蛋白质的生物合成详解ppt课件

1,第四章 蛋白质的生物合成 biosynthesis of protein,2,第一节 参与蛋白质生物合成的物质 第二节 蛋白质合成过程 第三节 蛋白质合成后的分泌 第 四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制,第四章 蛋白质的生物合成,3,第一节 参与蛋白质生物合成的物质,蛋白质生物合成体系,n 氨基酸 蛋白质,mRNA、tRNA、rRNA,酶、蛋白质因子、ATP、GTP,蛋白质因子： 起始因子（initiation factor，IF）真核生物写作eIF 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（releasing factor，RF） 核蛋白体释放因子（ribosomal releasing factor，RRF）,4,合成原料 mRNA tRNA rRNA,蛋白质生物合成物质,5,合成原料,自然界由mRNA 编码的氨基酸共有20 种 羟脯氨酸、羟赖氨酸、-羧基谷氨酸等 特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成,6,合成原料 mRNA tRNA rRNA,蛋白质生物合成物质,7,mRNA翻译的模板,CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU,5/,3/,-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-,8,mRNA 分子的组成：,转录启动区 5UTR AUG之前的 5 端非编码区（前导序列） 编码区 起始码、阅读框、终止码 3UTR 终止密码子之后，不翻译的 3 端 转录终止区,9,遗传密码（Genetic code） mRNA 中蕴藏遗传信息的碱基顺序称为遗传密码。 密码子(codon) mRNA 中每个相邻的三个核苷酸，这个三联体称为一个密码子。 因此，密码是密码子的总和。,10,方向性 通用性 简并性 连续性,遗传密码的特点,11,同一氨基酸具有多种密码子,同义密码,第1、2位,第3位,决定密码的特异性,摆动,方向性：5/3/,通用性：（在线粒体或叶绿体中特殊）,简并性：,12,13,沿5/-3/方向连续阅读,插入碱基,缺失碱基,移码,突变,连续性：,14,共有64种,密码子:(codon),15,1)在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的poly 开创了破译遗传密码的先河 2)混合共聚物(mixed copolymers)实验对密码子中碱基组成的测定 3)aa-tRNA 与确定的三核苷酸序列(密码子)结合： 4)用重复共聚物(repeating copolymers)破译密码：,16,1961年，尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建立了一种利用人工合成的RNA在试管里合成多肽链的实验系统，其中含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分。利用这个实验系统，尼伦伯格和马太设计了一个巧妙的实验，破译了第一个遗传密码，即UUU-苯丙氨酸。,17,1966年科学家霍拉纳发明了一种新的RNA合成方法，通过这种方法合成的RNA可以是2个、3个或4个碱基为单位的重复序列，例如:将A、C两种核苷酸缩合为ACACACACAC长链，以它作人工信使进行蛋白质合成，结果发现产物是苏氨酸和组氨酸的多聚体，说明苏氨酸的密码子可能是ACA，也可能是CAC；同样，组氨酸的密码子可能是CAC，也可能是ACA。,18,遗传密码表,19,合成原料 mRNA tRNA rRNA,蛋白质生物合成物质,20,tRNA搬运氨基酸,21,tRNA的结构,tRNA在蛋白质生物合成过程中起关键作用。 最小的 RNA，4S 70 80个base，其中22个碱基是恒定 含有10%的稀有碱基,22,TC环,额外环,反密码子环,D环,aa接受臂,23,“ L”形三级结构 三叶草型的二级结构可折叠成倒L型的三维结构。,24,25,反密码子的摆动性 反密码子：与mRNA相应的三联体密码子碱基互补。,摆动性：mRNA密码子的前两位碱基和tRNA的反密码严格配对，而密码子第三位碱基与反密码子第一位碱基不严格遵守配对规则。,26,tRNA的种类,起始tRNA和延伸tRNA 起始tRNA: Prok： tRNAfmet， fMet-tRNAfmet Euk： tRNAimet ，Met-tRNAimet 延伸tRNA： tRNAmmet，m可省略,27,同工tRNA（isoaccepting tRNAs） 携带AA相同而反密码子不同的一组tRNA； 不同的反密码子识别AA的同义密码； 同工tRNA在细胞内合成量上有多和少的差别，分别称为主要tRNA和次要tRNA。 主要tRNA中反密码子识别tRNA中的高频密码子，而次要tRNA中反密码子识别mRNA中的低频密码子。,28,Gly GGG AGG Arg。,突变(mutation) 移码突变: mRNA上的编码顺序中插入(或缺失)一个(或更多)碱基，引起密码子翻译读框改变。 无义突变: 指正常密码子改变为终止密码子，引起翻译过程提早终止。蛋白质产物是截短的，一般没有功能。 错义突变：正常密码子变为另一种氨基酸的密码子。 新的氨基酸取代了蛋白质中某位点上原来的残基可能使蛋白质失去功能。,Tyr UAC和UAU UAG。,校正tRNA,29,抑制突变/校正突变 （suppressor mutation）： 编码tRNA的基因发生某种突变，以“代偿”或校正mRNA上密码子的原有突变所产生的不良后果。 无义抑制 错义抑制,30,1）无义抑制（nonsense suppressor）,无义抑制或无义校正：通过抑制tRNA识别无义突变位点，将某种氨基酸插入该位点，使得多肽链继续延伸，而不中途停止。 无义抑制通过三个不同的途径进行： （1）tRNA反义密码子的突变； （2）tRNA其它结构的改变； （3）tRNA反密码子化学修饰。,31,AUC,AUG,32,33,2） 错义抑制,抑制tRNA识别错义突变位点，通过插入原来的氨基酸或其它的氨基酸而抑制错义突变，从而能完全恢复或部分恢复蛋白质活性 。 两种方式可以形成抑制型tRNA： 1）tRNA反密码子发生突变， 2）tRNA其他的结构变化或是氨酰tRNA合成酶的突变而改变了其荷载氨基酸的变化。,34,35,3）抑制突变的特点：,1）不是所有终止密码子的抑制基因都产生有功能的蛋白质，起到抑制或校正的作用，关键是要看氨基酸取代的情况。 2） 校正的作用不可能是完全的，抑制基因的效率很低，通常为15%。,36,氨基酸的活化氨基酸与tRNA的结合,氨基酸 + ATP+ tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,氨基酰-tRNA + AMP +PPi,37,合成原料 mRNA tRNA rRNA,蛋白质生物合成物质,38,核糖体蛋白质合成的场所,rRNA + 蛋白质,核糖体（核蛋白体）,大亚基 小亚基,39,真核细胞：,5S、 5.8S 、28S,18S,蛋白质,大亚基（60S）,小亚基（40S）,原核细胞：,5S、 23S,16S,蛋白质,大亚基（50S）,小亚基（30S）,核糖体大小亚基的组成,80S,70S,40,核蛋白体的组成,41,小亚基与mRNA的结合,42,核糖体的活性位点,：,43,P位：结合肽酰tRNA的部位 A位：结合氨基酰tRNA的部位,P位 A位,44,核糖体的活性位点,45,第一节 参与蛋白质生物合成的物质 第二节 蛋白质合成过程 第三节 蛋白质合成后的分泌,第四章 蛋白质的生物合成,46,第二节 蛋白质合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,mRNA中碱基的排列顺序,蛋白质中的AA的排列顺序,翻译,起始,延长,终止,注册 成肽 转位,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ),一、肽链合成起始,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 (translational initiation complex)。,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,（一）原核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始氨基酰-tRNA的结合； 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,S-D序列,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )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,GDP,Pi,（二）真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合； mRNA在核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合物形成过程,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ),二、肽链合成延长,指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,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(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位(entrance) 成肽(peptide bond formation) 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,肽链合成的延长因子,又称注册(registration),（一）进位,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,（二）成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,（三）转位,延长因子EF-G有转位酶( translocase )活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动 。,fMet,fMet,真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。 另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,（四）真核生物延长过程,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ),三、肽链合成的终止,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，这些过程称为肽链合成终止。,终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF),一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 二是诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核蛋白体上释放。,释放因子的功能：,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,原核肽链合成终止过程,RF,多聚核蛋白体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,电镜下的多聚核蛋白体现象,第 三 节 蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation,从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。,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 高级结构修饰,一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质,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、蛋白辅助。,几种有促进蛋白折叠功能的大分子,1. 分子伴侣(molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI),1. 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侣素(chaperonins) GroEL和GroES家族,分子伴侣,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。,热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用 结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。,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。,蛋白二硫键异构酶,多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白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。,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、一级结构的修饰,1、肽链N端的修饰 2、个别氨基酸的修饰 3、多肽链的水解修饰 4、糖基化修饰 5、水解修饰,1N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除： N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 去甲酰化： 甲酰化酶 甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽 去蛋氨酰基： 蛋氨酸氨基肽酶 蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽,2氨基酸的修饰： 由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。 3二硫键的形成： 由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。 4肽段的切除： 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。,鸦片促黑皮质素原(POMC)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,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靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。,四、蛋白质合成后的靶向输送,蛋白质的靶向输送(protein targeting),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),靶向输送蛋白的信号序列或成分,（