蛋白质的生物合成1.ppt

第十五章 蛋白质的生物合成,将mRNA上所携带的遗传信息，最终表达为具有特定氨基酸顺序的蛋白质多肽链，这种遗传信息的传递，与将一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，被形象地称作翻译(translation)。,翻译的分工,mRNA：合成的模板,tRNA：运输氨基酸工具,rRNA+蛋白质核糖体：合成蛋白质的场所,多种蛋白因子：辅助参与,蛋白质合成方向：N端C端,rRNA,DNA,mRNA,tRNA,遗传信息流动示意图,15.1.1 mRNA,15.1 蛋白质合成体系,mRNA (messenger RNA) 是蛋白质生物合成过程中直接指导氨基酸掺入肽链的模板，是遗传信息的载体。,遗传密码：DNA (或mRNA) 中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。 密码子 (codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为三联体密码或密码子。,15.1.1.1 遗传密码,A,G,C,U,排列组合,三联体密码 (密码子，64个),60个,UAAUAGUGA,AUG,起始密码,终止密码,氨基酸编码,一. 以均聚物为模板指导多肽的合成,(1) 以Poly U替代mRNA为模板，产生的多肽链为Poly Phe； (2) Poly C为模板，产生的多肽链为Poly Pro； (3) Poly A为模板，产生的多肽链为Poly Lys。,二. 以随机共聚物指导多肽的合成,以随机共聚物A、C为模板，任意排列可出现八种三联体，获得六种氨基酸组成的多肽。,三. 以特定的共聚物为模板指导多肽的合成,(1) 以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽：Poly UGCys-Val； Poly CULeu-Ser。 (2) 以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨基酸组成的多肽。,15.1.1.2 三联体密码的破译实验,四. 核糖体结合技术,技术要点：,保温,硝酸纤维滤膜过滤,分析留在滤膜上的核糖体-AAtRNA,确定与核糖体结合的AA,人工合成的三核苷酸模板+核糖体+AA-tRNA,U,A,C,G,UCAG,U,C,A,G,中间碱基,5位 碱基,3位 碱基,UCAG,UCAG,UCAG,15.1.1.3 遗传密码字典,(1) 密码无标点符号，且相邻密码子互不重叠。 (2) 密码的简并性：一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象简并性(dogeneracy)，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(Synonymous codon)。密码的简并性可以减少有害突变。 (3) 密码的摆动性(变偶性)：密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定，tRNA上的反密码子与mRNA密码子反平行配对时，密码子的第一、二位碱基是严格的，第三位碱基可以有一定的变动。Crick称这一特点为变偶性(wobble)。 (4) 密码的通用性和变异性 (5) 64组密码子中，AUG既是甲硫氨酸的密码，又是起始密码；有三组密码(UAG、UAA、UGA)不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子。,15.1.1.4 遗传密码的性质,A U C G,密码子第三位碱基,G,U C,U,A G,I,U C A,反密码子与密码子之间的碱基配对,反密码子第一位碱基,UGA 终止信号 Trp AUA Ile Met AGA Arg 终止信号 AGG Arg 终止信号,密码子 正常情况下编码 线粒体中的编码,人线粒体中变异的密码子,15.1.1.5 原核细胞mRNA的结构特点,5,3,先导区,AGGAGGU,SD区,顺反子,顺反子,顺反子,末端顺序,插入顺序,插入顺序,特点： 半衰期短； 多顺反子形式； AUG为起始密码； AUG上游712个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区，与16S rRNA 3-端反向互补，使mRNA与核糖体结合，以利识别起始密码。,一些mRNA的SD序列,mRNA的SD序列与16S rRNA 3-端序列互补示意图,富含嘧啶区,5 “帽子”,PolyA 3,单顺反子(cistronic),AAAAAAAOH,m7G5ppp5Np3,15.1.1.6 真核细胞mRNA的结构特点,帽子结构功能： 使mRNA免遭核酸酶的破坏； 使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质； 被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。,Poly A 尾巴的功能： 是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式； 大大提高mRNA在细胞质中的稳定性。,15.1.2 核糖体,核糖体是由rRNA (ribosomal ribonucleic acid) 和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成是在这种核糖体上进行的。,15.1.2.1 核糖体的组成和结构,原核细胞和真核细胞核糖体组成,原核生物 核糖体的组成,23S RNA,5S RNA,34 protein,16S RNA,21 protein,50S subunit,30S subunit,70S ribosome,原核生物核糖体结构示意图,50S subunit,30S subunit,15.1.2.2 核糖体的功能,原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图,P位 (肽酰-tRNA 结合位点),A位 (氨酰- tRNA 结合位点),与mRNA结合部位,anticodon,codon,mRNA,P,A,真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子,阶段 原核 真核 功 能 IF-1 IF-2 eIF2 参与起始复合物的形成 IF-3 eIF3、eIF4C 起始 CBP I 与mRNA帽子结合 eIF4 A B F 参与寻找第一个AUG eIF5 协助eIF2 、 eIF3、eIF4C的释放 eIF6 协助60S亚基从无活性的核糖体上解离 EF-Tu eEF1 协助氨酰-tRNA进入核糖体 延长 EF-Ts eEF1 帮助EF-Tu 、 eEF1周转 EF-G eEF2 移位因子 RF-1 终止 eRF 释放完整的肽链 RF-2,原核和真核细胞参与翻译的蛋白质因子,15.1.3 tRNA,tRNA (transfer ribonucleic acid) 在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将活化的氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。 tRNA两个关键部位：与氨基酸的结合部位，与mRNA的结合部位。对于组成蛋白质的20种氨基酸来说，每一种至少有一种tRNA来负责转运。为了准确地翻译，每一种tRNA必须能被很好地识别。 书写：将所转运的氨基酸写在tRNA的右上角，如tRNAPhe和tRNASer分别表示苯丙氨酸和丝氨酸转运的tRNA。 大多数氨基酸具有几种用来转运的tRNA；一个细胞中，通常含有50或更多的不同tRNA分子。,多为鸟苷,均为CCA,tRNA的二级结构,15.1.3.1 tRNA的结构特征,酵母tRNAPhe的倒L型形三级结构,酵母tRNAPhe的堆积模型,(1) tRNA的接头 (adaptor) 作用 3-端上CCA的氨基酸接受位点， 氨酰- tRNA合成酶识别的位点， 核糖体识别位点，使延长中的肽链附着于核糖体上， 反密码子位点。 (2) tRNA的突变与校正基因 (回复突变，reverse mutation),15.1.3.2 tRNA的功能,Glu,H2N,COOH,mRNA分子中的密码子GAG(53)突变为UAG,GAG(Glu),H2N,COOH,基因间的校正突变,tRNATyr的反密码子AUG(35)突变为AUC,突变tRNATyr将终止密码 UAG读作Tyr,UAG(终止密码),Tyr,H2N,COOH,15.2 蛋白质的合成过程,15.2.1 氨基酸的活化及其转运,氨基酸,氨酰腺苷酸-酶复合物,氨基酸的活化：从ATP获取能量；因与酶结合而稳定。,15.2.1.1 氨基酸的活化,氨酰-tRNA合成酶,15.2.1.2 活化氨基酸的转运,3-氨酰-tRNA,tRNA,氨酰腺苷酸-酶复合物,二. 特点 (1) 专一性： 对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶；只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。 对tRNA具有极高专一性。 (2) 校对作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。,15.2.1.3 氨酰-tRNA合成酶种类与特点,一. 种类 氨酰-tRNA合成酶：将氨基酸N端与tRNA末端2-OH成酯，再经转酯反应到3-OH位； 氨酰-tRNA合成酶：直接将氨基酸N端与tRNA末端3-OH成酯。,15.2.2 肽链合成的起始,Met-tRNAMet,Met,Met-tRNAiMet,tRNAMet,tRNAiMet,Met-tRNA合成酶,启动,延伸,起始因子,延伸因子,识别,识别,15.2.2.1 起始Met-tRNAiMet,Met-tRNAfMet,fMet-tRNAfMet,原核生物中：,15.2.2.2 与mRNA和核糖体的结合,30S Subunit,P,A,IF-1,IF-3,A,U,G,5,3,P,A,防止其它氨酰-tRNA过早进入氨酰位A,结合小亚基，避免过早与大亚基结合,IF-1,IF-3,IF-2,GTP,P,IF-3,A,U,G,5,3,GTP,-10bp SD序列引导fMet-tRNA进入肽酰位P,tRNA,U,A,C,具有GTP酶活性，可促进fMet-tRNA与小亚基结合,A,IF-1,5,5,fMet,fMet,P,A,IF-1,IF-3,A,U,G,5,3,IF-2,细菌蛋白合成中的起始信号S-D序列,位于起始密码子AUG上游712nt处的49个嘌呤核苷酸残基片段，可以将起始的AUG (与fMet-rRNA结合) 与在读码框架中出现的其它AUG (与 Met-tRNA结合) 相区分。 小亚基的16S-rRNA近3-末端有一段富含嘧啶区，可与S-D序列互补，使之成为与核糖体结合的位点。,P,A,IF-1,IF-3,A,U,G,5,3,IF-2,GTP + Pi,E,+,+,50S Subunit,U,A,C,Next codon,70S起始复合物,fMet,5,P,IF-3,A,U,G,5,3,GTP,tRNA,U,A,C,A,IF-1,5,fMet,IF-2,15.2.3 肽链的延长,P,A,A,5,3,E,1,进位,U,G,U,A,C,P,A,A,5,3,E,1,U,G,U,A,C,2,肽键的形成,fMet,fMet,AA2,P,A,A,5,3,E,1,U,G,U,A,C,2,P,A,A,5,3,E,U,G,2,移位,GDP + Pi,EF-G,EF-G,GTP,1,U,A,C,3,核糖体移动方向,AA3,2,AA2,N端,C端,GTP,Tu/Ts,15.2.4 肽链合成的终止和释放,P,A,5,3,E,U,A,G,P,A,5,3,E,U,A,G,RF,RF,5,5,COO,3,U,A,G,5,3,30S,50S,多肽链释放,tRNA,mRNA,5,3,复合物解离,RF,进位Tu/Ts循环,Ts-GDP,Ts,肽键的形成,15.2.5 真核生物多肽链的合成,(1) 真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂； (2) 起始氨基酸为Met，不是fMet； (3) 肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首先识别mRNA的5端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG； (4) 起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子； (5) 真核细胞线粒体和叶绿体中核糖体的大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。,15.3 蛋白质合成后加工,(1) 肽链末端的修饰； (2) 信号肽序列的切除； (3) 个别氨基酸的修饰； (4) 二硫键的形成； (5) 与糖基连接； (6) 部分肽段的切除； (7) 辅基的加入； (8) 多肽链的折叠,磷酸化修饰,羧化修饰,羧化的Glu,磷酸化的 Ser、Thr、Tyr,A链,B链,C链,胰凝乳蛋白酶原,胰蛋白酶原,部分肽段的切除,切除C肽后，形成成熟的胰岛素分子,切除信号肽后折叠成稳定构象的胰岛素原,胰岛素原的加工,间插序列 (C肽区),肽链的折叠,肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具有正确三维空间结构的蛋白质的过程。 至少有两类蛋白质参与肽链的折叠 (助折叠蛋白)： (1) 酶：蛋白质二硫键异构酶 (PDI)；(2) 分子伴侣。,Lasky于1978年首先提出分子伴侣(molecular chaperones) 的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在。,15.4 蛋白质的定向转运,信号肽假说,一些真核细胞多肽链上N-端的信号肽的结构,信号肽假说简图,15.5 蛋白质合成的抑制剂,四环素：与原核生物的30S亚基的A位点结合，阻止氨