蛋白质的生物合成

第十四章蛋白质的生物合成 ProteinBiosynthesis 中南大学湘雅医学院宋惠萍 合成蛋白质的原料是氨基酸rRNA和蛋白质组成的核糖体是生产蛋白质的工厂a 膜结合核糖体b 游离核糖体tRNA作为转换器分子能帮助将mRNA上的核酸语言翻译成蛋白质语言 蛋白质的生物合成可分为三个阶段 起始阶段 延长阶段和终止阶段 从氨基末端向羧基末端合成蛋白质 第一节蛋白质生物合成的基本条件 一 mRNA是蛋白质合成的模板 mRNA含有从DNA转录的遗传信息多顺反子 polycistron 编码几种功能相关的蛋白质的一段mRNA 存在于原核生物 单顺反子 monocistron 只编码一个蛋白质的一段mRNA 多见于真核生物 mRNA包括5 非翻译区 5 UTR 开放阅读框架区 ORF 和3 非翻译区 3 UTR 在mRNA的开放阅读框架区中每3个核苷酸组成三联体遗传密码子 编码蛋白质中20种氨基酸 起始密码子 AUG终止密码子 UAG UGA UAA 遗传密码的特点 通用性 universality 方向性 directionality 连续性 commalessness 简并性 degeneracy 摆动性 wobble 二 氨基酸与tRNA 转换器分子tRNA是蛋白质生物合成过程中氨基酸的转运工具密码子与反密码子的摆动现象tRNA分子3 末端的CCA序列是氨基酸结合部位 每一种特异的tRNA只能转载特异的氨基酸 只有通过氨基酰 tRNA合成酶 才能使tRNA和氨基酸相互识别 氨基酰 tRNA的合成 同工接受体 isoacceptor 细胞内的tRNA的种类多于20种 故一种氨基酸可由几种tRNA装载 装载同一氨基酸的所有tRNA被称为同工接受体 氨基酰 tRNA合成酶有校正活性 editingactivity 二 肽酰转移酶 在原核生物中 肽酰转移酶 peptidyltransferase 是大亚基的23SrRNA的成分 在真核生物中 该酶是大亚基28SrRNA的成分 它们均是核酶 第二节蛋白质生物合成的过程 蛋白质是从N端向C端合成原核生物的起始tRNA是结合甲酰蛋氨酸的tRNA tRNAfmet 而真核生物的起始tRNA是结合蛋氨酸的tRNA Korak共有序列 Korakconsensus 一 翻译的起始阶段 合成氨基酰 tRNA2 将核糖体解离成大 小两个亚基 翻译起始阶段的两个工作 起始因子 转换因子eIF 2B 鸟苷酸交换因子 的功能 翻译的起始过程 翻译的起始过程是形成翻译起始复合物的阶段 即在起始因子的作用下 将起始 tRNA和mRNA结合到核糖体上的步骤 1 原核生物的翻译起始过程 分为以下六步 核糖体亚基的分离 IF 3结合到30S的小亚基上以防止核糖体的亚基聚合 IF 1和IF 2结合在IF 3的旁边 同时GTP与IF 2结合 mRNA在核糖体小亚基上就位 30S的起始复合物与50S大亚基结合同时释放IF 1和IF 3 IF 2从复合物解离的同时GTP发生水解 反应产物是70S起始复合物 2 真核生物的翻译起始过程 分为三个步骤 前起始复合物的形成 48S复合物的形成 起始复合物的形成 二 肽链的延长 原核生物延长过程所需的蛋白因子称为延长因子 elongationfactor EF 真核生物的延长因子称为eEF eukaryoticelongationfactor P位即肽位 peptidylsite A位即受位 acceptorsite 核糖体循环可分三个阶段 进位 entrance 或称注册 registration 成肽 peptidebondformation 和转位 translocation 原核生物与真核生物的肽链延长过程相似 进位 成肽 转位 三 肽链合成的终止 原核生物与真核生物的终止过程相似释放因子 releasefactor RF 第三节翻译后的加工修饰 从核糖体释放的多肽链不一定是具备生物活性的成熟蛋白质 在细胞内新生肽链只有经过各种修饰处理才能成为有活性的成熟蛋白 该过程称为翻译后加工 post translationprocessing 本教材从一级结构的修饰 糖链的添加和高级结构的形成等三个方面描述翻译后的加工 一 翻译后修饰 一级结构的修饰1 去除N 甲酰基或N 蛋氨酸 翻译过程中 原核生物的N 末端的第一个氨基酸总是甲酰蛋氨酸 真核生物的是蛋氨酸 但大多数天然蛋白质不以上述氨基酸为N 末端的第一位氨基酸 细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以去除N 甲酰基 N 末端蛋氨酸或N 末端的一段肽链 阿黑皮素原的水解加工 2 蛋白质的水解加工 多蛋白的水解加工 内含肽的切除 内啡肽 3 化学修饰 糖链的添加 N 糖蛋白的合成 高级结构的形成 只有当蛋白质全部序列离开核糖体之后才能形成它的三级结构细胞内存在一些辅助蛋白 可以帮助蛋白质的折叠 1 参与折叠的辅助性蛋白质 分子伴侣 可分为下列两大类 热休克蛋白70 heatshockprotein Hsp70 热休克蛋白60 Hsp60 家族 即分子伴素 在大肠杆菌中的主要形式为GroEL GroEL由14个相同亚基组成的多聚体 每7个亚基组成的一个环 两个环背靠背地通过负变构作用堆叠在一起组成GroEL 每个环的中央有一个空腔 每个空腔能结合1个蛋白质底物 GroES是由7个亚基组成的圆顶状的蛋白质 每个亚基有一个与GroES功能密切相关的环状区域 它从圆顶部突出 可将GroES锚定在GroEL上 形成GroEL GroES复合物 GroES和GroEL的结构 顶部结构域 中间结构域 赤道结构域 GroES GroEL GroEL 二硫键异构酶 在氧化条件下 多肽链内或多肽链间可形成二硫键 其作用是稳定二级和三级结构 脯氨酰顺 反异构酶 在新合成的多肽中 X 脯氨酸肽键的构型是反式的 而成熟蛋白质中该肽键的构型有10 以上是顺式的 脯氨酰顺反异构酶催化这种异构化的过程 也可以加速蛋白质的折叠 2 蛋白质的折叠过程 Hsp70反应循环 GroEL GroES反应循环 GroEL GroES的循环包括如下程 未折叠蛋白进入未结合GroES的GroEL的空腔 7个ATP与7个与GroES不结合的GroEL结合 ATP水解 使14个ADP 个无机磷酸和GroES释放 个ATP和1个GroES与空腔内已有未折叠蛋白的GroEL结合 ATP水解成ADP和Pi ADP仍留在GroEL上 Pi释放 同时另 个ATP与无折叠蛋白的GroEL结合 蛋白质在密闭的GroEL内折叠 此时GroEL的顶部结构域进行大幅度的转动和向上移动 导致空腔扩大并使表面从疏水转变成亲水 有利于蛋白质折叠 折叠过程大约进行10秒钟 如蛋白质已折叠成天然蛋白质则释放 如未完成折叠 它们可再进入新一轮循环 GroEL对蛋白质的折叠过程 二 蛋白质的靶向转运 胞浆支路的分拣 游离多聚核糖体合成的蛋白质输入到不同的细胞器 尽管它们各有特点 但它们有一些共同的特征 现将它们总结如下 粗面内质网支路的分拣 信号肽的性质 1 通常 并不总是 位于氨基端 约由12 35个氨基酸组成 2 氨基末端常为蛋氨酸 而近氨基末端处至少含有一个带正电荷的氨基酸 其中央段含有疏水氨基酸簇 3 通常信号肽酶的切割位点位于丙氨酸羧基端 即信号肽的羧基末端多为丙氨酸 共翻译插入 cotranslationalinsertion 编码蛋白的相对应的mRNA同时编码其氨基端的信号肽 信号假说认为当mRNA在多聚核糖体翻译的同时 蛋白质就插入到内质网膜 分泌蛋白转运过内质网的过程 第四节蛋白质生物合成与医学的关系 一 许多病毒利用宿主蛋白质合成机器 病毒可利用宿主的细胞过程进行复制 也能利用那些参予蛋白质合成的过程 而且某些病毒的翻译比宿主有效得多 二 翻译后的加工影响许多蛋白质的活性 三 抗生素对蛋白质生物合成的影响 四 一些活性物质对蛋白质生物合成的影响 白喉毒素 diphtheriatoxin 是一种化学修饰酶 能催化哺乳动物的延长因子 EF 2 与NAD 反应 生成EF 2的腺苷二磷酸核糖衍生物 使EF 2失活 从而抑制哺乳动物蛋白质的合成 干扰素抑制蛋白质合成的机制 a 干扰素对eIF 2的灭活作用 b 干扰素对mRNA的降解作用 干扰素能诱导2 5 寡腺苷酸合成酶和Hemeontrolledinhibition HCI 的合成 HIC是一种蛋白激酶 它能催化eIF 2磷酸化 磷酸化的eIF 2与2IF 2B结合形成死端复合物 dead endcomplex 将蛋白质的合成阻抑在起始阶段 血红素能抑制HIC的活性 2 5 寡腺苷酸合成酶能催化ATP生成2 5 寡腺苷酸 它能活化核酸内切酶 RnaseL RnaseL能降解病毒的mRNA 关于诺贝尔奖获得者的小故事 究竟是哪3个核苷酸组成1个密码子来决定哪个氨基酸呢 这是多年来一直困扰分子遗传学家与生化学家的一个老大难问题 这个问题的解决 美国科学家尼伦伯格 M W Nirenberg 与美籍印裔科学家霍拉纳 H G Khorana 贡献卓著 阐明遗传密码这个难题 在1961年终于露出一线曙光 尼伦伯格先合成了一条全部由尿嘧啶核苷酸 U 组成的多苷酸链 即UUU 然后将这种多聚U加入到含有20种氨基酸以及有关酶的缓冲液中 结果只产生了一种由苯丙氨酸组成 的多肽链 这是一个惊人的发现 与苯丙氨酸对应的遗传密码是UUU 这是世界上解读出的第一个遗传密码子 后来 尼伦伯格及其合作者参考霍利的研究结果 将人工合成的密码子 核苷酸三联体 栽种 在核糖体上 这个人工密码子便像天然的 mRNA一样 从介质中 捞起 完全确定的tRNA及其所携带的氨基酸 尼伦伯格及其合作者合成了64种理论上可能的核苷酸三联体密码子 终于将64个密码子的含义一一解读出来 在这个64个密码子中 有3个并不编码任何氨基酸 而是作为蛋白质合成的终止信号 句点 称为终止密码子 霍拉纳则按照事先的设计合成具有特定核苷酸排列顺序的人工mRNA 这个结果本身已是卓越的成就 并用它来指导多肽或蛋白质的合成 以检测各个密码子的含义 证实了构成基因编码的一般原则和单个密码的词义 霍拉纳确定 在一个分子中 每个三联体密码子是分开读取的 互不重叠 密码子之间没有间隔 1966年 霍拉纳宣布基因密码已全部被破译 遗传密码的破译 是生物学史上一个重大的里程碑 尼伦伯格与霍拉纳于1968年荣获诺贝尔生理学医学奖 选择题 A型题翻译的模板是 28SrRNA18SrRNAmRNAhnRNAtRNA答案 C 氨基酸的密码含有 A 5个核苷狻B 4个核苷狻C 3个核苷狻D 2个核苷狻E 1个核苷狻答案 C 遗传密码的摆动性是指 A 一种氨基酸可以有几种密码子B 密码的第3个碱基与反密码的第1个碱基可以不严格配对C 一种密码可以代表不同的氨基酸D 密码与反密码可以任意配对E 不同的氨基酸具有相同的密码答案 B 遗传密码的通用性是指 A 不同氨基酸的密码可以互相使用B 一个密码可以代表两个以上的氨基酸C 密码中的核苷狻可以相互交换D 密码中三个核苷狻的位置可以改变E 病毒 原核生物和人类使用相同的遗传密码答案 E 真核生物mRNA的特点是 A 一条mRNA一般只带有一种蛋白质的编码信息B 一条mRNA有多种蛋白质的编码信息C 不一定有蛋白质的编码信息D 其前体不需要修饰加工即能起模板的作用E 编码蛋白质的信息是不连续的答案 A tRNA分子中与氨基酸结合的部位是 A 反密码环B 3 末端的CCA OHC DHU环D T 环E 稀有碱基密集部答案 B 同工tRNA是指 A 运载同一种氨基酸的不同tRNAB 能运载不同氨基酸的tRNAC 能运载多种氨基酸的tRNAD 同时运载线粒体与胞浆氨基酸的tRNAE 结构 性质和功能相同的tRNA答案 A 在原核生物的翻译过程中 SD序列决定 A 翻译的起始速度B mRNA识别大亚基C 多肽链的合成方向D 翻译的终止速度E mRNA识别小亚基答案 B Met tRNA与40S小亚基结合需要 A eIF 1B eIF 2C eIF 3D eIF 4E eIF 5答案 B 核糖体循环是指 A 翻译过程的起始阶段B 48S起始复合物形成阶段C 翻译过程的肽链延长阶段D 80S复合物的解聚阶段E 翻译过程的终止阶段答案 C 注册是指 A 氨基酰 tRNA进入核糖体A位B 氨基酰 tRNA进入核糖体P位C 肽酰 tRNA进入P位D tRNA离开核糖体E 多肽链离开核糖体答案 A 白喉毒素抑制真核细胞翻译的机制是 A 促进eIF 2水解B 使eIF 2与ATP反应 进行磷酸化修饰C 使eIF 2与NAD 反应 生成eIF 2腺苷二磷酸核糖D 使磷酸化的eIF 2去磷酸E 抑制eIF 2与GTP结合答案 C 干扰素能抑制蛋白质的合成 是因为 A 促进eIF 2水解B 使eIF 2与ATP反应 进行磷酸化修饰C 使eIF 2与NAD 反应 生成eIF 2腺苷二磷酸核糖D 使