基因信息的传递蛋白质的生物合成课件.ppt

,生化教研室,生物化学教研室,第十章基因信息的传递蛋白质的生物合成,（翻译）Protein Biosynthesis，Translation,生化教研室生物化学教研室第十章基因信息的传递蛋白质的生物合,学习要求,复制、转录和翻译的特点。,中心法则的过程及抗生素、干扰素等临床用药的作用机理。,能解释酶和蛋白因子抑制剂的抗肿瘤机理 。,掌握熟悉解释学习要求复制、转录和翻译的特点。中心法则的过程及,中心法则,Reverse 中心法则,1.白喉毒素，蓖麻蛋白毒性极强，机理？2.诺氟沙星，环丙沙星，利福平，四环素，氯霉素，庆大霉素，3.链霉素，青霉素，红霉素都能杀菌，有什么异同吗？4.适量照太阳可以预防小孩佝偻病发生，但过度照射却可引发癌症，如着色性干皮症。为什么？5.干扰素的作用机理是什么,问题,1.白喉毒素，蓖麻蛋白毒性极强，机理？问题,定义：蛋白质的生物合成，即翻译，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。,定义：,一、参与蛋白质生物合成的物质,（一）合成原料 20种编码氨基酸。在一些生物体内，另外两种氨基酸，吡咯赖氨酸（pyrrolysine）和硒代半胱氨酸（selenocysteine）也可作为编码氨基酸参与蛋白质的生物合成，它们分别由终止密码子UAG和UGA编码，并由特异的tRNA携带。,一、参与蛋白质生物合成的物质（一）合成原料,（二）酶及蛋白因子1.氨基酰tRNA合成酶 在ATP的存在下，能催化氨基酸的活化以及对应tRNA的结合反应。该酶位于胞液，具有绝对专一性，对氨基酸及tRNA都能高度特异地识别。即一种氨基酸和相应地tRNA对应一种氨基酰tRNA合成酶。所以，在胞液种至少存在20种以上的该酶，这些酶的高度专一性是保证翻译准确性的关键因素。2.转肽酶 存在于核糖体大亚基上，能催化“P位”的肽酰基转移至“A位”的氨基酰-tRNA的氨基酸上，使酰基和氨基缩合形成肽键。,（二）酶及蛋白因子,3.蛋白因子 翻译还需要众多蛋白质因子的参与，包括起始因子（initiation factor，IF），延长因子（elongation factor，EF）和释放因子（releasing factor，RF）。 IF是一些与多肽链合成起始有关的蛋白因子。原核生物中有3种起始因子（IF13）。真核生物中存在9种（eIF）。其作用主要是促进核糖体小亚基与起始tRNA及模版mRNA的结合。 EF主要是促使氨基酰tRNA进入核糖体的受位，并促进移位过程。原核生物存在3种延长因子（EFTu，EFTs，EFG),真核生物存在2种（EF1，EF2）。 RF的功能是识别mRNA上的终止密码，协助多肽的释放。原核生物有RF13三种，真核生物只有1种。,3.蛋白因子 翻译还需要众多蛋白质因子的参与，包括起始因子,（三）RNA1.mRNA 是蛋白质生物合成的直接模版。 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron) 。 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。,（三）RNA,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,PPP,mG -,5,3,蛋白质,原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位,mRNA上存在遗传密码 mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。起始密码(initiation coden): AUG 终止密码(termination coden) UAA, UAG, UGA。 mRNA以三联体遗传密码的方式，决定了蛋白质分子中氨基酸的排列顺序和基本结构。生物体内共64个密码子，其中61个分别代表20种不同的编码氨基酸。（如下表）,mRNA上存在遗传密码,遗传密码表,遗传密码表,遗传密码具有以下的特点：连续性：指两个相邻的密码子之间没有任何特殊的符号加以间隔，翻译时必须从某一特定的起始点开始，连续地一个密码子挨着一个密码子“阅读”下去，直到终止密码子为止。mRNA上碱基的插入或缺失都会造成密码子的阅读框架改变，使翻译出的氨基酸序列异常，产生“移码突变”。简并性：除蛋氨酸和色氨酸各有一个密码子外，其余每种氨基酸都有26个密码子。一种氨基酸具有2个或2个以上密码子的现象，称为遗传密码的简并性。遗传密码的简并性主要表现在密码子的前2个碱基相同，第3个碱基不同，因此当第3个碱基突变时不会造成翻译时氨基酸序列的改变。遗传密码的简并性对于减少有害突变，保证遗传的稳定性具有一定的意义。方向性：起始密码子位于mRNA链的5端，终止密码子位于3端，翻译时从起始密码子开始，沿53方向进行，直到终止密码子为止，与此相应多肽链的合成从N端向C端延伸。,遗传密码具有以下的特点：,通用性：一般来说，从病毒、细菌到人类都共用同一套遗传密码表，这称为遗传密码的通用性。但在某些生物中，或在动物细胞线粒体及植物细胞的叶绿体中，遗传密码的通用性存在某些例外。摆动性：mRNA密码子与tRNA反密码子在配对辨认时，有时不完全遵守碱基互补原则，尤其是密码子的第3位碱基与反密码子的第1位碱基，不严格互补也能相互辨认，称为密码子的摆动性。,通用性：一般来说，从病毒、细菌到人类都共用同一套遗传密码表,摆动配对,摆动配对,密码子、反密码子配对的摆动现象,密码子、反密码子配对的摆动现象,2.tRNA tRNA具有双重作用，一方面可以氨基酸tRNA的形式携带活化氨基酸，另一方面又可识别mRNA分子上的遗传密码，通过其反密码子与mRNA密码子的对应结合，使它所携带的活化氨基酸在核糖体上按一定顺序对号入座合成多肽链。在蛋白质的生物合成中tRNA起接合器的作用，或将其视为氨基酸的搬运工具。 每种氨基酸可由26种特异的tRNA转运，但每一种tRNA只能特异地转运某一种氨基酸。tRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet真核生物： Met-tRNAiMet原核生物中起始tRNA所携带的蛋氨酸被甲基化，因此用 fMet-tRNAifMet表示,2.tRNA tRNA具有双重作用，一方面可以氨基酸tRN,5ICCA-OH53CCA-OHG G CC C G密,3.rRNA rRNA与多种蛋白共同构成超分子复合体核糖体。核糖体是多肽链合成的场所，是蛋白质生物合成的“装配机”。,3.rRNA,不同细胞核蛋白体的组成,不同细胞核蛋白体的组成,核蛋白体的组成,核蛋白体的组成,核糖体在蛋白质的生物合成中具有以下的功能：小亚基：有容纳mRNA的通道，可结合模版mRNA。结合起始tRNA。结合和水解ATP大亚基：有三个tRNA的结合位点。第一个为受位或A位，是氨基酰tRNA进入核糖体后占据的位置；第二个称为给位或P位，是肽酰tRNA占据的位置；第三个称为出位或E位是空载tRNA占据的位置。由于核糖体与tRNA的结合是非特异性的，所以核糖体能结合各种氨基酰tRNA。具有转肽酶活性，催化肽键的生成。在E. coli中，转肽酶活性与核糖体大亚基上的23SrRNA有关，因此转肽酶也是一种核酶。能够结合参与翻译的多种可溶性蛋白因子，如EF、IF、RF等。,核糖体在蛋白质的生物合成中具有以下的功能：,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位P位：肽酰位E位：排出位原核生物翻译过程中核蛋,（四）供能物质及无机离子 蛋白质生物合成过程中需ATP或GTP提供能源，并需Mg2和K参与。,（四）供能物质及无机离子,蛋白质的生物合成的具体步骤，在原核生物和真核生物细胞基本类似。目前了解比较清楚的是大肠杆菌，下面以此为例来介绍翻译过程。,二、蛋白质生物合成的过程翻译,蛋白质的生物合成的具体步骤，在原核生物和真核生物细胞基本类似,（一）氨基酸的活化与转运 氨基酸必须通过活化才能参与蛋白质的生物合成，活化反应是在氨基酸的羧基上进行，由氨基酰tRNA合成酶催化，ATP供能，活化一分子氨基酸需要消耗2个高能磷酸键。,氨基酸+ATP+tRNA +H2O,氨基酰-tRNA 合成酶,氨酰-tRNA+AMP+PPi,氨基酸活化的总反应式,Mg2,（一）氨基酸的活化与转运氨基酸+ATP+tRNA +H2O氨,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi,第一步反应氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E ,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,第二步反应氨基酰-AMP-E,（二）核糖体循环 核糖体循环（ribosome cycle）是指活化的氨基酸，由tRNA携带至核糖体上，以mRNA为模版合成多肽链的过程。这一阶段为蛋白质合成的中心环节，通常可以分为三个阶段：起始、延长和终止。,（二）核糖体循环,1.肽链合成的起始 即起始复合物的形成，起始复合物包括：核糖体大小亚基，模版mRNA及起始tRNA。这一过程需GTP、三种IF及Mg2的参与。核糖体大小亚基拆离：在IF1和IF3的促进下，核糖体大小亚基解离，IF3与30S小亚基结合防止大、小亚基重新聚合。mRNA与小亚基结合：原核生物mRNA5-端有一段富含嘌呤的特殊序列，称SD序列，可被核糖体的小亚基16S rRNA3-端辨认结合。然后，核糖体小亚基沿mRNA模版向3-端滑动并准确地识别起始密码子AUG的部位。,1.肽链合成的起始 即起始复合物的形成，起始复合物包括：核,fMet-tRNAfMet的结合：fMet-tRNAfMet、IF2和GTP结合形成复合体，然后与核糖体小亚基结合，并使fMet-tRNAfMet定位于起始密码子的相应位置。50S大亚基结合：上述三步完成后IF3从小亚基上脱落，同时GTP被水解，使IF1和IF3也脱落。50S大亚基结合到30S小亚基上，形成70S起始复合物。此时，tRNAfMet的反密码子5-CAU-3与mRNA上的起始密码子5-AUG-3互补结合， fMet-tRNAfMet占据在核糖体的P位，A位空缺。,fMet-tRNAfMet的结合：fMet-tRNAfMe,1. 核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离IF-3IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,2. mRNA在小亚基定位结合AUG53,S-D序列,S-D序列,3.起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基,IF-3,3.起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,IF-3,IF-1,IF-2,Pi,GDP,GTP,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG53IF-,IF-3,IF-1,-GTP,Pi,GDP,AUG53IF-3IF-1IF-2GTP-GTPPiGD,2.肽链的延长 指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。 肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptide bond formation)转位(translocation),2.肽链的延长 指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基,（1）注册(registration) ：又称进位。指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。,（1）注册(registration) ：又称进位。指根据m,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,基因信息的传递-蛋白质的生物合成课件,（2）成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。该反应需Mg2、K的存在。,（2）成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽,（3）转位,延长因子EF-G有转位酶( translocase )活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动 。,（3）转位延长因子EF-G有转位酶( translocase,进位,成肽,转位,进位成肽转位,3.肽链合成的终止 指已经合成完毕的多肽链从核糖体水解释放，以及原来结合在一起的核糖体大、小亚基，mRNA模版及tRNA相互分离的过程。 当多肽链合成至A位上出现终止密码子（UAA, UAG,UGA)时，可被释放因子（RF）辨认出，RF进入A位。RF的结合可使转肽酶的构象发生改变，从而发挥水解酶的活性，使P位上的新生多肽被水解下来；然后由GTP提供能量，使tRNA及RF释出，核糖体与mRNA分离。最后，在IF作用下，核糖体大、小亚基分离，并重新参与多肽链的合成。,3.肽链合成的终止 指已经合成完毕的多肽链从核糖体水解释放,三、翻译后的加工,从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白，这一过程称为翻译后加工，常见的有以下几种。,三、翻译后的加工 从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白,新生肽链的折叠 细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，一般需要在折叠酶（包括蛋白质二硫键异构酶 和肽-脯氨酰顺反异构酶 ）和分子伴侣的参与下才能完成。N端的甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：在去甲酰酶催化下将肽链合成的起始氨基酸-甲酰甲硫氨酸水解脱掉甲酰基，以便肽链形成所需的构象。在氨肽酶催化下切去N末端一个或几个氨基酸。氨基酸残基侧链的修饰 包括二硫键的形成，赖氨酸、脯氨酸的羟基化，丝氨酸。苏氨酸的磷酸化，组氨酸的甲基化，谷氨酸的羧基化等。,新生肽链的折叠 细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成,辅基的连接和亚基的聚合 结合蛋白的合成过程中，多肽链合成后还需进一步与辅基连接起来,才具有生物学功能，如糖蛋白中糖链的加入；血红蛋白在各条多肽链合成后，还需通过非共价键将亚基聚合成多聚体，形成蛋白质的四级结构。水解修剪 一些多肽合成后需要在特异蛋白水解酶的作用下，去除某些肽段或氨基酸残基。靶向输送 蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列 。,辅基的连接和亚基的聚合 结合蛋白的合成过程中，多肽链合成,四、蛋白质生物合成与医学,（一）分子病 由于基因突变导致蛋白质一级结构的改变，进而引起生物体某些结构和功能的异常，这种疾病称为分子病。如镰刀型红细胞贫血病，其原因为血红蛋白-链的基因发生点突变，导致合成的-链N端第6位氨基酸残基由亲水的谷氨酸被疏水的缬氨酸所取代，使原来水溶性的血红蛋白中形成粘性小区，容易互相粘着，聚集成丝，附着在红细胞膜上，导致红细胞变形成镰刀状，在氧分压降低的情况下极易破裂，产生溶血性贫血。,四、蛋白质生物合成与医学（一）分子病,（二）抗生素对蛋白质合成的影响 蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。,（二）抗生素对蛋白质合成的影响,了解,了解,此外，白喉毒素可特异抑制人、哺乳动物肽链延长因子2的活性，强烈抑制蛋白质的生物合成。干扰素通过活化一种蛋白激酶，使起始因子2磷酸化二失活，抑制翻译起始。,此外，白喉毒素可特异抑制人、哺乳动物肽链延长因子2的活性，强,