生物學蛋白質的生物合成詳解

生物學蛋白質的生物合成詳解第1頁/共112頁2第一節(jié)參與蛋白質生物合成的物質蛋白質生物合成體系n氨基酸蛋白質mRNA、tRNA、rRNA酶、蛋白質因子、ATP、GTP蛋白質因子：起始因子（initiationfactor，IF）真核生物寫作eIF延長因子（elongationfactor，EF）釋放因子（releasingfactor，RF）核蛋白體釋放因子（ribosomalreleasingfactor，RRF）第2頁/共112頁3合成原料mRNAtRNArRNA蛋白質生物合成物質第3頁/共112頁4合成原料自然界由mRNA編碼的氨基酸共有20種羥脯氨酸、羥賴氨酸、γ-羧基谷氨酸等特殊氨基酸是在肽鏈合成后的加工修飾過程中形成第4頁/共112頁5合成原料mRNAtRNArRNA蛋白質生物合成物質第5頁/共112頁6mRNA——翻譯的模板CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU5/3/-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-第6頁/共112頁7

mRNA分子的組成：轉錄啟動區(qū)5’UTRAUG之前的5’端非編碼區(qū)（前導序列）編碼區(qū)起始碼、閱讀框、終止碼3’UTR終止密碼子之后，不翻譯的3’端轉錄終止區(qū)第7頁/共112頁8遺傳密碼（Geneticcode）mRNA中蘊藏遺傳信息的堿基順序稱為遺傳密碼。密碼子(codon)mRNA中每個相鄰的三個核苷酸，這個三聯(lián)體稱為一個密碼子。因此，密碼是密碼子的總和。第8頁/共112頁9

方向性通用性簡并性連續(xù)性遺傳密碼的特點第9頁/共112頁10同一氨基酸具有多種密碼子同義密碼第1、2位第3位決定密碼的特異性擺動

方向性：5/——3/

通用性：（在線粒體或葉綠體中特殊）

簡并性：第10頁/共112頁11第11頁/共112頁12沿5/-3/方向連續(xù)閱讀插入堿基缺失堿基移碼突變

連續(xù)性：第12頁/共112頁13共有64種61種代表20中氨基酸3種UAA、UAG、UGA終止密碼AUG起始密碼蛋氨酸

密碼子:(codon)第13頁/共112頁141)在體外無細胞蛋白質合成體系中加入人工合成的polyＵ開創(chuàng)了破譯遺傳密碼的先河2)混合共聚物(mixedcopolymers)實驗對密碼子中堿基組成的測定3)aa-tRNA與確定的三核苷酸序列(密碼子)結合：4)用重復共聚物(repeatingcopolymers)破譯密碼：第14頁/共112頁151961年，尼倫伯格和馬太利用大腸桿菌的破碎細胞溶液，建立了一種利用人工合成的RNA在試管里合成多肽鏈的實驗系統(tǒng)，其中含有核糖體等合成蛋白質所需的各種成分。利用這個實驗系統(tǒng)，尼倫伯格和馬太設計了一個巧妙的實驗，破譯了第一個遺傳密碼，即UUU-苯丙氨酸。第15頁/共112頁161966年科學家霍拉納發(fā)明了一種新的RNA合成方法，通過這種方法合成的RNA可以是2個、3個或4個堿基為單位的重復序列，例如:將A、C兩種核苷酸縮合為ACACACACAC……長鏈，以它作人工信使進行蛋白質合成，結果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是蘇氨酸和組氨酸的多聚體，說明蘇氨酸的密碼子可能是ACA，也可能是CAC；同樣，組氨酸的密碼子可能是CAC，也可能是ACA。第16頁/共112頁17遺傳密碼表第一堿基（5/-端）第二堿基第三堿基（3/-端）終止終止**在mRNA起始部位的AUG為起始信號第17頁/共112頁18合成原料mRNAtRNArRNA蛋白質生物合成物質第18頁/共112頁19tRNA——搬運氨基酸Ser5’Tyr5’第19頁/共112頁20tRNA的結構tRNA在蛋白質生物合成過程中起關鍵作用。最小的RNA，4S70~80個base，其中22個堿基是恒定含有10%的稀有堿基

第20頁/共112頁21TψC環(huán)額外環(huán)反密碼子環(huán)D環(huán)aa接受臂第21頁/共112頁22“L”形三級結構

三葉草型的二級結構可折疊成倒L型的三維結構。第22頁/共112頁23第23頁/共112頁24tRNA反密碼子第一個堿基mRNA密碼子第三個堿基反密碼子的擺動性反密碼子：與mRNA相應的三聯(lián)體密碼子堿基互補。擺動性：mRNA密碼子的前兩位堿基和tRNA的反密碼嚴格配對，而密碼子第三位堿基與反密碼子第一位堿基不嚴格遵守配對規(guī)則。第24頁/共112頁25tRNA的種類

起始tRNA和延伸tRNA

起始tRNA:Prok：tRNAfmet，fMet-tRNAfmetEuk：tRNAimet

，Met-tRNAimet

延伸tRNA：tRNAmmet，m可省略第25頁/共112頁26同工tRNA（isoacceptingtRNAs）

攜帶AA相同而反密碼子不同的一組tRNA；不同的反密碼子識別AA的同義密碼；同工tRNA在細胞內(nèi)合成量上有多和少的差別，分別稱為主要tRNA和次要tRNA。主要tRNA中反密碼子識別tRNA中的高頻密碼子，而次要tRNA中反密碼子識別mRNA中的低頻密碼子。第26頁/共112頁27GlyGGGAGGArg。突變(mutation)移碼突變:mRNA上的編碼順序中插入(或缺失)一個(或更多)堿基，引起密碼子翻譯讀框改變。無義突變:指正常密碼子改變?yōu)榻K止密碼子，引起翻譯過程提早終止。蛋白質產(chǎn)物是截短的，一般沒有功能。

錯義突變：正常密碼子變?yōu)榱硪环N氨基酸的密碼子。新的氨基酸取代了蛋白質中某位點上原來的殘基可能使蛋白質失去功能。TyrUAC和UAUUAG。校正tRNA第27頁/共112頁28抑制突變/校正突變（suppressormutation）：

編碼tRNA的基因發(fā)生某種突變，以“代償”或校正mRNA上密碼子的原有突變所產(chǎn)生的不良后果。無義抑制錯義抑制第28頁/共112頁291）無義抑制（nonsensesuppressor）無義抑制或無義校正：通過抑制tRNA識別無義突變位點，將某種氨基酸插入該位點，使得多肽鏈繼續(xù)延伸，而不中途停止。無義抑制通過三個不同的途徑進行：（1）tRNA反義密碼子的突變；（2）tRNA其它結構的改變；（3）tRNA反密碼子化學修飾。第29頁/共112頁30AUCAUG第30頁/共112頁31第31頁/共112頁322）錯義抑制抑制tRNA識別錯義突變位點，通過插入原來的氨基酸或其它的氨基酸而抑制錯義突變，從而能完全恢復或部分恢復蛋白質活性

。兩種方式可以形成抑制型tRNA：1）tRNA反密碼子發(fā)生突變，2）tRNA其他的結構變化或是氨酰tRNA合成酶的突變而改變了其荷載氨基酸的變化。第32頁/共112頁33第33頁/共112頁343）抑制突變的特點：1）不是所有終止密碼子的抑制基因都產(chǎn)生有功能的蛋白質，起到抑制或校正的作用，關鍵是要看氨基酸取代的情況。2）校正的作用不可能是完全的，抑制基因的效率很低，通常為1~5%。第34頁/共112頁35氨基酸的活化——氨基酸與tRNA的結合氨基酸+ATP+tRNA氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA+AMP+PPi第35頁/共112頁36合成原料mRNAtRNArRNA蛋白質生物合成物質第36頁/共112頁37核糖體——蛋白質合成的場所rRNA+蛋白質核糖體（核蛋白體）大亞基小亞基第37頁/共112頁38真核細胞：5S、5.8S、28S18S蛋白質大亞基（60S）小亞基（40S）原核細胞：5S、23S16S蛋白質大亞基（50S）小亞基（30S）核糖體大小亞基的組成80S70S第38頁/共112頁39核蛋白體的組成第39頁/共112頁40小亞基與mRNA的結合S-D序列5’3’小亞基第40頁/共112頁41核糖體的活性位點：第41頁/共112頁42P位：結合肽酰tRNA的部位A位：結合氨基酰tRNA的部位P位A位第42頁/共112頁43核糖體的活性位點第43頁/共112頁44第一節(jié)參與蛋白質生物合成的物質第二節(jié)蛋白質合成過程第三節(jié)蛋白質合成后的分泌第四章蛋白質的生物合成第44頁/共112頁45第二節(jié)蛋白質合成過程

TheProcessofProteinBiosynthesismRNA中堿基的排列順序蛋白質中的AA的排列順序翻譯起始延長終止注冊成肽轉位第45頁/共112頁翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination)第46頁/共112頁一、肽鏈合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結合而形成翻譯起始復合物

(translationalinitiationcomplex)。第47頁/共112頁原核、真核生物各種起始因子的生物功能第48頁/共112頁（一）原核生物翻譯起始復合物形成核蛋白體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結合；起始氨基酰-tRNA的結合；核蛋白體大亞基結合。第49頁/共112頁IF-3IF-11.核蛋白體大小亞基分離第50頁/共112頁AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結合第51頁/共112頁S-D序列第52頁/共112頁IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)結合到小亞基AUG5'3'第53頁/共112頁IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結合，起始復合物形成AUG5'3'第54頁/共112頁IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi第55頁/共112頁（二）真核生物翻譯起始復合物形成核蛋白體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結合；mRNA在核蛋白體小亞基就位；核蛋白體大亞基結合。第56頁/共112頁met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻譯起始復合物形成過程第57頁/共112頁翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination)第58頁/共112頁二、肽鏈合成延長指根據(jù)mRNA密碼序列的指導，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomalcycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步：進位(entrance)成肽(peptidebondformation)轉位(translocation)第59頁/共112頁延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongationfactor,EF)

原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G

真核生物：EF-1、EF-2第60頁/共112頁原核延長因子生物功能對應真核延長因子EF-Tu促進氨基酰-tRNA進入A位，結合分解GTPEF-1-αEF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-βγEFG有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子第61頁/共112頁又稱注冊(registration)（一）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。

第62頁/共112頁延長因子EF-T催化進位（原核生物）

第63頁/共112頁第64頁/共112頁TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP第65頁/共112頁（二）成肽是由轉肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。第66頁/共112頁（三）轉位延長因子EF-G有轉位酶(translocase)活性，可結合并水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3'側移動。第67頁/共112頁fMetAUG5'3'fMetTuGTP第68頁/共112頁進位轉位成肽第69頁/共112頁真核生物肽鏈合成的延長過程與原核基本相似，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，轉位時卸載的tRNA直接從P位脫落。（四）真核生物延長過程第70頁/共112頁翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination)第71頁/共112頁

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。

第72頁/共112頁終止相關的蛋白因子稱為釋放因子

(releasefactor,RF)一是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。二是誘導轉肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相當于催化肽酰基轉移到水分子-OH上，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第73頁/共112頁原核肽鏈合成終止過程第74頁/共112頁UAG5'3'RFCOO-第75頁/共112頁多聚核蛋白體(polysome)——使蛋白質合成高速、高效進行。第76頁/共112頁電鏡下的多聚核蛋白體現(xiàn)象第77頁/共112頁第三節(jié)

蛋白質合成后加工和輸送PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation第78頁/共112頁從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復雜加工過程才轉變?yōu)樘烊粯嬒蟮墓δ艿鞍?。主要包?多肽鏈折疊為天然的三維結構肽鏈一級結構的修飾高級結構修飾第79頁/共112頁一、多肽鏈折疊為天然功能構象的蛋白質新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈N端在核蛋白體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始。可能隨著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產(chǎn)生正確的二級結構、模序、結構域到形成完整空間構象。一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質折疊的信息，即一級結構是空間構象的基礎。細胞中大多數(shù)天然蛋白質折疊都不是自動完成，而需要其他酶、蛋白輔助。第80頁/共112頁幾種有促進蛋白折疊功能的大分子1.分子伴侶(molecularchaperon)2.蛋白二硫鍵異構酶

(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰順反異構酶

(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)第81頁/共112頁1.熱休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族2.伴侶素(chaperonins)GroEL和GroES家族分子伴侶分子伴侶是細胞一類保守蛋白質，可識別肽鏈的非天然構象，促進各功能域和整體蛋白質的正確折疊。第82頁/共112頁熱休克蛋白促進蛋白質折疊的基本作用——

結合保護待折疊多肽片段，再釋放該片段進行折疊。形成HSP70和多肽片段依次結合、解離的循環(huán)。HSP40結合待折疊多肽片段HSP70-ATP復合物HSP40-HSP70-ADP-多肽復合物ATP水解GrpEATPADP復合物解離，釋出多肽鏈片段進行正確折疊第83頁/共112頁伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進蛋白質折疊過程伴侶素的主要作用——

為非自發(fā)性折疊蛋白質提供能折疊形成天然空間構象的微環(huán)境。第84頁/共112頁蛋白二硫鍵異構酶多肽鏈內(nèi)或肽鏈之間二硫鍵的正確形成對穩(wěn)定分泌蛋白、膜蛋白等的天然構象十分重要，這一過程主要在細胞內(nèi)質網(wǎng)進行。二硫鍵異構酶在內(nèi)質網(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，最終使蛋白質形成熱力學最穩(wěn)定的天然構象。第85頁/共112頁肽-脯氨酰順反異構酶多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構體，空間構象明顯差別。肽酰-脯氨酰順反異構酶可促進上述順反兩種異構體之間的轉換。肽酰-脯氨酰順反異構酶是蛋白質三維構象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構型時，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準確折疊。第86頁/共112頁二、一級結構的修飾1、肽鏈N端的修飾2、個別氨基酸的修飾3、多肽鏈的水解修飾4、糖基化修飾5、水解修飾第87頁/共112頁1．N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸，必須在多肽鏈折迭成一定的空間結構之前被切除。①去甲酰化：

甲?；讣柞５鞍彼?肽甲酸+蛋氨酸-肽

②去蛋氨?；?/p>

蛋氨酸氨基肽酶

蛋氨酰-肽

蛋氨酸

+肽

第88頁/共112頁

2．氨基酸的修飾：由專一性的酶催化進行修飾，包括糖基化、羥基化、磷酸化、甲?；取?/p>

3．二硫鍵的形成：由專一性的氧化酶催化，將-SH氧化為-S-S-。

4．肽段的切除：

由專一性的蛋白酶催化，將部分肽段切除。

第89頁/共112頁鴉片促黑皮質素原(POMC)的水解修飾第90頁/共112頁三、高級結構的修飾（一）亞基聚合

（二）輔基連接（三）疏水脂鏈的共價連接第91頁/共112頁蛋白質合成后需要經(jīng)過復雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞靶部位，這一過程稱為蛋白質的靶向輸送。

四、蛋白質合成后的靶向輸送?蛋白質的靶向輸送(proteintargeting)第92頁/共112頁所有靶向輸送的蛋白質結構中存在分選信號，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質轉移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為信號序列。

?信號序列(signalsequence)第93頁/共112頁靶向輸送蛋白信號序列或成分分泌蛋白信號肽內(nèi)質網(wǎng)腔蛋白信號肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)線粒體蛋白N端靶向序列（20～35氨基酸殘基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T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）靶向輸送蛋白的信號序列或成分第94頁/共112頁（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)質網(wǎng)。

信號肽(signalpeptide)各種新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列稱信號肽。第95頁/共112頁信號肽的一級結構:第96頁/共112頁信號肽引導真核分泌蛋白進入內(nèi)質網(wǎng)第97頁/共112頁信號肽引導真核分泌蛋白進入內(nèi)質網(wǎng)第98頁/共112頁（二）線粒體蛋白的靶向輸送第99頁/共112頁（三）細胞核蛋白的靶向輸送第100頁/共112頁第四節(jié)

蛋白質生物合成的干擾和抑制

Interference&InhibitionofProteinBiosynthesis第101頁/共112頁蛋白質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、原核生物蛋白質翻譯體系某組分功能，干擾和抑制蛋白質生物合成過程而起作用的?？舍槍Φ?/p>