《核酸的生物学功能》PPT课件.ppt

第15章 蛋白质的生物合成翻译,（一）参与蛋白质生物合成的物质 （二）蛋白质生物合成的过程,1.翻译的模板 2.肽链合成的场所 3.tRNA和氨基酰-tRNA,1.翻译的模板,遗传密码 mRNA中的 3 个碱基编码 1 个氨基酸，此三联碱基组称为一个密码子（codon）。 翻译的方向 沿 mRNA 的 53方向进行。 遗传密码的主要特征（1）密码子无标点符号；（2）密码子的通用性；（3）密码子的简并性（degeneracy，一个 Aa 具有几个密码子的现象，这几个编码同一Aa 的密码子称为同义密码子，synonymous codon ）；（4）密码子使用频率不同；（5）密码子与反密码子配对的不严格性。,2.肽链合成的场所,核糖体（ribosome）是蛋白质合成的主要场所。核糖体中催化肽键合成的是rRNA,蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助作用。 它能按适当的位置和方向把 mRNA 分子和带有氨基酸的tRNA分子结合在一起，最终将 mRNA 分子的碱基顺序翻译成氨基酸顺序。,（1）核糖体的化学组成, 原核生物核糖体的化学组成 真核生物核糖体的化学组成, 原核生物核糖体的化学组成, 真核生物核糖体的化学组成,约 50 种不同的蛋白质,80S 核糖体,亚基,40S,60S,18S rRNA,28S rRNA,5S rRNA,约 30 种不同的蛋白质,亚基,5.8S rRNA,（2）核糖体的结构与功能,核糖体的结构至少要满足如下部位： 容纳mRNA的部位 结合氨酰基-tRNA的部位（称A位点，aminoacyl site，A site） 结合肽酰基-tRNA的部位（称P位点，peptidyl site，P site） 形成肽键的部位（转肽酶中心）,3,大肠杆菌70S核糖体,5,AA,肽酰基位点,氨酰基位点,反密码子,大亚基,小亚基,密码子,结合位点,mRNA,（P位点）,（A位点）,蛋白质合成过程中一个mRNA的分子上不止结合一个核糖体而是一群核糖体，同时翻译一个 mRNA分子，这些核糖体称为多核糖体（polysome）。 这显著提高了 mRNA的利用率。 一条mRNA的最大利用率可达每 80 个核苷酸结合一个核糖体。,（3）多核糖体,3.tRNA和氨基酰-tRNA,解码系统,（1）氨基酸与tRNA分子的连接,tRNA结合氨基酸的过程称为氨基酸的活化。当氨基酸结合于tRNA以后，就称为氨基酰-tRNA。,氨基酰 - tRNA合成酶 氨基酸 + tRNA + ATP 氨基酰-tRNA + AMP+ PPi,mRNA上密码子的每个碱基与tRNA反密码环上的密码子碱基互补形成碱基对。,反密码子 3- X-Y-Z-5 密码子 5- X- Y-Z- 3,（2）密码子-反密码子的相互作用,1965 年 F.Crick 提出摆动假说（wobble hypothesis）。这个假说认为，密码子-反密码子相互作用，要求前两个碱基对是标准型的碱基互补，以保证结合有最大限度的稳定性，第三个碱基则要求不那么严格，可以允许结构上有小小的波动（即摆动）, 并允许有某些特异的碱基参与。 Ala 的反密码子TGC，可以识别丙氨酸的同义密码子GCU、GCC、GCA。,摆 动 假 说,（二）蛋白质生物合成的过程,1.翻译的起始 2.肽链的延伸 3.肽链的终止 4.肽链的折叠、加工与转运,1.翻译的起始原核生物,大肠杆菌蛋白质合成的第一个氨基酸都是甲酰化的甲硫氨酸，即 N-甲酰甲硫氨酸（fMet）。 fMet - tRNAfMet 能特异地识别起始密码子AUG。,（1）fMet - tRNAfMet 的形成,（2）翻译起始信号的辨认,mRNA上的起始密码子AUG通常离mRNA5-末端约2030个碱基，在这段前导顺序中，具有一段特殊顺序AGGAGGU，位于起始密码子AUG之前的固定位置上，称为S.D序列（Shine-Dalgano顺序）。 核糖体小亚基30s内的16s rRNA 3-末端有顺序5-PyACCUCCUUA-3，Py可以是任何嘧啶核苷酸。 于是核糖体小亚基16s rRNA这段顺序即与 mRNA 前导顺序中的 S.D 序列能够形成稳定的碱基配对。,首先在核糖体小亚基16s rRNA辨认mRNA的S.D序列后，核糖体30S亚基、fMet-tRNAfMet与mRNA结合，形成 30S 起始复合物，fMet-tRNAfMet 结合在mRNA的AUG上。 生成此复合物时需要GTP和3种蛋白起始因子（initiation factor ，IF）：IF-1、IF-2 和 IF- 3。这3种起始因子都连接于30S亚基上，GTP稳定这种结合。,（3）起始复合物的形成, 30S 起始复合物的形成,当30S起始复合物形成后，IF-3即释放。50S 亚基加入进来，引起GTP水解释放能量，IF-1和 IF-2也释放，最后形成70S起始复合物。形成70S 复合物后即可进入蛋白质的肽链延伸阶段。 此时，fMet-tRNAfMet占据的是核糖体的P位点（肽酰位），核糖体的A位点（氨基酰位）还空着，并正对着mRNA上的下一个密码子，为下-个 氨基酰-tRNA的进入作好了准备。, 70S 起始复合物的形成,AUG,蛋白质合成的肽链延伸阶段整个循环过程需要3个延长因子（elongation factor EF）：EF-Tu、EF-Ts和EF-G。 （1）进位 （2）转肽 （3）移位 以上这三步反复循环，完成肽链延长。,2. 肽链延伸,（1）进位,A位点,P位点,GTP,-,EF,Tu,.,-,EF,Ts,-,EF,Tu,.,-,EF,Ts,GDP,EF-,Tu,.,-,EF,Ts,-,tRNA,氨酰,AUG,AUG,（2）转肽,5,3,fMet,-,tRNA,氨酰,A位点,P位点,转肽作用,5,3,A位点,P位点,空载,tRNA,-,tRNA,肽酰,AUG,AUG,23s rRNA,活性,23s rRNA,（3）移位,5,3,mRNA,fMet,A位点,空出,新生多肽,5,3,-,tRNA,A位点,P位点,肽酰,空载,tRNA,G,-,EF,Pi,+,GDP,+,tRNA,GTP,移位,-,tRNA,肽酰,AUG,AUG,3.肽链的终止,当70S核糖体A位出现mRNA终止密码子时，就没 有氨基酰-tRNA再进入A位点，肽链延长停止，这 时多肽连接在P位的tRNA上。 终止过程由释放因子（release factor，RF）参与完成，使P位上的肽链转移至水中，形成游离肽链，同时70S核糖体释放出50S亚基。 另一个被称为核糖体释放因子（ribosome releasing factor，RR）的成分参与使30S亚基与 mRNA分开。已经脱去肽链的tRNA与终止因子均离开mRNA 。分离后的 50S、30S亚基又可为合成另一条肽链所用。,mRNA上肽链合成的终止密码子,终止密码子UAA、UAG、UGA； 大肠杆菌有参与肽链合成终止反应的3 个终止因子RF1、RF2、RF3； RFl 用以识别密码子UAA、UAG； RF2 帮助识别UAA、UGA； RF3 不识别任何终止密码子，但能协助肽链释放。,真核生物翻译起始的不同点, 真核生物核糖体较大，是由60S大亚基和40S小亚基组成的80S核糖体； 起始的氨基酸是甲硫氨酸； 起始时，起始复合物在mRNA的5- 帽子处或其附近与之结合，然后沿着mRNA 滑动，直至遇上第一个起始密码子AUG； 真核生物含有的起始因子比原核生物（3个）多得多，相互关系也很复杂。,以elF表示真核的起始因子； 以eEF表示真核的延长因子； 真核生物仅eRF一个释放因子辨认终止信号，它可以识别3种终止密码子UAA、UAG、UGA。,核糖体的跳跃式读码,翻译位移（translational frameshifting） 在真核和原核生物中，也有一些例外的情况，发生了翻译位移，这种位移通常表现为一个碱基位移，阅读框（reading frame）发生改变。 翻译跳跃（translational jumping） 也有核糖体跳过一大段mRNA（如50个碱基）后继续翻译，这部分遗传信息被核糖体忽略。 翻译位移和翻译跳跃都发生在mRNA的特殊位置，这些位置通常会有特殊的序列和结构。核糖体是怎样进行识别的尚不太清楚。,4.肽链的折叠、加工与转运,在体外只要具有完整的一级结构，即能形成天然的高级结构。氨基酸的一级结构序列是决定蛋白质构象的最基本因素。体内折叠的环境比较复杂，参与的蛋白质成分及因子比较多。 目前证明，至少有两类蛋白质参与体内的折叠过程，统称为助折叠蛋白（folding helper）。,（1）肽链的折叠,一类是酶，如蛋白质二硫键异构酶促进蛋白质中形成正确的二硫键，肽-脯氨酰顺反异构酶催化肽-脯氨酰之间肽键的旋转反应，从而加速肽链的折叠过程。 另一类是分子伴侣（molecular chaperon），为细胞内能识别肽链的非天然构象，促进各结构域形成和整体肽链正确折叠的一类保守蛋白质。,助折叠蛋白,在真核和原核生物中研究比较多的分子伴侣有： 胁迫-70家族（stress 70 family） 整个家族成员的分子质量约为70Ku，由2个结构域组成。不同来源的胁迫-70蛋白的N-端结构域高度保守，具有ATP酶活性。 热休克蛋白70（heat shock protein 70， Hsp70） 是研究最多的分子伴侣家族成员之一。现在已知，Hsp70 除参与蛋白质的折叠外，还参与蛋白质的组装（assembly）、跨膜、分泌与降解。,真核和原核生物中的分子伴侣,（2）肽链的加工, N-端修饰 氨基酸侧链的修饰 水解修饰 糖基化修饰,原核生物新生蛋白质多肽链的N-末端都带有一个N-甲酰甲硫氨酸，真核生物是甲硫氨酸。 原核生物多数情况下N-甲酰甲硫氨酸被氨肽酶除去，真核生物中甲硫氨酸全部被切除。, N-端修饰,氨基酸侧链的修饰包括羟化、羧化、甲基化、二硫键的形成等。 如胶原蛋白合成后某些脯氨酸和赖氨酸 需要在羟化酶催化下进行羟化，肽链中的半胱氨酸在二硫键异构酶催化下形成二硫键等。, 氨基酸侧链的修饰,许多新合成的酶和蛋白质是以酶原或其无活性前体形式存在，修饰时是水解切除多余的肽段，使之折叠成为有活性的酶或蛋白质，酶原激活即是其中一例。, 水解修饰,将单糖或寡聚糖与肽链以共价键进行连接形成糖蛋白。常见的糖蛋白如免疫球蛋白、血型糖蛋白、干扰素、补体、甲状腺球蛋白等。 另外，蛋白质的加工还包括辅基的连接、亚基的聚合、蛋白质的自剪接（切除蛋白质内含子）等。, 糖基化修饰,（3）肽链的转运,除少数外，几乎所有分泌蛋白都在 N-末端含有一段信号序列（signal sequences），又称信号肽（signal peptide）。信号序列中存在着分选信号，可引导和实现蛋白质靶向输送（protein targeting ）。 细胞内还存在一种信号识别蛋白（signal recognition particle，SRP） 。SRP能识别正在合成且要通过内质网膜的核糖体，SRP与这类核糖体合成的信号肽相结合，形成SRP-信号肽-核糖体复合物，并暂时停止多肽链的合成，随即 SRP将复合体从细胞质转运到内质网膜。,内质网膜上有SRP受体，也称为停靠蛋白（docking protein，DP）。DP与复合体相结合，SRP释放出来，SRP可再用于另一核糖体的转运。此时，通过一个