生化 蛋白质的生物合成(翻译)PPT演示课件.ppt

蛋白质的生物合成（翻译）ProteinBiosynthesis，Translation,第十四章,1,蛋白质的生物合成，即翻译，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。,2,蛋白质生物合成体系ProteinBiosynthesisSystem,第一节,3,参与蛋白质生物合成的物质包括,三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）,合成原料20种氨基酸(AA),4,参与的蛋白质因子、酶及酶的辅助因子起始因子、延长因子、释放因子、转肽酶、氨基酰-tRNA合成酶,能源ATP主要参与氨基酸的活化,GTP提供翻译起始、延长、终止阶段所需能量,5,一、mRNA是蛋白质合成的模板,mRNA是遗传信息的携带者,遗传学将编码一个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)。真核细胞mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)。,6,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,7,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(tripletcode)。,起始密码(initiationcodon):AUG,终止密码(terminationcodon):UAA，UAG，UGA,8,遗传密码表,9,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，每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)。,10,遗传密码的特点,1.方向性,mRNA分子中遗传密码阅读方向是从53,11,2.连续性,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。,12,基因转录后存在一种对mRNA外显子加工过程，通过特定碱基的插入、缺失或置换，导致mRNA的移码、错义突变或提前终止，使得同一mRNA前体翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑(mRNAediting)。,13,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)。,14,3.简并性,遗传密码中，除Met、Trp外，其余氨基酸均由2个以上密码子为其编码。同义密码子但每一个密码子仅对应一个氨基酸。,不同物种对密码子有“偏爱性”。,15,16,4.通用性,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。,17,5.摆动性,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。,18,U,U,摆动配对,19,密码子、反密码子配对的摆动现象,20,二、核糖体是多肽链合成的装置,21,12/56,组成、结构与功能特点：,结构复杂而精密由数种rRNA（占60%左右）及多种蛋白质组成。,rRNA起着主导的作用，蛋白质协助维持rRNA的功能区域。,22,12/56,核糖体的组成,23,原核生物翻译过程中核糖体结构模式,A位：氨基酰位(aminoacylsite),P位：肽酰位(peptidylsite),E位：排出位(exitsite),24,三、tRNA是蛋白质合成的搬运工具,反密码环,氨基酸臂,25,tRNA的三级结构,26,15/56,如：密码子GGU-携带反密码子ACC的tRNA-Gly,tRNA的功能,活化氨基酸,搬运氨基酸,在密码子与对应氨基酸之间起适配器(adaptor)的作用。,密码子tRNA反密码子氨基酸是对号入座。,27,氨基酸+tRNA,氨基酰-tRNA,(aminoacyl-tRNAsynthetase),（一）氨基酸的活化与氨基酰-tRNA合成酶,28,第一步反应：酶找相应的氨基酸,氨基酸ATP-E氨基酰-AMP-EAMPPPi,29,第二步反应：酶找相应的tRNA,氨基酰-AMP-EtRNA氨基酰-tRNAAMPE,30,氨基酰tRNA合成酶有20种，分别特异性识别相应的20种氨基酸和相应的tRNA。,氨基酰tRNA合成酶的活性是绝对专一性的，酶同时对氨基酸和tRNA高度特异地识别。,31,tRNA与酶结合的模型,tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,ATP,32,氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAlaSer-tRNASerMet-tRNAMet,33,真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet,（二）氨基酰-tRNA的表示方法,34,转甲酰基酶,N10-CHO-FH4,20/56,大肠杆菌起始密码子编码的met须甲酰化,真核细胞起始密码子编码的met不须甲酰化,35,蛋白质生物合成过程TheProcessofProteinBiosynthesis,第二节,36,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，多肽链的合成是从N端向C端，直至终止密码出现。,翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination),37,一、翻译的起始,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)。参与这一过程的多种蛋白质因子，称为起始因子(initiationfactor,IF)。,38,核糖体大小亚基分离mRNA在小亚基上定位结合起始氨基酰-tRNA的结合70S起始复合物形成,（一）原核生物的翻译起始过程,39,IF-3,IF-1,1.核蛋白体大小亚基分离,40,2.mRNA在小亚基定位结合,41,S-D序列(Shine-Dalgarno,RBS),rps(ribosomalproteininsmallsubunit),42,IF-3,IF-1,3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基,43,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4.核蛋白体大亚基结合，70S起始复合物形成,44,原核生物各种起始因子(IF)的生物功能,IF-3结合30S小亚基，促进大小亚基分离；提高P位对结合起始tRNA敏感性,IF-2促进起始tRNA与30S小亚基结合,IF-1占据A位防止结合其他tRNA；阻止大小亚基的结合,45,（二）真核生物的翻译起始过程,核糖体大小亚基分离起始氨基酰-tRNA结合；mRNA与核糖体小亚基结合小亚基沿mRNA扫描查找起始点80S起始复合物形成,46,真核生物翻译起始复合物形成过程,47,48,mRNA在原核生物核糖体小亚基定位涉及：(1)S-D序列(Shine-Dalgarno,RBS)(2)rps识别序列,mRNA在真核生物核糖体小亚基定位涉及：(1)GCC(A/G)CCAUGG(2)多种蛋白质因子,如帽子结合复合物eIF-4F,49,eIF-2：单体GTP结合蛋白,促进起始Met-tRNAiMet与40S小亚基结合eIF-2B：鸟苷酸交换因子(GEF),将eIF-2上的GDP交换成GTPeIF-3：最先与40S小亚基结合,促进大小亚基分离eIF-5：水解GTP,促进各种起始因子从核糖体释放,进而结合大亚基eIF-6：促进核糖体分离成大小亚基,真核生物各种起始因子的生物功能,50,eIF-4A：eIF-4F复合物成分,有解旋酶活性,有利用mRNA扫描eIF-4B：结合mRNA,促进mRNA扫描定位起始AUGeIF-4E：eIF-4F复合物成分,结合mRNA的5端帽子结构eIF-4G：eIF-4F复合物成分,连接eIF-4E、eIF-3和PABP等组分PAB：PolyA结合蛋白结合3端polyA尾,51,真核生物与原核生物翻译起始的不同点,1.起始Met-tRNAiMet不需甲酰化,2.eIF种类多,3.小亚基先与Met-tRNAiMet结合,再与mRNA结合,5.ATP和GTP供能,4.mRNA与40s亚基的结合依靠帽子结合蛋白(CBP)与mRNA帽子结构的识别结合,52,二、肽链延长,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。,53,每次循环包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation),肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，称为核糖体循环(ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸。,54,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：eEF-1、eEF-2,55,又称注册(registration),（一）进位,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位。,56,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,57,58,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,目录,59,（二）成肽,指在肽基转移酶的作用下，将P位点的肽酰基转移到A位点的氨基酰-tRNA上，在A位形成肽键，使肽链延长。,60,61,（三）转位,延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3侧移动。,62,63,fMet,fMet,64,65,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，真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,（四）真核生物延长过程,66,肽链合成的延长因子,67,三、翻译的终止,当核糖体A位出现mRNA的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分离，这些过程称为肽链合成终止。,68,34/56,RF-3：促进RF-1或RF-2与核糖体结合，诱导肽基转移酶变为酯酶活性，催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核糖体上释放，并水解GTP。,真核生物的释放因子：eRF-1和eRF-3；eRF-1可识别三种密码子,并需GTP供能。,RF-1：UAA，UAG,RF-2：UAA，UGA,终止相关的蛋白质因子称为释放因子（releasefactor，RF）,69,RF,原核肽链合成终止过程,70,39/56,多聚核糖体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行,71,39/56,蛋白质合成能量消耗情况,1.氨基酸活化：2个ATP,2.翻译起始：原核生物1个GTP真核生物1个GTP，1个ATP,3.翻译延长：每形成一个肽键需2个GTP,4.翻译终止：1个GTP,ATP总消耗数：2n+2(n-1)+2(真核3),n为多肽链氨基酸残基的数目,72,第三节,翻译后加工及蛋白质输送PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation,73,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,从核糖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。,74,一、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端在核糖体上一出现，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、模体、结构域到形成完整空间结构。,75,一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间结构的基础。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、蛋白质辅助。,76,几种有促进蛋白折叠功能的大分子,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),77,(1)热激蛋白70(heatshockprotein,HSP70)家族HSP70、HSP40和GrpE成员(2)热激蛋白60(HSP60)家族/伴侣素HSP60和HSP10/GroEL和GroES,分子伴侣(molecularchaperon),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。包括两大家族：,78,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。,HSP40结合待折叠多肽片段,HSP70-ATP复合物,HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物,ATP水解,GrpE,ATP,ADP,复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠,HSP70家族促进蛋白质折叠的基本作用,79,伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程,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,HSP60家族的主要作用,80,原核生物,（一）去除N末端甲硫氨酸残基,脱甲酰基酶,氨基肽酶,真核细胞,二、一级结构的修饰,81,（二）个别氨基酸的修饰,磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸,羟基化：脯氨酸，赖氨酸,酰基化：组氨酸,甲基化：色氨酸,核糖基化：精氨酸,意义：调节蛋白质结构与功能。,82,两个Cys的-SH脱H氧化而成,（三）二硫键的形成,-SHHS-,-S-S-,83,鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,（四）多蛋白的加工,84,（五）蛋白质前体中不必要肽段的切除,无活性的酶原转变为有活性的酶，常需要去掉一部分肽链，如胰蛋白酶原酶解生成胰蛋白酶，分泌型蛋白质“信号肽”的切除。,某些新生蛋白质含有部分间隔顺序等待剪切，其意义类似于hnRNA中的内含子，此片段称为内蛋白子(intein)。,85,三、高级结构的修饰,（一）亚基聚合,蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素等结合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、血红蛋白等结合蛋白质。,具有四级结构的蛋白质需进行亚基之间的聚合。如血红蛋白4个亚基的聚合。,（二）辅基连接,（三）脂肪酰化,86,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(proteintargeting)。,四、蛋白质合成后的靶向输送,87,分泌性蛋白前体N端有信号肽（signalpeptide）,信号肽富含疏水氨基酸，其作用是使新合成的多肽链易于穿过膜系统，随后被信号肽酶切除。,46/56,蛋白质合成后的去路：,后两者称为分泌性蛋白,胞浆；进入细胞核、线粒体或其它细胞器；分泌到体液，再输送到靶器官和靶细胞。,88,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。,信号序列(signalsequence),89,（一）分泌蛋白的靶向输送,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,信号肽(signalpeptide),各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。