《生物化学》PPT课件.ppt

12 蛋白质的生物合成,12.1 参与蛋白质生物合成的物质 12.2 蛋白质生物合成的过程 12.3 中心法则,12.1 参与蛋白质生物合成的物质,12.1.1 翻译的模板 12.1.2 肽链合成的场所 12.1.3 tRNA和氨基酰-tRNA,12.1.1 翻译的模板,遗传密码： mRNA中的 三个碱基编码一个氨基酸。此 三联碱基组 称为一个密码子（codon）。 遗传密码的主要特征: 1. 密码子无标点符号 2. 密码子的不重叠性 3. 密码子的简并性 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 6. 密码子的通用性 7. 密码子的防错性,12.1.2 肽链合成的场所,核糖体（ribosome）是蛋白质合成的主要场所。它含有蛋白质合成中所需要的多种酶活性，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。,（一）核糖体的化学组成,（1）原核生物核糖体的化学组成 （2）真核生物核糖体的化学组成,（1）原核生物核糖体的化学组成,种不同的蛋白质,70S核糖体,30S亚基,50S,16S r RNA,23S rRNA,5S rRNA,32,21种不同的蛋白质,亚基,核糖体（大肠杆菌）结构,（2）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,23S rRNA,5S rRNA,约 30 种不同的蛋白质,亚基,5.8S rRNA,（二）核糖体的结构与功能,核糖体的结构至少要满足如下的部位： （1）容纳 mRNA 的部位 （2）结合氨基酰-tRNA的部位（称A-位点） （3）结合 肽基-tRNA 的部位（称P-位点） （4）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）,（三）多核糖体 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，这群核糖体称为多核糖体（polysome）。 多个核糖体同时翻译一个 mRNA 分子，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。,12.1.3 tRNA和氨基酰-tRNA,解码系统： tRNA 具有能通过碱基互补的方式识别密码子的特异部位，又有能结合相应氨基酸的特异部位，并把氨基酸携带至蛋白质合成的部位。 tRNA 结合相应氨基酸需一种酶来催化，这种酶称氨基酰合成酶（aminoacyl Synthetase）。,（一）氨基酸与 tRNA 分子的连接,tRNA 结合氨基酸这个过程也称为氨基酸的活化。当氨基酸结合于 tRNA 以后，就称为 氨酰化的 tRNA 或 氨基酰 tRNA。,氨基酰- tRNA 合成酶 氨基酸 + tRNA + ATP 氨基酰-tRNA + AMP + PPi,（二）密码子-反密码子的相互作用 mRNA 上密码子的每个碱基与 tRNA 反密码环上的密码子碱基即互补形成碱基对：,反密码子 3- X-Y-Z-5 密码子 5- X- Y- Z - 3,摆动假说: 1965 年 F.Crick 提出摆动假说（Wobble hypothesis） 这个假说认为密码子-反密码子的相互作用，首先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。,12.2 蛋白质生物合成的过程,12.2.1 翻译的起始 12.2.2 肽链的延伸 12.2.3 肽链的终止 12.2.6 肽链的折叠、加工与转运,12.2.1 翻译的起始（原核）,（一）fMet - tRNA fMet 的形成： 氨基酰- tRNA 合成酶催化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（f Met）。 Met 的甲酰化是在 Met - tRNA fMet 合成后，由 转甲酰基酶 催化，但转甲酰酶不会催化组成肽链中的甲硫氨酸甲酰化。 起始的 tRNA fMet，能特异地识别起始密码子 AUG。,（二）翻译起始信号 mRNA 上起始密码子 AUG 通常离 mRNA 5-末端约 20 - 30 个碱基，在这段前导顺序中，具有一段特殊顺序 AGGAGGU，位于起始 AUG 之前的固定的位置上，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对。 翻译的方向： 沿 mRNA 的 53方向进行。,（三）起始复合物的形成 （1）30S 起始复合物的形成 首先在辨认 mRNA 的 S.D 序列后，核糖体 30s 亚基 和 甲酰甲硫氨酰 - tRNAfMet （fMet-tRNAfMet）与 mRNA结合，形成 30S 起始复合物。 生成此复合物时需要 GTP 和三种蛋白起始因子（initiation factor ，IF） IF-1，IF-2 和 IF-3。这 3 种起始因子都连接于 30S 上，GTP 稳定这种结合。 fMet-tRNAfMet 结合在 mRNA 的 AUG 上，最终形成30S 起始复合物。,（2）70S 起始复合物的形成 当 30S 起始复合物形成后，IF - 3 即释放。50S亚基参加进来，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长阶段。 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-tRNA 的进入作好了准备。,真核生物翻译起始的不同点,（1） 真核生物核糖体较大，是由 60s 大亚基和 40s 小亚基组成 80s 的核糖体。 （2）起始的氨基酸是甲硫氨酸 。 （3） 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 AUG 密码子。 （4）真核生物含有的起始因子比原核生物多得多，相互关系也很复杂。以 elF 表示真核的起始因子。,（二）肽链延长 蛋白质合成的肽链延长阶段包括以下 三步，这三步反复循环完成肽链延长。整个循环过程需要三个延长因子（elongation factor EF）：EF-Tu，EF-Ts 和 EF-G。 （1）进位 （2）肽链形成 （3）移位,（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,（2） 肽链形成,5,3,fMet,-,tRNA,氨酰,A位点,P位点,转肽作用,5,3,A位点,P位点,fMet,空载,tRNA,-,tRNA,肽酰,（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,真核生物翻译延长的不同点,真核生物肽链延长的过程与原核相似。有多种因子参与，e EF 表示真核的延长因子。,12.2.3 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。 合成的多肽仍然接在占据 P 部位的 tRNA 上。终止过程是由释放因子（release factor， RF）参与下完成的，使 P 位上的肽链转移至水中，形成游离肽链，同时 70s 释放出 50s 核糖体亚基。此时，另一个被称为核糖体释放因子（ribosome releasing factor，RR）的成分参与使 30s 与 mRNA 分开。脱去肽链的 tRNA 与终止因子也离开。分离后的 50s、30s 又可为合成另一条肽链所用。,mRNA上肽链合成终止密码子为：UAA、UAG、UGA。,大肠杆菌有参与肽链合成的终止反应的三个终止因子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。,真核生物的翻译终止不同： eRF 表示真核生物的释放因子。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,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（translational frameshifting）。这种位移通常表现为一个碱基位移。 也有核糖体跳过一大段mRNA（如50个碱基）后继续翻译，这一过程叫做翻译跳跃（translational jumping）。 它们都发生在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。,12.2.6 肽链的折叠、加工与转运,（一）蛋白质的折叠 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空间构象的最基本因素。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。,助折叠蛋白 （folding helper） 一类是酶，如 蛋白质二硫键异构酶 及 肽酰脯酰顺反异构酶。前者通过加速蛋白质中形成正确的二硫键， 后者催化 肽脯氨酰 之间肽键的旋转反应，从而加速蛋白质的折叠过程。 另一类是 分子伴侣（chaperonin）。这是细胞内一类能帮助新生肽链正确组装，成熟，自身却不是终产物分子成分的蛋白质，类似酶的特征，所以称为分子伴侣。,真核和原核生物中的分子伴侣： 在真核和原核生物中研究得比较多的分子伴侣有： （a）胁迫-70家族：整个家庭成员的分子质量约为70KD，由两个结构域组成。不同来源的胁迫-70蛋白的 N-端的结构域高度保守，具有 ATP 酶活性。 （b）热休克蛋白70 （heat shock protein 70， Hsp70） ：是研究得最多的家庭成员之一。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。,（二）蛋白质的加工,主要有： （1）N - 端修饰 （2）氨基酸侧链的修饰 （3）水解修饰 （4）糖基化修饰,（1）N - 端修饰 新生蛋白质的 N - 末端都带有一个甲硫氨酸残基，原核中还是甲酰化的。 原核生物多数情况 甲硫氨酸 也被 氨肽酶 除去。 如大肠杆菌中约只有 30 的蛋白质还保留甲硫氨酸。 真核生物中 甲硫氨酸 则全部被切除。,（2）氨基酸侧链的修饰 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。,（3）水解修饰 许多新合成的 酶 和 蛋白质 是以 酶原 或其它无活性的 “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。酶激活即是例子。,（4）糖基化修饰糖 单糖或寡聚糖与肽链以共价键进行连接。常见的糖蛋白有：免疫球蛋白、血型糖蛋白、干扰素、补体、甲状腺球蛋白等。 另外，还包括辅基的连接、亚基的聚合和蛋白质的自剪接等。,（三）肽链的转运,信号肽：除了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）或称为信号肽。 信号识别蛋白：细胞内还存在一种信号识别蛋白（Signal recognition particle，SRP）。 SRP 能识别正在合成多肽且此多肽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 将复合体从细胞质引向内质网膜。,膜上有