蛋白质的生物合成5

第一节RNA在蛋白质生物合成中的作用mRNA:蛋白质合成的模板；tRNA:氨基酸的转运工具；rRNA:与核糖体蛋白结合，成为蛋白质的合成场所。当前第1页\共有72页\编于星期六\10点一、mRNA的功能与密码StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻译区533’-端非翻译区开放阅读框架从mRNA5-端起始密码子AUG到3-端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。mRNA的基本结构当前第2页\共有72页\编于星期六\10点遗传密码geneticcodenmRNA5’端的开放阅读框架区，每3个核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式核苷酸序列称为密码子。遗传密码种类：43=64种有61种代表氨基酸,有3种不代表任何氨基酸。当前第3页\共有72页\编于星期六\10点MarshallNirenbergInvitroPoly(U)poly(Phe)peptidePoly(C)poly(Pro)peptidePoly(A)poly(Lys)peptidePoly(G)poly(Gly)peptidepoly(UCUCUC…)poly(Ser-Leu-Ser-Leu…)密码子的破译(codendiscovery)核糖体结合试验1965年，Nirenberg用polyu加入C14标记的20种aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法破译了全部密码，编出遗传密码表。当前第4页\共有72页\编于星期六\10点遗传密码表当前第5页\共有72页\编于星期六\10点遗传密码的特点1.连续性(non-punctuated)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。5’…….AUG

GCA

GUA

CAU……UAA3’AlaValHisMet终止密码当前第6页\共有72页\编于星期六\10点2.简并性(degenerate)一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并性。除色氨酸和甲硫氨酸仅有1个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子。当前第7页\共有72页\编于星期六\10点3.终止密码与起始密码起始密码子(initiationcodon)：AUG终止密码子(terminator)：UAA、UAG、UGA当前第8页\共有72页\编于星期六\10点4.通用性(universal)从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套“通用密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。当前第9页\共有72页\编于星期六\10点二、tRNA的功能运载氨基酸：氨基酸由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在tRNA3ˊ-CCA的位置，结合需要ATP供能；充当“适配器”：每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。tRNA的作用当前第10页\共有72页\编于星期六\10点二级结构三级结构反密码环氨基酸臂tRNA的构象当前第11页\共有72页\编于星期六\10点三、核蛋白体与多核蛋白体核蛋白体的组成核蛋白体又称核糖体，是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。当前第12页\共有72页\编于星期六\10点核糖体组成核糖体主要由蛋白质和rRNA组成，一般有两个亚基。完整核糖体大亚基小亚基真核生物80S60S40S

原核生物70S50S30S(5S/5.8S/28S+49rpl)(18S+33rps)(5S/23S+34rpl)(16S+21rps)核糖体的沉降系数（S）和亚单位（subunit）当前第13页\共有72页\编于星期六\10点Aminoacylsite（ASite）Peptidylsite（PSite）mRNA当前第14页\共有72页\编于星期六\10点四、蛋白质合成需要酶、蛋白质因子氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyltRNA

synthetase)，催化氨基酸的活化；转肽酶(peptidase)，催化核蛋白体P位上的肽酰基转移至A位氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键；转位酶(translocase)，催化核蛋白体向mRNA3’-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。（1）重要的酶类当前第15页\共有72页\编于星期六\10点（2）蛋白质因子起始因子（initiationfactor，IF）延长因子（elongationfactor，EF）释放因子（releasefactor，RF）当前第16页\共有72页\编于星期六\10点蛋白质生物合成的能源物质为ATP和GTP;参与蛋白质生物合成的无机离子有Mg2+、K+等。（3）能源物质及离子当前第17页\共有72页\编于星期六\10点氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶一、氨基酸的活化与搬运第二节蛋白质生物合成当前第18页\共有72页\编于星期六\10点氨基酰-tRNA的表示方法丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的氨基酰-tRNA表示为：氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写

例如：当前第19页\共有72页\编于星期六\10点tRNAiMet与甲硫氨酸结合后形成Met-tRNAiMet，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。tRNAMet和甲硫氨酸结合后生成Met-tRNAMet，必要时进入核蛋白体，为延长中的肽链添加甲硫氨酸。起始氨基酰-tRNA:Met-tRNAiMet

参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet真核生物当前第20页\共有72页\编于星期六\10点具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸很快被甲酰化为N-甲酰甲硫氨酸(N-formylmethionine,fMet)，于是形成N-甲酰甲硫氨酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认fMet-tRNAfMet。原核生物起始氨基酰-tRNA:fMet-tRNAfMet当前第21页\共有72页\编于星期六\10点fMet-tRNAfMet的生成是一碳化合物转移和利用的过程之一，反应由转甲酰基酶催化，甲酰基从N10-甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的α-氨基上。当前第22页\共有72页\编于星期六\10点二、原核细胞多肽的合成—核糖体循环肽链的生物合成过程是翻译的中心环节。翻译时，从mRNA的起始密码子AUG开始，按5ˊ→3ˊ方向逐一读码，直至终止密码子。于是，合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始，从N-端→C-端延长，直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸。当前第23页\共有72页\编于星期六\10点起始(initiation)延长(elongation)终止(termination)整个过程可分为：原核生物的肽链合成过程当前第24页\共有72页\编于星期六\10点（一）起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。1.核蛋白体大小亚基分离；2.mRNA在小亚基定位结合；3.起始氨基酰-tRNA的结合；4.核蛋白体大亚基结合。当前第25页\共有72页\编于星期六\10点IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离当前第26页\共有72页\编于星期六\10点AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合当前第27页\共有72页\编于星期六\10点原核生物mRNA在核蛋白体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制：在各种mRNA起始AUG上游约8～13核苷酸部位，存在一段由4～9个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为Shine-Dalgarno序列(S-D序列)，又称核蛋白体结合位点(ribosomalbindingsite,RBS)。一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG。当前第28页\共有72页\编于星期六\10点S-D序列小亚基中的16S-rRNA3ˊ-端有一富含嘧啶碱基的短序列，如-UCCUCC-，通过与S-D序列碱基互补而使mRNA与小亚基结合。当前第29页\共有72页\编于星期六\10点IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)结合到小亚基AUG5'3'当前第30页\共有72页\编于星期六\10点IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合起始复合物形成AUG5'3'当前第31页\共有72页\编于星期六\10点IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始复合物形成过程当前第32页\共有72页\编于星期六\10点1.进位(positioning)/注册(registration)2.成肽(peptidebondformation)3.转位(translocation)（二）延长肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomalcycle)，包括以下三步：每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。当前第33页\共有72页\编于星期六\10点1.进位registration又称注册(registration)，是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核蛋白体A位的过程。当前第34页\共有72页\编于星期六\10点进位需要延长因子EF-Tu与EF-Ts参与。当前第35页\共有72页\编于星期六\10点当前第36页\共有72页\编于星期六\10点TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP进位的反应过程：当前第37页\共有72页\编于星期六\10点2.成肽peptidation成肽是在转肽酶(peptidase)的催化下，核蛋白体P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA的α-氨基结合形成肽键的过程。当前第38页\共有72页\编于星期六\10点成肽的反应过程当前第39页\共有72页\编于星期六\10点3.转位translocation转位是在转位酶的催化下，核蛋白体向mRNA的3´-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程。转位需要延长因子EF-G参与。当前第40页\共有72页\编于星期六\10点EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，释放的能量促进核蛋白体向mRNA的3′侧移动，使起始二肽酰-tRNA-mRNA相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA则移入E位。当前第41页\共有72页\编于星期六\10点当前第42页\共有72页\编于星期六\10点fMetAUG5'3'fMetTuGTP成肽→转位→下一轮进位当前第43页\共有72页\编于星期六\10点进位转位成肽肽链合成延长(核蛋白体循环)过程当前第44页\共有72页\编于星期六\10点（三）终止termination指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。终止阶段需要释放因子RF-1、RF-2和RF-3参与。当前第45页\共有72页\编于星期六\10点RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性，能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。释放因子的功能：识别终止密码子RF-1特异识别UAA、UAG；RF-2特异识别UAA、UGA。诱导转肽酶转变为酯酶活性催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。当前第46页\共有72页\编于星期六\10点原核肽链合成终止过程当前第47页\共有72页\编于星期六\10点多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。（四）多聚核蛋白体(polysome)1条mRNA模板链都可附着10～100个核蛋白体，这些核蛋白体依次结合起始密码子并沿5′→3′方向读码移动，同时进行肽链合成，这种mRNA与多个核蛋白体形成的聚合物称为多聚核蛋白体(polysome)。当前第48页\共有72页\编于星期六\10点多聚核蛋白体当前第49页\共有72页\编于星期六\10点三、真核细胞蛋白质合成起始iniation1.核蛋白体大小亚基分离；2.起始氨基酰-tRNA的结合；3.mRNA在小亚基定位结合；4.核蛋白体大亚基结合。当前第50页\共有72页\编于星期六\10点原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别原核生物真核生物mRNA一条mRNA编码几种蛋白质（多顺反子）一条mRNA编码一种蛋白质（单顺反子）转录后很少加工转录后进行首尾修饰及剪接转录、翻译和mRNA的降解可同时发生mRNA在核内合成，加工后进入胞液，再作为模板指导翻译核蛋白体30S小亚基＋50S大亚基↔70S核蛋白体40S小亚基＋60S大亚基↔80S核蛋白体起始阶段起始氨基酰-tRNA为fMet-tRNAfMet起始氨基酰-tRNA为Met-tRNAiMet核蛋白体小亚基先与mRNA结合,再与fMet-tRNAfMet结合核蛋白体小亚基先与Met-tRNAiMet结合，再与mRNA结合mRNA中的S-D序列与16SrRNA3-端的一段序列结合mRNA中的帽子结构与帽子结合蛋白复合物结合有3种IF参与起始复合物的形成有至少10种eIF参与起始复合物的形成延长阶段延长因子为EF-Tu、EF-Ts和EF-G延长因子为eEF-1α、eEF-1βγ和eEF-2终止阶段释放因子为RF-1、RF-2和RF-3释放因子为eRF当前第51页\共有72页\编于星期六\10点（四）线粒体中蛋白质的合成

自学当前第52页\共有72页\编于星期六\10点（五）蛋白质合成的折叠新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核蛋白体上一出现，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、模序、结构域到形成完整空间构象。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，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。当前第53页\共有72页\编于星期六\10点几种有促进蛋白质折叠功能的大分子分子伴侣(molecularchaperon)蛋白质二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolyl-cis-transisomerase,PPI)当前第54页\共有72页\编于星期六\10点1.分子伴侣：大肠杆菌中的HSP70反应循环当前第55页\共有72页\编于星期六\10点GroEL-GroES反应循环

当前第56页\共有72页\编于星期六\10点2.蛋白质二硫键异构酶多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌型蛋白质、膜蛋白质等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。当前第57页\共有72页\编于星期六\10点3.肽-脯氨酰顺反异构酶多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象有明显差别。肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。当前第58页\共有72页\编于星期六\10点肽键水解和化学修饰1.肽链末端的修饰2.个别氨基酸的共价修饰1．糖基化2．羟基化3．甲基化4．磷酸化5．二硫键形成6．亲脂性修饰当前第59页\共有72页\编于星期六\10点合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。当前第60页\共有72页\编于星期六\10点蛋白质运输的细胞学全过程当前第61页\共有72页\编于星期六\10点N-端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；C-端由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是被信号肽酶(signalpeptidase)裂解的位点。信号肽有以下共性当前第62页\共有72页\编于星期六\10点信号肽的一级结构当前第63页\共有72页\编于星期六\10点四、药物对遗传信息传递的影响蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。抗生素等就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能、干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。当前第64页\共有72页\编于星期六\10点1、许多抗生素抑制蛋白质生物合成抗生素(antibiotics)是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。当前第65页\共有72页\编于星期六\10点抗生素作用位点作用原理应用伊短菌素原核、真核核小亚基阻碍翻译起始复合物形成抗肿瘤药四环素、土霉素原核核蛋白体小亚基抑制氨基酰-tRNA与小亚基结合抗菌药链霉素、新霉素、巴龙霉素原核核蛋白体小亚