蛋白质代谢精品课件

1、蛋白质的生物合成（翻译）Protein Biosynthesis，Translation,DNA: ATGCATGCATGC,RNA: AUGCAUGCAUGC,PROTEIN: aa1 aa2 aa3 aa4,什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列呢？,如何实现碱基序列到氨基酸序列的转变？,蛋白质的生物合成，即翻译或表达，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 。,20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质包括,三种RNA mRNA（作为蛋白质生

2、物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序） rRNA（蛋白体生物合成的场所） tRNA（搬运氨基酸的工具）,一、概述,1.三联体密码 三个碱基一组编码一个氨基酸 DNA or mRNA: 4种核苷酸 组成多肽的氨基酸: 20种 如果每2个核苷酸编码1个氨基酸,那么只有16种编码方式; 如果每3个核苷酸编码1个氨基酸,则有64种编码方式; 如果4对1则有256种; 生物化学实验证实3个碱基编码1个氨基酸,称为三联体密码或密码子。,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(triplet coden)。在64

3、个密码子中有61个编码氨基酸，3个不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用，称为终止密码子，它们是UAG、UAA、UGA，密码子AUG（编码Met）又称起始密码子。,起始密码(initiation coden): AUG ，GUG,终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA,2.阅读框（reading frame ）和开放阅读框: 密码子之间不重叠、不交盖，没有“逗号”，具有连续性，因此mRNA顺序中不含“标点”。,从mRNA 5端起始密码子AUG到3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码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(open reading

4、frame, ORF)。,2、 遗传密码的破译： 在遗传密码的破译中,美国科学家M.W.Nirenberg等人做出了重要贡献 ,并于1968年获得了诺贝尔生理医学奖. 早在1961年，M.W.Nirenberg等人在大肠杆菌的无细胞体系中外加poly(U)模板、20种标记的氨基酸，经保温后得到了多聚phe-phe-phe，于是推测UUU编码phe。利用同样的方法得到CCC编码pro，GGG编码gly，AAA编码lys。 如果利用poly（UC），则得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推测UCU编码Ser，CUC编码Leu，因为poly（UC）有两种读码方式：UCUCUC和CUCUCU 采用

5、这种方式，到1965年就全部破译了64组密码子。,人工合成多核苷酸和无细胞体系合成蛋白质,随机RNA聚合物（A:C=5:1）,三核苷酸诱导氨酰tRNA对核糖体的结合,特定重复顺序多聚核糖核苷酸模板的合成,三核苷酸重复 （UUC）n-(Phe)n (Ser)n (Leu)n 四核苷酸重复 (UAUC)n-(Tyr-Leu-Ser-Ile)n (GUAA)n-二肽或三肽,遗传密码表,原核生物,真核生物,1. 连续性(commaless),3、遗传密码的特点,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。,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(

6、frameshift mutation)。,2. 简并性(degeneracy),遗传密码共有64个，其中61个密码子对应20中氨基酸，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。,3. 通用性(universal),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。,4. 摆动性(wobble),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。,5、方向性

7、即解读方向为5 3,U,摆动配对,反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即AU，GC配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。,密码子、反密码子配对的摆动现象,二、核糖体是多肽链合成的装置或场所,不同细胞核糖体的组成,核糖体的组成,大肠杆菌核糖体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。,原核生物翻译过程中核糖体结构模式:,A位：氨基酰位 (aminoacy

8、l site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),核糖体包括如下部位： 容纳mRNA的部位 结合氨基酰tRNA的部位（A位点） 结合肽酰tRNA的部位（P位点） 形成肽键的部位（转肽酶中心）,核糖体的大、小亚基分别有不同的功能： 1小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2大亚基： （1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右） 受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。 （2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。 （3）具有GTPas

9、e活性，水解GTP，获得能量。 （4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。,在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。 由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核糖体。,三、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,tRNA的三级结构示意图,（一）氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,催化的反应：(1) 氨基酸 +ATP 氨酰-AMP + PPi (2) 氨酰-AMP + tRNA 氨酰-tRNA +

10、AMP 总反应式：氨基酸+ATP+tRNA氨酰-tRNA +AMP+PPi,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,tRNA与酶结合的模型,tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,ATP,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 氨酰tRNA合成酶有校正功能(proofreading activity) ： 能水解非正确组合的氨基酸与tRNA之间的共价键 氨酰-tRNA合成酶对tRNA的识别（第二遗传密码） tRNA复杂的分子构象及氨基酸臂、反密码子臂对识别和相互作用都是重要的 一些氨酰-

11、tRNA合成酶识别tRNA反密码子本身 丙氨酸tRNA合成酶对tRNA的识别取决于 tRNA氨基酸臂的G=U碱基对 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla,真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet,（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ),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，直至终止密码出现。,四、蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosy

12、nthesis,活化氨基酸的缩合核糖体循环,活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核糖体循环。 核糖体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。,（一）肽链合成起始（翻译起始）,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 (translational initiation complex)。,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,1、原核生物翻译起始复合物形成,核糖体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始

13、氨基酰-tRNA的结合； 核糖体大亚基结合。,1）30S起动复合物的形成：在起动因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（fmet-tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。,2）70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。 3）70S起动复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时，tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核糖体的给位（P位）。,在起始密码子AUG上游9-13个核苷酸处，有一段可与核糖体16S rRNA配对结合的、富含嘌呤

14、的3-9个核苷酸的共同序列，一般为AGGA，此序列称SD序列。它与核糖体小亚基内16S rRNA的3端一段富含嘧啶的序列 GAUCACCUCCUUA-OH（暂称反SD序列）互补，形成氢键。使得结合于30S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG。 真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。,S-D序列 ：mRNA上的AGGAGGU区域作为翻译起始信号，被称为ShineDalgarno顺序或S.D序列。,起始复合物 的形成,2、真核生物翻译起始复合物形成,核糖体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合； mRNA在核糖体小亚基就位；

15、 核糖体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合物形成过程,（二）肽链合成延长,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。,肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核糖体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位(entrance) 成肽(peptide bond formation) 移位(translocation),延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF) 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2,肽链合成的延长因子,

16、又称注册(registration),1、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。,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,2、成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,3、移位,延长因子EF-G有转位酶( translocase )活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动 。,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。,4、真核生物延长过程,（三）肽链合成的终止

17、,当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF),一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 二是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-OH上，使肽链从核糖体上释放。,释放因子的功能,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,肽链终止阶段： 核糖体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。 1识别：RF识别终止密码，进入核糖体的受位。 2

18、水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。 3解离：通过水解GTP，使核糖体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核糖体解离为大、小亚基。,原核肽链合成终止过程,RF,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。,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,五、蛋白质合成后加工和输送 Posttranslational Processing & Protein Transportation,（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

19、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、蛋白辅助。,几种有促进蛋白折叠功能的大分子助折叠蛋白,1. 分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI),1.

20、 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侣素(chaperonins) GroEL和GroES家族,分子伴侣,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。,热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用 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。,伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程,伴侣素的主要作用 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。,蛋白二硫键异构酶,多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋

21、白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。,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。,（二）一级结构的修饰,1、肽链N端的修饰 2、个别氨基酸的修饰 3、多肽链的水解修饰 4、糖基化修饰,1N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除： N端

22、甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 去甲酰化： 甲酰化酶 甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽 去蛋氨酰基： 蛋氨酸氨基肽酶 蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽,2氨基酸的修饰： 由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。 3二硫键的形成： 由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。 4肽段的切除： 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。,鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,（三）高级结构的修饰,1、亚基聚合 2、辅基连接 3、疏水脂链的共价连接,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。,六、蛋白质合成后的靶向输送,蛋白质的靶向输送(protein targe