生物化学--第十二章 蛋白质生物合成ppt课件

1、 第十一章第十一章蛋白质的生物合成（翻译）蛋白质的生物合成（翻译） Protein Biosynthesis, Translation n第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系n第二节第二节 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程n第三节第三节 蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送1 第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系2 翻译的翻译的模板模板：DNA-DNA-原始模板原始模板 RNA-RNA-直接模板直接模板 翻译的翻译的场所场所：核蛋白体（细胞质）：核蛋白体（细胞质） 翻译过程分为起始、延长、终止三个阶段。翻译过程分为起始、延长、终止三个阶段。 概概 述述

2、翻译翻译（translationtranslation）：即蛋白质的生物）：即蛋白质的生物合成，就是将核酸中由合成，就是将核酸中由 4 4 种核苷酸序列编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读为蛋白质一级结构中2020种氨基酸的排列顺种氨基酸的排列顺序。简言之，序。简言之，就是生物体以就是生物体以mRNAmRNA为模板合成为模板合成蛋白质的过程。蛋白质的过程。 34一、遗传密码和一、遗传密码和mRNA二、t RNA三、核糖体核糖体四、辅助因子四、辅助因子5 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为遗传学将编码一个多肽的遗传单位

3、称为顺顺反子反子(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的录单位，转录生成的mRNA可编码几种功可编码几种功能相关的蛋白质，能相关的蛋白质，为为多顺反子多顺反子(polycistron) 。 真核真核mRNA只编码一种蛋白质，为只编码一种蛋白质，为单顺反单顺反子子(single cistron) 。一、翻译模板一、翻译模板mRNA及遗传密码及遗传密码n mRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者67原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点5 3 顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺

4、序先导区先导区末端顺序末端顺序AGGAGGUSD区区特点特点 半衰期短半衰期短 许多原核生物许多原核生物mRNAmRNA以多顺反子形式存在以多顺反子形式存在 AUGAUG作为起始密码；作为起始密码；AUGAUG上游上游7 71212个核苷酸处有一被称为个核苷酸处有一被称为SDSD序列的序列的保守区，保守区， 16S rRNA316S rRNA3- - 端反向互补而使端反向互补而使mRNAmRNA与核糖体结合。与核糖体结合。8真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5 ppp-N-3 p帽子结构功能帽子结构功能 使使mRNAmRNA

5、免遭核酸酶的破坏免遭核酸酶的破坏 使使mRNAmRNA能与核糖体小亚基结合并开始能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因子所识别，从被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。而促进蛋白质的合成。 是是mRNAmRNA由细胞核进入细胞质由细胞核进入细胞质所必需的形式所必需的形式 它大大提高了它大大提高了mRNAmRNA在细胞质在细胞质中的稳定性中的稳定性AAAAAAA-OH9n遗传密码遗传密码: nDNA（或（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白）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质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。密码。10密码子密

6、码子mRNA分子上从分子上从5 至至3 方向，由方向，由AUG开开始，每始，每3个连续的核苷酸为一组，决定肽链个连续的核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为密码子（止信号，称为密码子（ codon ）或）或三联体三联体密码密码(triplet coden)。11 第第 三三 个个 字字 母母U CA G12 密码子的特点：密码子的特点： 1 、连续性、连续性编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅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，如读，密码间既无间断也无交叉，如mRNAmRNA链上的碱链上

7、的碱基发生插入或缺失，可造成框移突变。基发生插入或缺失，可造成框移突变。 开放读码框开放读码框：从从mRNA5端起始密码子端起始密码子AUG到到3端终止密码子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，称为开放读码框码一个蛋白质多肽链，称为开放读码框（open reading frame,ORF）132、密码的简并性：、密码的简并性：是指一种氨基酸有个或个是指一种氨基酸有个或个以上的密码子为之编码的现象。以上的密码子为之编码的现象。14反密码子与密码子之间的碱基配对反密码子与密码子之间的碱基配对A UC G反密码子第一位碱

8、基反密码子第一位碱基 密码子第三位碱基密码子第三位碱基GUCUAGIUCA153、密码的摆动性（变偶性）：、密码的摆动性（变偶性）：密码子与反密码子配对出现不严格遵守常见的碱密码子与反密码子配对出现不严格遵守常见的碱基配对规律的情况，称为基配对规律的情况，称为摆动配对摆动配对16密码子与反密码子的摆动配对密码子与反密码子的摆动配对17 18人线粒体中变异的密码子人线粒体中变异的密码子UGA 终止信号终止信号 TrpAUA Ile Met AGA Arg 终止信号终止信号AGG Arg 终止信号终止信号密码子密码子 正常情况下编码正常情况下编码 线粒体线粒体DNA编码编码4、密码的通用性和变异性

9、、密码的通用性和变异性19二二. .氨基酸的氨基酸的“搬运工具搬运工具”-tRNA-tRNA2021222 2、起始起始tRNAtRNA与普通与普通tRNAtRNA2324三、核糖三、核糖/蛋白蛋白体体25原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基S值值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白蛋白质质rpS 21种种rpL 36种种rpS 33种种rpL 49种种 原核、真核核蛋白体的组成原核、真核核蛋白体的

10、组成 2627第二节第二节 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程翻译过程分为翻译过程分为活化活化起始、起始、延长延长终止和释放终止和释放修饰修饰28一、一、tRNAtRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化 （一）氨基酰（一）氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶 tRNAtRNA的的3 3末端末端-CCA-OH-CCA-OH是氨基酸的结合位点，是氨基酸的结合位点，tRNAtRNA的功能是转运氨基酸。的功能是转运氨基酸。 1.tRNA1.tRNA携带氨基酸的反应如下携带氨基酸的反应如下: :（氨基酸的活化）（氨基酸的活化） 此反应可分为两步完成：此反应可分为两步完成： 氨基酸氨基酸+ATP-E +A

11、TP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E+PPi-AMP-E+PPi 氨基酰氨基酰-AMP-E+tRNA-AMP-E+tRNA氨基酰氨基酰-tRNA+AMP+E-tRNA+AMP+E 氨基酸氨基酸 + tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP AMP+PPi29 2.2.氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶的作用特点合成酶的作用特点 a. a. 对对aaaa、tRNAtRNA两种底物有高度特异性两种底物有高度特异性; ; b. b.有校正活性，当发生错配时，可以水解有校正活性，当发生错配时，可以水解酯键，再重新与正确的底物结合。酯键，再重新与正确的底物结合。 3.3

12、.氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的书写的书写 (1) (1) 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA完整的写法是：完整的写法是：ala-tRNAala-tRNAalaala；met-tRNAmet-tRNAe emetmet；fmet-tRNAfmet-tRNAfmetfmet等。等。 (2) (2) 各种氨基酰各种氨基酰-tRNA-tRNA的生成反应如下：的生成反应如下：gly + tRNAgly + tRNAglygly + ATP gly-tRNA + ATP gly-tRNAglygly + AMP + PPi + AMP + PPi met+tRNAmet+tRNAe emetmet+A

13、TP met- tRNA+ATP met- tRNAe emetmet +AMP+PPi +AMP+PPi 30 （二）起始肽链合成的氨基酰（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA-tRNA 密码子密码子AUGAUG为甲硫氨酸（为甲硫氨酸（MetMet）编码，同时）编码，同时作为起始密码作为起始密码。 与甲硫氨酸结合的与甲硫氨酸结合的tRNAtRNA，真核生物中至少，真核生物中至少有两种：有两种：tRNAtRNAi imetmet和和tRNAtRNAe emetmet ；原核生物的起；原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，即始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，即N-N-甲酰甲酰甲硫氨酸（甲硫氨酸

14、（ fMet fMet ）。）。31 二、肽链合成起始二、肽链合成起始 肽链合成起始阶段，是指肽链合成起始阶段，是指mRNAmRNA和起始氨和起始氨基酰基酰-tRNA-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。需要起始因子（始复合物的过程。需要起始因子（IFIF或或eIFeIF）和和ATPATP、GTPGTP参与。参与。32 （一）原核翻译起始复合物形成（一）原核翻译起始复合物形成 ( (图图) ) 1. 1. 蛋白体大、小亚基分离。蛋白体大、小亚基分离。 2.mRNA2.mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合； S-DS-D序列序列：又称核蛋白体

15、结合位点又称核蛋白体结合位点(ribosomal (ribosomal binding site,RBS) binding site,RBS) 是是mRNAmRNA起始密码上游的一段富含起始密码上游的一段富含嘌呤核苷酸的序列，该序列以嘌呤核苷酸的序列，该序列以AGGAAGGA为核心。（为核心。（图图1 1） 3.3.起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA在小亚基上就位；在小亚基上就位； 4.4.核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。33343536PuPu3738 （二）真核生物翻译起始复合物形成（二）真核生物翻译起始复合物形成 1.1.核蛋白质体大小亚基的分离；核蛋白质体大小亚基的分离；

16、 2.2.起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA结合；结合； 3.mRNA3.mRNA在核蛋白质体小亚基的确定在核蛋白质体小亚基的确定;(;(图图) ) 4. 4.核蛋白质体大亚基结合。（核蛋白质体大亚基结合。（图图）eIF2是真核肽链合成调节的关键成分。是真核肽链合成调节的关键成分。3940三、肽链的延长三、肽链的延长 肽链合成的延长是根据肽链合成的延长是根据mRNAmRNA密码序列的密码序列的指导指导, ,依次添加氨基酸从依次添加氨基酸从N N端向端向C C端延伸肽链端延伸肽链, ,直到合成终止的过程。由于肽链延长在核蛋直到合成终止的过程。由于肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称白

17、体上连续性循环式进行，又称核蛋白体循核蛋白体循环环( (ribosomal cycleribosomal cycle) )，每次核蛋白体循环肽链，每次核蛋白体循环肽链增加一个氨基酸。增加一个氨基酸。41需要延长因子、各种酶和需要延长因子、各种酶和GTPGTP参与。参与。原核生物延长因子：原核生物延长因子：EF-TEF-T（EF-TuEF-Tu、EF-TsEF-Ts） EF-GEF-G真核生物延长因子：真核生物延长因子：EF-1EF-1、EF-2EF-242 翻译延长因子翻译延长因子43 核蛋白体循环分三个步骤：核蛋白体循环分三个步骤： 1.1.进位进位(entrance) (entrance)

18、 2. 2.成肽成肽( (peptide bond formationpeptide bond formation) ) 3. 3.转位转位(translocation)(translocation) 核蛋白体阅读核蛋白体阅读mRNAmRNA密码子的方向是密码子的方向是5 533，肽链合成从肽链合成从NCNC端进行的。端进行的。44需参与。需参与。454647成肽反应在位上进行。成肽反应在位上进行。48肽肽键的形成键的形成49 （三）转位（三）转位延长因子延长因子EF-G有转位酶活性，可结合并有转位酶活性，可结合并水解分子水解分子GTP，促进核蛋白体向，促进核蛋白体向mRNAmRNA的的侧移动

19、。侧移动。5051 四、肽链合成的终止四、肽链合成的终止 当核蛋白体出现当核蛋白体出现mRNAmRNA的终止密码后，的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰多肽链合成停止，肽链从肽酰tRNAtRNA中释出，中释出， mRNAmRNA、核蛋白体大、小亚基等分离，这些过、核蛋白体大、小亚基等分离，这些过程称为肽链合成终止（程称为肽链合成终止（terminationtermination）。）。 需要释放因子（需要释放因子（RFRF）的参与。）的参与。 原核生物原核生物RFRF：RF-1RF-1、RF-2RF-2、RF-3RF-3真核生物真核生物RFRF：eRF eRF 52 释放因子的功能：释放因

20、子的功能： .识别终止密码，如识别终止密码，如RF-1RF-1特异识别特异识别UAAUAA、UAGUAG；而；而RF-2RF-2可识别可识别UAA UAA 、UGA UGA 。 . .诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于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催化肽酰基转移到水分子OHOH上，使肽链从上，使肽链从核蛋白体上释放。核蛋白体上释放。53IFIFRF1RF2RF3GTPGDP+Pi54UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸 核糖体核糖体细胞质中的细胞质中的mRNA 与核糖体结合与核糖体结合. .细胞质中细胞质中单击画面继续55UCAUG A

21、 UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸 tRNA tRNA 上的反密码子与上的反密码子与 mRNAmRNA上的密码子互补配对上的密码子互补配对 .细胞质中细胞质中单击画面继续56UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸细胞质中细胞质中 tRNA tRNA 将氨基酸转运到将氨基酸转运到 mRNAmRNA上的上的 相应位置相应位置 . .单击画面继续57UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸缩合缩合细胞质中细胞质中 两个氨基酸分子缩合两个氨基酸分子缩合单击画面继续5

22、8UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸 核糖体随着核糖体随着 mRNAmRNA滑动滑动. . 另一个另一个 tRNAtRNA上的碱上的碱基与基与mRNAmRNA上的上的 密码子配对密码子配对. . 细胞质中细胞质中单击画面继续59UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸 一个个氨基酸分子缩合成链状结构一个个氨基酸分子缩合成链状结构细胞质中细胞质中单击画面继续60UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸 t tRNARNA离开

23、，再去转运新的氨基酸离开，再去转运新的氨基酸细胞质中细胞质中单击画面继续61UCAUG A UUAAUG 亮氨酸亮氨酸 天冬氨天冬氨酸酸 异亮氨酸异亮氨酸以以mRNAmRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质 . . 细胞质中细胞质中单击画面继续62肽链合成的肽链合成的起始起始30S亚基亚基 mRNA IF3- IF1复合物复合物30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物复合物70S起始复合物起始复合物 mRNA +30S亚基亚基-IF3IF-3IF2GTPIF3 IF2 IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S5

24、0S亚基亚基IF2+ IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始起始复合物复合物63肽链的延长64肽链合成的终止及释放（1 1）释放因子）释放因子RFRF1 1或或RFRF2 2进入核糖体进入核糖体A A位。位。 （2 2）多肽链的释放）多肽链的释放（3 3）70S70S核糖体解离核糖体解离tRNARFRF65多核糖体多核糖体 6667第三节第三节 蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质二、一级结构的修饰二、一级结构的修饰三、空间结构的修饰三、空间结构的修饰四、蛋白质合成后的靶向输送四、蛋白质合成后的靶向输送68

25、一一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质几种有促进蛋白折叠功能的大分子：几种有促进蛋白折叠功能的大分子： 、分子伴侣（、分子伴侣（molecular chaperonmolecular chaperon） 、蛋白二硫键异构酶、蛋白二硫键异构酶(protein (protein disulfide isomerase,PDI)disulfide isomerase,PDI) 、肽脯氨酰顺反异构酶、肽脯氨酰顺反异构酶(peptide (peptide prolyl cis-isomerase,PPI)prolyl cis-isomerase,PPI)69多肽链的折叠与

26、加工n1.氨基末端和羧基末端的修饰n2.信号序列的切除n3.氨基酸残基的修饰n4.糖侧链的连接n5.辅基的加入n6.蛋白酶的水解n7.二硫键的形成n8.受抗生素及毒素的抑制7071 分子伴侣分子伴侣：是细胞中一类保守蛋白质，：是细胞中一类保守蛋白质，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。整体蛋白质的正确折叠。、热休克蛋白（、热休克蛋白（heat shock protein, HSP） HSP70、HSP40和和GreE家族家族、伴侣素（、伴侣素（chaperonins） GroEL和家族和家族GroES727374二、一级结构的修饰二

27、、一级结构的修饰（一）肽链（一）肽链N-N-端的修饰端的修饰（二）个别氨基酸的共价修饰（二）个别氨基酸的共价修饰（三）多肽链的水解修饰（三）多肽链的水解修饰三、空间结构的修饰三、空间结构的修饰（一）亚基聚合（一）亚基聚合（二）辅基连接（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价修饰（三）疏水脂链的共价修饰75 四、蛋白质合成后的靶向输送四、蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的目标地点，这一过程到最终发挥生物功能的目标地点，这一过程称为称为蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送（protein targetingprotein targeting）。）。所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为末端特异氨基酸序列，可引信号，主要为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，这一序导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为列称为信号序列信号序列（signal sequencesignal s