生物化学ppt课件 蛋白质生物合成.ppt

1,第十四章 蛋白质的生物合成CHAPTER 14 PROTEIN BIOSYNTHESIS,2,本章主要内容,蛋白质合成体系 mRNA与遗传密码 tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”rRNA(核糖体)是肽链合成的“装配机”蛋白质的合成过程 氨基酸的活化与转运 肽链合成的起动、延长、终止 真核生物蛋白质合成的特点翻译后加工与蛋白质合成后分泌 肽链合成后的加工与修饰 复合蛋白质的形成和亚单位的聚合 分泌蛋白的合成与分泌蛋白质合成与某些医学问题 分子病以及蛋白质生物合成的阻断剂,3,蛋白质是生命活动的物质基础,蛋白质具有高度种属特异性,蛋白质由生物体自行合成,4,5,翻译（translation）,蛋白质生物合成即翻译过程，是以mRNA为模板、由氨基酸通过肽键结合，形成特定多肽链的过程。这样，mRNA分子中的遗传信息被具体地翻译成为蛋白质的氨基酸排列顺序,6,第一节 蛋白质合成体系Section 1 THE MACHINERY OF PROTEIN SYNTHESIS,三种RNA：mRNA模板 tRNA 特异的“搬运工具”rRNA“装配机”20种氨基酸原料酶与蛋白质因子：如 IFeIF、EF、RF无机离子及能量：ATP、GTP,7,一 蛋白质合成机制研究的三大成就,20世纪50年代初，Zamecnik证明核糖体是蛋白质合成的场所,Three Advances for Deducing Protein Synthesis,8,Hoagland和Zamecnik发现了“活化”的氨基酸氨基酰tRNAs(1955),20世纪60年代确定RNA在蛋白质合成中的信息转换作用,tRNA adaptor,9,1949 Cold Spring Harbor Symposium.The man busy taking notes is Paul Zamecnik.Also in picture J.S.Fruton(L),K.Linderstrom-Lang(R).,1966 Cold Spring Harbor Symposium.Mahlon Hoagland(R)in discussion with Ernest Borek(L).,10,Paul Zamecnik in his office at Massachusetts General Hospital,1999.,Mahlon Hoagland at his home in Vermont,1999.,11,二 mRNA与遗传密码 mRNA and Genetic Code,遗传密码,mRNA的作用：翻译的直接模板,?,12,在mRNA分子上，从5端3端，每相邻的3个核苷酸组成一组，在蛋白质合成时，对应某一种氨基酸，这就是遗传密码（Genetic Code）相邻的三个核苷酸称为密码子(codon)或三联体密码(triplet),遗传密码 mRNA上的密码语言,13,遗传密码表,P355,14,简并性(Degeneracy)起始密码和终止密码(Initiation codon&Termination codons)方向性与无间隔性(Polarity&Commaless)通用性(Universal),遗传密码的特点：,15,(一)简并性（Degeneracy）,一种氨基酸对应多个密码子的现象称为简并,组成人体蛋白质的氨基酸：20种,16,遗传密码举例：,17,(二)起始密码与终止密码,(initiation codon&termination codons),起动信号,initiation codon,终止信号不代表任何氨基酸密码子,18,(三)方向性与无间隔性,方向性：密码子的排列是从mRNA 5 3端 起动信号位于 5 端；终止信号位于3端,无间隔性：密码子在mRNA上是连续的 相邻密码子之间既无间断也无交叉重叠 如插入或缺失碱基可导致移码突变,(Polarity&Commaless),(frame shift mutation),19,密码子的方向性和无间隔性,从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联密码子连续排列编码一个蛋白质多肽链,开放阅读框(open reading frame,ORF),20,密码子阅读框即无间隔也不重叠,蛋氨酸,一个碱基突变,会如何？,后续全变移码突变,一个碱基突变,一个氨基酸改变,第三个碱基改变 氨基酸有可能不变,C,21,(四)通用性（Universal）,从病毒、细菌到人，所有生物均使用同一套密码子说明各种生物在进化上具有同源性通用性是相对的 线粒体中：UAG不代表终止信号而是代表色氨酸 AGA、AGG：终止密码子 AUA：起始密码子；蛋氨酸 某些细菌：GUG也可作启动信号,22,tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”,tRNA,the adaptor of an amino acid to its codon,23,tRNA转运特点,tRNA转运氨基酸具有特异性 一种tRNA对应一种氨基酸 一种氨基酸可由多种 tRNA转运,tRNA上的反密码子识别mRNA上的密码子,使所携带的氨基酸准确对号入座,氨基酸结合于tRNA的3末端(CCA-OH)而活化如 丙氨酰tRNA(Ala-tRNAAla)蛋氨酰tRNA(Met-tRNAmet)起动蛋氨酰tRNA(fMet-tRNA fMet/Met-tRNA iMet),甲酰蛋氨酰tRNA(原核)蛋氨酰tRNA(真核),24,反密码子与密码子的配对：,（1）反向（2）不稳定（摆动性）,wobble,25,密码子、反密码子配对的摆动现象,反密码子的第 1、2、3个核苷酸与密码子的第 3、2、1个核苷酸配对,26,Example of Base-pairing Wobble,27,四 核糖体是肽链合成的“装配机”Ribosome，the Machinery for Synthesis of Peptide Chain,28,核糖体组成 大、小两个亚基 主要成分是多种蛋白质rRNA,29,核糖体的组成,5S,5.8S,28S-rRNA,核糖体功能区：,受位(氨基酰位,A位)acceptor site(aminoacyl site)给位(肽位,P位):donor site(peptidyl site)排出位（E位,原核）exit site,31,2tRNA停靠位点,真核生物核糖体结构模式,32,蛋白质合成的高效性多核糖体,（polysome）,（真核）,33,蛋白质合成的高效性多核糖体,（polysome）,（原核）,34,第二节 蛋白质的合成过程Section 2 PROCESS OF PROTEIN SYNTHESIS,氨基酸的活化活化氨基酸的转运活化氨基酸在核糖体上的缩合（核糖体循环）肽链合成启动（initiation）肽链延长（elongation）肽链合成的终止（termination）,35,一 氨基酸的活化与转运Activation and Transfer of Amino Acids,（一）氨基酸的活化与转运是酶促需能反应,36,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性,(二)氨基酰-tRNA合成酶保证翻译的忠实性(aminoacyl-tRNA synthetase),(proofreading activity),37,二 肽链合成的起动（原核生物）Initiation in Ribosome Cycle,需要因子：Mg2、GTP、ATP、起动因子(IF),38,原核起动因子(initiation factor,IF)：,IF2:促进小亚基与fmet-tRNAfmet结合;GTP酶活性（GTP GDP+Pi）IF3:抑制大、小亚基过早聚合;促进小亚基与mRNA结合 IF1:辅助IF2、IF3,39,起动复合体形成过程,核糖体大小亚基分离mRNA在小亚基定位结合起始氨基酰-tRNA的结合（30S起始复合物形成）核糖体大亚基结合（70S起始复合物形成）,40,IF-3,IF-1,1.核糖体大小亚基分离,41,IF-3,IF-1,2.mRNA在小亚基定位结合,42,S-D序列(Shine-Dalgarno sequence),43,IF-3,IF-1,3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet)结合到小亚基,30S起动复合体形成,44,4.核糖体大亚基结合,70S起动复合体形成,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,45,起动复合体形成过程,IF-3,IF-1,-GTP,GDP,Pi,46,三 肽链延长（原核生物）Elongation in Ribosome Cycle,即核糖体自mRNA 5端向3端推进翻译过程，需延长因子(EF)、GTP和无机离子,循环进行肽链延长,肽链延长过程：1.进位(entrance)2.成肽(peptide bond formation)3.转位(translocation),47,肽链合成的延长因子,(elongation factor,EF),EF-G,48,又称注册(registration),1.进位(entrance),根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位,49,延长因子EF-Tu 促进氨基酰tRNA 与核糖体A位结合延长因子EF-Ts 促进EF-Tu的再利用,50,2.成肽(peptide bond formation),由转肽酶催化的肽键形成过程,51,3.转位(Translocation),延长因子EF-G有转位酶活性，可结合并水解1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3侧移动,52,53,每一循环生成一个肽键 每生成一个肽键消耗4个高能磷酸键（活化:2；进位:1；转位:1）密码子阅读方向：5 3多肽链延长方向：N端C端,肽链延长过程特点：,54,四 肽链合成的终止Termination in Ribosome Cycle,当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体等分离，这些过程称为肽链合成的终止,55,终止因子辨认终止密码子（UAA、UGA、UAG）转肽酶转变为水解酶肽链释放mRNA释放大小亚基分离,终止因子（或称释放因子,release factor,RF）辨认终止密码，使转肽酶变为水解酶，水解肽链与tRNA 的连接，促进肽链从核蛋白体释放。,终止过程：,RF1,RF2,RF3,56,原核肽链合成终止过程,57,核糖体循环 Ribosome Cycle,蛋白质翻译过程中，核糖体大小亚基聚合完成肽链起始、延长及终止过程后解离，它们还可以再聚合成完整的核糖体，开始新的肽链合成，循环往复。,58,真核与原核生物蛋白质合成的异同：,相同点：遗传密码相同；组分相似：核糖体，tRNA，各种蛋白质因子 合成途径相似,不同点：（见下表）,五 真核生物蛋白质合成的特点Characteristics of Protein Synthesis in Eukaryotes,59,原核 真核 mRNA 多顺反子(polycistron)单顺反子(monocistron)无“帽、尾”结构，有“帽、尾”结构 5起动信号上游有SD序列 无SD序列 核蛋白体 30S+50S=70S 40S+60S=80S起始AA fMet-tRNAfMet Met-tRNAiMetIF、EF IF 3种 eIF 10多种及RF EF-Tu、EF-Ts、EF-G eEF1、eEF2 RF1、RF2、RF3 eRF转录与翻译 转录翻译偶联 不偶联（分隔进行）的关系（几乎同时进行）抑制剂 抗生素 白喉毒素、植物毒素等,60,真核生物线粒体存在独立的蛋白质合成体系，与真核细胞质合成体系不同，与原核体系类似。,抗生素有一定的副作用,61,第三节 翻译后加工与蛋白质合成后分泌Section 3 POSTTRANSLATIONAL PROCESSING AND SECRETORY PROTEINS,肽链合成后的加工和修饰结合蛋白质的形成和亚单位的聚合分泌蛋白的合成与分泌,从核糖体释放出的新生多肽链需经过各种翻译后加工过程才转变为天然构象的功能蛋白,主要包括：,62,一 肽链合成后的加工与修饰Post-translational Processing and Modification,(一)二硫键的形成 S S,多肽链内或链间由两个半胱氨酸残基形成二硫键二硫键对稳定蛋白质的天然构象十分重要这一过程主要在细胞内质网进行,63,胰岛素(insulin),核糖核酸酶(ribonuclease),64,(二)个别氨基酸残基的化学修饰,有些肽链中的氨基酸残基需经一定的化学修饰才能使蛋白质具有活性，参与正常的生理活动,例如：,磷酸化(Phosphorylation)：Ser、Thr、Tyr残基等乙酰化(Acetylation)：组蛋白甲基化(Methylation)：Lys残基羟化(Hydroxylation),65,磷酸化丝氨酸,磷酸化苏氨酸,磷酸化酪氨酸,66,例：,糖原分解,67,(三)蛋白质前体中肽段的切除,在核糖体合成的肽链大多数是蛋白质前体(precursor)，需水解切除部分肽段，才能形成有活性的蛋白质,胰岛素的加工,68,二 结合蛋白质的形成和亚单位的聚合Formation Of Complex Proteins or Multi-subunit Proteins,肽链空间折叠、亚基聚合、辅基结合,69,（一）蛋白质空间构象折叠,细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶或蛋白蛋白因子的辅助。,分子伴侣(molecular chaperone),是细胞内一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠,热休克蛋白(heat shock protein,HSP)伴侣素(chaperonins),70,伴侣素作用示意图,71,（二）亚单位的聚合,链,链,Hb,含多个亚基的蛋白质聚合成有生物活性的蛋白质,72,三 分泌蛋白的合成与分泌Synthesis and Secretion of Secretory Protein,信号肽(signal peptide)位于分泌蛋白N端 作用：输送肽链进入粗面内质网腔 序列保守,分泌蛋白在合成时均有信号肽序列,73,信号肽的一级结构,74,信号肽识别颗粒（Signal Recognition Particles，SRP）,作用,由6种蛋白质与7S-RNA组成的复合体,既与分泌蛋白的信号肽结合，又与内质网上的SRP受体结合，有助于信号肽找到粗面内质网,75,分泌蛋白质的合成,76,分泌型蛋白质合成后输送至细胞外,复制、转录和翻译的比较,78,第四节 蛋白质合成与某些医学问题Section 4 PROTEIN SYSTHESIS IN BIOMEDICAL IMPORTANCE,一 分子病 Molecular Diseases,由于DNA分子上的基因缺陷，使RNA和蛋白质合成异常，导致机体某些结构与功能的障碍而造成的疾病。此病可随个体繁殖而传给后代,例：镰刀形红细胞贫血（Hb 链N端第6位aa突变）,79,80,二 蛋白质合成的阻断剂Inhibitors of Protein Biosynthesis,作用于不同环节：复制过程：多数抗肿瘤药物 转录过程：利福平等 翻译过程：多数抗生素 作用于不同生物：原核生物：抗生素 真核生物：毒素,81,（一）抗生素类阻断剂 与核糖体结合，直接作用于翻译过程,82,（二）作为蛋白质合成阻断剂的毒素,42,抑制蛋白质合成的天然蛋白质,蓖麻蛋白：与真核60S 大亚基结合，抑 制肽链延伸,作用于哺乳动物,细菌毒素：,白喉毒素：作用于eEF2，使之失活,植物毒蛋白：,红豆碱,83,（三）其他蛋白质类阻断剂,干扰素 interferon 由真核细胞感染病毒后分泌，具有抗病毒作用,活化一种蛋白激酶，使哺乳类动物的启动因子eIF2 磷酸化，由此抑制蛋白质生物合成,宿主细胞蛋白质合成受限，抑制病毒繁殖,作用机制：,活化25-A合成酶，形成25-A，使mRNA降解,84,本章重点,三类RNA在蛋白质合成中的作用 遗传密码 概念、特点 蛋白质合成过程 氨基酸的活化与转运 核糖体循环 真核与原核合成过程的异同 蛋白质合成后加工 复制、转录、翻译的异同,