蛋白质合成及转运1.ppt

第38章 蛋白质合成及转运,蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。,蛋白质的生物合成 合成场所：核糖体 原料：AA、tRNA 、mRNA 、rRNA 酶、蛋白因子 ATP、GTP、无机离子,含有密码子 阅读方向5到3 起始密码和终止密码 3端：真核生物有PolyA尾巴 5端：决定起始密码的选择,一、蛋白质合成的分子基础,（一）模板是mRNA,1961年，Nirenberg 证明了mRNA的模板作用。,mRNA是遗传信息的携带者,遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子（polycistron）。 真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。,mRNA结构简图,mRNA上存在遗传密码,mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码（triplet codon）。,ORF,从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一条多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。,每种AA都至少有一种tRNA负责转运 通常一种AA具有几种tRNA,（二）tRNA转运活化的AA到模板上,tRNA分子具有4个位点： 3CCA-OH氨基酸接受位点 识别氨酰-tRNA合成酶位点 核糖体识别位点 反密码子位点,核蛋白体的组成,（三）核糖体是蛋白质合成的工厂,原核生物核蛋白体结构模式,30S小亚基：有mRNA结合位点 50S大亚基： E位：排出位（Exit site） 转肽酶活性 大小亚基共同组成： A位：氨基酰位 (aminoacyl site) P位：肽酰位 (peptidyl site),（一）氨酰tRNA的生成氨基酸的活化,二、翻译的步骤,氨基酸 + tRNA,氨基酰- tRNA,ATP,AMPPPi,氨酰-tRNA合成酶,第一步反应,氨基酸ATPE 氨基酰-AMP-EAMP PPi,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,（二）氨酰tRNA合成酶识别：AA、tRNA 、ATP,型和型酶,氨基酰-tRNA合成酶对氨基酸和tRNA都有高度特异性。 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet,氨基酸的活化形式：氨基酰tRNA 氨基酸的活化部位：羧基 氨基酸与tRNA连接方式：酯键 氨基酸活化耗能：2个P,（三）氨酰tRNA合成酶的校正功能 水解非正确组合的AA和tRNA,异亮氨酰 tRNAIle 缬氨酰 tRNAVal 缬氨酰 tRNAIle则被水解： 缬氨酸+ tRNAIle,翻译起始于Met的参与 tRNAMet：携带Met掺入蛋白内部 tRNAiMet ：起始Met 掺入 由同一种tRNA合成酶合成 起始因子识别tRNAiMet 延伸因子识别tRNAMet,（四）一个特殊的tRNA启动蛋白的合成,原核生物中的甲酰Met,fMet - tRNAiMet,（五）翻译起始于mRNA与核糖体的结合,原核生物借助SD序列,（六）蛋白因子帮助合成的起始,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)。 参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。,S-D序列： 在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。 又称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS) 能与16S核糖体RNA识别，以帮助从起始AUG处开始翻译。,Shine和Dalgarno,S-D序列,原核生物mRNA 5端的SD序列 识别16S rRNA,核糖体结合位点序列,真核生物 5端有核糖体进入部位 帽子结构帮助识别 向3扫描至AUG GCCGCCpurCCAUGG,参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。原核生物起始因子有三种： IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。 IF-2：促进起始tRNA与小亚基结合。 IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性。,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,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA与小亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合,A：aminoacyl site P：peptide site E：exit site（大部分在大亚基上）,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,起始过程消耗1个GTP。,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。,真核生物翻译起始因子,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物翻译起始的特点 核蛋白体是80S； 起始因子种类多； 起始tRNA的Met不需甲酰化； mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关； 起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA,指按照mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,（七）蛋白质合成的延伸（elongation）,肽链的延长是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，分为以下三步： 进位（entrance） 转肽（peptide bond formation） 移位（translocation）,肽链合成的延长因子,进位,指根据mRNA上一组遗传密码指导，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,转肽：肽酰转移酶（核糖体参与催化）,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。,移位：EF-G（EF-2）,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。,真核生物延长过程,肽酰转移酶活性变为酯酶活性,（八）翻译的终止（terminate）,当mRNA上终止密码（UAA、UAG、UGA）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),识别终止密码， RF-1特异识别UAA、UAG； RF-2可识别UAA、UGA。 诱导转肽酶改变为酯酶活性，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,原核生物蛋白质合成的能量计算 氨基酸活化：2个P ATP 起始： 1个 GTP 延长： 2个 GTP 终止： 1个 GTP 结论：每合成一个肽键至少消耗4个P。,多聚核蛋白体 多核糖体（polysome) 一个mRNA分子可同时有多个核蛋白体在进行同一种蛋白质的合成，这种mRNA和多个核蛋白体的聚合物称为多聚核蛋白体。,多核糖体（polysome）,（九）蛋白质合成的抑制剂,抗菌素（antibiotics） 毒素 抗代谢物 干扰素,蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。,（1）抗菌素,链霉素、卡那霉素、新霉素 主要抑制G-菌Pr合成三个阶段： 起始复合物形成使氨基酰tRNA从复合物脱落； 肽链延伸阶段使氨基酰tRNA与mRNA错配； 终止阶段阻碍终止因子与核蛋白体结合， 已合成的多肽链无法释放， 抑制70S核糖体的解离,四环素（土霉素、金霉素） 作用于细菌30S小亚基，抑制起始复合物形成 抑制氨酰tRNA进入核糖体A位，阻滞肽链延伸； 影响终止因子与核糖体的结合 四环素类抗生素对真核细胞核糖体也有抑制 但不能通过真核生物细胞膜 对70S核糖体的敏感性更高,氯霉素广谱抗生素 与核糖体A位紧密结合，阻碍氨基酰tRNA进入 抑制肽酰转移酶活性，肽链延伸受到影响,50S大亚基蛋白组分,四环素族,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理,（2）毒素,白喉霉素 共价修饰使EF-2失活 一条多肽单链，2个二硫键，2个结构域 结构域与细胞表面受体结合 毒素蛋白水解断裂 二硫键还原，产生A、B两片段： B协助A通过细胞膜，A为蛋白修饰酶,催化蛋白发生ADP-核糖基化,白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理,（3）抗代谢物,结构与天然代谢物相似 竞争性抑制代谢中酶/反应 嘌呤霉素 结构与Tyr-tRNA Tyr相似，进入核糖体A位 连于肽链的C端，形成肽酰嘌呤霉素， 容易脱落，肽链合成提前终止 嘌呤霉素对原/真核生物翻译过程均有干扰 用于肿瘤治疗,嘌呤霉素作用示意图,（4）干扰素（interferon，IFN）,病毒感染的宿主细胞产生 白细胞（）、成纤维（）、免疫（） 干扰素结合于细胞膜，活化抗病毒蛋白基因 诱导产生： 蛋白激酶使eIF2磷酸化失活； 25腺嘌呤寡聚核苷酸合成酶 25A激活磷酸二酯酶水解mRNA,干扰素的作用机理,三、蛋白质的运输及翻译后修饰,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。,（一）、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,1、分泌蛋白的靶向输送,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网，再分别被包装成分泌小泡而分泌出细胞。,信号肽(signal peptide),各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。,信号肽的一级结构,N端侧碱性区,疏水核心区,C端加工区,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,2、线粒体蛋白的靶向输送,3、细胞核蛋白的靶向输送,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,（二）蛋白质翻译后修饰,1、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、合成后进行，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、模体、结构域到形成完整的空间构象。 大多数天然蛋白质折叠都需要其他酶和蛋白质的辅助。,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,（1）. 分子伴侣,分子伴侣是细胞中一类保守蛋白质，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。,HSP40结合待折叠多肽片段,HSP70-ATP复合物,HSP40- HSP70-ADP-多肽复合物,ATP水解,GrpE,ATP,ADP,复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠,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。,伴侣素系统促进蛋白质折叠过程,（2）. 蛋白二硫键异构酶（PDI）,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。,（3）. 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。,2、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,鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,N,C,信号肽,PMOC,KR,KR,3、高级结构的修饰,（1）亚基聚合 （2）辅基连接 （3）疏水脂链的共价连接,1预测一下哪一种氨酰- tRNA合成酶不需要有较对的功能： A甘氨酰- tRNA合成酶 B丙氨酰- tRNA合成酶 C精氨酰- tRNA合成酶 D谷氨酰- tRNA合成酶 2某一种tRNA的反密码子是5UGA3，它识别的密码子序列是： AUCA BACU CUCG DGCU 3为蛋白质生物合成中肽链延伸提供能量的是： AATP BCTP CGTP DUTP 4一个N端氨基酸为丙氨酸的20肽，其开放阅读框架至少应由多少核苷酸残基组成： A60 B63 C66 D69,5在蛋白质生物合成中tRNA的作用是： A将一个氨基酸连接到另一个氨基酸上 B把氨基酸带到mRNA指定的位置上 C增加氨基酸的有效浓度 D将mRNA连接到核糖体上 6下列对原核细胞mRNA的论述那些是正确的： A原核细胞的mRNA多数是单顺反子的产物 B多顺反子mRNA在转录后加工中切割成单顺反子mRNA C多顺反子mRNA翻译成一个大的蛋白质前体，在翻译后加工中裂解成若干成熟的蛋白质 D多顺反子mRNA上每个顺反子都有自己的起始和终止密码子；分别翻译成各自的产物 7在蛋白质分子中下面所列举的氨基酸哪一种最不容易突变？ AArg BGlu CVal DAsp,8根据摆动学说，当一个tRNA分子上的反密码子的第一个碱基为次黄嘌呤时，它可以和mRNA密码子的第三位的几种碱基配对： A1 B2 C3 D4 9以下有关核糖体的论述哪项是不正确的： A核糖体是蛋白质合成的场所 B核糖体小亚基参与翻译起始复合物的形成，确定mRNA的解读框架 C核糖体大亚基含有肽基转移酶活性 D核糖体是储藏核糖核酸的细胞器 10关于密码子的下列描述，其中错误的是： A每个密码子由三个碱基组成 B每一密码子代表一种氨基酸 C每种氨基酸只有一个密码子 D有些密码子不代表任何氨基酸,12摆动配对是指下列哪个碱基之间配对不严格： A反密码子第一个碱基与密码子第三个碱基 B反密码子第三个碱基与密码子第一个碱基 C反密码子和密码子第一个碱基 D反密码子和密码子第三个碱基 13在蛋白质合成中，把一个游离氨基酸掺入到多肽链共须消耗多少高能磷酸键： A1 B2 C3 D4,14蛋白质的生物合成中肽链延伸的方向是： AC端到N端 B从N端到C端 C定点双向进行 DC端和N端同时进行 15核糖体上A位点的作用是： A接受新的氨基酰-tRNA到位 B含有肽机转移酶活性，催化肽键的形成 C可水解肽酰tRNA、释放多肽链 D是合成多肽链的起始点 16蛋白质的终止信号是由： AtRNA识别 B转肽酶识别 C延长因子识别 D以上都不能识别 17下列属于顺式作用元件的是： A启动子 B结构基因 C RNA聚合酶 D 转录因子 18下列属于反式作用因子的是： A启动子 B增强子 C终止子 D转录因子,（ ）1由于遗传密码的通用性真核细胞的mRNA可在原核翻译系统中得到正常的翻译。 （ ）2核糖体蛋白不仅仅参与蛋白质的生物合成。 （ ）3在翻译起始阶段，有完整的核糖体与mRNA的5端结合，从而开始蛋白质的合成。 （ ）4所有的氨酰-tRNA的合成都需要相应的氨酰-TRNA合成酶的催化。 （ ）5EF-Tu的GTPase 活性越高，翻译的速度就越快，但翻译的忠实性越低。 （ ）6在蛋白质生物合成中所有的氨酰-tRNA都是首先进入核糖体的A部位。,（ ）8从DNA分子的三联体密码可以毫不怀疑的推断出某一多肽的氨基酸序列，但氨基酸序列并不能准确的推导出相应基因的核苷酸序列。 （ ）9与核糖体蛋白相比，rRNA仅仅作为核糖体的结构骨架，在蛋白质合成中没有什么直接的作用。 （ ）10多肽链的折叠发生在蛋白质合成结束以后才开始。 （ ）11人工合成多肽的方向也是从N端到C端。 （ ）12核糖体活性中心的A位和P位均在大亚基上。 （ ）13蛋白质合成过程中所需的能量都由ATP直接供给。 （ ）14每个氨酰-tRNA进入核糖体的A位都需要延长因子的参与，并消耗一分子GTP。 （ ）15每种氨基酸只能有一种特定的tRNA与之对应。,（ ）16密码子与反密码子都是由AGCU 4种碱基构成的。 （ ）18原核细胞新生肽链N端第一个残基为fMet；真核细胞新生肽链N端为Met。,1蛋白质的生物合成是以_作为模板，_作为运输氨基酸的工具，_作为合成的场所。 2细胞内多肽链合成的方向是从_端到_端，而阅读mRNA的方向是从_端到_端。 3核糖体上能够结合tRNA的部位有_部位，_部位。 4蛋白质的生物合成通常以_作为起始密码子，以_，_，和_作为终止密码子。 5SD序列是指原核细胞mRNA的5端富含_碱基的序列，它可以和16SrRNA的3端的_序列互补配对，而帮助起始密码子的识别。 6原核生物蛋白质合成的起始因子（IF）有_种，延伸因子（EF）有_种，终止释放（RF）有_种。,7原核生物蛋白质合成中第一个被掺入的氨基酸是_。 8无细胞翻译系统翻译出来的多肽链通常比在完整的细胞中翻译的产物要长，这是因为_。 9已发现体内大多数蛋白质正确的构象的形成需要_的帮助。 10分子伴侣通常具_酶的活性。 11蛋白质内含子通常具有_酶的活性。 12某一tRNA的反密码子是GGC，它可识别的密码子为_和_。 14在真核细胞中，mRNA是由_经_合成的，它携带着_，它是由_降解成的。大多数真核细胞的mRNA只编码