《生物化學(xué)》本科課件12章 蛋白質(zhì)合成.ppt

1、 Protein Biosynthesis (Translation)蛋白質(zhì)的生物合成(翻譯) 蛋白質(zhì)的生物合成過程就是將mRNA分子中由堿基序列組成的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式轉(zhuǎn)變成為蛋白質(zhì)中的氨基酸排列順序，因而稱為翻譯（translation)。 20種氨基酸作為原料 酶及蛋白因子，如IF、eIF等 ATP、GTP、無機(jī)離子參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括： 三種RNA mRNA rRNA tRNA mRNA是遺傳信息的攜帶者遺傳學(xué)將編碼一個(gè)多肽的遺傳單位稱為順反子（cistron）。原核細(xì)胞中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個(gè)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)，為多順反子（

2、polycistron）。真核生物一個(gè)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(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號(hào)，稱為三聯(lián)體密碼（triplet codon）。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，各三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一條多肽鏈，稱開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。 遺傳密碼表密碼子的第一個(gè)字母密碼子的第二個(gè)字母1. 方向性（direction）遺傳密碼的特點(diǎn)從mRNA 5端到3端開放閱讀框架,起

3、始密碼子AUG開始到終止密碼子 ，合成多肽鏈N端到C端序列。 2. 連續(xù)性（commaless）遺傳密碼的特點(diǎn)編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間隔也無重疊。 3. 簡(jiǎn)并性（degeneracy）遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個(gè)密碼子外，其余氨基酸有24個(gè)或多至6個(gè)密碼子為之編碼。4. 擺動(dòng)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(duì)時(shí)，可以在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，即并不嚴(yán)格遵循堿基配對(duì)規(guī)律，這一現(xiàn)象稱為擺動(dòng)性。擺動(dòng)配對(duì)U5. 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)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體

4、、植物細(xì)胞的葉綠體。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。 二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置 核蛋白體的組成核蛋白體原核生物真核生物蛋白質(zhì)S值rRNA蛋白質(zhì)S值rRNA小亞基21種30S16S33種40S18S大亞基34種50S23S5S49種60S28S5.8S5S核蛋白體70S80S原核生物核蛋白體結(jié)構(gòu)模式三、tRNA與氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂tRNA在翻譯過程中起接合體（adaptor）作用，又是氨基酸的運(yùn)載體。氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 氨基

5、酸的活化真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAifMet（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一、肽鏈合成起始指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(fù)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。I

6、F-2：促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合。IF-3：促進(jìn)大小亞基分離，提高P位對(duì)結(jié)合起始tRNA敏感性。（一）原核生物翻譯起始復(fù)合物形成核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA的結(jié)合； 核蛋白體大亞基結(jié)合。IF-3IF-11. 核蛋白體大小亞基分離AUG53IF-3IF-12. 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，存在49個(gè)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(diǎn)（ribosomal binding site，RBS) IF-3IF-1IF-2GTPAUG533. 起始氨基酰tRNA與小亞基

7、結(jié)合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG534. 核蛋白體大亞基結(jié)合IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始過程消耗1個(gè)GTP。真核生物翻譯起始因子 起始因子生物功能eIF-2促進(jìn)起始tRNA與小亞基結(jié)合eIF-2B, eIF-3促進(jìn)大小亞基分離eIF-4AeIF-4F復(fù)合物成分，有解螺旋酶活性，促進(jìn)mRNA結(jié)合小亞基eIF-4B促進(jìn)mRNA掃描定位起始AUGeIF-4EeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合mRNA 5帽子eIF-4GeIF-4F復(fù)合物成分，結(jié)合eIF-4E和PABeIF-5促進(jìn)各種起始因子從小亞基解離，進(jìn)而結(jié)合大亞基eIF-6促進(jìn)核蛋白體分離成

8、大小亞基 真核生物翻譯起始的特點(diǎn)核蛋白體是80S；起始因子種類多；起始tRNA的Met不需甲?；?；mRNA的5帽子和3poly A尾結(jié)構(gòu)與mRNA在核蛋白體就位有關(guān)；起始tRNA先與核蛋白體小亞基結(jié)合，然后再結(jié)合mRNA二、肽鏈的延長(zhǎng)指按照mRNA密碼序列的指導(dǎo)，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(zhǎng)是在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核蛋白體循環(huán)（ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸，分為以下三步：進(jìn)位（entrance）成肽（peptide bond formation）轉(zhuǎn)位（translocation）原核延長(zhǎng)因子生物功能對(duì)應(yīng)真核延長(zhǎng)因

9、子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTPEF-1-EF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-EFG有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進(jìn)卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長(zhǎng)因子 （一）進(jìn)位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進(jìn)入核蛋白體A位。 延長(zhǎng)因子EF-T催化進(jìn)位（原核生物） TuTsGTPGDPAUG53TuTsGTP（二）成肽是由轉(zhuǎn)肽酶（transpeptidase）催化的肽鍵形成過程。（三）轉(zhuǎn)位延長(zhǎng)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(jìn)核蛋白體向mRNA的3側(cè)移動(dòng)。fMetAUG53fMe

10、tTuGTP進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽 三、肽鏈合成的終止當(dāng)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 (release factor, RF) 識(shí)別終止密碼，如RF-1特異識(shí)別UAA、UAG；而RF-2可識(shí)別UAA、UGA。誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，使肽鏈從核蛋白體上釋放。 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 UAG53RFCOO- 原核生物蛋白質(zhì)合成的能量計(jì)算氨基酸活化：2個(gè)PATP起始： 1個(gè)GTP延長(zhǎng)： 2個(gè)GTP終

11、止： 1個(gè)GTP結(jié)論：每合成一個(gè)肽鍵至少消耗4個(gè)P。 多聚核蛋白體 （polysome)一個(gè)mRNA分子可同時(shí)有多個(gè)核蛋白體在進(jìn)行同一種蛋白質(zhì)的合成，這種mRNA和多個(gè)核蛋白體的聚合物稱為多聚核蛋白體。蛋白質(zhì)合成后加工和輸送Posttranslational Processing & Protein Transportation第 三 節(jié)蛋白質(zhì)的翻譯后加工修飾一級(jí)結(jié)構(gòu)的加工修飾多肽鏈的正確折疊空間結(jié)構(gòu)的修飾蛋白質(zhì)的靶向運(yùn)輸分泌蛋白的靶向運(yùn)輸線粒體蛋白的靶向運(yùn)輸細(xì)胞核蛋白的靶向運(yùn)輸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(fù)雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。主要包

12、括多肽鏈折疊為天然的三維結(jié)構(gòu) 肽鏈一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾高級(jí)結(jié)構(gòu)修飾 翻譯后加工修飾水解剪裁切除內(nèi)含肽（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)的加工修飾切除N端甲?；騈端蛋氨酸切除信號(hào)肽水解加工化學(xué)修飾一、多肽鏈折疊為天然功能構(gòu)象的蛋白質(zhì)新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后進(jìn)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(jí)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。幾種有促進(jìn)蛋白折疊功能的大分子1. 分子伴侶 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶 (protein disulfide isomeras

13、e, PDI)3. 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、HSP40和GreE族 （2）伴侶素(chaperonins) GroEL和GroES家族1. 分子伴侶分子伴侶是細(xì)胞中一類保守蛋白質(zhì)，可識(shí)別肽鏈的非天然構(gòu)象，促進(jìn)各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊。 熱休克蛋白促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊的基本作用：結(jié)合保護(hù)待折疊多肽片段，再釋放該片段進(jìn)行折疊。形成HSP70和多肽片段依次結(jié)合、解離的循環(huán)。 熱休克蛋白機(jī)制：蛋白質(zhì)在合成時(shí)，未折疊的肽段有許多疏水的基團(tuán)暴露在外

14、，具有分子內(nèi)或分子間聚集的傾向，使蛋白質(zhì)不能正確折疊。分子伴侶能可逆的與未折疊的肽段的疏水基團(tuán)反復(fù)結(jié)合，使其正確折疊。分子伴侶還能與錯(cuò)誤聚集的肽段結(jié)合，再誘導(dǎo)其正確折疊。有些分子伴侶具有形成二硫鍵的酶活性。HSP40結(jié)合待折疊多肽片段 HSP70-ATP復(fù)合物 HSP40- HSP70-ADP-多肽復(fù)合物 ATP水解GrpE ATPADP復(fù)合物解離，釋出多肽鏈片段進(jìn)行正確折疊 熱休克蛋白作用機(jī)制圖解HSP40GreEHSP40HSP40HSP70ADPHSP70ATPHSP40HSP70ATPGreEADP伴侶素的主要作用: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

15、進(jìn)蛋白質(zhì)折疊過程 .GroEL（2）伴侶素作用機(jī)制圖解GroES肽鏈GroEL對(duì)蛋白質(zhì)的折疊過程2. 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶（PDI） 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(cuò)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(xué)最穩(wěn)定的天然構(gòu)象。2.蛋白二硫鍵異構(gòu)酶Cys（7）A鏈B鏈Cys（7）Cys（20）Cys（19）SSSSCys（6）Cys（11）SSInsulin3. 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 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。 肽酰-脯氨酰順反異構(gòu)酶可促進(jìn)上述順反兩種異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)換。 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

16、，在肽鏈合成需形成順式構(gòu)型時(shí)，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準(zhǔn)確折疊。 3. 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶CNHCRCONOONHCRCONC反式（90%）順式（10%）4.亞基聚合二、一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾（一）肽鏈N端的修飾（二）個(gè)別氨基酸的修飾（三）多肽鏈的水解修飾1.切除N-甲酰基或蛋氨酸或切除信號(hào)肽fMetN脫甲酰基酶氨基肽酶MetN信號(hào)肽酶信號(hào)肽2 .蛋白質(zhì)的水解剪裁加工N前清蛋白原（609aa)18aa前清蛋白（591aa)6aa清蛋白（585aa)鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾NC信號(hào)肽PMOCKRKR103肽 ( ？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin（2）內(nèi)含肽的切除.

17、PreSC肽水解剪裁等ABSSSSSS胰島素成熟mRNASPreBCA翻譯SPreBC肽A前胰島素原（2）內(nèi)含肽的切除. PreSC肽水解剪裁等ABSSSSSS胰島素成熟mRNASPreBCA翻譯SPreBC肽A前胰島素原 3 .化學(xué)修飾LysProCysNCysOHOHS-S（二）糖鏈的添加 添加糖鏈-輔基連接糖蛋白三、高級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾（一）亞基聚合 （二）輔基連接（三）疏水脂鏈的共價(jià)連接 蛋白質(zhì)合成后需要經(jīng)過復(fù)雜機(jī)制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細(xì)胞靶部位，這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送。 四、蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送蛋白質(zhì)的靶向輸送（protein targeting）蛋白質(zhì)的靶向轉(zhuǎn)運(yùn)保留在胞

18、液進(jìn)入細(xì)胞器分泌到胞外靶向轉(zhuǎn)運(yùn)胞質(zhì)分揀支路粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分揀支路所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在分選信號(hào)，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的適當(dāng)靶部位，這一序列稱為信號(hào)序列 。 信號(hào)序列(signal sequence)靶向輸送蛋白信號(hào)序列或成分分泌蛋白信號(hào)肽內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白信號(hào)肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)線粒體蛋白N端靶向序列（2035氨基酸殘基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）過氧化體蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶體蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶

19、向輸送蛋白的信號(hào)序列或成分 （一）分泌蛋白的靶向輸送真核細(xì)胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，再分別被包裝成分泌小泡而分泌出細(xì)胞。 信號(hào)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(hào)肽。 1.信號(hào)肽）信號(hào)肽是指未成熟蛋白質(zhì)的N端有一段可被細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)識(shí)別的特征性的氨基酸序列。一般由1040多個(gè)氨基酸組成。2）信號(hào)肽的作用：把后續(xù)肽鏈引向膜性結(jié)構(gòu)。3）信號(hào)肽氨基酸組成特點(diǎn)：含有較多的中性氨基酸信號(hào)肽酶N堿性氨基末端疏水性核心區(qū)加工區(qū)信號(hào)肽分泌蛋白進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號(hào)肽假說信號(hào)肽假說要點(diǎn)；當(dāng)肽鏈合成至約70個(gè)氨基酸殘基時(shí)，信號(hào)肽識(shí)別顆粒（SRP）與信號(hào)

20、肽、GTP及核蛋白體結(jié)合，形成核蛋白體-多肽-SRP復(fù)合體，使肽鏈合成暫停。SRP引導(dǎo)該復(fù)合體識(shí)別并結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）上的SPR受體（又稱對(duì)接蛋白，DP）。核蛋白體大亞基與ER上的核蛋白體受體結(jié)合，錨定在ER上。具有GTP酶活性的SRP水解GTP并脫離復(fù)合體，肽鏈合成又開始進(jìn)行。信號(hào)肽引導(dǎo)后續(xù)肽鏈通過肽轉(zhuǎn)位復(fù)合物（ER上跨膜通道）進(jìn)入ER腔，并被信號(hào)肽酶（位于ER膜腔面）切除而降解。分子伴侶HSP70促進(jìn)蛋白折疊成熟。信號(hào)肽的一級(jí)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(hào)肽引導(dǎo)真核分泌蛋白進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng) （二）線粒體蛋白的靶向輸送 線粒體蛋白的靶向運(yùn)輸1要點(diǎn)：線粒體蛋白N端有保守的2035個(gè)氨

21、基酸殘基的信號(hào)序列-導(dǎo)肽。富含Ser、Thr和堿性氨基酸新合成的線粒體蛋白與分子伴侶HSP70（有ATP酶活性）（或線粒體輸入刺激因子）結(jié)合。導(dǎo)肽識(shí)別并結(jié)合線粒體外膜的受體復(fù)合物。肽鏈通過有線粒體外膜和內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)體共同構(gòu)成的跨膜通道進(jìn)入線粒體基質(zhì)蛋白酶切除導(dǎo)肽，進(jìn)一步加工成熟。 （三）細(xì)胞核蛋白的靶向輸送細(xì)胞核蛋白的靶向運(yùn)輸1要點(diǎn)；細(xì)胞核蛋白經(jīng)核孔進(jìn)入細(xì)胞核。細(xì)胞核蛋白含有核定位序列（NLS）。NLS可位于肽鏈的不同部位。NLS長(zhǎng)48個(gè)氨基酸殘基。富含堿性氨基酸殘基，入核后不被切除。細(xì)胞核蛋白入核需要核輸入因子、（識(shí)別并結(jié)合NLS）和小GTP酶Ran蛋白參與。第四節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成與醫(yī)學(xué)的關(guān)系病毒利用宿主蛋白機(jī)制合成病毒蛋白抗生素對(duì)蛋白合成的干擾某些活性物質(zhì)對(duì)蛋白合成的