蛋白质合成PPT精选文档

1,第六节蛋白质的生物合成,2,生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。,3,翻译translation中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息,到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似。,以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译。,4,生命以蛋白质为基础，所有生物都含有蛋白质。地球上的生物体含有1010-1011种不同的蛋白质，各种生物都有其特殊的蛋白质。一个高等生物的细胞内约有3000多种不同的蛋白质，这些蛋白质分别担负着不同的生物功能。一个正常生长的细胞内，时刻都在进行着蛋白质的生物合成。新的蛋白质分子不断地合成出来，旧的蛋白质分子不断地被更新。,5,蛋白质合成非常复杂，真核生物细胞合成蛋白质需要70多种核糖体蛋白质，20多种活化氨基酸的酶，10多种辅助酶和其他蛋白质因子参加，同时还要100多种附加的酶类、40多种tRNA、rRNA，总计有300多种不同的大分子参与多肽的合成。一个典型细菌细胞干重的35%物质参与蛋白质的合成过程。蛋白质合成速度非常惊人，大肠杆菌在37OC蛋白质合成速度15个aa/s（45bp/sRNA,800bp/sDNA）。蛋白质合成要消耗大量能量，约占全部生物合成反应总耗能量的90%（由ATP、GTP提供）。原核生物和真核生物的合成机制相似。,6,遗传信息流动示意图,核糖体,DNA,mRNA,tRNA,原核生物:细菌中mRNA转录翻译降解同时进行。0分钟，转录开始；0.5分钟，核糖体开始翻译；1.5分钟，5端mRNA开始降解；2.0分钟，RNA聚合酶在3端终止;3.0分钟，mRNA继续降解，核糖体完成翻译。,37OCmRNA转录速度45bp/s,蛋白质15aa/s,转录和翻译5000bpmRNA相当于180KDa的蛋白质,整个过程需要2分钟.,7,真核生物动物细胞中转录速度同细菌,45个核苷酸/秒,真核生物很多基因很大,转录一个10000bp基因需5分钟,mRNA半衰期4-24小时.真核生物mRNA平均长度1500bp1分钟内,转录起始,5端被修饰;6分钟,3端被切割释放;20分钟,3端加poly(A);25分钟,mRNA被转运到细胞质;4小时,核糖体翻译mRNA,8,一、蛋白质的生物合成体系,原料：20种氨基酸模板：mRNA（信使核糖核酸）场所：核蛋白体氨基酸的“搬运工具”：tRNA酶与蛋白质因子：启动、延长、终止因子能量：ATP、GTP无机离子,9,（原核生物）,10,1、模板mRNA,mRNA(messengerRNA)是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。,原核生物和真核生物mRNA的比较,每个mRNA分子带有多于一条多肽链的遗传信息,11,12,（1）遗传密码（geneticcode）遗传密码：DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。,密码子（codon）：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。,P295,13,（2）遗传密码的特点,通用性：对所有生物都适用，部分生物的线粒体、叶绿体密码子除外；方向性：5端3端；UAU、UAC酪氨酸、CAU组氨酸连续性：密码子与密码子之间是没有间隔的，阅读密码子时从一个特定的起点一直读下去，中间不能留空，碱基的插入或缺失可导致移码。不重叠性：密码是无标点符号的且相邻密码子互不重叠；。,起始密码：5端第一个AUG表示起动信号，并代表甲酰蛋氨酸(细菌)或蛋氨酸(高等动物)；,终止密码：UAA、UAG或UGA（不编码氨基酸）；,14,遗传密码字典,U,A,C,G,UCAG,U,C,A,G,第二位,第一位（5）,第三位（3）,UCAG,UCAG,UCAG,15,一个氨基酸序列为Met-Leu亮-Arg精-Asn天冬酰胺-Ala丙-Val缬-Glu谷-Ser丝-Ile异亮-Phe苯丙-Thr苏的短肽的核糖核苷酸序列？（起始终止密码子）,可能的序列：5AUGUUACGUAAUGCUGUCGAAUCUAUUUUUACA,5AUGUUACGUAAUGCUGUCGAAUCUAUUUUUACAUAA3,原则：在mRNA的序列中位于上游的潜在的起始位点（如AUG）决定着阅读的框架,起始密码？,16,简并性(degenerate)：一个以上密码子体现一个氨基酸遗传信息（Trp和Met除外，仅有1个密码子）。其原因是由于密码子与反密码子之间存在不稳定配对（摆动性或摇摆性）。对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(Synonymouscodon)密码的简并性可以减少有害突变。,摇摆性（wobble）：mRNA密码子的第三个核苷酸（3端）与tRNA反密码子第一个核苷酸（5端）配对时，有时不遵守严格的碱基配对原则，除A-U、G-C外，还可有其它配对方式。I（次黄嘌呤）是最常见的摆动现象。,17,反密码子与密码子之间的碱基配对,AUCG,反密码子第一位碱基密码子第三位碱基,G,UC,U,AG,I,UCA,18,2、氨基酸的搬运工具tRNA,一种tRNA可携带一种氨基酸；而一种氨基酸可由数种tRNA携带（大肠杆菌60种，高等真核生物120-130种）,（1）tRNA与蛋白质合成的功能区,氨基酸臂与氨基酸结合DHU环与氨酰-tRNA合成酶(忠实性和保守性)结合反密码环识别密码子TC环.与核蛋白体结合,（2）反密码子（anticodon）,tRNA反密码环中间的3个核苷酸，可与mRNA密码子配对。反密码子的第一位核苷酸（5端）常为I。,P21P299,19,搬运工具tRNA（核酸和氨基酸联系的适配器）,二级结构：五臂四环三叶草型,（二氢尿嘧啶环）,反密码环,反密码子位点,氨基酸臂,3,tRNA与氨基酸结合位点,核蛋白体的结合位点,与氨酰-tRNA合成酶结合,氨基酸接受位点,20,搬运工具tRNA,实验表明，tRNA必须具备倒“L”型的三级结构才具有携带氨基酰的功能,T-CG与核糖体结合位点,21,搬运工具tRNA,适配器,22,核糖体是由rRNA（ribosomalribonucleicasid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。,3、多肽链的装配机核蛋白体,两类核蛋白体:结合型：位于粗面内质网，合成分泌蛋白（含信号肽）.游离型：游离于胞质中,参与细胞固有蛋白的合成,23,（1）组成：蛋白质rRNA真核生物核蛋白体（40S+60S=80S）原核生物核蛋白体（30S+50S=70S）,mRNA结合部位：位于小亚基，序列特异识别受位（A位）：位于大、小亚基结合处，结合AA-tRNA；,给位（P位）：主要位于大亚基，结合肽酰-tRNA和起始Met-tRNA，肽基转移部位；转肽酶中心、GTP：位于大亚基，形成肽键的部位。,（2）功能区,核蛋白体,24,16SrRNA,5SrRNA,23SrRNA,30Ssubunit,50Ssubunit,70Sprokaryoticribosome,18SrRNA,5SrRNA,28SrRNA,5.8SrRNA,40Ssubunit,60Ssubunit,80Seukaryoticribosome,Prokaryotic,Eukaryotic,L2,L3,L32,S1,S2,S3,S21,L1,32proteinsoflargesubunit(L1L32),21proteinsofsmallsubunit(S1S21),L2,L3,L50,S1,S2,S3,S33,L1,50proteinsoflargesubunit(L1L50),33proteinsofsmallsubunit(S1S33),核糖体的组成,25,核蛋白体,P位,小亚基负责特异序列识别，起始部分识别、密码子与反密码子的相互作用等，mRNA结合位点在小亚基上；大亚基负责氨基酸及携带等，功能：肽键的形成、AA-tRNA与肽基tRNA结合等。A、P转肽酶中心主要在大亚基上。,26,16SrRNA结构保守，全部压缩在30S小亚基内，与小亚基中蛋白质结合成为小亚基的主要成分。16SrRNA3端一段ACCUCCUUA，与mRNA5端翻译起始区富含嘌呤的序列互补，在mRNA分子与小亚基结合时充当主要“接待者”。在16SrRNA临近3端处还有一段与23SrRNA互补的序列，在30S与50S亚基的结合中起作用。,一些细菌和病毒mRNA5端的富含嘌呤碱基的SD核苷酸序列,核蛋白体（原核生物）,与起始tRNA配对的部位,与16SrRNA配对部位,R17噬菌体A蛋白,P301,27,大肠杆菌5S、16S、23SrRNA分别含有120、1542、2904个核苷酸。,5SrRNA,一个区域含有保守序列CGAAC，功能：与tRNA分子TC环上的GTCG序列相互作用的部位,另一个区域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，与23SrRNA中一段序列互补，功能：5SrRNA与50S核糖体大亚基相互作用的位点。,23SrRNA,50S大亚基,34protein,有一段能与tRNAMet序列互补的片段,23SrRNA靠近5端有一段12个核苷酸的序列与5SrRNA上的序列互补。,28,核蛋白体（原核生物）,多肽链,34种蛋白质50,21种蛋白质30,29,核蛋白体（原核生物）,多核糖体：一个mRNA分子与一定数目的单个核糖体结合形成念珠状，每个核糖体可以独立完成一条肽链合成。,30,原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图,一个核糖体中占有2个tRNA和40bp长的mRNA,31,4、辅助性蛋白在蛋白质的合成体系中，除了mRNA、tRNA、rRNA和核糖体外，还需要一系列辅助因子，这些因子都是蛋白质。,32,真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子,阶段原核真核功能IF1IF2eIF2参与起始复合物的形成IF3eIF3、eIF4C起始CBPI与mRNA帽子结合因子eIF4ABF参与寻找第一个AUGeIF5协助eIF2、eIF3、eIF4C的释放eIF6协助60S亚基从无活性的核糖体上解离EF-TueEF1协助氨酰-tRNA进入核糖体延长EF-TseEF1帮助EF-Tu、eEF1周转因子EF-GeEF2移位因子RF-1终止eRF释放完整的肽链因子RF-2,P303,33,IF3协助30S亚基通过其16SrRNA的3端与mRNA起始密码子的5端的碱基配对结合;IF2能正确识别起始的fMet-tRNAfMet；能结合GTP，将GTP引导到复合物上去；对于30S起始复合物与50S亚基的连接是必需的.IF1能刺激IF2和IF3两种起始因子的活性；IF1催化GTP水解，在70S起始复合物生成后促进IF2的释放.,IF(initiationfactor)作为起始因子,为非核糖体蛋白质,这些因子不同于核糖体蛋白质,它们仅是临时性地与核糖体发生作用参与蛋白质的起始,之后从核糖体复合物上解离下来,而核糖体蛋白质则一直结合在同一核糖体上.,IF3、IF2、IF1结合在30S的16SrRNA附近，在16SrRNA周围还有核糖体蛋白质S7、S1、S11、S12、S18、S21等与mRNA和30S亚基识别有关；50S亚基的核糖体蛋白质L7、L13、L11位于起始复合物上IF2附近，参与GTP水解反应，与蛋白质合成有关。,34,二、蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成是最复杂的生物化学过程之一，它包括了上百种不同的蛋白质，以及30多种RNA分子的参与，这一过程开始于氨基酸接在tRNA上，随后的步骤则在核糖体上进行，氨基酸通过tRNA转运到核糖体上，直到氨基酸掺入到多肽链中后，tRNA才离开核糖体。,*氨基酸的活化,*肽链合成的起始,*肽链的延长,*肽链的终止和释放,35,氨酰-tRNA合成酶的特点,a、专一性：对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。对tRNA具有极高专一性。（遗传密码第二）,b、校对作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。,36,tRNAiMet(起始)、tRNAMet：既能被它们唯一的甲硫氨酰-tRNA合成酶所识别，以区别于其他tRNA，同时这两种甲硫氨酰-tRNA又能被蛋白质合成因子所区分，起始因子识别tRNAiMet，延伸因子识别tRNAMet。,起始甲硫氨酰-tRNA（tRNAiMet）:*在所有蛋白质合成中负责掺入起始氨基酸-甲硫氨基酸；*对选择在mRNA什么位置上开始翻译起重要作用。,tRNAMet：携带甲硫氨酸掺入到蛋白质内部的tRNA。,37,N-甲酰甲硫氨酰-tRNAiMet的形成,Met-tRNAiMet,fMet-tRNAfMet,N10-CHO-FH4,FH4,转甲酰酶,甲硫氨酰-tRNA,N10-甲酰四氢叶酸,甲酰甲硫氨酰-tRNA,在原核生物中有一种特异的甲酰化酶，能使tRNAiMet中的氨基发生甲酰化，这样使得参与起始的tRNAifMet不参与肽链的延伸过程。,38,真核生物甲硫氨酸可以出现在mRNA模板上的许多地方，多肽合成始终只从靠近核糖体结合位点的那一个甲硫氨酸开始。一个真核生物mRNA上只有一个功能性AUG起始位点；一个细菌mRNA上可以有几个AUG起始位点；一些低等生物中，密码子GUG也是起始密码子，进入此部位的氨基酸还是甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸，不是缬氨酸。方向：沿mRNA模板5-3读码翻译,密码子AUG是蛋白质合成的起始位点,39,氨基酸的活化,E,氨基酸,E+ATP+,氨酰腺苷酸复合物,E-AMP,PPi,第一步,AMP,第二步,E,氨基酸的活化,3-氨酰-tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,23,有些氨基酸被转移到tRNA2位，有的转移到3位，有的两个位置均可。,消耗2个高能磷酸键,40,肽链合成的起始（原核生物）,30S亚基mRNAIF3-IF1复合物I,30SmRNAGTP-fMettRNA-IF2-IF1复合物II,70S起始复合物,IF3-mRNA+30S亚基,70S起始复合物,16SrRNA,16SrRNA-23SrRNA,反密码子CAU与密码子AUG互补配对,GTP水解功能是释放IF2和GDP，激活-fMet-tRNA,空位,41,肽链的延长（原核生物）（加入一个氨基酸需要3个重复反应）,进位,肽键形成,移位,进位,(延长因子EF-Tu/EF-Ts),肽键形成,3,（EF-G移位酶）,PA,PA,PA,PA,PA,PA,氨酰tRNA,空位,3,5,肽基tRNA,EF-Tu/EF-Ts循环,Ts,延长因子（elongationfactor）：为非核糖体蛋白,延长复合物I,70S起始复合物,延长复合物II,释放能量用于肽键形成,tRNA特定碱基顺序Tu蛋白特定氨基酸识别结合,43,与GTP发生作用的翻译因子属于G蛋白家族,所有G蛋白都能结合并水解GTP,并遵从类似的机制,当与GTP结合后,这些蛋白被激活,当结合上水解出来GDP后，就变成无活性的构象.GTP水解过程可通过EF-TU、EF-G的作用来理解,GTP的结合与水解都在这些因子上进行，这些因子和GTP的复合物与核糖体作用，才激活了水解部位的活性，随着GTP水解成GDP，这些因子的构象发生变化，与核糖体分离。,移位因子（translocationfactor）:原核中为EF-G,真核中为EF-2.EF-G又称为移位酶，EF-G携带GTP进入复合物，在EF-G的的催化下，GTP水解，释放出能量使核糖体向mRNA3端移动一个密码子位置。移位后，原来空着P位被肽基tRNA占据，A空出。,44,不需要任何蛋白质因子的参与，靠核糖体自身催化完成的，这是蛋白质合成过程中，核糖体参与催化的唯一反应。,肽键的形成,氨酰tRNA,肽基转移酶,无负载tRNAf,甲酰甲硫氨酰tRNA,酯键,肽键,GTP水解能量,45,肽链合成的终止及释放（原核生物）,（1）释放因子RF1或RF2进入核糖体A位。（2）多肽链的释放（3）70S核糖体解离,RF,A位,终止密码子UAA、UAG、UGA,46,终止（termination）与释放因子（release）RF因为没有相应tRNA识别终止密码子，延长终止。RF与A位结合，刺激肽基转移酶的活性由肽键形成转变为催化肽基水解，使肽链脱离tRNA和核糖体，形成新肽链。终止因子催化GTP水解，使mRNA、tRNA、核糖体大小亚基分离。,47,1、氨基酸的活化与转运,（1）氨基酰tRNA合成酶：高度特异识别氨基酸、tRNA；校对活性（2）能量：1个ATP（2个高能键）,2、核蛋白体循环（ribosomalcycle）：起始、延长、终止,（1）起始复合物的生成,起始因子3种IF（原核）：IF1、IF2、IF3多种eIF（真核）：eIF2是合成调控的关键物质,蛋白质合成过程小结,48,：GTP（真核体系还需ATP）,起始AA-tRNAfMet-tRNAfmet（原核）Met-tRNAmet（真核）,起始复合物组成：大、小亚基、mRNA、起始因子、起始AA-tRNA,起始复合物形成过程：核蛋白体的拆离、mRNA就位、起始tRNA结合、大亚基结合小亚基先与mRNA结合（原核）小亚基先与起始AA-tRNA结合（真核）,49,（2）肽链延长,延长因子EFT：真核为EFT1与T2，原核为EFTu、Ts与EFG,能量：GTP,过程,成肽：转肽酶；P位酰基与A位氨基反应,转位、脱落、移位：EF-G（转位酶）或T2、GTP；由A位移至P位，A位留空,进位：EF-Tu/Ts或T1、GTP；进入A位,方向：N端C端（肽链）；5端3端（mRNA）,（3）终止,释放因子RF：2种（原核）或1种（真核）,50,能量：GTP转肽酶活性转变：转肽酶酯酶（水解酶）,3、真核与原核蛋白合成的不同点,（1）转录与翻译不偶联（2）合成体系复杂（3）合成起始AA-tRNA不同（4）通常需进行翻译后加工（5）合成的调控更为复杂,一个氨基酸组入多肽消耗3个ATP等价物，使用四个高能磷酸键等价物。,真核生物多肽链的合成（自学）,1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2、起始氨基酸为Met，不是fMet；3、肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首先识别mRNA的5端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG；4、起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子；5、真核细胞中线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。,52,53,54,机体自身合成蛋白质的必要性与可能性,蛋白质是生命活动的物质基础,蛋白质具有种属及个体特异性人体不能直接利用外源性蛋白质,遗传信息决定蛋白质氨基酸序列,细胞具有蛋白质合成体系,55,三、蛋白质合成与医学的关系,一、分子病(moleculardiseases)由于基因缺陷，导致蛋白质合成异常，最终引起机体某些结构与功能障碍，产生疾病，称分子病。,1、误义突变（missense