一)真核生物翻译的起始阶段,在真核起始因子的作用下， Met-tRNAiMet 、mRNA与核糖体结合，形成80S起始复合物的过程。 起始阶段也包括四个小事件的发生 核蛋白体大小亚基分离 Met-tRNAifMet与核糖体小亚基结合 mRNA在小亚基上定位结合 核蛋白体大亚基的结合,1.核蛋白体大小亚基分离,2. Met-tRNAiMet结合到小亚

11、基 -首先占据P位,3.mRNA在小亚基上定位结合,AAA,4.核蛋白体大亚基的结合,AAA,AUG UAA,（二）真核生物翻译的延长阶段,肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，每循环一次，形成一个肽键，即增加一个氨基酸残基，故又称为核蛋白体循环 每次核蛋白体循环包括三个步骤： 进位（entrance）（注册） 成肽(peptide bond formation) 转位(translocation) 真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,进位：氨基酰-tRNA进到核糖体的A位,成肽：肽酰转移酶催化肽键的生成,真核生物的肽酰转移酶为核糖体大亚基的为28S rRNA,每

12、次移动一个遗传密码的距离，转位耗能（消耗GTP的一个高能磷酸键）。 原核生物由转位酶是EF-G(80kD)，真核为延长因子2,转位-核糖体与mRNA相对移动 同时有肽酰-tRNA由A位移向P位,（三）真核生物翻译的终止阶段,当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离。终止过程需要eRF参加。终止过程需消耗GTP。,eRF,多核蛋白体循环：指多个核蛋白体（10100个）以相同的距离、以相同的 速度、沿着同一条mRNA翻译出多条相同的肽链。 当第一个核蛋白体移动约80个核苷酸时，第二个核蛋白体启动，以此类推。,有一DNA单链：5AGCCCGAG

13、TTAT3。试写出它的互补链？若以该互补链为转录模板，写出它的转录产物？若以该转录产物为翻译的模板，写出它的肽段氨基酸顺序？标出每个产物的方向。,思考题,第三节 肽链合成的加工修饰 及蛋白质的靶向输送,新生肽：从核糖体上释放出的多肽链不一定就是具有生物学功能的蛋白质，这种新合成的多肽链称为新生肽（或初级翻译产物） 加工修饰：对新生肽进行水解、剪裁、添加糖链、羟化、二硫键形成、亚基聚合等过程，并使其折叠成正确的三维构象才能成为具有生物学功能的蛋白质分子的过程。 靶向输送：指蛋白质合成后经过复杂机制、定向转运到最终发挥功能场所的过程。,一、多肽链的折叠,几种有促进蛋白质折叠功能的分子 分子伴侣 (

14、molecular chaperon) 蛋白质二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI),（一）分子伴侣,分子伴侣(molecular chaperon)：分子伴侣是指促进、帮助、监视和加速蛋白质进行正确折叠的一类蛋白质分子。 分子伴侣主要有： 热休克蛋白(heat shock protein,HSP)家族（Hsp70、Hsp40、GrpE） 伴侣蛋白（伴侣素）(chaperonin)家族(E.coli：GroEL、 GroES;真核：Hsp60、H

15、sp10)。,3.分子伴侣的功能 封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段 创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰 促进蛋白质折叠和去聚集 遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠,（E.coli）热休克蛋白（HSP）,HSP70（Dna K）：由基因dna K 编码。N端有结合与水解ATP的ATP酶结构域，C端有结合肽链的结构域。 HSP70的作用需要HSP40和GrpE两个辅助因子的参与。 HSP40（Dna J）：由基因dna J 编码。在ATP存在时， HSP40与HSP70的相互作用，激活HSP70的ATP酶活性，抑制蛋白质的聚集。 GrpE：核苷酸交换因子，促进ATP交换ADP。通过与

16、HSP40作用，改变HSP70的构象而抑制其ATP酶活性。,热休克蛋白（HSP）作用机制,（E.coli）伴侣蛋白作用机制,（二）蛋白质二硫键异构酶,蛋白质二硫键异构酶：催化错配二硫键的断裂并形成正确的二硫键,（三）肽-脯氨酰顺反异构酶,肽-脯氨酰顺反异构酶催化肽-脯氨酰顺反异构体间的转变,二、一级结构的修饰,（一）一级结构的加工修饰 1.切除N-甲酰基或蛋氨酸或切除信号肽 （1）脱甲酰基酶：去除甲酰基 （2）氨基肽酶：去除蛋氨酸 （3）信号肽酶：去除信号肽,aa2,aa3,aa4,aa5,aa6,aa7,aa8,aa9,aa10,aan,（二）肽链中个别氨基酸残基的共价修饰,1.糖基化：糖蛋

17、白分子中天冬酰胺残基，丝氨酸残基或苏氨酸残基的糖基化。HMG CoA还原酶无糖链时，活性下降90%。 2.羟基化：胶原蛋白分子中的羟赖氨酸残基和羟脯氨酸残基是由于赖氨酸残基和脯氨酸残基的羟基化。 3.甲基化：组蛋白分子中精氨酸糖基化的甲基化 4.磷酸化：蛋白质分子中丝氨酸残基、苏氨酸残基或酪氨酸残基的磷酸化,5.亲脂性修饰,（三）多肽链的水解加工,胰岛素原的水解修饰,阿黑皮质素原（POMC）水解剪裁,前清蛋白原的水解剪裁,酶原的激活,胰蛋白酶,三、空间结构的修饰,（一）亚基的聚合 （二）辅基的连接,四、蛋白质的靶向输送,（一）靶向转运的概念：指蛋白质合成后经过复杂机制、定向输送到最终发挥功能的

18、场所的过程。 （二）蛋白质合成后的去向： （1）留在胞液 （2）进入细胞器 （3）分泌到胞外,（三）信号序列：靶向转运的蛋白质在其一级结构上存在分选信号（主要是N末端的特异序列），可引导蛋白质转运到靶部位，这类分选信号序列称为信号序列。 细胞液内的蛋白质通常缺乏特殊信号序列。 分泌性蛋白质的特殊信号序列称为信号肽 定位在细胞核内蛋白质的特殊信号序列称为核定位序列,（四）分拣支路 细胞根据蛋白质的特殊信号序列分拣。 1.胞质分拣支路：留在胞液、进入细胞器 保留在细胞质内的蛋白质缺乏特殊信号序列。进入细胞器的蛋白质存在特殊信号特征。 2.粗面内质网分拣支路 多肽链借助于其信号肽的引导、经过内质网膜

19、，进入内质网后折叠，在高尔基复合体中被包装成分泌小泡，转行至细胞膜而分泌出胞。,（五）分泌性蛋白质的靶向输送,蛋白质通过内质网膜需具备三个条件： N端的信号肽 蛋白质的自身结构特点 输送机制,（1）信号肽,信号肽概念：信号肽(signal peptide)是指未成熟蛋白质中有一段可被细胞转运系统识别、并把后续肽链引向膜性结构的特征性的氨基酸序列。 信号肽的序列特点： 通常位于氨基端，一般由1336多个氨基酸残基组成。 氨基端常为蛋氨酸，近氨基端含带正电荷的氨基酸，中央段含有较多的疏水性氨基酸。 羧基端多为丙氨酸 信号肽分区,碱性氨基末端区,疏水核心区,信号肽酶作用区,（2）分泌机制-信号肽学说

20、,六、质膜蛋白质的靶向输送,七、线粒体蛋白质的靶向输送,八、细胞核蛋白质的靶向输送,第四节 蛋白质生物合成与医学的关系,一、病毒竞争宿主蛋白质合成机器合成病毒蛋白 病毒mRNA与宿主细胞mRNA竞争结合核糖体小亚基，抑制宿主细胞蛋白质合成（如呼吸道病毒、肠道病毒、疱疹口炎病毒） 病毒存在一种蛋白酶，可水解eIF-4G氨基端的结合位点，一方面不影响病毒mRNA与核糖体小亚基的结合，但使eIF-4F复合物不能形成而干扰宿主细胞蛋白质合成（如脊髓灰质炎病毒等）,二、抗生素对蛋白质生物合成的影响,链霉素、卡那霉素与核蛋白体结合，引起读码错误,四环素（广谱）抑制氨基酰tRNA进位,氯霉素与核蛋白体大亚基结合，抑制转肽酶活性，阻断翻译延长,嘌呤霉素嘌呤霉素是酪氨酰-tRNA类似物，可取代其进位，使肽链提前释放,三、毒素干扰蛋白质合成,四、干扰素对蛋白质合成的干扰作用,干扰素（interferon，IFN)是真核细胞被病毒感染后分泌的一种具有抗病毒作用的细胞因子，包括IFN-、IFN-和IFN-，它们分别由白细胞、成纤维细胞和活化的T细胞产生 干扰素干扰病毒蛋白质合成的机制 对eIF-2的灭活作用 降解病毒mRNA,See You Later,