第十一章蛋白質(zhì)生物合成ppt課件

1、蛋 ：笨蛋 白 ：白癡 質(zhì) ：神經(jīng)質(zhì)/弱智 Protein Biosynthesis (Translation),蛋白質(zhì)的生物合成(翻譯),第 十 二 章,內(nèi)容提要：,第一節(jié) 蛋白質(zhì)合成體系 第二節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成過程 第三節(jié) 蛋白質(zhì)合成后加工和輸送,蛋白質(zhì)的生物合成亦稱為翻譯(Translation)，即把mRNA分子中的核苷酸排列順序轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯逆溨械陌被崤帕许樞颍⑿纬傻鞍踪|(zhì)高級結(jié)構(gòu)的過程。轉(zhuǎn)錄是基因表達的第一步，翻譯是基因表達的第二步。,第 一 節(jié) 蛋白質(zhì)合成體系 Protein Biosynthesis System,4,1,2,3,合 成 原 料,翻譯模板mRNA及遺傳密碼,tRN

2、A是氨基酸的運載工具,核糖體-蛋白質(zhì)的合成場所,參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì),一、合成原料,自然界由mRNA編碼的氨基酸共有20種，只有這些氨基酸能夠作為蛋白質(zhì)生物合成的直接原料。,1961年，Nirenberg 證明了mRNA的模板作用。,二、翻譯模板mRNA及遺傳密碼,mRNA,攜帶從DNA傳遞來的遺傳信息，是蛋白質(zhì)生物合成的模板。它決定蛋白質(zhì)分子中的氨基酸排列順序。,大腸桿菌Trp前導序列的3種可能的可讀框,mRNA是遺傳信息的攜帶者,遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子（cistron）。 原核生物中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順

3、反子（polycistron）。 真核生物一個mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子（single cistron）。,mRNA上存在遺傳密碼,mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，每3個相鄰的核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號，稱為三聯(lián)體密碼（triplet codon）。,遺傳密碼表,ORF,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，各個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一條多肽鏈，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。,1. 通用性（universal）,蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 有少數(shù)例

4、外，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。 密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。,遺傳密碼的特點,2. 連續(xù)性（commaless）,編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間隔也無重疊，3個一組進行翻譯。 mRNA鏈上的堿基插入或缺失可能導致框移突變，造成翻譯出的蛋白序列完全改變。,基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致框移突變(frameshift mutation)。,3. 方向性,起始密碼子AUG總是在mRNA的5端； 終止密碼子總是在mRNA的3端； 讀密碼子總是從mRNA的53方向讀。,4. 簡并性（degeneracy）,遺傳密碼中，除

5、色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有24個或多至6個密碼子為之編碼。 多種密碼子編碼一種Aa的現(xiàn)象稱為遺傳密碼的簡并性。,遺傳密碼的簡并性,5. 擺動性（wobble）,tRNA上反密碼子的第1位堿基與mRNA密碼子的第3位堿基配對時，可以在一定范圍內(nèi)變動，即并不嚴格遵循堿基配對規(guī)律，這一現(xiàn)象稱為擺動性。,擺動配對,三、核蛋白體是多肽鏈合成的場所,核蛋白體的組成,30S小亞基：有mRNA結(jié)合位點 50S大亞基： E位：排出位（Exit site） 轉(zhuǎn)肽酶活性 大小亞基共同組成： A位：氨基酰-tRNA位 (aminoacyl site) P位：肽酰-tRNA位 (peptidyl s

6、ite),原核生物核蛋白體結(jié)構(gòu)模式,四、tRNA與氨基酸的活化,反密碼環(huán),氨基酸臂,Pr合成過程中Aa供體是氨基酰-tRNA，而不是游離的氨基酸。 tRNA在翻譯過程中起接合體（adaptor） 作用，與專一的Aa結(jié)合，是氨基酸的運載體。,第一步反應,氨基酸ATPE 氨基酰-AMP-EPPi,第二步反應,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,酯鍵,氨基酰-tRNA合成酶對氨基酸和tRNA都有高度特異性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proof-reading activity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Me

7、t-tRNAMet,氨基酸的活化形式：氨基酰tRNA 氨基酸的活化部位：羧基 氨基酸與tRNA連接方式：酯鍵 氨基酸活化耗能：2個P,真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAfMet Met-tRNAMet,（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA,第 二 節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成過程 The Process of Protein Biosynthesis,蛋白質(zhì)合成中 mRNA模板的方向：5 3； 蛋白質(zhì)的合成方向：N端C端。 蛋白質(zhì)合成過程： 翻譯的起始（initiation） 翻譯的延長（elongation） 翻譯的終止（termination）,一、原核生物蛋白質(zhì)的

8、合成,（一）蛋白質(zhì)合成的起始 指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結(jié)合而形成翻譯起始復合物 (translational initiation complex)。 參與起始過程的蛋白質(zhì)因子稱起始因子（initiation factor，IF）。,參與起始過程的蛋白質(zhì)因子稱起始因子（initiation factor，IF）。原核生物起始因子有三種： IF-1：占據(jù)A位防止結(jié)合其他tRNA。 IF-2：促進起始tRNA與小亞基結(jié)合。 IF-3：促進大小亞基分離，提高P位對結(jié)合起始tRNA敏感性。,原核生物翻譯起始復合物形成,核糖體大、小亞基分離 mRNA在小亞基定位結(jié)合 起始氨基酰tR

9、NA與小亞基結(jié)合 核糖體大亞基結(jié)合,IF-3,IF-1,1. 核蛋白體大小亞基分離,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亞基定位結(jié)合,S-D序列：在原核生物mRNA起始密碼AUG上游約10個核苷酸處，存在49個富含嘌呤堿的一致性序列，如-AGGAGG-，稱為S-D序列。又稱為核蛋白體結(jié)合位點（ribosomal binding site，RBS)?？膳c小亞基16S rRNA 3端富含嘧啶的段序列互補結(jié)合。,S-D序列,翻譯起始信號,.,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA與小亞基結(jié)合,形成30S起始復合物：30S-IF1-IF2-GTP-fMet-tRNAfmet-mRNA,IF-1

10、,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白體大亞基結(jié)合,形成70S翻譯起始復合物：70S-fMet-tRNAifMet-mRNA,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,起始過程消耗1個GTP。,蛋白質(zhì)合成的起始,（二） 肽鏈的延長,指按照mRNA密碼序列的指導，依次添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。,肽鏈的延長是在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進行，又稱為核蛋白體循環(huán)（ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，分為以下三步： 進位（entrance） 轉(zhuǎn)肽（peptide bond formation） 移位（translocation）,肽鏈合成

11、的延長因子,1. 進位,指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位。,分解開看：,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,2. 轉(zhuǎn)肽,是由肽酰轉(zhuǎn)移酶（peptidyl transferase）催化的肽鍵形成過程。,3. 移位,延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶（translocase）活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3側(cè)移動。,fMet,fMet,肽鏈的延長：,（三）肽鏈合成的終止,當mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。,終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子 (r

12、elease factor, RF),識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。 誘導轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚裕闺逆湉暮说鞍左w上釋放。,釋放因子的功能：,原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物釋放因子：eRF,原核肽鏈合成終止過程,RF-3具有GTP酶活性，使GTP水解釋能，使殘留在核糖體上的tRNA及各種因子釋放。,RF,原核生物蛋白質(zhì)合成的能量計算 氨基酸活化： 2個PATP 起始： 1個GTP 延長(1個氨基酸殘基）： 2個GTP 終止： 1個GTP,1、多聚核蛋白體 （polysome) 一個mRNA分子可同時有多個核蛋白體在進行同

13、一種蛋白質(zhì)的合成，這種mRNA和多個核蛋白體的聚合物稱為多聚核蛋白體。,（四）核糖體循環(huán),多核糖體處于工作狀態(tài)，游離的單個核糖體則是貯備狀態(tài)，核糖體亞基則是剛從mRNA上釋放的，它們通常很快結(jié)合成非活性狀態(tài)單體或很快參與下一輪蛋白質(zhì)合成。核糖體在這三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換稱為核糖體循環(huán)。,2、核糖體循環(huán),二、真核生物的蛋白質(zhì)合成特點,1. 核蛋白體是80S； 2. 起始tRNA的Met不需甲?；?3. mRNA有5帽子和3poly A尾結(jié)構(gòu)； 4. 真核生物一個mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子（single cistron）。,5. 真核生物的蛋白質(zhì)翻譯的模板mRNA在細胞核內(nèi)合成，而翻譯過程

14、在細胞質(zhì)中進行，二者間隔約15分鐘。 真核生物的翻譯過程需要更多的蛋白因子參與。有：13種起始因子 2種延長因子 1種終止因子。,mRNA結(jié)構(gòu)簡圖,真核生物翻譯起始因子,1.真核生物翻譯起始的特點 （1）Met-tRNAiMet首先與小亞基結(jié)合，然后與起始因子eIF-2、GTP結(jié)合成四元復合物； （2）在多個因子的幫助下通過“帽子”結(jié)構(gòu)與小亞基的18S rRNA結(jié)合； （3）小亞基向mRNA的3端滑動至第一個AUG（起始密碼）處，AUG與Met-tRNAiMet的反密碼子結(jié)合而停下來； （4）再與大亞基結(jié)合形成80S起始復合物開始翻譯。,真核生物翻譯起始復合物形成過程,真核生物肽鏈合成的延長過

15、程與原核基本相似，但有不同的反應體系和延長因子。 另外，真核細胞核蛋白體沒有E位，轉(zhuǎn)位時卸載的tRNA直接從P位脫落。,2. 真核生物延長過程,蛋白質(zhì)合成后加工和輸送Posttranslational Processing & Protein Transportation,第 三 節(jié),從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。,主要包括,肽鏈一級結(jié)構(gòu)的修飾 高級結(jié)構(gòu)修飾 多肽鏈的折疊,一、蛋白質(zhì)的修飾,1. 肽鏈N端的修飾-除去N末端甲硫氨酸。 2. 個別氨基酸的修飾-如磷酸化、羥基化、?；?、甲基化等。 3. 多肽鏈的水解修

16、飾-切除抑制肽段，從無活性變?yōu)橛谢钚浴?（一）一級結(jié)構(gòu)的修飾,（二）高級結(jié)構(gòu)的修飾,1. 輔基連接-如酶的輔基、糖蛋白的糖鏈等。 2. 亞基聚合-有活性的寡聚蛋白的形成。,二、多肽鏈的折疊,新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后進行，新生肽鏈N端在核蛋白體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始?？赡茈S著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產(chǎn)生正確的二級結(jié)構(gòu)、模體、結(jié)構(gòu)域到形成完整的空間構(gòu)象。 大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都需要其他酶和蛋白質(zhì)的輔助。,幾種促進蛋白折疊的大分子,1. 分子伴侶 (molecular chaperon) 2. 折疊酶 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶 (protein disulfide isomerase, P

17、DI) 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI),1. 熱休克蛋白(heat shock protein, Hsp) Hsp70 、Hsp60 2. 伴侶素(chaperonins) GroEL和GroES家族,（一） 分子伴侶,分子伴侶是細胞中一類保守蛋白質(zhì)，可識別肽鏈的非天然構(gòu)象，促進各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊。,熱休克蛋白促進蛋白質(zhì)折疊的基本作用： Hsp70家族成員以ATP依賴的方式結(jié)合未折疊多肽鏈的疏水區(qū)以穩(wěn)定蛋白質(zhì)的未折疊狀態(tài)，再通過有控制的釋放，釋放的多肽鏈與Hsp60結(jié)合，幫助其正確折疊。,伴侶素的主要作用:

18、為非自發(fā)性折疊蛋白質(zhì)提供能折疊形成天然空間構(gòu)象的微環(huán)境。,伴侶素系統(tǒng)促進蛋白質(zhì)折疊過程,（二）折疊酶,二硫鍵異構(gòu)酶在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質(zhì)形成熱力學最穩(wěn)定的天然構(gòu)象。,1. 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）,2. 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶,（1）多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構(gòu)體，空間構(gòu)象明顯差別。,（2）肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶可促進上述順反兩種異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)換。,（3）肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶是蛋白質(zhì)三維構(gòu)象形成的限速酶，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準確折疊。,蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞靶

19、部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送。,三、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送,蛋白質(zhì)靶向輸送（protein targeting）,靶向輸送蛋白的信號序列或成分,（一）分泌蛋白的靶向輸送,真核細胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，再分別被包裝成分泌小泡而分泌出細胞。,信號肽(signal peptide),各種新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列稱信號肽。,信號肽的一級結(jié)構(gòu),N端側(cè)堿性區(qū),疏水核心區(qū),C端加工區(qū),信號識別顆粒,（二）線粒體蛋白的靶向輸送,（三）細胞核蛋白的靶向輸送,蛋白質(zhì)生物合成的干擾和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis,第 四 節(jié),蛋白質(zhì)生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶點。它們就是通過阻斷真核、原核生物蛋白質(zhì)翻譯體系某組分功能，干擾和抑制蛋