第十六章-蛋白质生物合成PPT课件

.,1,第十六章蛋白质生物合成,蛋白质是基因表达的最终产物。生物的一切性状直接通过蛋白质的结构和作用来实现。按照生物学中心法则，蛋白质的生物合成过程叫做基因的翻译（translation），这是基因表达的最后一步。,.,2,.,3,第一节遗传密码,1.遗传密码所谓遗传密码，通常是指核苷酸三联体（triplet）决定氨基酸的对应关系。目前已发现的密码子有64个。在高等动物和植物基因组中，只有1%左右用于编码蛋白质氨基酸序列，更多部分是用于编码基因表达的调控信息。,.,4,2.三联体（triplets）密码,.,5,遗传密码的基本特性：（1）密码的基本单位：核酸分子中按53方向编码、连续不重叠的三联体密码子。AUG为起始密码子（兼编码甲硫氨酸），UAA、UAG和UGA为终止密码子。其余61个密码子编码20种氨基酸。（2）密码的简并性（degeneracy）：同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象称为密码子的简并性。对应于同一种氨基酸的不同密码子称为同义密码子。,.,6,（3）密码的变偶性：三联体密码子的第三位碱基专一性较小，即tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时，密码子第一、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定的变动，这一现象称为密码的变偶性。由于变偶性的存在，细胞内只需要32种tRNA，就能识别61个编码氨基酸的密码子。（4）密码的通用性。各种低等和高等生物，包括病毒、细菌及真核生物，基本上共用一套遗传密码。,.,7,.,8,（5）密码的防错系统：密码子中碱基顺序与其相应氨基酸的物理化学性质之间存在巧妙的关系，氨基酸的极性通常由第二位碱基决定，简并性由第三位碱基决定，例如：中间碱基是U，编码的氨基酸是非极性、疏水的和支链的，一般在球蛋白的内部；中间碱基是C，编码的氨基酸是非极性的或具有不带电荷的极性侧链；中间碱基是A或G，相应氨基酸常在球蛋白外周，具有亲水性；,.,9,第一位碱基是A或C，第二位碱基是A或G，第三位可以是任意碱基，其相应氨基酸具有可解离的亲水性侧链并具有碱性；带有酸性亲水侧链的氨基酸其密码子前两位为AG，第三位为任意碱基。这种分布使得密码子中一个碱基被置换，其结果或是仍然编码相同的氨基酸，或是以物理化学性质最接近的氨基酸取代，从而使基因突变可能造成的危害降至最低程度。所以，密码的编排具有防错功能，是在进化过程中获得的最佳选择。,.,10,3.阅读框（readingframes）与开放阅读框（openreadingframes,ORFs）在一个蛋白质的氨基酸序列的三联体密码子线性序列中，从mRNA的5方向开始向3方向阅读，每一个三联体核苷酸就是一个氨基酸的密码子，也等于是一个阅读单位。从这个序列的第一个密码子开始到最后一个密码子结束就是一个阅读框（readingframe）。开放阅读框是指DNA序列中的蛋白质编码区，一个开放阅读框是从出现一个起始密码子（和mRNA对应）开始到出现终止密码子结束的DNA序列长度。,.,11,.,12,4、单顺反子与多顺反子单顺反子见于真核生物，一段DNA序列经转录和剪接后，成熟的mRNA只编码一条多肽链。多顺反子见于原核生物，指一个mRNA分子编码多个多肽链，但这些多肽链对应的DNA序列则位于同一个转录单位中，受同一个启动子和终止子的调控。,.,13,(a)原核生物mRNA为多顺反子(b)真核生物mRNA为单顺反子,.,14,第二节蛋白质的生物合成,蛋白质合成的场所是核糖体，所以核糖体也被称为蛋白质合成的工厂。mRNA含有遗传密码的信息，是蛋白质合成的模板。读码的方向是从mRNA的5到3，合成出来的多肽是从氨基端到羧基端。蛋白质合成的原料是氨基酸，反应所需能量由ATP和GTP提供。通常，一个mRNA分子上，可结合有多个不同时间开始翻译的核糖体，这样的结构称为多聚核糖体。,.,15,一、原核生物蛋白质的生物合成1.氨酰-tRNA的合成,.,16,所有蛋白质的翻译开始于甲硫氨酸的参与，负责转运这个起始甲硫氨酸的tRNA为tRNAiMet，它也对选择在mRNA上什么位置开始翻译起重要作用。细胞中有另外一种携带甲硫氨酸掺入到蛋白质内部的tRNA写作tRNAMet。只有一种甲硫氨酰-tRNA合成酶参与这两种甲硫氨酰tRNA的合成。对这两者的识别主要依赖于参与蛋白质合成的起始和延伸因子，前者识别tRNAiMet，后者识别tRNAMet。原核细胞中有一种特异的甲酰化酶，能够使tRNAiMet中的氨基发生甲酰化，形成tRNAifMet，从而不再参与肽链的延伸过程。这种酶在进化过程中逐渐消失，真核细胞中不存在。,.,17,2.蛋白质合成的起始（initation）核糖体上蛋白质的合成可分为起始、延长及终止三个阶段。在起始阶段，主要进行三个步骤：（1）核糖体小亚基结合起始tRNA；（2）在mRNA上必需找到合适的起始密码子；（3）大亚基必须与已经形成复合物的小亚基、起始tRNA和mRNA结合。一些被称为起始因子（initiationfactor,IF）的非核糖体蛋白质参与了上述3个过程。,.,18,(1)先形成30S起始复合物在起始因子作用下，甲酰蛋氨酰起始tRNA与mRNA分子中的AUG相结合，即密码子与反密码子配对，同时IF3从三元复合物中脱落，形成30S前起始复合物，即IF1-IF2-30S亚基-mRNA-fMet-tRNAfMet复合物，此步需要GTP和Mg2+参与。完整的30S起始复合物包括30S核糖体亚基，一分子mRNA，fMet-tRNAifMet，GTP和三种起始因子。,.,19,.,20,（2）70S起始复合物的形成50S亚基与上述的30S前起始复合物结合，同时IF1和IF2脱落，形成70S起始复合物，即30S亚基-mRNA-50S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物。此时fMet-tRNAfmet占据着50S亚基的肽酰位。而A位则空着有待于对应mRNA中第二个密码的相应氨基酰tRNA进入，从而进入延长阶段。,.,21,.,22,3.肽链的延伸(elongation)(1)延长开始是由第二个氨基酸进入A位点的第二个密码子开始的，第二个氨基酸的选择是由mRNA中的第二个密码子决定，这样的结合需要延长因子EF-Tu和GTP。(2)第一个肽键的形成大亚基的组分肽基转移酶催化P位tRNA上的fMet转移到A位点，而且和tRNA上相连的第二个氨基酸形成二肽。此时与tRNA相连的二肽结合在A位点，P位点停留着的是空载的tRNA。（3）移位（translocation）当核糖体向前移动一个密码子长度时，P位上空载的tRNA从核糖体上脱离，原在A位上的tRNA二肽移向P位点，空出的A位点准备接受新的氨酰-tRNA，移位需要EF-G和GTP。,.,23,.,24,.,25,.,26,4.链合成的终止（termination）无论原核生物还是真核生物都有三种终止密码子UAG，UAA和UGA。没有一个tRNA能够与终止密码子作用，而是靠特殊的蛋白质因子促成终止作用。这类蛋白质因子叫做释放因子。原核生物有三种释放因子：RF1，RF2和RF3。RF1识别UAA和UAG，RF2识别UAA和UGA。RF3不识别终止密码子，但能刺激另外两个因子的活性。真核生物中只有一种释放因子eRF，它可以识别三种终止密码子。,.,27,不管原核生物还是真核生物，释放因子都作用于A位点，使转肽酶活性变为水解酶活性，将肽链从结合在核糖体上的tRNA的CCA末端上水解下来，然后mRNA与核糖体在核糖体释放因子（ribosomereleasingfactor,RRF）的参与下分离，最后一个tRNA脱落。核糖体在IF-3作用下，解离出大、小亚基。解离后的大小亚基又重新参加新的肽链的合成，循环往复，所以多肽链在核糖体上的合成过程又称核糖体循环（ribosomecycle）。,.,28,.,29,.,30,.,31,二、真核生物蛋白质的生物合成1.真核生物与原核生物蛋白质合成的共同点真核、原核生物蛋白质生物合成的步骤相同，同样可以划分为活化、起始、延长和终止几个阶段。需要的底物也是20种标准氨基酸，同样需要核糖体、mRNA、tRNA和ATP及GTP，蛋白质合成的方向也是从N端到C端。,.,32,2.真核生物与原核生物蛋白质合成的不同点（1）核糖体的差异真核生物整个核糖体大小为有80S，由40S和60S两个亚基组成。（2）起始阶段的差异第一，真核生物起始于蛋氨酸而非N-甲酰蛋氨酸，但起始tRNA不同于在肽链内部添加蛋氨酸的tRNA。这一tRNA通常表示为tRNAiMet。两者的识别是由起始和延伸因子进行区分的。,.,33,第二，多数真核生物mRNA的5末端有一个帽子,它指导起始因子结合和寻找起始密码。而原核生物起始密码子的识别主要依靠AUG序列上游10个碱基左右位置的SD序列（富含嘌呤碱基，能与细菌16SrRNA3端的7个嘧啶碱基进行互补识别，以帮助从起始AUG开始翻译）。第三，翻译起始阶段的调控复杂。需要更多的蛋白质因子（eIF）参与，目前至少已发现9种。,.,34,（3）mRNA的差异多数原核生物的mRNA是多顺反子，含有多个基因或顺反子的信息。每一个基因有自己的起始密码和核糖体结合位。真核生物在转录时以单顺反子为主，很少出现多顺反子。,.,35,三、蛋白质合成后的分泌与加工不论是原核还是真核生物，在细胞浆内合成的蛋白质需定位于细胞特定的区域，以行使各自的生物功能。蛋白质在翻译后的修饰和加工过程，使得蛋白质的组成和结构多样化、复杂化。,.,36,（一）信号肽每一个需要运输的多肽都含有一段氨基酸序列，称为信号肽序列（signal/leadersequence）,引导多肽至不同的转运系统。其长度从10-40个氨基酸残基不等，不同的分泌蛋白的信号肽的氨基酸序列不同，通常位于多肽链的N端。,.,37,真核细胞中，当一种多肽链的N端刚开始合成不久，这种多肽合成后的去向就已被决定。一部分核糖体以游离状态停留在胞浆中，合成线粒体和叶绿体膜的蛋白质。另一部分核糖体，受新合成的多肽的N端信号肽所控制，进入内质网，使其变成局部有凸起的粗面内质网。与内质网相结合的核糖体可合成三类主要的蛋白质：溶酶体蛋白、分泌到胞外的蛋白（分泌蛋白）和构成质膜骨架的蛋白。,.,38,（二）蛋白质在内质网上的修饰加工多肽在内质网的修饰作用主要包括：N端信号肽的切除，二硫键的形成，使线性多肽呈现一定的空间结构，糖基化作用。通过短时间内在粗面内质网的加工后，分泌蛋白形成被膜包裹的小泡，转运至高尔基体，然后再转运至细胞表面或溶酶体中。,.,39,糖基化作用使多肽链转