蛋白質(zhì)的合成與代謝

第七章,蛋白質(zhì)的合成與代謝,第一節(jié) 遺傳密碼 第二節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成 第三節(jié) 蛋白質(zhì)合成后的折 疊與加工修飾 第四節(jié) 蛋白質(zhì)的代謝,凡是有生命的物體無(wú)不含有蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)，是一切生命活動(dòng)的執(zhí)行者。 組成蛋白質(zhì)的基本單位氨基酸,蛋白質(zhì),氨基酸,必需氨基酸體內(nèi)不能合成，必須通過(guò)食物提供。 纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸、 甲硫氨酸（蛋氨酸）、苯丙氨酸、 色氨酸、賴氨酸,非必需氨基酸,核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，核酸與蛋白質(zhì)的生物合成有密切關(guān)系，細(xì)胞內(nèi)遺傳信息流動(dòng)方向是從核酸到蛋白質(zhì)。 遺傳信息是指DNA中堿基序列，DNA轉(zhuǎn)爐所產(chǎn)生的mRNA則是遺傳信息的攜帶者，作為蛋白質(zhì)生物合成的直接模板，而生命活動(dòng)的最終表現(xiàn)者是蛋白質(zhì)。 遺傳密碼的翻譯過(guò)程實(shí)際上就是由tRNA攜帶者氨基酸，逐一識(shí)別mRNA上的密碼子，并將氨基酸依密碼子的排序互相連接的過(guò)程，因此我們把tRNA稱為氨基酸的“搬運(yùn)工具”。翻譯的場(chǎng)所也就是使氨基酸互相縮合成肽鏈的“裝配機(jī)”核糖體。,蛋白質(zhì)與遺傳的關(guān)系,第一節(jié),遺 傳 密 碼,一、遺傳密碼的破譯,mRNA帶有由DNA轉(zhuǎn)錄來(lái)的遺傳信息。這些遺傳信息由mRNA分子中堿基排列順序決定。mRNA能把遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)，也就是以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)。 所以，翻譯過(guò)程也就稱為蛋白質(zhì)生物合成的中心環(huán)節(jié)。,第一個(gè)用實(shí)驗(yàn)給遺傳密碼以確切解答的是德國(guó)出生的美國(guó)生物化學(xué)家尼倫貝格（M.W.Nirenberg，1927）。1961年他和另一位德國(guó)科學(xué)家馬太（Heinrich Matthaei）在美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸的密碼是RNA上的尿嘧啶（UUU）。他們?cè)谟么竽c桿菌的無(wú)細(xì)胞提取液研究蛋白質(zhì)的生物合成問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)向這個(gè)提取液中加進(jìn)核酸，則合成了蛋白質(zhì)；當(dāng)用由單一的尿嘧啶組成的核酸長(zhǎng)鏈加進(jìn)這個(gè)提取液中，則產(chǎn)生了由單一苯丙氨酸組成的多肽長(zhǎng)鏈。這個(gè)結(jié)果立即震動(dòng)了科學(xué)界。但是測(cè)定其他氨基酸的密碼需要各種各樣的堿基組合，而當(dāng)時(shí)這種組合并不是很容易得到的，它需要一種多核苷酸磷酸化酶。,美國(guó)另一位西班牙血統(tǒng)的生物化學(xué)家奧喬亞（Ochoa，Severo，1905）于1955年發(fā)現(xiàn)了多核苷酸磷酸化酶（PNP酶）幫助了尼倫貝格合成了同聚核苷酸多聚U（PolyU）（奧喬亞因發(fā)現(xiàn)此酶而獲得1959年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）。當(dāng)他將多聚U作為模板加入到無(wú)細(xì)胞體系中時(shí)，那就是只有加有標(biāo)記苯丙氨酸所產(chǎn)生的那一試管蛋白質(zhì)沉淀具有放射性。而加其他標(biāo)記氨基酸的各管則均無(wú)放射性進(jìn)入沉淀。于是，第一個(gè)密碼便被破譯出來(lái)，即UUU是苯丙氨酸的密碼子。用同樣的方式以其他多聚核苷酸作為模板，又測(cè)出CCC是脯氨酸的密碼子，AAA是賴氨酸的密碼子。多聚G的氨基酸密碼子當(dāng)時(shí)用此法測(cè)定時(shí)遇到困難，未能測(cè)出。,在取得第一階段突破性成果之后，尼倫貝格用混合的核苷酸制備人工合成的mRNA模板，分別測(cè)試其作用。 用2種或3種不同的核苷酸制備mRNA模板時(shí)，PNP酶合成的產(chǎn)物都是雜聚物，其中核苷酸的順序是隨機(jī)的，無(wú)法預(yù)測(cè)。但各種三聯(lián)體出現(xiàn)的相對(duì)幾率則是可以推算出來(lái)的。在測(cè)定了各種標(biāo)記氨基酸參入蛋白質(zhì)的量之后，將其相對(duì)參入量和三聯(lián)體出現(xiàn)的幾率加以比較，即可知道每種三聯(lián)體相對(duì)應(yīng)的是那一種氨基酸。 此法的應(yīng)用有局限性，密碼子中不同核苷酸的比例固然可以推測(cè)出來(lái)，但是它們的排序卻不能確定；盡管如此編碼的范圍還是大大縮小了。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)有些密碼子具有重復(fù)性，即一種氨基酸可以有多種密碼子，但是每一種密碼子只編碼一種氨基酸。,完整的密碼子表，到1963年由與尼倫貝格共獲1968年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的霍拉納（Khorana，Har Gobind，1922）利用其他技術(shù)加以確定的。,遺傳密碼破譯的意義： 遺傳密碼的破譯，加快了人們了解mRNA中的核苷酸序列翻譯成多肽鏈中的氨基酸序列的進(jìn)程。 起始密碼子：AUG 終止密碼子：UAA、UGA、UAG （無(wú)義密碼子）,1、密碼無(wú)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)（連續(xù)性） 從起點(diǎn)開始接連不斷直至終止密碼，中間無(wú)任何核 苷酸隔開。,二、遺傳密碼的性質(zhì),1）簡(jiǎn)并性 61個(gè)密碼子20種氨基酸 除色氨酸、蛋氨酸外，其他氨基酸都是一種氨基酸對(duì) 應(yīng)多個(gè)密碼子。 簡(jiǎn)并性：堿基不同仍編碼相同氨基酸。 分為兩類：第一位和第二位堿基的簡(jiǎn)并性 第三位堿基的簡(jiǎn)并性常見 編碼相同氨基酸的密碼子互稱同義密碼子,2、密碼的簡(jiǎn)并性和擺動(dòng)性,各種氨基酸的密碼子數(shù)目,背景環(huán)境分析,2）擺動(dòng)性 密碼子中的第三個(gè)堿基總是處在一個(gè)不穩(wěn)定的位置上，它與反密碼子的第一個(gè)堿基配對(duì)結(jié)合的強(qiáng)度不如前兩個(gè)堿基，這類配對(duì)被稱為“擺動(dòng)堿基配對(duì)”。 造成tRNA可與一個(gè)以上的密碼子堿基配對(duì),3、遺傳密碼的通用性 除個(gè)別細(xì)胞器的特殊密碼子，遺傳密碼都是 相同的。 4、遺傳密碼的偏愛性 大多數(shù)氨基酸有一個(gè)以上密碼子，但這些密 碼子的使用頻率各不相同，有些密碼子的使 用頻率高，稱之為遺傳密碼的偏愛性。,閱讀框架是指mRNA上一段含有翻譯密碼的堿基序列。,三、閱讀框架,從mRNA 5-端起始密碼子AUG到3-端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。,第二節(jié),蛋白質(zhì)的生物合成,蛋白質(zhì)的生物合成構(gòu)成非常復(fù)雜，是由一組RNA互相協(xié)調(diào)配合、共同作用的結(jié)果。 原核細(xì)胞與真核細(xì)胞蛋白質(zhì)翻譯機(jī)制基本相同，但原核生物無(wú)成形細(xì)胞核，故邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。,S-D序列(Shine-Dalgarno sequence)： mRNA起始密碼前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。 5-UAAGGAGG-3 作用： 是mRNA和核糖體識(shí)別結(jié)合的位點(diǎn)。 能夠與細(xì)菌核糖體小亞基16SrRNA的保守序列反向 互補(bǔ)，從而使核糖體借此判定mRNA的翻譯起始位 點(diǎn)。,一、生物合成模板mRNA,在細(xì)胞內(nèi)，蛋白質(zhì)的合成是在胞漿中的核糖體上進(jìn)行的，核 糖體像一臺(tái)沿mRNA移動(dòng)的高速編織機(jī)，快捷的合成肽鏈。 核糖體是肽鏈合成的“裝配機(jī)”。 胞質(zhì)中核糖體種類： 游離的核糖體-合成細(xì)胞固有蛋白 與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合的核糖體-合成帶有信號(hào)肽的分泌性蛋白質(zhì) 核糖體,二、蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所核糖體,大亞基（含有蛋白質(zhì)和rRNA） 主要完成翻譯過(guò)程中催化肽鍵形成 及轉(zhuǎn)位。 小亞基（含有蛋白質(zhì)和rRNA） 主要與mRNA結(jié)合，識(shí)別翻譯起始 位點(diǎn)。,(三)核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所 核糖體是肽鏈合成的“裝配機(jī)”。 胞質(zhì)中核糖體種類： 游離的核糖體-合成細(xì)胞固有蛋白 與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合的核糖體 -合成帶有信號(hào)肽的分泌性蛋白質(zhì) 核糖體由大、小亞基組成，其組成成份包括rRNA和蛋白質(zhì)。,分為四個(gè)階段： 1、氨基酸的活化與搬運(yùn)準(zhǔn)備階段 2、肽鏈合成的起始 3、肽鏈的延長(zhǎng) 4、肽鏈的終止 后3步均在核糖體中循環(huán)進(jìn)行稱為核糖體循環(huán),三、蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程,背景環(huán)境分析,tRNA是搬運(yùn)氨基酸的工具 1. tRNA的結(jié)構(gòu),背景環(huán)境分析,（一）氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運(yùn),tRNA分子中與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的位點(diǎn)： 1）氨基酸結(jié)合位點(diǎn)； 2）氨酰-tRNA合成酶識(shí)別位點(diǎn)； 3）核糖體識(shí)別位點(diǎn)； 4）反密碼位點(diǎn)： 反密碼與密碼結(jié)合時(shí)方向相反。即反密碼的第1、2、3位堿基分別與密碼的第3、2、1位堿基配對(duì)。,背景環(huán)境分析,2.氨酰-tRNA 各種氨基酸和對(duì)應(yīng)的tRNA結(jié)合后形成的氨基酰-tRNA表示為： 氨基酸的三字母縮寫-tRNA氨基酸的三字母縮寫 例如： 丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla 精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg 甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet 起始者甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAiMet 延長(zhǎng)甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAeMet,在蛋白質(zhì)生物合成時(shí)，tRNA活化成攜帶有相應(yīng)氨基酸的氨基酰-tRNA是翻譯過(guò)程的啟動(dòng)先決條件，也可以看成是氨基酸的活化過(guò)程。 氨基酸與tRNA的結(jié)合需要氨酰tRNA合成酶催化，并需要消耗ATP。,第一步反應(yīng),第二步反應(yīng),（二）肽鏈合成的起始 起始密碼子AUG 與起始密碼子配對(duì)的氨基酰-tRNA是甲硫氨酰-tRNA。 所以細(xì)胞中至少存在兩種能攜帶甲硫氨酸的tRNA。一種識(shí)別起始密碼子；另一種參與甲硫氨酸在肽鏈上的延伸，不識(shí)別起始密碼子。,指在mRNA模板的指導(dǎo)下，氨基酸依次進(jìn)入核蛋白體并聚合成多肽鏈的過(guò)程。,1. 進(jìn)位(positioning)/注冊(cè)(registration) 2. 成肽(peptide bond formation) 3. 轉(zhuǎn)位(translocation),（三）肽鏈的延伸,肽鏈延長(zhǎng)在核蛋白體上連續(xù)循環(huán)式進(jìn)行，包括以下三步：,每輪循環(huán)使多肽鏈增加一個(gè)氨基酸。,1. 進(jìn)位,又稱注冊(cè)(registration)， 是指一個(gè)氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令進(jìn)入并結(jié)合到核蛋白體A位的過(guò)程。,進(jìn)位需要延長(zhǎng)因子EF-Tu與EF-Ts參與。,2.成肽,成肽是在轉(zhuǎn)肽酶(peptidase)的催化下，核蛋白體P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨?；螂孽?tRNA的肽酰基轉(zhuǎn)移到A位并與A位上氨基酰-tRNA的-氨基結(jié)合形成肽鍵的過(guò)程。,3. 移位,轉(zhuǎn)位是在轉(zhuǎn)位酶（延長(zhǎng)因子EF-G）的催化下，核蛋白體向mRNA的3-端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離，使mRNA序列上的下一個(gè)密碼子進(jìn)入核蛋白體的A位、而占據(jù)A位的肽酰-tRNA移入P位的過(guò)程。,移位需要延長(zhǎng)因子EF-G參與。,肽鏈合成延長(zhǎng)(核蛋白體循環(huán))過(guò)程,（四）肽鏈合成的終止和釋放,指核蛋白體A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼子后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRN