第十五章 蛋白质的合成

作者 孙露洋倪菊华 单位 北京大学 第十五章 蛋白质的合成ProteinBiosynthesis 第一节蛋白质合成体系 第二节氨基酸与tRNA的连接 第三节肽链的合成过程 第四节蛋白质合成后的加工和靶向输送 第五节蛋白质合成的干扰和抑制 重点难点 蛋白质合成的概念及特点 蛋白质合成体系的组成及各自功能 遗传密码的特点 翻译后加工的主要方式 蛋白质合成基本过程 原核生物与真核生物蛋白质合成的异同 蛋白质合成后的靶向输送机制 分子伴侣的功能 各类蛋白质亚细胞定位分拣信号的特点 抗生素和毒素对蛋白质合成的影响 蛋白质合成体系Protein synthesizingSystem 第一节 密码子 codon 在mRNA的开放阅读框区域 每3个相邻的核苷酸为一组 编码一种氨基酸 称为三联体密码 tripletcode 或密码子 遗传密码 geneticcode 起始密码子和终止密码子起始密码子 initiationcodon AUG终止密码子 terminationcodon UAA UAG UGA 一 mRNA是蛋白质合成的模板 遗传密码表 遗传密码的特点 方向性 directional 连续性 non punctuated 简并性 degeneracy 摆动性 wobble 通用性 universal 密码子的连续性 a 氨基酸的排列顺序对应于mRNA中密码子的排列顺序 b 核苷酸插入导致移码突变 密码子的摆动性 运载氨基酸 氨基酸各由其特异的tRNA携带 一种氨基酸可有几种对应的tRNA 氨基酸结合在tRNA3 CCA的位置 结合需要ATP供能 充当 适配器 每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座 tRNA的作用 二 tRNA是氨基酸和密码子之间的特异衔接子 合成肽链时mRNA与tRNA的相互识别 肽键形成 肽链延长等过程全部在核糖体上完成 核糖体沿着模板mRNA链从5 端向3 端移动 核糖体类似于一个移动的多肽链 装配厂 三 核糖体是蛋白质合成的场所 核糖体的功能位点 酶类 氨酰 tRNA合成酶肽酰转移酶转位酶 蛋白质因子 起始因子 initiationfactor IF 延长因子 elongationfactor EF 释放因子 releasefactor RF 四 蛋白质合成需要多种酶类和蛋白质因子 原核生物肽链合成所需要的蛋白质因子 真核生物肽链合成所需要的蛋白质因子 氨基酸与tRNA的连接TheAttachmentofAminoAcidontoitstRNA 第二节 氨基酸与tRNA连接的专一性由氨酰 tRNA合成酶决定 氨酰 tRNA合成酶具有高度专一性 既能识别特异的氨基酸 又能辨认应该结合该种氨基酸的tRNA 因此 氨酰 tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性 一 氨酰 tRNA合成酶识别特定氨基酸和tRNA 反应过程 氨酰 tRNA合成酶催化ATP分解为焦磷酸与AMP 第一步反应 第二步反应 AMP 酶 氨基酸三者结合为中间复合体 氨酰 AMP 酶 其中氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相联而活化 第三步反应 活化氨基酸与tRNA3 CCA末端的腺苷酸的核糖2 或3 位的游离羟基以酯键结合 形成相应的氨酰 tRNA 氨酰 tRNA的合成 二 肽链合成的起始需要特殊的起始氨酰 tRNA 起始氨酰 tRNA Met tRNAiMet参与肽链延长的甲硫氨酰 tRNA Met tRNAMet 真核生物 原核生物 起始氨酰 tRNA fMet tRNAfMet 肽链的合成过程SynthesisProcessofPeptideChain 第三节 原核生物翻译起始复合物的形成 一 翻译起始复合物的装配启动肽链合成 核糖体大小亚基分离mRNA与核糖体小亚基结合fMet tRNAfMet结合在核糖体P位翻译起始复合物形成 真核生物翻译起始复合物的形成 43S前起始复合物的形成mRNA与核糖体小亚基结合核糖体大亚基的结合 mRNA的S D序列 原核翻译起始复合物的形成 真核翻译起始复合物的形成 二 在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链 翻译起始复合物形成后 核糖体从mRNA的5 端向3 端移动 依据密码子顺序 从N端开始向C端合成多肽链在核糖体上重复进行进位 成肽和转位 每循环1次 肽链上即可增加1个氨基酸残基真核生物的肽链延长机制与原核生物基本相同 但亦有差异 如二者所需延长因子不同 真核生物需要eEF1 eEF1 和eEF2这三类延长因子 其功能分别对应于原核生物的EF Tu EF Ts和EF G 此外 在真核生物 一个新的氨酰 tRNA进入A位后会产生变构效应 致使空载tRNA从E位排出 三步反应 进位 positioning 氨酰 tRNA按照mRNA模板的指令进入核糖体A位的过程 又称注册成肽 peptidebondformation 核糖体A位和P位上的tRNA所携带的氨基酸缩合成肽的过程转位 translocation 成肽反应后 核糖体需要向mRNA的3 端移动一个密码子的距离 方可阅读下一个密码子 此过程为转位 肽链延长 三 终止密码子和释放因子导致肽链合成终止 肽链上每增加一个氨基酸残基 就需要经过一次进位 成肽和转位反应 如此往复 直到核糖体的A位对应到了mRNA的终止密码子上 终止密码子不被任何氨酰 tRNA识别 只有释放因子RF能识别终止密码子而进入A位 这一识别过程需要水解GTP 原核生物有3种RFRF1识别UAA或UAG RF2识别UAA或UGA RF3则与GTP结合并使其水解 协助RF1与RF2与核糖体结合 真核生物仅有eRF一种释放因子所有3种终止密码子均可被eRF识别 真核生物中肽链合成完成后的水解释放过程尚未完全了解 多聚核糖体 polyribosome或polysome 多个核糖体结合在1条mRNA链上所形成的聚合物 多聚核糖体的形成可以使肽链合成高速度 高效率进行 多聚核糖体 蛋白质合成后的加工和靶向输送ProcessingandTargetingofSynthesizedProteins 第四节 一 新生肽链折叠需要分子伴侣 细胞中大多数天然蛋白质折叠并不是自发完成的 其折叠过程需要其他酶或蛋白质的辅助 这些辅助性蛋白质可以指导新生肽链按特定方式正确折叠 它们被称为分子伴侣 molecularchaperone 目前研究得较为清楚的分子伴侣是热激蛋白70 heatshockprotein70 Hsp70 家族和伴侣蛋白 chaperonin Hsp70 在蛋白质翻译后加工过程中 Hsp70与未折叠蛋白的疏水区结合 既可避免蛋白质因高温而变性 又可防止新生肽链过早折叠 Hsp70也可以使一些跨膜蛋白在转位至膜前保持非折叠状态 有些Hsp70通过与多肽链结合 释放的循环过程 使多肽链发生正确折叠 这个过程需要ATP水解供能 并需要其他伴侣蛋白如Hsp40的共同作用 chaperonin 其主要作用是为非自发性折叠肽链提供正确折叠的微环境 例如 在大肠杆菌 约有10 15 的细胞内蛋白质的正确折叠依赖伴侣系统GroEL GroES 热激条件下依赖该系统的蛋白质则高达30 在真核细胞 与GroEL GroES功能类似的伴侣蛋白是Hsp60 Hsp70作用示意图 GroES GroEL系统的作用原理 二 肽链水解加工产生具有活性的蛋白质或多肽 新生肽链的水解是肽链加工的重要形式 新生肽链N端的甲硫氨酸残基 在肽链离开核糖体后 大部分即由特异的蛋白水解酶切除 还有许多蛋白质在初合成时是分子量较大的没有活性的前体分子 如胰岛素原 胰蛋白酶原等 这些前体分子也需经过水解作用切除部分肽段 才能成为有活性的蛋白质分子或功能肽 有些多肽链经水解可以产生数种小分子活性肽 如阿黑皮素原 pro opiomelanocortin POMC POMC的水解修饰 体内常见的蛋白质化学修饰 三 氨基酸残基的化学修饰改变蛋白质的活性 四 亚基聚合形成具有四级结构的活性蛋白质 通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质 具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合 形成寡聚体 oligomer 辅基连接后形成完整的结合蛋白质 结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基 才能成为具有功能活性的天然蛋白质 五 蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位 分泌型蛋白质在内质网加工及靶向输送内质网蛋白的C端含有滞留信号序列大部分线粒体蛋白在细胞质合成后靶向输入线粒体质膜蛋白质由囊泡靶向输送至细胞膜核蛋白由核输入因子运载经核孔入核 蛋白质的亚细胞定位分捡信号 信号肽结构特点 分泌型蛋白质的加工与靶向输送 核蛋白的靶向输送 蛋白质合成的干扰和抑制InterferenceandInhibitionofProteinSynthesis 第五节 一 许多抗生素通过抑制蛋白质合成发挥作用 常用抗生素抑制肽链合成的原理及应用 白喉毒素的作用原理 二 某些毒素抑制真核生物的蛋白质合成 蛋白质具有种属特异性 因此各种生物的蛋白质必须由机体自身合成 蛋白质合成体系包括原料氨基酸 模板mRNA 氨基酸搬运工具tRNA 蛋白质合成场所核糖体 以及合成各阶段所需的酶和蛋白质因子等 蛋白质合成过程包括起始 延长和终止三个阶段 原核生物和真核生物的肽链合成过程基本相似 只是真核生物的反应更为复杂 涉及的蛋白质因子更多 翻译后加工包括在分子伴侣帮助下的肽链折叠 肽链末端及内部的水解 肽链中氨基酸残基的化学修饰 亚基聚合等方式 蛋白质在细胞质合成后 还需要被靶向输送至其发挥功能的亚细胞区域 或分泌到细胞外 蛋白质生物合成是许多药物和毒素的作用靶点 本章知识点框架图 蛋白质的合成 蛋白质合成体系 蛋白质合成后的加工和靶向输送 原核生物 真核生物 1 起始氨酰 tRNA fMet tRNAfMet 2 翻译起始复合物的形成核糖体大小亚基分离mRNA与核糖体小亚基结合fMet tRNAfMet结合在核糖体P位翻译起始复合物形成3 进位 成肽和转位延长因子 EF Tu EF Ts和EF G4 肽链合成终止RF1识别UAA或UAG RF2识别UAA或UGA RF3则与GTP结合并使其水解 协助RF1与RF2与核糖体结合 蛋白质生物合成是许多药物和毒素的作用靶点 1 起始氨酰 tRNA Met tRNAiMet 2 翻译起始复合物的形成43S前起始复合物的形成mRNA与核糖体小亚基结合核糖体大亚基的结合3 进位 成肽和转位延长因子 eEF1 eEF1 和eEF