第38章 蛋白质合成及转运

第三十八章 蛋白质合成及转运 第一节 蛋白质合成的分子体系 一mRNA 是蛋白质合成的模板（见上一章） 二tRNA 转运活化的氨基酸至mRNA 模板上 1957 年Hoagland，M.B.发现一类稳定的RNA 小分子，不与核糖体结合，因而不同于 mRNA 和rRNA。 Crick, F.比较了核酸和氨基酸的大小和形状后，认为不可能在空间上互补，因此预测：存在 一类分子转换器，使信息从核酸序列转换成氨基酸序列；这种分子很可能是核酸；它不论 以何种方式进入蛋白质翻译系统的模板，都必须与模板形成氢键（即配对）；有20 种分子 转换器，每种氨基酸一个；每种氨基酸必定还有一个对应的酶，催化与特定的分子转换器 结合。 1963 年，Ehrenstein 等人用实验证明了Hoagland 发现的分子就是Crick 预言的分子转换器， 即tRNA。 三核糖体是蛋白质合成的工厂 早在本世纪30 年代后期就发现细胞质和细胞核中都有核酸存在，不过用1924 年福尔根发 明的染色法只能使细胞核中的核酸染色。但两种核酸在260nm 的吸收非常相似。1941 年， 细胞学家J.Brachet 和T.Caspersor 注意到细胞质中的核酸与蛋白质的合成有密切的关系。 50 年代有人用电子显微镜和物理化学手段发现大肠杆菌细胞质的RNA 常常存在于蛋白质 合成相关的颗粒中（20nm，用35S 进行脉冲式标记的实 验证明该颗粒是蛋白质合成的所在地），简称核糖体。 核糖体得到分离后，发现含有RNA，即称rRNA。Watson 等发现rRNA 的GC，AU， 断定是一单链分子。 大肠杆菌的7 种核糖体RNA 的操纵子： 16S rRNA 在 30S 核糖体亚基中： 大肠杆菌核糖体的三维结构： 第二节 翻译的步骤 一氨酰-tRNA 合成酶使氨基酸结合到特定的tRNA 上 二每一个氨酰-tRNA 合成酶可识别一个特定的氨基酸和与此氨基 酸对应的tRNA 的特定部位 两类氨酰-tRNA 合酶的结构成镜像关系，分别与tRNA 的两侧结合，图中可见其空间互补 关系。 氨酰-tRNA 合成酶的辨认位点： 4 种tRNA 的辨认核苷酸： 大肠杆菌的氨酰-tRNAGln 合成酶的晶体结构。大肠杆菌的氨酰-tRNAGln 合成酶的图解， 紫色球代表磷原子。 大肠杆菌tRNAAla 氨基酸臂是酶的辨认位点。 3:70 碱基对的多种可能结构： 碱基对的多种变化。在不同的碱基配对中位置有明显变化。 三一个特殊的tRNA 启动了蛋白质的合成 四翻译开始于mRNA 与核糖体的结合 大肠杆菌核糖体辨认的多种SD 序列： 五蛋白质因子帮助蛋白质合成的起始 GDPCP 作为GTP 的类似物，抑制GTP 参与的步骤。 六在氨基酸的掺人过程中有4 个重复的延伸反应 转肽反应： 23S rRNA 肽基转移酶活性部位的序列。绿色为非保守核苷酸，在三级结构中肽酰-tRNA 转移到中心部位。 七核糖体反应中GTP 的作用：肽链合成延伸反应中的进位和移位 在A/P，E/P 等符号中，分子部分代表其位置在50S 亚基，分母部分代表其位置在30S 亚 基。 2 个tRNA(L 形管状)在延伸反应中的位置：tRNA 的反密码环指向小亚基的裂缝(mRNA 从此处穿过)，氨基酸臂相互靠近，在蛋白质合成过程中，tRNA 既可绕氨基酸臂旋转，也 可绕反密码臂旋转。黄色区域是氨酰-tRNA 和延伸因子进入的位置。 EF-Tu 和EF-G 的结构：EF-Tu 的三个结构域分别用红，绿和淡蓝色表示，淡紫色表示。 tRNAEF-G-tRNA的结构与EF-Tu-tRNA 相似，二者竞争核糖体上的同一个结合部位。 八翻译的终止需要释放因子和终止密码子的参加 RF1 识别UAA 和UAG，RF2 识别UAA 和UGA，RF3 协助二者起作用。 核糖体循环： 多聚核糖体的电镜照片： 原核生物的转录翻译同步进行： 色氨酸操纵子可以表达多种蛋白质： 第三节 真核生物肽链的合成 真核生物mRNA 的结构： 真核生物肽链合成的起始分为3 个阶段。 eIF4G 是结合eIF4E:帽子复合物的多功能接头polyA 结合蛋白： 在真核生物中，促进氨酰-tRNA 进位的延伸因子只有一种EFT1，促进移位的为EFT2，真 核生物的肽链合成终止只需要一种终止因子RF。eIF-2 活性的调节： 合成的抑制剂：四环素族（金霉素、新霉素、土霉素）：作用于30S 和40S 亚基，阻碍 tRNA 与小亚基结合，易进入细菌，不易进入哺乳类细胞；链霉素、新霉素、卡那霉素： 作用于30S 亚基，抑制启动，造成误译等；氯霉素、林可霉素、红霉素：作用于50S 亚基， 抑制转肽酶，妨碍移位等；白喉毒素修饰EFT2 的氨基酸，强烈抑制真核生物蛋白质的合 成；蓖麻蛋白的B 链与细胞结合，使A 链进入细胞，作用于60S 亚基，抑制EFT2 的作用， 天花粉蛋白、肥皂毒素、苦瓜素的结构与EFT2 的A 链相似，作用机制与蓖麻蛋白类似； 嘌呤霉素可以阻断氨酰-tRNA 的进位；放线菌酮抑制真核生物蛋白质的合成；天门冬酰胺 酶分解天门冬酰胺，抑制蛋白质合成，可用于治疗白血病；干扰素可以活化一种蛋白激酶， 使eIF2 磷酸化，抑制蛋白质合成，还可以活化核酸内切酶，分解病毒的mRNA，因而有抗 病毒作用，同时，可以活化T 细胞，有一定的抗肿瘤作用。 白喉毒素对肽链合成的抑制： 第四节 蛋白质的运输及翻译后修饰 一蛋白质通过其信号肽引导到目的地 二一些线粒体叶绿体蛋白质是翻译完成后被运输的 由核基因编码的线粒体外膜蛋白质的N 端有线粒体定向肽，起信号肽的作用，可以与外膜 上的相应位点相识别，定向肽富含带正电荷的氨基酸及丝氨酸和苏氨酸，氨基酸序列为： MLKTSSLFTRRUQPSLFRNILRLQST-。 细胞色素c1 前体蛋白的N 端有两个信号肽序列，第一个信号肽序列识别线粒体外膜上的 受体蛋白，引导肽链进入线粒体基质，随后被切除；第二个信号肽序列用相似的方式引导 肽链穿过内膜，折叠成天然构象，并与血红素分子结合。 核基因编码的叶绿体蛋白N 端有叶绿体转移肽，肽链转移的方式与线粒体相似。 三分泌型的真核蛋白在内质网内合成 四高尔基体中多肽的糖基化修饰及多肽的分类 在高尔基体中，对糖蛋白的寡糖链进行修饰和调整，将各种多肽分类送往溶酶体、分泌粒 和质膜等目的地。 五大肠杆菌蛋白质在翻译的同时也在被运输 细菌的非细胞质蛋白在核糖体上合成的同时被运送到质膜或跨过质膜，称作翻译中运输。 新生肽链N端有引导序列，可以识别膜蛋白，将正在翻译的核糖体引导至质膜，使合成的 多肽链定位于质膜，或分泌出细胞，引导序列可以被引导肽酶切除。 六肽链折叠的途径 分子伴侣非依赖性折叠，折叠在肽链合成过程中，或肽链被 截短后进行；依赖于Hsp70 的折叠；依赖于Hsp70 和分子伴侣 复合体的折叠，原核生物的分子伴侣复合体为GroES-GroEL，真 核生物的分子伴侣复合体为TR1C(TCP1 ring complex)或CCT(cytosolic chaperonin containing TCP1)。 GroEL-GroES 复合物的结构和功能： 七蛋白质的降解 泛酰蛋白质的合成： 酸性N-末端蛋白质的修饰在蛋白质降解系统中有作用。 泛酰蛋白质降解的途径： 八真核生物基因表达调控的总结 1DNA 水平的调控 基因丢失，即DNA 片段或部分染色体的丢失，如蛔虫胚胎发育过程有27%的DNA 丢失。 基因扩增，即特定基因在特定阶段的选择性扩增，如非洲爪蟾卵母细胞中的rDNA 是体细 胞的4000倍。 DNA 序列的重排，如哺乳动物免疫球蛋白各编码区的连接。 染色质结构的变化，通过异染色质关闭某些基因的表达。 DNA 的修饰，如DNA 的甲基化关闭某些基因的活性。 2转录水平的调控 染色质的活化，如核小体结构的解开、非组蛋白的作用等。 转录因子的作用，转录因子与RNA 聚合酶及特定的DNA 序列（启动子、增强子）相互作 用实现对转录的调控。 3转录后水平的调控 mRNA 前体的加工，如5端加帽、3端加尾、拼接、修饰、编辑等。 mRNA 的选择性拼接，如抗体基因的选择性拼接。 4翻译水平的调控 控制mRNA 的稳定性，如5端的帽子结构、3端polyA 尾巴和mRNA 与蛋白质的结合 有利于mRNA