蛋白质合成ppt课件

.,1,第12章蛋白质合成,.,2,学习目标,掌握一些基本概念：密码(子)，反密码（子），氨基酸活化，“摆动”学说了解tRNA分子在蛋白质合成中的作用了解多肽合成的三个过程，以及一些抗生素和毒素对合成的抑制作用,.,3,12.1遗传密码一、基本概念核酸中的核苷酸残基序列是按照遗传密码确定蛋白质中氨基酸序列的，密码在几乎所有的生物中都是通用的。遗传密码翻译成氨基酸序列是借助于tRNA。tRNA将贮存在mRNA中的遗传信息与多肽的一级序列联系起来。tRNA与mRNA的联系是通过碱基配对。mRNA上的序列称为密码，而与密码配对的tRNA上的序列称为反密码。对于mRNA上的每一个密码子，与该密码子互补的tRNA就将携带一个相应于该密码子的氨基酸到生长的肽链处。遗传密码指的就是mRNA编码的指定序列。,.,4,翻译需要一个联系mRNA和蛋白质的双功能适配器分子,.,5,在真核生物中mRNA在细胞核中合成，蛋白质合成发生在细胞质中的核糖体,在细菌中，转录和翻译是耦联在一起的。,蛋白质的合成期间，将存在于mRNA上代表一个多肽链的核苷酸序列转换为多肽链氨基酸残基序列的过程,.,6,二、遗传密码的破译蛋白质是由20种氨基酸组成的，而DNA只是由A，T，C和G四种核苷酸构成的，但核苷酸残基序列决定了氨基酸的顺序，这是一种密码的关系。如果1个密码就是一个核苷酸残基，则只能编码4种氨基酸；如果1个密码由2个核苷酸残基构成，也只能编码16种氨基酸（42）；如果以3个核苷酸残基作编码单元就可编码64种氨基酸（4364）。后来三个不同的实验证明遗传密码是mRNA上3个连续的核苷酸残基构成的，所以密码称为三联体密码。共有64个密码子。,.,7,证明三联体密码的三个著名实验的示意图,核苷酸同聚物的翻译,重复核苷酸聚合物的翻译,结合核糖体的研究,.,8,第一个实验是1961年由美国的M.Nirenberg等人完成的。首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链，用它作模板，利用大肠杆菌蛋白提取液和GTP在体外合成蛋白质。多聚（U）编码多聚Phe；多聚（A）编码多聚Lys；多聚（C）编码多聚Pro。,.,9,第三个实验由Khorana等人完成。利用有机化学和酶法制备了已知核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可生成三种重复的多肽链。若从A翻译，则合成出多聚Ile，即AUC对应Ile；若从U翻译，则合成出多聚Ser，即UCA对应Ser；若从C翻译，则合成出多聚His，即CAU对应His。体外合成是无调控的合成，可以随机地从A、或U、或C翻译，所以有三种重复的多肽链生成。,.,10,第二个实验是1964年也是由Nirenberg等人完成的。首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接的是那一种氨基酸。该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据,.,11,通过Nirenberg和Khorana两位科学家的辛勤工作，于1966年全部密码都被破译。共有64个密码，其中61个密码是编码氨基酸的，其余3种是终止密码，两位科学家获得了诺贝尔奖。,.,12,遗传密码表,第一位,第三位,第二位,5端,3端,.,13,遗传密码按53方向书写。术语密码子通常指的是mRNA中的核苷酸三联体。密码具有以下一些显著特点：1.大多数氨基酸都存在几个密码例如Ser就有6个密码。由于大多数氨基酸都存在几个密码，所以遗传密码具有简并性。确定同一个氨基酸的不同密码被称为同义密码。密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。在标准遗传密码表中，只有一个密码子的氨基酸是Trp和Met。,.,14,2.一个密码的头两个核苷酸残基足可以确定一个给定的氨基酸例如编码Gly的密码有4个，都开始于GG：GGU，GGC，GGA，和GGG。所以，即使3位的核苷酸残基突变，通常仍会导致同一个氨基酸整合到蛋白质中。3.具有类似序列的密码往往指定化学性质类似的氨基酸例如苏氨酸密码与4个丝氨酸密码的差别只是处于5位的核苷酸不同；天冬氨酸和谷氨酸的密码都开始于GA只是3位的核苷酸不同。,.,15,4.64个密码中有61个密码编码氨基酸，余下的3个密码（UAA，UGA，和UAG）为终止密码。终止密码一般不能被任何tRNA分子识别，但能被特殊的蛋白质识别，引起新合成的肽链从翻译机器上脱落。蛋氨酸密码子AUG也常常充当蛋白质合成的起始密码，所以常称AUG为起始密码，在有些情况下，GUG也充当起始密码子。,.,16,如果按不重叠读码，在没有给定读码框时，可有三种读码方式。,从5端第1个核苷酸A开始读,从5端第2个核苷酸U开始读,从5端第3个核苷酸G开始读,.,17,如果按重叠读码，则变成了：,与非重叠读码比较,.,18,12.2tRNA分子tRNA分子在蛋白质合成中充当的是遗传密码的翻译，是mRNA核苷酸序列和多肽氨基酸序列之间的桥梁。每一个细胞内至少含有20种tRNA（一种氨基酸对应一种tRNA），就是说每种tRNA应当能够至少识别一个mRNA密码，才能满足它作为适配器的作用。,tRNA的三维结构不同来源的tRNA一级结构不同，但它们几乎具有类似于三叶草形的二级结构。最早确定的tRNA结构是丙氨酸-tRNA，是由Holley确定的。,.,19,Ala-tRNA三叶草式的二级结构,结合氨基酸部位,反密码子,.,20,a)氨基酸臂:tRNA分子的5端和3端附近的碱基配对形成tRNA分子的一个臂，该臂称为氨基酸臂。,一个成熟的tRNA分子的3端的核苷酸序列总是CCA（3），一个特异的氨基酸通过它的羧基与tRNA的核苷酸残基3端的核糖2或3羟基形成的共价键连接在tRNA分子上。5端的核苷酸都是磷酸化的，大多数tRNA分子5端的核苷酸残基为鸟苷酸残基（pG）。,.,21,b)反密码子臂在氨基酸臂对面的单链环称为反密码环，该环含有由三个核苷酸残基组成的反密码子，反密码子与mRNA中的互补密码结合。含有反密码子的臂称为反密码子臂。,.,22,c)TC臂和D臂tRNA分子的另外两个臂是根据臂中含有修饰的核苷酸而命名的，含有胸腺嘧啶核苷酸（T）（在RNA中很少见到）、假尿嘧啶核苷酸（）和胞嘧啶核苷酸（C）残基的臂称之TC臂。含有二氢尿嘧啶核苷酸残基的臂称为D臂，不同tRNA的D臂也稍有不同。,.,23,假尿嘧啶核苷（）,二氢尿嘧啶核苷（D）,.,24,d)可变环在反密码臂和TC臂之间，tRNA分子中还含有另一个可变环（也称为额外环），可变环大约由3到21个核苷酸组成。大多数tRNA中核苷酸残基数在73和95之间。,.,25,tRNA分子折叠成倒L型：氨基酸臂位于L型分子的一端，反密码环则处于相反的一端。tRNA分子中的大多数核苷酸都处于两个成直角的、堆积的螺旋中。,tRNA的倒L型三级结构,反密码环,环,环,.,26,12.3“摆动”假说密码和反密码之间碱基配对规则通常为A与U配对，G与C配对，但实际上存在某些变通性，这一现象称之“摆动”。下表给出了反密码的5（摆动）位和mRNA的3位之间的碱基配对原则。因此反密码的5位有时也称为摆动位置。,摆动的结果使某些tRNA分子可以识别一个以上的密码子。,.,27,次黄嘌呤核苷酸（I）常出现在tRNA的5（摆动）位，I与U，C和A都可以形成氢键。带有反密码子IGC的tRNAAla分子可以与特异编码Ala的三个密码GCU，GCC，GCA中的任一个结合。,.,28,12.4氨酰-tRNA的合成（氨酰-tRNA合成酶）一个特定的氨基酸经氨酰-tRNA合成酶催化可连接到相应的tRNA分子的3端（或2端）上，产物称为氨酰-tRNA。tRNAAA表示可结合某种氨基酸的tRNA种类，如tRNAAla表示的是可以结合丙氨酸的tRNAAla-tRNAAla表示携带了丙氨酸的tRNAAla。,.,29,氨酰-tRNA合成酶有两类，一类催化氨基酸连接在3端，另一类连接在2端（书上p229表12.3）。有的氨酰tRNA合成酶能够识别几个同工tRNA分子。同工tRNA指的是几种tRNA可能携带同一种氨基酸。例如几个tRNASer都携带Ser，但这些tRNASer都可被单一的丝氨酰-tRNA合成酶所识别。,.,30,氨酰-tRNA合成酶催化tRNA氨酰化反应：氨基酸ATP氨酰-AMP氨酰-AMPtRNA=氨酰-tRNAAMPPPi,.,31,.,32,12.5核糖体蛋白质的合成是通过一个复杂的复合体完成的。这个复合体是由核糖体和附属的蛋白质因子以及mRNA和负载的tRNA分子组成的，常将该复合体称之翻译复合体。蛋白质合成发生在核糖体中，核糖体是由一个大亚基和一个小亚基组成的。E.coli中的小亚基是30S亚基；而大亚基是50S亚基。在蛋白质合成期间，两个亚基结合形成一个70S核糖体。核糖体含有三个部位：A（aminoacyl：氨酰）位、P（peptidyl：肽酰）位和E（exit：退出）位。,.,33,E.Coli.核糖体组成示意图,.,34,.,35,12.6翻译起始翻译的第一个密码一般都是AUG。由于AUG也是蛋氨酸的密码，因此翻译机器需要区别起始和内部蛋氨酸的密码，由两种构象不同的识别起始密码子AUG的tRNAfMet（大肠杆菌中起始氨基酸大都是甲酰化的蛋氨酸）和识别内部蛋氨酸密码子AUG的tRNAMet执行。未结合蛋氨酸的tRNAfMet由蛋氨酰-tRNA合成酶催化结合蛋氨酸，生成MettRNAfMet，然后经甲酰转移酶（N10甲酰四氢叶酸（参见教材p100）作为甲酰供体）催化甲酰化，生成fMettRNAfMet。,.,36,fMet-tRNAfMet：N-甲酰蛋氨酰-tRNAfMet,fMet-tRNAfMet的结构,.,37,在原核生物中，起始密码的选择不仅取决于tRNA的反密码子和mRNA密码子的相互作用，也取决于核糖体的小亚基与mRNA模板的相互作用。30S亚基是在紧靠起始密码的上游的一个富含嘌呤碱基的区域与mRNA结合。这个被称之SD（Shine-Dalagrno）的区域与16SrRNA的3端的一个富含嘧啶片段互补。在形成起始复合体时，互补的核苷酸对形成一个双链结构，使得mRNA结合到核糖体上。mRNA与16SrRNA的这一非翻译片段之间的配对将起始密码定位在P部位，确立了正确的阅读框架。,.,38,被核糖体识别的一些E.colimRNA中的SD序列,.,39,起始复合体的形成涉及三个步骤：,（1）IF-1（起始因子-1）结合在30S核糖体亚基上。（2）结合了GTP的IF-2-GTP复合体可以特异识别起始tRNA。（3）50S亚基与30S亚基结合，形成由30S与50S组成的起始复合体，fMet-tRNAfMet被定位在P位。,.,40,（1）将正确的氨酰-tRNA定位在A位（在延伸因子EF-Tu,EF-Ts的作用下）；（2）转肽：形成肽键；（3）移位：使mRNA相对于核糖体移动一个密码。（4）释放卸载的tRNA。,12.7肽链延伸,.,41,通过氨酰基转移反应（核糖体肽酰转移酶催化下）形成肽键,.,42,12.8肽链合成终止mRNA移位使一个终止密码（UAA、UAG或UGA）处于A位，终止密码子没有相应的tRNA。释放因子RF1、RF2和RF3能够识别终止密码。释放因子RF1可以与UAA和UAG结合，而RF2能与UAA和UGA结合，RF3与RF1或RF2结合形成异二聚体。当异二聚体在A位与mRNA结合后，改变了肽酰转移酶的活性，使得该酶能够水解肽酰-tRNA酯。伴随着GTP水解和释放因子从核糖体解离，最后的多肽产物从核糖体释放出来。,.,43,.,44,12.9信号肽序列（合成的蛋白质的定位）在真核生物中，许多加工修饰过程都是发生在特定的细胞器中。例如蛋白质的糖基化就需要存在于内质网和高尔基体中的酶。新合成的蛋白质通过细胞质向不同细胞器的转移，这种转移称为蛋白质运输或寻靶。定向于一个特定亚细胞区的每一种蛋白质都带有确定其最终位置的信号，这个信号就象信封上的地址。用于蛋白质寻靶的分子信号一段的氨基酸序列称为信号肽。,.,45,几种真核生物蛋白质的信号肽序列,.,46,两种主要的蛋白质寻靶途径,.,47,12.10抗生素和毒素对蛋白质合成的影响许多微生物可以生产抗生素，它们利用这些抗生素作为化学防御武器抵御竞争者和来犯之敌。某些抗生素通过抑制肽键的形成防止细菌的生长。例如抗生素嘌呤霉素的结构非常类似于氨酰-tRNA的3末端的结构。因为结构上的相似，嘌呤霉素可以进入核糖体的A位。当肽酰转移酶催化新生成的多肽转移至嘌呤霉素的游离的氨基上。由于肽酰嘌呤霉素在A位处的结合弱，很快就从核糖