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不含有蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命的基礎，是一切生命活動的執(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，核酸與蛋白質(zhì)的生物合成有密切關(guān)系，細胞內(nèi)遺傳信息流動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，而生命活動的最終表現(xiàn)者是蛋白質(zhì)。 遺傳密碼的翻譯過程實際上就是由tRNA攜帶者氨基酸，逐一識別mRNA上的密碼子，并將氨基酸依密碼子的排序互相連接的過程，因此我們把tRNA稱為氨基酸的“搬運工具”。翻譯的場所也就是使氨基酸互相縮合成肽鏈的“裝配機”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，翻譯過程也就稱為蛋白質(zhì)生物合成的中心環(huán)節(jié)。,第一個用實驗給遺傳密碼以確切解答的是德國出生的美國生物化學家尼倫貝格（M.W.Nirenberg，1927）。1961年他和另一位德國科學家馬太（Heinrich Matthaei）在美國國家衛(wèi)生研究院的實驗室內(nèi)發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸的密碼是RNA上的尿嘧啶（UUU）。他們在用大腸桿菌的無細胞提取液研究蛋白質(zhì)的生物合成問題時發(fā)現(xiàn)：當向這個提取液中加進核酸，則合成了蛋白質(zhì)；當用由單一的尿嘧啶組成的核酸長鏈加進這個提取液中，則產(chǎn)生了由單一苯丙氨酸組成的多肽長鏈。這個結(jié)果立即震動了科學界。但是測定其他氨基酸的密碼需要各種各樣的堿基組合，而當時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。,美國另一位西班牙血統(tǒng)的生物化學家奧喬亞（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年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎）。當他將多聚U作為模板加入到無細胞體系中時，那就是只有加有標記苯丙氨酸所產(chǎn)生的那一試管蛋白質(zhì)沉淀具有放射性。而加其他標記氨基酸的各管則均無放射性進入沉淀。于是，第一個密碼便被破譯出來，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的氨基酸密碼子當時用此法測定時遇到困難，未能測出。,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，分別測試其作用。 用2種或3種不同的核苷酸制備mRNA模板時，PNP酶合成的產(chǎn)物都是雜聚物，其中核苷酸的順序是隨機的，無法預測。但各種三聯(lián)體出現(xiàn)的相對幾率則是可以推算出來的。在測定了各種標記氨基酸參入蛋白質(zhì)的量之后，將其相對參入量和三聯(lián)體出現(xiàn)的幾率加以比較，即可知道每種三聯(lián)體相對應的是那一種氨基酸。 此法的應用有局限性，密碼子中不同核苷酸的比例固然可以推測出來，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。后來又發(fā)現(xiàn)有些密碼子具有重復性，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年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的霍拉納（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程。 起始密碼子：AUG 終止密碼子：UAA、UGA、UAG （無義密碼子）,1、密碼無標點符號（連續(xù)性） 從起點開始接連不斷直至終止密碼，中間無任何核 苷酸隔開。,二、遺傳密碼的性質(zhì),1）簡并性 61個密碼子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 應多個密碼子。 簡并性：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并性 第三位堿基的簡并性常見 編碼相同氨基酸的密碼子互稱同義密碼子,2、密碼的簡并性和擺動性,各種氨基酸的密碼子數(shù)目,背景環(huán)境分析,2）擺動性 密碼子中的第三個堿基總是處在一個不穩(wěn)定的位置上，它與反密碼子的第一個堿基配對結(jié)合的強度不如前兩個堿基，這類配對被稱為“擺動堿基配對”。 造成tRNA可與一個以上的密碼子堿基配對,3、遺傳密碼的通用性 除個別細胞器的特殊密碼子，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。 原核細胞與真核細胞蛋白質(zhì)翻譯機制基本相同，但原核生物無成形細胞核，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和核糖體識別結(jié)合的位點。 能夠與細菌核糖體小亞基16SrRNA的保守序列反向 互補，從而使核糖體借此判定mRNA的翻譯起始位 點。,一、生物合成模板mRNA,在細胞內(nèi)，蛋白質(zhì)的合成是在胞漿中的核糖體上進行的，核 糖體像一臺沿mRNA移動的高速編織機，快捷的合成肽鏈。 核糖體是肽鏈合成的“裝配機”。 胞質(zhì)中核糖體種類： 游離的核糖體-合成細胞固有蛋白 與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合的核糖體-合成帶有信號肽的分泌性蛋白質(zhì) 核糖體,二、蛋白質(zhì)生物合成的場所核糖體,大亞基（含有蛋白質(zhì)和rRNA） 主要完成翻譯過程中催化肽鍵形成 及轉(zhuǎn)位。 小亞基（含有蛋白質(zhì)和rRNA） 主要與mRNA結(jié)合，識別翻譯起始 位點。,(三)核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的場所 核糖體是肽鏈合成的“裝配機”。 胞質(zhì)中核糖體種類： 游離的核糖體-合成細胞固有蛋白 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)。,分為四個階段： 1、氨基酸的活化與搬運準備階段 2、肽鏈合成的起始 3、肽鏈的延長 4、肽鏈的終止 后3步均在核糖體中循環(huán)進行稱為核糖體循環(huán),三、蛋白質(zhì)生物合成過程,背景環(huán)境分析,tRNA是搬運氨基酸的工具 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,tRNA分子中與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的位點： 1）氨基酸結(jié)合位點； 2）氨酰-tRNA合成酶識別位點； 3）核糖體識別位點； 4）反密碼位點： 反密碼與密碼結(jié)合時方向相反。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。,背景環(huán)境分析,2.氨酰-tRNA 各種氨基酸和對應的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 延長甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAeMet,在蛋白質(zhì)生物合成時，tRNA活化成攜帶有相應氨基酸的氨基酰-tRNA是翻譯過程的啟動先決條件，也可以看成是氨基酸的活化過程。 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,第二步反應,（二）肽鏈合成的起始 起始密碼子AUG 與起始密碼子配對的氨基酰-tRNA是甲硫氨酰-tRNA。 所以細胞中至少存在兩種能攜帶甲硫氨酸的tRNA。一種識別起始密碼子；另一種參與甲硫氨酸在肽鏈上的延伸，不識別起始密碼子。,指在mRNA模板的指導下，氨基酸依次進入核蛋白體并聚合成多肽鏈的過程。,1. 進位(positioning)/注冊(registration) 2. 成肽(peptide bond formation) 3. 轉(zhuǎn)位(translocation),（三）肽鏈的延伸,肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)循環(huán)式進行，包括以下三步：,每輪循環(huán)使多肽鏈增加一個氨基酸。,1. 進位,又稱注冊(registration)， 是指一個氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令進入并結(jié)合到核蛋白體A位的過程。,進位需要延長因子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-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽?；D(zhuǎn)移到A位并與A位上氨基酰-tRNA的-氨基結(jié)合形成肽鍵的過程。,3. 移位,轉(zhuǎn)位是在轉(zhuǎn)位酶（延長因子EF-G）的催化下，核蛋白體向mRNA的3-端移動一個密碼子的距離，使mRNA序列上的下一個密碼子進入核蛋白體的A位、而占據(jù)A位的肽酰-tRNA移入P位的過程。,移位需要延長因子EF-G參與。,肽鏈合成延長(核蛋白體循環(huán))過程,（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