蛋白质的生物合成.ppt

1、第十三章蛋白质的生物合成,本章重点 重点：掌握遗传密码的特点。熟悉mRNA、tRNA、核糖体在蛋白质合成过程中的作用。掌握原核生物蛋白质的合成过程。了解肽链合成后的加工处理及运输。,蛋白质是绝大多数信息途径的终产物。一个普通的细胞在任何时候都需要成千上百中蛋白。这些蛋白必须在需要的时候合成，并运输（定位）到适当的细胞位置。当细胞不需要它们时又要被降解。 蛋白质合成机制是最复杂的生物合成机制。需要众多的物质参加完成。一个典型的细菌细胞中（100nm3体积左右）含有20000个核糖体，100000个相关蛋白质和酶类，200000个tRNA，约占细胞干重的35%以上。 尽管蛋白质合成具有巨大的复杂性

2、，但其合成速率确相当惊人。在一个大肠杆菌细胞中，合成一个完整的含100个氨基酸残基的多肽在37只需5秒。 蛋白质合成需要消耗大量能量，约占全部生物合成反应总耗能量的90%。所需能量由ATP和GTP提供。,在明确DNA含有基本的遗传信息后很长的一段时间内，人们对于遗传信息是如何表达的可以说是一无所知。核苷酸序列的差异是怎样转化成一头大象和一只跳蚤之间的悬殊差别呢？即使在Watson和Crick于1953年提出DNA双螺旋结构以后的几年里，科学家对上述问题仍然是一筹莫展。 1960年，Franois Jacob和Matthew Meselson确定了蛋白质是在细胞质的核糖体上组装的。这个重要的发现

3、表明细胞核里的染色体和细胞质中的核糖体之间必然有一种联系的桥梁，即细胞内存在一种将细胞核里的遗传信息转移到细胞质的机制。于是，他们提出了mRNA假说。1964年，用实验证明了mRNA假说是正确的。,蛋白质的生物合成，即翻译，指将mRNA链上的核甘酸从一个特定的起始位点开始，按每三个核甘酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程，类似一种语言翻译成另一种语言时的情形，所以称为翻译。,蛋白质合成的场所是核糖体 蛋白质合成的模板是mRNA 模板与氨基酸之间的接合体是tRNA 蛋白质合成的原料是20种氨基酸,20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子 如IF、eIF ATP、GTP,参与蛋白

4、质生物合成的物质：,三种RNA mRNA（messenger RNA） rRNA（ribosomal RNA） tRNA（transfer RNA）,第一节,遗传密码,一、翻译模板mRNA及遗传密码,mRNA是遗传信息的携带者,编码一个多肽的遗传单位称为顺反子。 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mRNA 。 真核一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子mRNA。,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,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

5、、终止信号，称为三联体密码。 起始密码: AUG 终止密码: UAA，UAG，UGA,遗传密码子,为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子或三联体密码。 密码子的发现 统计学方法 人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测由哪一种氨基酸合成的多肽 核糖体结合试验 1965年，Nirenberg用poly u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。,遗传密码表,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 re

6、ading frame, ORF)。,遗传密码的特点,连续性(commaless)：密码之间没有间断 简并性(degeneracy)： 大多数氨基酸有2-6个密码 摆动性(wobble)：密码的第三位碱基与反密码的第一位碱基配对不严格 通用性(universal)：全世界生物共用,连续性(commaless)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。密码之间没有核苷酸间断,G C A G U A C A U G U C 不连续的读法： G C A C A G A G U G U A .,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(frame

7、shift mutation)。,2.简并性(degeneracy),遗传密码中，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。 生物学意义：减少了有害突变。,2. 简并性(degeneracy),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。 少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,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。,摆动性,密码与反密码配对辨认时，有时并不完全按照碱基互

8、补规律。尤其是密码的第三碱基对反密码的第一位碱基，更常出现这种摆动现象。,mRNA,密码子,密码子、反密码子配对的摆动现象,密码中第三位碱基具有较小的专一性。密码子的专一性主要由前两位碱基决定，第三位碱基的重要性不大，简并性往往只涉及第三位碱基。,第二节,核 糖 体,一、核蛋白体是多肽链合成的部位,核糖体是肽链合成的场所,氨基酸首先在核糖体内合成蛋白质，再输送至细胞其它组分中。 核糖体由大、小亚基构成。亚基中含有不同的蛋白质和RNA。,核糖体是肽链合成的场所,大亚基： tRNA结合位点 P位：给出AA，释放tRNA A位：接受tRNA-AA 转肽酶，合成肽键 转位酶 小亚基： 识别起始位点 与

9、mRNA形成复合物,原核生物核糖体的组成,二、核糖体的组成和结构,核糖体的结构 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，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。,蛋白质,亚单位,核糖体,原核生物,真核生物,核蛋白体的组成,三、核糖体的功能,核糖体的功能位点: 与mRNA的结合位点 A位点：与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点氨酰基位点。 P位点与延伸中的肽酰-tRNA的结合位点肽酰基位点。 E位点(exit site)：肽酰转移后即将释放的tRNA的结合位点。 肽酰转移酶的催化位点 与肽酰tRNA从A位点转移到P位点有关的转移酶(即延伸因子EF-G)的结合位点 与蛋白质

10、合成有关的其它起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),第三节,转移RAN的功能,tRNA 结构：二级结构-三叶草形 主要组成:四臂三环,氨基酸臂 功能：结合氨基酸,TC环,额外环 （可变环）,反密码子 功能：识别密码子,tRNA 结构,tRNA的功能和功能位点 功能：1、解读mRNA的遗传信息 2、运输的工具，运载氨基酸 功能位点：1、3端CCA上的氨基酸接受位点 2、识别胺酰-tRNA合成酶的位点 3、核糖体识别位点 4、

11、反密码子位点,tRNA的功能,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。,a、1988. Schimmel 和侯雅明,G3 : U70 是决定tRNA 负载 Ala 的特异密码信息,b、 1991. schumman L.,证明；tRNAmetf 的paracodon 位于anti-codon,贮存在mRNA的遗传密码称为第一套密码系统。tRNA分子中也 贮存着遗传密码，称为第二套密码系统。,密码子与反密码子的配对关系,反密码子,tRNA,5,3,A U C,5,mRNA,3,密码子,1 2 3,tRNA

12、与酶结合模型,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet,第四节,蛋白质合成的分子机制,蛋白质生物合成过程,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,氨基酸的激活 起动阶段 肽链的延长 肽链合成的终止 折叠和加工处理,1、氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 特异性强,催化特定

13、的氨基酸与特异的tRNA结合，每种氨基酸有特异的合成酶催化。,一、氨基酸的激活,2、氨基酸的激活,tRNA在氨基酰-tRNA 合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的 3-OH 与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰-tRNA。 氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与 ATP 作用, 形成氨基酰腺嘌呤核苷酸； 第二步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3-OH 端上, 形成氨基酰-tRNA。,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,起始肽链合成的氨基酰-tRNA,真核生物：

14、起始密码子AUG 所编码的氨基酸是Met，起始AA-tRNA为Met-tRNAMet。 原核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸，起始AA-tRNA为fMet-tRNAfMet,二、在核糖体上合成多肽,（一）原核生物翻译起始复合物形成,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 所需成分：30S小亚基 50S大亚基 模板mRNA fMet-tRNAfMet GTP、Mg2+ 翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3、,起始阶段,1.核蛋白体大小亚基分离； 2.mRNA与小亚基结合； 3.起始氨基酰-tRNA与小亚基结合； 4

15、.核蛋白体大亚基结合；,IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,30S小亚基通过SD序列与mRNA模板相结合。,S-D序列（原核生物mRNA的起始信号部位）,核糖体结合序列：原核生物的mRNA有一非常保守的序列，与核 糖体的16S-rRNA结合，引导mRNA进入核糖体，这样的序列称为 S-D序列，也叫核糖体结合序列。,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAifmet )结合到小亚基,在IF-2和GTP的帮助下， fMet-tRNAfMet进入小亚基的P位， tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。

16、,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,带有tRNA、mRNA和3个起始因子的小亚基复合物, GTP水解，释放 起始因子。与50S大亚基 结合。,此时核糖体的P位被起始氨酰-tRNA占据，A位空着，等待能与第二个密码 子匹配的氨酰-tRNA进位。,（二）真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合小亚基； mRNA在核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合物形成过程,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,（三）肽链合成延长,指根据mRNA密码序列的指导，按次序添加氨基酸从N端向C端延

17、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，又称为核蛋白体循环，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位 成肽 转位,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,（1）进位又称注册,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位 核蛋白体有校正作用,原核生物,（2）成肽,是由转肽酶催化的肽键形成过程，数种大亚基蛋白组成转肽酶活性,（3）转位,延长因子EF-G有转位酶活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRN

18、A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，真核细胞核蛋白体没有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,(四)肽链合成的终止,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，使肽链从核蛋白体上释放,释放因子的功能,原

19、核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,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,参与翻译的蛋白质因子,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

20、周转 EF-G eEF2 移位因子 终止 RF-1 eRF 释放完整的肽链 RF-2,因子前加“e” 表示真核生物(eukaryotic),蛋白质生物合成是耗能过程，细胞用于合成蛋白质消耗能量可占到所有生物合成总耗能的90。 延长时每个氨基酸活化为氨基酰-tRNA消耗2个高能键，进位、转位各消耗一个高能键，每增加一个肽键实际消耗可能多于4个高能键。,多聚核蛋白体,mRNA和多个核蛋白体聚合物称多聚核蛋白体，使蛋白质合成高速、高效进行。,三、蛋白质合成后加工,肽链合成后的“加工处理”：初生的多肽链经折叠和加工后，才能成为活性形式。在蛋白质合成过程中（或合成后），多肽链自发地形成天然构象，使它具有

21、最大限度的氢键、范德华力、离子键和疏水作用力。 mRNA线性的（一维的）遗传信息以这种方式转变成蛋白质的三维结构。一些新合成的蛋白获得它最终的活性结构必须进行一个或多个称为翻译后修饰。 新生蛋白质的“加工处理”，一般主要有8个方面。见P283。,蛋白质前体的加工与修饰,刚翻译完的蛋白称为前体蛋白，缺乏正常的空间结构和功能，必须经过翻译后的加工。,氨基端和羧基端的修饰: 去除Met或fMet 除去信号肽: 到达特定位置后由酶水解 羟基磷酸化:Ser、Thr、Tyr 羧化反应：针对氨基酸-羧基 甲基化：赖氨酸或谷氨酸 加糖基（链）：天冬氨酸、丝氨酸或苏氨酸 加辅基：血红素 二硫键的形成 蛋白质前体

22、的裂解 蛋白质自我剪接,核酸、蛋白质的生物合成练习题,名词解释 中心法则 半保留复制 转录 反转录 有意义链 反意义链 冈崎片段 cDNA 是非题（在题后括号内打或） 1、蛋白质生物合成所需的能量都由ATP直接供给。（ ） 2、生物遗传信息的流向，只能由DNARNA而不能由RNADNA。（ ） 3、原核细胞新生肽链N端第一个残基为fMet，真核细胞新生肽链肽链N端第一个氨基酸残基为Met。（ ） 4、DNA复制与转录的共同点在于都是以双链DNA为模板，以半保留方式进行，最后形成链状产物。（ ）,5、DNA半不连续复制是指复制时一条链的合成方向是53而另一条链方向是35。（ ） 6、核糖体是细胞内进行蛋白质生物合成的部位。（ ） 7、RNA的合成和DNA的合成一样，在起始合成前亦需要有RNA引物参加。（ ） 8、真核生物mRNA多数为多顺反子，而原核生物mRNA多数为单顺反子。（ ） 9