生物化学蛋白质生物合成.ppt

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1、蛋白质的生物合成（翻译）,第12章,（遗传密码的特性；起始和终止密码；蛋白质合成的干扰）,蛋白质生物合成的概念,蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称翻译(translation)，是生物细胞以mRNA为模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。,定义,（1）氨基酸的活化（2）肽链的生物合成（3）肽链形成后的加工和靶向输送,反应过程,第一节蛋白质生物合成体系,（重点内容较多）,（说明：红色字表示是这一节的重点内容）mRNA在蛋白质合成中的作用（关于遗传密码的所有内容：包括起始密码、终止密码及遗传密码的特点。）rRNA在蛋白质合成中的作用t

2、RNA在蛋白质合成中的作用（氨基酸的活化形式是氨基酰-tRNA）蛋白质合成所需要的酶和蛋白质因子等（糖原、磷脂、蛋白质合成的直接供能分别是UTP、CTP、GTP）,本节主要内容：,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+,蛋白质生物合成体系,一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板,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)。

3、,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,遗传密码,在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。,起始密码子(initiation codon)：AUG终止密码子(termination codon)：UAA、UAG、UGA,密码子（codon）,起始密码子和终止密码子：,遗传密码表,遗传密码的特点,1.方向性(directional),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。,2.连续性(non-punctuated),编码蛋白质氨基酸序列的各

4、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。,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(frameshift mutation)。,3.简并性(degenerate),一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并性。除色氨酸和甲硫氨酸仅有1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。为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子。,4.通用性(universal),从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套“通用密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有

5、通用性。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,5.摆动性(wobble),反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对(wobble base pairing)。,U,3 2 1,1 2 3,摆动配对,二、核蛋白体是蛋白质生物合成的场所,核蛋白体的组成,核蛋白体又称核糖体，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，是蛋白质生物合成的场所。,不同细胞核蛋白体的组成,原核生物核蛋白体结构模式,三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器,二级结构,三级结构,反密码环,氨基酸臂,tRNA的构象,四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白

6、质因子等,（一）重要的酶类,氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyltRNA synthetase)，催化氨基酸的活化；转肽酶(peptidase)，催化核蛋白体P位上的肽酰基转移至A位氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键;并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，使P位上的肽链与tRNA分离；转位酶(translocase)，催化核蛋白体向mRNA3-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。,（二）蛋白质因子,起始因子（initiation factor，IF）延长因子（elongation factor，EF）释放因子（release factor，RF

7、）,参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,蛋白质生物合成的能源物质为ATP和GTP;参与蛋白质生物合成的无机离子有Mg2+、K+等。,（三）能源物质及离子,第二节氨基酸的活化,（说明：红色字表示是这一节的重点内容）氨基酸活化形成氨基酰-tRNA真核生物的起始氨基酰-tRNA,本节主要内容：,反应过程,一、氨基酸活化形成氨基酰-tRNA,氨基酰-tRNA的表示方法,丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet,氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写,例如

8、：,二、真核生物起始氨基酰-tRNA是Met-tRNAiMet,tRNAiMet与甲硫氨酸结合后形成Met-tRNAiMet，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。,tRNAMet和甲硫氨酸结合后生成Met-tRNAMet，必要时进入核蛋白体，为延长中的肽链添加甲硫氨酸。,起始氨基酰-tRNA:Met-tRNAiMet,参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet,真核生物,具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸很快被甲酰化为N-甲酰甲硫氨酸(N-formyl methionine,fMet)，

9、于是形成N-甲酰甲硫氨酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认fMet-tRNAiMet。,原核生物,起始氨基酰-tRNA:fMet-tRNAifMet,fMet-tRNAfMet的生成是一碳化合物转移和利用的过程之一，反应由转甲酰基酶催化，甲酰基从N10-甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的-氨基上。,第三节肽链的生物合成过程,（说明：红色字表示是这一节的重点内容）原核生物的肽链合成过程真核生物的肽链合成过程,本节主要内容：,起始(initiation)延长(elongation)终止(termination),整

10、个过程可分为：,一、原核生物的肽链合成过程,（一）起始,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。,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。,IF-3,IF-1,1.核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2.mRNA在小亚基定位结合,原核生物mRNA在核蛋白体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制：,在各种mRNA起始AUG上游约813核苷酸部位，存在一段由49个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为Shine-Dalgarno序列(S-D序列)，又称核蛋白体结合

11、位点(ribosomal binding site,RBS)。一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG。,S-D序列,小亚基中的16S-rRNA 3-端有一富含嘧啶碱基的短序列，如-UCCUCC-，通过与S-D序列碱基互补而使mRNA与小亚基结合。,mRNA序列上紧接S-D序列后的小核苷酸序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1识别并结合。,IF-3,IF-1,3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAifMet)结合到小亚基,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,

12、GDP,Pi,起始复合物形成过程,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(positioning)/注册(registration)2.成肽(peptide bond formation)3.转位(translocation),（二）延长,肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)，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(registration)，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。,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP

13、,进位的反应过程：,2.成肽,成肽是在转肽酶(peptidase)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(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。,成肽的反应过程,3.转位,转位是在转位酶的催化下，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。,转位需要延长因子EF-G参与。,EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，释放的能量促进核蛋白体向mRNA的3侧移动，使起始二肽酰-tRNA-mRNA相对

14、位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA则移入E位。,转位,肽链合成延长(核蛋白体循环)过程,（三）终止,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：,RF-1、RF-2识别终止密码子,RF-1特异识别UAA、UAG；RF-2特异识别UAA、UGA。,RF-1、RF-2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，

15、使肽链从核蛋白体上释放。,原核肽链合成终止过程,第四节蛋白质翻译后修饰和靶向输送,（说明：红色字表示是这一节的重点内容）多肽链折叠为天然构象的蛋白质蛋白质一级结构的修饰蛋白质空间结构的修饰蛋白质的靶向输送,本节主要内容：,一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质,新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。,几种有促进蛋

16、白质折叠功能的大分子:,分子伴侣(molecular chaperon)蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl-cis-trans isomerase,PPI),1.分子伴侣:,分子伴侣是细胞内一类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的保守蛋白质。,分子伴侣有以下功能：,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。,(1)热休克蛋白(heat shock protein,HS

17、P)(2)伴侣蛋白(chaperonin),分子伴侣主要有：,(1)热休克蛋白(heat shock protein,HSP),热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。热休克蛋白包括HSP70、HSP40和GrpE三族。,它有两个主要功能域：一个是存在于N-端的高度保守的ATP酶结构域，能结合和水解ATP；另一个是存在于C-端的多肽链结合结构域。蛋白质的折叠需要这两个结构域的相互作用。,大肠杆菌的HSP70(DnaK),大肠杆菌的HSP40(Dna J)可激活Dna K中的ATP酶，生成稳定的Dna J-Dna K

18、-ADP-被折叠蛋白质复合物，以利于Dna K发挥分子伴侣作用。在ATP存在的情况下，Dna J和Dna K的相互作用能抑制蛋白质的聚集。Grp E，核苷酸交换因子，与Dna K的ATP酶结构域结合，使Dna K的构象发生改变、ADP从复合物中释放出来并由ATP代替ADP，从而控制Dna K的ATP酶活性。,在蛋白质的折叠过程中，HSP70还需2个辅助因子HSP40和Grp E。,大肠杆菌中的HSP70 反应循环,人类细胞中HSP蛋白质家族可存在于胞浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位，涉及多种细胞保护功能：如使线粒体和内质网蛋白质保持未折叠状态而转运、跨膜，再折叠成功能构象；通过类似上述机制，避

19、免或消除蛋白质变性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，以利于清除变性或错误折叠的多肽中间物等。,(2)伴侣蛋白(chaperonin),伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌的Gro EL和Gro ES（真核细胞中同源物为HSP60和HSP10）等家族。其主要作用是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。,当待折叠肽链进入Gro EL的桶状空腔后，Gro ES可作为“盖子”瞬时封闭Gro EL空腔出口。封闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。,Gro EL-Gro ES复合物,Gro EL-Gro ES反应循环,2.蛋白质二硫键异构酶,多肽链内或肽链之间二硫键的正确形

20、成对稳定分泌型蛋白质、膜蛋白质等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫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。,3.肽-脯氨酰顺反异构酶,多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象有明显差别。肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。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、蛋白质一级结构修饰主要是肽键水解和化学修饰,（一）肽链末端的修饰（二）个别氨基酸的共价修饰,1糖基化 2羟基

21、化 3甲基化 4磷酸化 5二硫键形成 6亲脂性修饰,例：鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,（三）多肽链的水解修饰,三、空间结构的修饰,结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。,具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体(oligomer)。,（一）通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质,（二）辅基连接后形成完整的结合蛋白质,四、合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位,蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分

22、选信号，主要是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，这类序列称为信号序列(signal sequence)。信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋白质自身的一级结构中。,（一）靶向输送的蛋白质N-端存在信号序列,N-端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；C-端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是被信号肽酶(signal peptidase)裂解的位点。,信号肽有以下共性：,靶向输送到细胞核的蛋白质其多

23、肽链内含有特异信号序列，称为核定位序列(nuclear localization sequence,NLS)。NLS为含48个氨基酸残基的短序列，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的不同部位，而不只在N末端。不同的NLS间未发现共有序列；在蛋白质进核定位后，NLS不被切除。,核定位序列,真核细胞分泌型蛋白质的靶向输送过程为：核蛋白体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网腔并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转移至细胞膜，再分泌到细胞外。,（二）分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外,信号序列引导蛋白质进入内质网,（三）蛋白质6-磷酸甘露糖基化是靶向

24、输送至溶酶体的信号,与分泌型蛋白质一样，内质网中的驻留蛋白质先经粗面内质网上的附着核蛋白体合成并进入内质网腔，然后随囊泡输送到高尔基复合体。但是，内质网蛋白质多肽链的C-端含有滞留信号序列，可与相应受体结合。在高尔基复合体上，内质网蛋白质通过其滞留信号序列与受体结合后，随囊泡输送回内质网。,（四）靶向输送至内质网的蛋白质C-端含有滞留信号序列,（五）质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜,质膜蛋白质合成时在粗面内质网上的跨膜机制与分泌型蛋白质的跨膜机制相似，但是，质膜蛋白质的肽链并不完全进入内质网腔，而是锚定在内质网膜上。不同类型的跨膜蛋白质以不同的形式锚定于膜上。,（六）线粒体蛋白质以其前体

25、形式在胞液合成后靶向输入线粒体,绝大部分线粒体蛋白质是由核基因组编码、在胞液中的游离核蛋白体上合成后释放、靶向输送到线粒体中的。,真核细胞线粒体蛋白质的靶向输送,（七）细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔靶向输送入核,第五节蛋白质生物合成的干扰和抑制,（说明：红色字表示是这一节的重点内容）抗生素对蛋白质合成的影响（各种抗生素对翻译过程的抑制点）其他干扰蛋白质生物合成的物质（干扰素抑制蛋白质生物合成的机制）,本节主要内容：,一、许多抗生素通过抑制蛋白质生物合成发挥作用,抗生素(antibiotics)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

26、抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。,常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用,嘌呤霉素作用示意图,四环素族,二、其他干扰蛋白质生物合成的物质,某些毒素能在肽链延长阶段阻断蛋白质合成而呈现毒性，如白喉毒素是真核细胞蛋白质合成的抑制剂，它作为一种修饰酶，可使eEF-2发生ADP糖基化共价修饰，生成eEF-2腺苷二磷酸核糖衍生物，使eEF-2失活。,（一）毒素,1白喉毒素(diphtheria toxin),白喉毒素的作用机理：,白喉毒素,+,+,（二）干扰素,干扰素(interferon,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-

27、（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,能出现在蛋白质分子中的下列

28、氨基酸，哪一种没有遗传密码？A色氨酸 B蛋氨酸 C谷氨酰胺 D脯氨酸E羟脯氨酸,在体内，氨基酸合成蛋白质时，其活化方式为A磷酸化 B与蛋氨酸相结合 C生成氨基酰辅酶 A D生成氨基酰 tRNA E与起始因子相结合,干扰素抑制蛋白生物合成是因为A活化蛋白激酶，而使eIF2磷酸化B抑制肽链延长因子 C阻碍氨基酰tRNA与小亚基结合D抑制转肽酰酶E使核蛋白体60s亚基失活,下列关于氨基酸密码的描述，哪一项是错误的？A密码有种属特异性，所以不同生物合成不同的蛋白质 B密码阅读有方向性，5端起始，3端终止 C一种氨基酸可有一种以上的密码D一组密码只代表一种氨基酸E密码第 3 位（即 3端）碱基在决定掺入

29、氨基酸的特异性方面重要性较小,氯霉素可抑制原核生物的蛋白质合成，其原因是 A特异地抑制肽链延长因子（EFT）的活B与核蛋白体的大亚基结合，抑制转肽酶活性，而阻断翻译延长过程 C活化一种蛋白激酶，从而影响起动因子（IF）磷酸化D间接活化一种核酸内切酶使 mRNA 降解E阻碍氨基酰 tRNA 与核蛋白体小亚基结合,AUC 为异亮氨酸的遗传密码，在 tRNAAUAG BTAG CGAU DGAT ELAG,A链霉素 B氯霉素 C林可霉素 D嘌呤霉素 E白喉毒素对真核及原核生物的蛋白质合成都有抑制作用的是主要抑制哺乳动物蛋白质合成的是,下列有关遗传密码的叙述，正确的A遗传密码只代表氨基酸B一种氨基酸只

30、有一个密码子 C一个密码子可代表多种氨基酸D每个tRNA上的反密码子只能识别一个密码子 E从病毒到人，丝氨酸的密码子都是 AGU,下列属于终止密码子的是：AUCABUCG CUAC DUAA EUGC,下列因子中,不参与原核生物翻译过程的是AIF BEF1CEFT DRF ERR,AAUU BGUACAUG DUCA EUGA遗传密码中的起始密码子是遗传密码中的终止密码子是,一个 tRNA 上的反密码子为 IAC，其可识别的密码子是(X)AGUA BGUCCGUG DGUU,遗传密码的简并性是指 A蛋氨酸密码可作起始密码 B一个密码子可代表多个氨基酸C多个密码子可代表同一氨基酸 D密码子与反密码子之间不严格配E所有生物可使用同一套密码,下列哪些因子参与蛋白质翻译延长AIF BEFG CEFT DRF,下列关于核蛋白体的叙述，正确的是A是遗传密码的携带者 B由 rRNA 与蛋白质构成 C由 snRNA 与 hnRNA 构成 D由 DNA 与蛋白质构成E由引物、DNA 和蛋白质构成,