基础生物化学第11 章 ppt课件

12蛋白质的生物合成 翻译 本章重点与难点重点 了解密码子的概念与特点 RNA在蛋白质生物合成中的作用 蛋白质合成过程及合成后加工与运输 难点 核糖体的结构 蛋白质合成过程 肽链合成后的加工与定向运输 蛋白质生物合成的干扰和抑制 DNA ATGCATGCATGC RNA AUGCAUGCAUGC PROTEIN aa1aa2aa3aa4 什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列 如何实现碱基序列到氨基酸序列的转变 蛋白质的生物合成 即翻译或表达 就是将核酸中由4种核苷酸序列编码的遗传信息 通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 20种氨基酸 AA 作为原料酶及众多蛋白因子 如IF eIFATP GTP 无机离子 参与蛋白质生物合成的物质包括 三种RNAmRNA 作为蛋白质生物合成的模板 决定多肽链中氨基酸的排列顺序 rRNA 蛋白体生物合成的场所 tRNA 搬运氨基酸的工具 一 翻译模板mRNA及遗传密码 mRNA是遗传信息的携带者 遗传学将编码一个蛋白质或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mRNA只编码一种蛋白质 为单顺反子 singlecistron 原核生物的多顺反子 真核生物的单顺反子 我们已经知道 多肽上氨基酸的排列次序最终是由DNA上核苷酸的排列次序决定的 而直接决定多肽上氨基酸次序的是mRNA上的核苷酸的排列次序 不论是DNA还是mRNA都是由4种核苷酸构成 而组成多肽的氨基酸有20种 显然 必须是几个核苷酸的组合编码一个氨基酸才能应付局面 用数学方法很容易算出 如果每2个核苷酸编码1个氨基酸 那么4种核苷酸只有16中编码方式 显然不行 如果每3个核苷酸编码1个氨基酸 则有64种编码方式 很理想 如果4对1则有256种 太没必要也太复杂了 时刻记住生物体是一个最理想的体系 而且科学家们用生物化学实验已经证实是3个碱基编码1个氨基酸 称为三联体密码或密码子 遗传密码的破译在遗传密码的破译中 美国科学家M W Nirenberg等人做出了重要贡献 并于1968年获得了诺贝尔生理医学奖 早在1961年 M W Nirenberg等人在大肠杆菌的无细胞体系中外加poly U 模板 20种标记的氨基酸 经保温后得到了多聚phe phe phe 于是推测UUU编码phe 利用同样的方法得到CCC编码pro GGG编码gly AAA编码lys 如果利用poly UC 则得到多聚Ser Leu Ser Leu 推测UCU编码Ser CUC编码Leu 因为poly UC 有两种读码方式 UCU CUC和CUC UCU采用这种方式 到1965年就全部破译了64组密码子 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 tripletcoden 在64个密码子中有61个编码氨基酸 3个不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用 称为终止密码子 它们是UAG UAA UGA 密码子AUG 编码Met 又称起始密码子 起始密码 initiationcoden AUG GUG 终止密码 terminationcoden UAA UAG UGA 遗传密码表 从mRNA5 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个蛋白质多肽链 称为开放阅读框架 openreadingframe ORF 1 连续性 commaless 遗传密码的特点 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读 密码间既无间断也无交叉 基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失 可能导致框移突变 frameshiftmutation 2 简并性 degeneracy 遗传密码共有64个 其中61个密码子对应20中氨基酸 除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外 其余氨基酸有2 3 4个或多至6个三联体为其编码 3 通用性 universal 蛋白质生物合成的整套密码 从原核生物到人类都通用 已发现少数例外 如动物细胞的线粒体 植物细胞的叶绿体 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先 4 摆动性 wobble 转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合 但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律 称为摆动配对 5 方向性即解读方向为5 3 U 摆动配对 密码子 反密码子配对的摆动 反密码对密码的识别 通常也是根据碱基互补原则 即A U G C配对 但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对 并不严格遵循碱基互补原则 如反密码第一个核苷酸为 则可与A U或C配对 如为U 则可与A或G配对 这种配对称为不稳定配对 二 核蛋白体是多肽链合成的装置或场所 不同细胞核蛋白体的组成 核蛋白体的组成 大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体 其30S亚基呈哑铃状 50S亚基带有三角 中间凹陷形成空穴 将30S小亚基抱住 两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所 原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式 A位 氨基酰位 aminoacylsite P位 肽酰位 peptidylsite E位 排出位 exitsite 核糖体包括如下部位 容纳mRNA的部位结合氨基酰tRNA的部位 A 位点 结合肽酰tRNA的部位 P 位点 形成肽键的部位 转肽酶中心 核蛋白体的大 小亚基分别有不同的功能 1 小亚基 可与mRNA GTP和起动tRNA结合 2 大亚基 1 具有两个不同的tRNA结合点 A位 右 受位或氨酰基位 可与新进入的氨基酰tRNA结合 P位 左 给位或肽酰基位 可与延伸中的肽酰基tRNA结合 2 具有转肽酶活性 将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA 形成肽键 3 具有GTPase活性 水解GTP 获得能量 4 具有起动因子 延长因子及释放因子的结合部位 在蛋白质生物合成过程中 常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上 同时进行翻译 但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔 形成念球状结构 由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体 三 tRNA与氨基酸的活化 反密码环 氨基酸臂 tRNA的三级结构示意图 一 氨基酰 tRNA合成酶 aminoacyl tRNAsynthetase 氨基酸的活化 第一步反应 氨基酸 ATP E 氨基酰 AMP E AMP PPi 第二步反应 氨基酰 AMP E tRNA 氨基酰 tRNA AMP E tRNA与酶结合的模型 tRNA 氨基酰 tRNA合成酶 ATP 氨基酰 tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性 氨基酰 tRNA合成酶具有校正活性氨基酰 tRNA的表示方法 Ala tRNAAlaSer tRNASerMet tRNAMet起始肽链合成的氨基酰 tRNA 真核生物 Met tRNAiMet原核生物 fMet tRNAifMet 翻译的起始 initiation 翻译的延长 elongation 翻译的终止 termination 整个翻译过程可分为 翻译过程从阅读框架的5 AUG开始 按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链 直至终止密码出现 四 蛋白质生物合成过程TheProcessofProteinBiosynthesis 活化氨基酸的缩合 核蛋白体循环 活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行 活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程 称为核蛋白体循环 核蛋白体循环过程可分为起动 延长和终止三个阶段 这三个阶段在原核生物和真核生物类似 现以原核生物中的过程加以介绍 一 肽链合成起始 翻译起始 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 translationalinitiationcomplex 原核 真核生物各种起始因子的生物功能 1 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 1 30S起动复合物的形成 在起动因子的促进下 30S小亚基与mRNA的起动部位 起动tRNA fmet tRNAfmet 和GTP结合 形成复合体 2 70S起动前复合体的形成 IF3从30S起动复合体上脱落 50S大亚基与复合体结合 形成70S起动前复合体 3 70S起动复合体的形成 GTP被水解 IF1和IF2从复合物上脱落 此时 tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合 tRNAfmet结合在核蛋白的给位 P位 在起始密码子AUG上游9 13个核苷酸处 有一段可与核糖体16SrRNA配对结合的 富含嘌呤的3 9个核苷酸的共同序列 一般为AGGA 此序列称SD序列 它与核糖体小亚基内16SrRNA的3 端一段富含嘧啶的序列GAUCACCUCCUUA OH 暂称反SD序列 互补 形成氢键 使得结合于30S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG 真核生物中的mRNA具有帽子结构 已知需一种特殊的帽子结合蛋白 CBP 以识别此结构 S D序列 mRNA上的AGGAGGU区域作为翻译起始信号 被称为Shine Dalgarno顺序或S D序列 2 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 真核生物翻译起始复合物形成过程 二 肽链合成延长 指根据mRNA密码序列的指导 次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链 直到合成终止的过程 肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行 又称为核蛋白体循环 ribosomalcycle 每次循环增加一个氨基酸 包括以下三步 进位 entrance 成肽 peptidebondformation 移位 translocation 延伸过程所需蛋白因子称为延长因子 elongationfactor EF 原核生物 EF T EF Tu EF Ts EF G真核生物 EF 1 EF 2 肽链合成的延长因子 又称注册 registration 1 进位 指根据mRNA下一组遗传密码指导 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 2 成肽 是由转肽酶 transpeptidase 催化的肽键形成过程 3 移位 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 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 4 真核生物延长过程 三 肽链合成的终止 当mRNA上终止密码出现后 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 releasefactor RF 一是识别终止密码 如RF 1特异识别UAA UAG 而RF 2可识别UAA UGA 二是诱导转肽酶改变为酯酶活性 相当于催化肽酰基转移到水分子 OH上 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 肽链终止阶段 核蛋白体沿mRNA链滑动 不断使多肽链延长 直到终止信号进入受位 1 识别 RF识别终止密码 进入核蛋白体的受位 2 水解 RF使转肽酶变为水解酶 多肽链与tRNA之间的酯键被水解 多肽链释放 3 解离 通过水解GTP 使核蛋白体与mRNA分离 tRNA RF脱落 核蛋白体解离为大 小亚基 原核肽链合成终止过程 RF 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 五 蛋白质合成后加工和输送PosttranslationalProcessing ProteinTransportation 一 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 合成后完成 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 模序 结构域到形成完整空间构象 一般认为 多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息 即一级结构是空间构象的基础 细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成 而需要其他酶 蛋白辅助 几种有促进蛋白折叠功能的大分子 助折叠蛋白 1 分子伴侣 molecularchaperon 2 蛋白二硫键异构酶 proteindisulfideisomerase PDI 3 肽 脯氨酰顺反异构酶 peptideprolylcis transisomerase PPI 1 热休克蛋白 heatshockprotein HSP HSP70 HSP40和GreE族2 伴侣素 chaperonins GroEL和GroES家族 分子伴侣 分子伴侣是细胞一类保守蛋白质 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 伴侣素GroEL GroES系统促进蛋白质折叠过程 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 蛋白二硫键异构酶 多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白 膜蛋白等的天然构象十分重要 这一过程主要在细胞内质网进行 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 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 二 一级结构的修饰 1 肽链N端的修饰2 个别氨基酸的修饰由专一性的酶催化进行修饰 包括糖基化 羟基化 磷酸化 甲酰化等 3 多肽链的水解修饰由专一性的氧化酶催化 将 SH氧化为 S S 4 糖基化修饰由专一性的蛋白酶催化 将部分肽段切除 1 N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除 N端甲酰蛋氨酸 必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除 去甲酰化 甲酰化酶甲酰蛋氨酸 肽甲酸 蛋氨酸 肽 去蛋氨酰基 蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酰 肽蛋氨酸 肽 鸦片促黑皮质素原 POMC 的水解修饰 三 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 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 六 蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质的靶向输送