第十三章 蛋白质的生物合成.ppt

1、第十三章 蛋白质的生物合成,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，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译(translation)。 翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为NC端。,思考,返回,遗传信息传递的 中心法则,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。

2、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。,中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基

3、础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。,遗传信息流动示意图,核糖体,DNA,mRNA,tRNA,目 录,第一节 蛋白质合成体系,第二节 蛋白质合成的机理,第三节 肽链合成后的折叠与加工,第四节 蛋白质定位,二、t RNA,蛋白质合成体系的组分,三、核糖体,蛋白质合成体系,一、mRNA和遗传密码,四、辅助因子,mRNA,(messenger RNA)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,遗 传 密 码,三联体密码的破译,遗传密码的性质,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

4、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。,遗传密码字典,三联体密码的破译,2、以随机共聚合指导多肽的合成,例：以随机共聚物A、C为模板，任意排列可 出现8种三体，获得六种氨基酸组成的多肽。,1、以均聚物为模板指导多肽的合成,3、以特定的共聚物为模板指导多肽的合成,4、核糖体结合技术,以均聚物为模板指导多肽的合成,PolyU为模板，产生的多肽链为Polyphe,PolyA为模板，产生的多肽链为Polylys,PolyC为模板，产生的多肽链为Polypro,以特定的共聚物为模板指导多肽的合成,（1）以

5、多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽 、PolyUG的模板，合成产物为Lys和Val。,（2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨 基酸组成的多肽。,核糖体结合技术,技术要点：,保温,硝酸纤维滤膜过滤,分析留在滤膜上的核糖体-AAtRNA,确定与核糖体结合的AA,以人工合成的三核苷酸为模板+核糖体+AA-tRNA,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,遗传密码的性质,1）编码性：3个终止密码，61个为氨基酸编码 AUG既是的密码，又是起始密码；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子：UA

6、G、UAA、UGA。 2）简并性： 同一氨基酸有多个密码子，除Trp,Met外 由一种以上密码子编码同一个 氨基酸的现象称为简并，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(Synonymous codon)。 3）摆动性：第三位碱基变化,多数情况下同义密码子的第一第二个碱基相同，第三个碱基不同 4）通用性：真核还是原核生物都遵守一套遗传密码 5）连续性：无逗点，非重叠、连续阅读,1966年Crick根据立体化学原理提出：,（2）有些反密码子的第一个碱基（按5-3）决定了 该tRNA识别密码子的数目。,（3）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他们的第一 和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的tRNA

7、 来识别。,（1）mRNA上的密码子的第一、第二个碱基 与tRNA上 的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一 性主要是由这两个碱基对的 作用。,原核细胞mRNA的结构特点,5,3,先导区,AGGAGGU,SD区,半衰期短 许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在 AUG作为起始密码；AUG上游712个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区， 16S rRNA3- 端反向互补而使mRNA与核糖体结合。,真核细胞mRNA的结构特点,m7G-5ppp-N-3 p,帽子结构功能 使mRNA免遭核酸酶的破坏 使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合

8、成。,Poly(A)尾巴的功能 是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式 它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性,AAAAAAA-OH,tRNA,（transfer ribonucleic asid）在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。,1、tRNA的结构特征三叶草型二级结构,2、tRNA的功能,（1）被特定的氨酰- tRNA合成酶识别，使tRNA接受正确的活化氨基酸。,（2）识别mRNA链上的密码子。,（3）在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生长的多肽链与核 糖体的作用。,密码子与反密码子的配对关系

9、,反密码子,tRNA,5,3,A U C,5,mRNA,3,密码子,1 2 3,反密码子：tRNA分子上的识别mRNA密码子三个核糖核苷酸。,核糖体,核 糖 体,是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）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。,2、核糖体的功能,1、核糖体的结构和组成,核糖体的组成,原核生物核糖体的组成,原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图,转肽酶活性， 催化肽键的形成 (转肽酶中心),核糖体具有哪些结构 特性因而可以成为翻 译蛋白质多肽链的 “装配机”？,真核和原核细胞参与翻译的蛋

10、白质因子,阶段原核 真核 功 能 IF1 IF2 eIF2 参与起始复合物的形成 IF3 eIF3、eIF4C 起始CBP I 与mRNA帽子结合 eIF4A B F 参与寻找第一个AUG eIF5 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-Tu eEF1 协助氨酰-tRNA进入核糖体 延长EF-Ts eEF1 帮助EF-Tu 、 eEF1周转 EF-G eEF2 移位因子 RF-1 终止 eRF 释放完整的肽链 RF-2,第二节 蛋白质合成的机理,一、氨基酸的活化,二、原核生物多肽链的合成过程,四、真核生物多肽链的合成,三、多核糖体与

11、核糖体循环,氨基酸的活化,E,氨基酸,ATP +,氨酰腺苷酸,E-AMP,PPi,第一步,AMP,第二步,E,氨基酸的活化,3-氨酰-tRNA,氨基酸的活化: 把AA装载到- tRNA 上的过程.,氨酰- tRNA合成酶,N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet的形成直接进入核糖体的P位,Met-tRNAtMet,fMet-tRNAtMet,N10-甲酰FH4,FH4,转甲酰酶,tRNAfMet负责识别起始密码的tRNA，只能装载fMet,氨酰- tRNA合成酶特点,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。,

12、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。,原核生物多肽链的合成过程,原核生物多肽链的合成分为三个阶段：肽链合成的起始、肽链的延伸、肽链合成的终止和释放。,1.肽链合成的起始 大肠杆菌蛋白质合成的第一个AA都是甲酰甲硫氨fMet。真核生物合成的第一个AA都是甲硫氨 mRNA与甲酰甲硫氨酰tRNAfMet 共同构成70S起始复合体。,2、肽链的延长：进位 肽键形成 移位 大肠杆菌多肽链生物合成进位和延长阶段提供能量的是GTP,3、肽链合成的终止及释放,肽链合成的起始,30S亚基 mRNA IF3- IF1复合物,30S mRNA GTP- fMet tRNA- I

13、F2- IF1复合物,70S起始复合物,mRNA +30S亚基-IF3,IF-1,70S起始复合物,肽链的延长,N-甲酰甲硫氨酰- tRNAfMet的形成直接进入核糖体的P位 进位:氨基酰tRNA进入A位 ，消化能量，能量来自GTP 肽键形成:在转肽酶的催化下，将P位上tRNA所携的甲酰甲硫氨酰转移给A位上新进入的氨基酰tRNA， 形成二肽酰tRNA. 移位 :空载的tRNA从核糖体的P位脱落,二肽酰tRNA由A位移至P位 , mRN移动3个核苷酸. 在肽链延长阶段中，每生成一个肽键，都需要直接从2分子GTP（移位时与进位时各1）获得能量，即消耗2个高能磷酸键化合物,肽键的形成,肽链的延长,进

14、位,肽键形成,移位,进位,(TuTs),肽键形成,3,（EF-G）,在肽链延长阶段中，每生成一个肽键，都需要直接从2分子GTP获得能量，即消耗2个高能磷酸键化合物（移位时与进位时各1） ；但考虑到氨基酸被活化生成氨基酰tRNA时，已消耗了2个高能磷酸键, 所以在蛋白质合成过程中，每生成一个肽键，实际上共需消耗4个高能磷酸键。,肽链合成的终止及释放,（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,位上出现终止信号（ UAG、UAA、UGA ） 此后即转入终止阶段。,mRNA遗传密码排列顺序翻译成多肽链的氨基酸排列顺序，保证准确翻译的关键是 : 一是

15、氨基酸与tRNA的特异结合，依靠氨酰-tRNA合成酶的特异识别作用实现； 二是密码子与反密码子的特异结合，依靠互补配对结合实现，也有赖于核蛋白体的构象正常而实现正常的装配功能。,1、肽链末端的修饰： 大肠杆菌合成后脱甲酰化，N-端70%的Met被切除，真核生物Met全部被切除。 2、信号序列的切除 3、二硫键的形成 4、部分肽段的切除 5、个别氨基酸的修饰 6、糖基侧链的添加 7、辅基的加入,蛋白质的加工修饰,实例：胰岛素原的加工,TuTs循环,多多核糖体与核糖体循环,合成完毕的肽链,核糖体循环,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Me

16、t，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、真核细胞种线粒体、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。,肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具有正确三维空间结构的蛋白质的过程。 体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白质参与，称为助折叠蛋白: （1）酶：蛋白质二硫键异构酶（PDI）； （2）分子伴侣,肽 链 的 折 叠,Lasky于1978年首先提出分子伴侣（mulecular chaperone）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽链正确

17、折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在。,胰岛素原的加工,切除C肽后，形成成熟的胰岛素分子,切除信号肽后折叠成稳定构象的胰岛素原,多核糖体,第一个编码区,第一个编码区,第二个编码区,第二个编码区,终止起始,终止,起始,mRNA,mRNA,5,5,3,3,第四节 蛋白质定位,1、分泌蛋白 信号肽假说简图 分泌蛋白质的合成和胞吐作用 2、线粒体与叶绿体蛋白 蛋白质向线粒体的定位机制,信号肽假说简图,3,5,SRP循环,mRNA,内质网膜,内质网腔,信号肽酶,信号肽,分泌蛋白质的合成和胞吐作用,内质网,高尔基体,泡,泡,泡融入质膜,核糖体,芽泡,线粒体外膜,线粒体内膜,带有导肽的线粒体蛋白质前体跨膜运送过程示意图,内外膜接触位点的蛋白质通道,线粒体hsp70,受体蛋白,hsp70,导肽,蛋白酶