生物化学及分子生物学(人卫第九版)-15蛋白质的合成doc资料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,作者,:,孙露洋 倪菊华,单位,:,北京大学,第十五章,蛋白质的合成,Protein Biosynthesis,第一节 蛋白质合成体系,第二节 氨基酸与,tRNA,的连接,第三节 肽链的合成过程,第四节 蛋白质合成后的加工和靶向输送,第五节 蛋白质合成的干扰和抑制,重点难点,熟悉,了解,掌握,蛋白质合成的概念及特点；蛋白质合成体系的组成及各自功能；遗传密码的特点；翻译后加工的主要方式。,蛋白质合成基本过程；原核生物与真核生物蛋白质合成的异同；蛋白质合成后的靶向输送机制。,分子伴侣的功能；各类蛋白质亚细胞定位分拣信号的特点；抗生素和毒素对蛋白质合成的影响,蛋白质合成体系,Protein-synthesizing System,第一节,密码子（,codon),在,mRNA,的开放阅读框区域，每,3,个相邻的核苷酸为一组，编码,一种氨基酸，称为三联体密码（,triplet code,）或密码子。,遗传密码（,genetic code,）,起始密码子和终止密码子,起始密码子（,initiation codon,）：,AUG,终止密码子（,termination codon,）：,UAA,、,UAG,、,UGA,一、,mRNA,是蛋白质合成的模板,第,1,个核苷酸,（,5,端）,第,2,个核苷酸,第,3,个核苷酸,（,3,端）,U,C,A,G,U,苯丙氨酸,苯丙氨酸,亮氨酸,亮氨酸,丝氨酸,丝氨酸,丝氨酸,丝氨酸,酪氨酸,酪氨酸,终止密码子,终止密码子,半胱氨酸,半胱氨酸,终止密码子,色氨酸,U,C,A,G,C,亮氨酸,亮氨酸,亮氨酸,亮氨酸,脯氨酸,脯氨酸,脯氨酸,脯氨酸,组氨酸,组氨酸,谷氨酰胺,谷氨酰胺,精氨酸,精氨酸,精氨酸,精氨酸,U,C,A,G,A,异亮氨酸,异亮氨酸,异亮氨酸,*,甲硫氨酸,苏氨酸,苏氨酸,苏氨酸,苏氨酸,天冬酰胺,天冬酰胺,赖氨酸,赖氨酸,丝氨酸,丝氨酸,精氨酸,精氨酸,U,C,A,G,G,缬氨酸,缬氨酸,缬氨酸,缬氨酸,丙氨酸,丙氨酸,丙氨酸,丙氨酸,天冬氨酸,天冬氨酸,谷氨酸,谷氨酸,甘氨酸,甘氨酸,甘氨酸,甘氨酸,U,C,A,G,遗传密码表,遗传密码的特点：,方向性（,directional,）,连续性（,non-punctuated,）,简并性（,degeneracy,）,摆动性（,wobble,）,通用性（,universal,）,密码子的连续性,（,a,）氨基酸的排列顺序对应于,mRNA,中密码子的排列顺序；,（,b,）核苷酸插入导致移码突变,密码子的摆动性,运载氨基酸：氨基酸各由其特异的,tRNA,携带，一种氨基酸可有几种对应的,tRNA,，氨基酸结合在,tRNA 3-CCA,的位置，结合需要,ATP,供能；,充当“适配器”：每种,tRNA,的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在,mRNA,上对号入座。,tRNA,的作用,二、,tRNA,是氨基酸和密码子之间的特异衔接子,合成肽链时,mRNA,与,tRNA,的相互识别、肽键形成、肽链延长等过程全部在核糖体上完成，核糖体沿着模板,mRNA,链从,5,端向,3,端移动。,核糖体类似于一个移动的多肽链“装配厂”,三、核糖体是蛋白质合成的场所,核糖体的功能位点,酶类：,氨酰,-tRNA,合成酶,肽酰转移酶,转位酶,蛋白质因子：,起始因子（,initiation factor,，,IF,）,延长因子（,elongation factor,，,EF,）,释放因子（,release factor,，,RF,）,四、蛋白质合成需要多种酶类和蛋白质因子,种类,生物学功能,起始因子,IF1,IF2,IF3,占据核糖体,A位，防止tRNA过早结合于A位,促进,fMet-tRNA,fMet,与小亚基结合,阻止大、小亚基过早结合；增强,P位结合fMet-tRNA,fMet,的特异性,延长因子,EF-Tu,EF-Ts,EF-G,促进氨酰,-tRNA进入A位，结合并分解GTP,EF-Tu的调节亚基,有转位酶活性，促进,mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位；,促进,tRNA卸载与释放,释放因子,RF1,RF2,RF3,特异识别终止密码,UAA或UAG；诱导肽酰转移酶转变为酯酶,特异识别终止密码,UAA或UGA；诱导肽酰转移酶转变为酯酶,具有,GTPase活性，当新合成肽链从核糖体释放后，促进RF1或,RF2与核糖体分离,原核生物肽链合成所需要的蛋白质因子,种类,生物学功能,起始因子,eIF1,eIF1A,eIF2,eIF2B，eIF3,eIF4A,eIF4B,eIF4E,eIF4G,eIF4F,eIF5,eIF5B,结合于小亚基的,E位，促进eIF2-tRNA-GTP复合物与小亚基相互作用,原核IF1的同源物，防止tRNA过早结合于A位,具有GTPase活性，促进起始Met-tRNA,Met,与小亚基结合,最先与小亚基结合的起始因子；促进后续步骤的进行,eIF4F复合物成分，具有RNA解旋酶活性，解开mRNA二级结构，使其与小亚基结合,结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始密码AUG,eIF4F复合物成分，结合于mRNA的5,-帽结构,eIF4F复合物成分，结合eIF4E和poly(A)结合蛋白(PABP),包含,eIF4A、eIF4E、eIF4G的复合物,促进各种起始因子从小亚基解离，从而使大、小亚基结合,具有GTPase活性，促进各种起始因子从小亚基解离，从而使大、小亚基结合,延长因子,eEF1,eEF1,eEF2,与原核,EF-Tu功能相似,与原核EF-Ts功能相似,与原核EF-G功能相似,释放因子,eRF,识别所有终止密码,真核生物肽链合成所需要的蛋白质因子,氨基酸与,tRNA,的连接,The Attachment of Amino Acid onto its tRNA,第二节,氨基酸与,tRNA,连接的专一性由氨酰,-tRNA,合成酶决定。氨酰,-tRNA,合成酶具有高度专一性，既能识别特异的氨基酸，又能辨认应该结合该种氨基酸的,tRNA,。因此，氨酰,-tRNA,合成酶对底物氨基酸和,tRNA,都有高度特异性。,一、氨酰,-tRNA,合成酶识别特定氨基酸和,tRNA,反应过程,氨基酸,+tRNA,氨酰,-tRNA,ATP,AMP,PPi,氨酰,-tRNA,合成酶,氨酰,-tRNA,合成酶催化,ATP,分解为焦磷酸与,AMP,；,第一步反应,第二步反应,AMP,、酶、氨基酸三者结合为中间复合体（氨酰,-AMP-,酶），其中氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相联而活化；,第三步反应,活化氨基酸与,tRNA 3-CCA,末端的腺苷酸的核糖,2,或,3,位的游离羟基以酯键结合，形成相应的氨酰,-tRNA,。,氨酰,-tRNA,的合成,二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨酰,-tRNA,起始氨酰,-tRNA:Met-tRNA,iMet,参与肽链延长的甲硫氨酰,-tRNA,：,Met-tRNA,Met,真核生物,原核生物,起始氨酰,-tRNA:fMet-tRNA,fMet,肽链的合成过程,Synthesis Process of Peptide Chain,第三节,原核生物翻译起始复合物的形成,一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成,核糖体大小亚基分离,mRNA,与核糖体小亚基结合,fMet-tRNA,fMet,结合在核糖体,P,位,翻译起始复合物形成。,真核生物翻译起始复合物的形成,43S,前起始复合物的形成,mRNA,与核糖体小亚基结合,核糖体大亚基的结合,mRNA,的,S-D,序列,原核翻译起始复合物的形成,真核翻译起始复合物的形成,二、在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链,翻译起始复合物形成后，核糖体从,mRNA,的,5,端向,3,端移动，依据密码子顺序，从,N,端开始向,C,端合成多肽链,在核糖体上重复进行进位、成肽和转位，每循环,1,次，肽链上即可增加,1,个氨基酸残基,真核生物的肽链延长机制与原核生物基本相同，但亦有差异，如二者所需延长因子不同，真核生物需要,eEF1,、,eEF1,和,eEF2,这三类延长因子，其功能分别对应于原核生物的,EF-Tu,、,EF-Ts,和,EF-G,。此外，在真核生物，一个新的氨酰,-tRNA,进入,A,位后会产生变构效应，致使空载,tRNA,从,E,位排出。,三步反应,进位,（,positioning,）：氨酰,-tRNA,按照,mRNA,模板的指令进入核糖体,A,位的过程，又称注册,成肽（,peptide bond formation,）：核糖体,A,位和,P,位上的,tRNA,所携带的氨基酸缩合成肽的过程,转位（,translocation,）：成肽反应后，核糖体需要向,mRNA,的,3,端移动一个密码子的距离，方可阅读下一个密码子，此过程为转位,肽链延长,三、终止密码子和释放因子导致肽链合成终止,肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要经过一次进位、成肽和转位反应。如此往复，直到核糖体的,A,位对应到了,mRNA,的终止密码子上。,终止密码子不被任何氨酰,-tRNA,识别，只有释放因子,RF,能识别终止密码子而进入,A,位，这一识别过程需要水解,GTP,。,原核生物有,3,种,RF,RF1,识别,UAA,或,UAG,，,RF2,识别,UAA,或,UGA,，,RF3,则与,GTP,结合并使其水解，协助,RF1,与,RF2,与核糖体结合。,真核生物仅有,eRF,一种释放因子,所有,3,种终止密码子均可被,eRF,识别。,真核生物中肽链合成完成后的水解释放过程尚未完全了解。,多聚核糖体（,polyribosome,或,polysome,）：,多个核糖体结合在,1,条,mRNA,链上所形成的聚合物。多聚核糖体的形成可以使肽链合成高速度、高效率进行,。,多聚核糖体,蛋白质合成后的加工和靶向输送,Processing and Targeting of Synthesized Proteins,第四节,一、新生肽链折叠需要分子伴侣,细胞中大多数天然蛋白质折叠并不是自发完成的，其折叠过程需要其他酶或蛋白质的辅助，这些辅助性蛋白质可以指导新生肽链按特定方式正确折叠，它们被称为分子伴侣（,molecular chaperone,）。,目前研究得较为清楚的分子伴侣是热激蛋白,70,（,heat shock protein 70,Hsp70,）家族和伴侣蛋白（,chaperonin,）。,Hsp70,：在蛋白质翻译后加工过程中，,Hsp70,与未折叠蛋白的疏水区结合，既可避免蛋白质因高温而变性，又可防止新生肽链过早折叠。,Hsp70,也可以使一些跨膜蛋白在转位至膜前保持非折叠状态。有些,Hsp70,通过与多肽链结合、释放的循环过程，使多肽链发生正确折叠。这个过程需要,ATP,水解供能，并需要其他伴侣蛋白如,Hsp40,的共同作用。,chaperonin,：其主要作用是为非自发性折叠肽链提供正确折叠的微环境。例如，在大肠杆菌，约有,10%15%,的细胞内蛋白质的正确折叠依赖伴侣系统,GroEL/GroES,，热激条件下依赖该系统的蛋白质则高达,30%,。在真核细胞，与,GroEL/GroES,功能类似的伴侣蛋白是,Hsp60,。,Hsp70,作用示意图,GroES/GroEL,系统的作用原理,二、肽链水解加工产生具有活性的蛋白质或多肽,新生肽链的水解是肽链加工的重要形式。新生肽链,N,端的甲硫氨酸残基，在肽链离开核糖体后，大部分即由特异的蛋白水解酶切除。,还有许多蛋白质在初合成时是分子量较大的没有活性的前体分子，如胰岛素原、胰蛋白酶原等。这些前体分子也需经过水解作用切除部分肽段，才能成为有活性的蛋白质分子或功能肽。,有些多肽链经水解可以产生数种小分子活性肽，如阿黑皮素原（,pro-opiomelanocortin,，,POMC,）。,POMC,的水解修饰,化学修饰类型,被修饰的氨基酸残基,磷酸化,丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸,N-糖基化,天冬酰胺,O-糖基化,丝氨酸、苏氨酸,羟基化,脯氨酸赖氨酸,甲基化,赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸,乙酰化,赖氨酸、丝氨酸,体内常见的蛋白质化学修饰,三、氨基酸残基的化学修饰改变蛋白质的活性,四、亚基聚合形成具有四级结构的活性蛋白质,通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质；,具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体（,oligomer,）；,辅基连接后形成完整的结合蛋白质；,结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。,五、蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位,分泌型蛋白质在内质网加工及靶向输送,内质网蛋白的,C,端含有滞留信号序列,大部分线粒体蛋白在细胞质合成后靶向输入线粒体,质膜蛋白质由囊泡靶向输送至细胞膜,核蛋白由核输入因子运载经核孔入核,蛋白种类,信号序列,结构特点,分泌蛋白和膜蛋白,信号肽,由,1336个氨基酸残基组成，位于新生肽链N端,核蛋白,核定位序列,由,48个氨基酸残基组成，通常包含连续的碱性氨基酸（Arg或Lys），在肽链的位置不固定,内质网蛋白,内质网滞留信号,肽链,C端的Lys-Asp-Glu-Leu序列,核基因组编码的线粒体蛋白,线粒体前导肽,由,2035个氨基酸残基组成，位于新生肽链N端,溶酶体蛋白,溶酶体靶向信号,甘露糖,-6-磷酸（Man-6-P）,蛋白质的亚细胞定位分捡信号,信号肽结构特点,分泌型蛋白质的加工与靶向输送,核蛋白的靶向输送,蛋白质合成的干扰和抑制,Interference and Inhibition of Protein Synthesis,第五节,一、许多抗生素通过抑制蛋白质合成发挥作用,抗生素,作用位点,作用原理,应用,伊短菌素,原核、真核核糖体的小亚基,阻碍翻译起始复合物的形成,抗病毒药,四环素,原核核糖体的小亚基,抑制氨酰,-tRNA与小亚基结合,抗菌药,链霉素、新霉素、巴龙霉素,原核核糖体的小亚基,引起读码错误；抑制起始,抗菌药,氯霉素、林可霉素、红霉素,原核核糖体的大亚基,抑制肽酰转移酶，阻断肽链延长,抗菌药,放线菌酮,真核核糖体的大亚基,抑制肽酰转移酶，阻断肽链延长,医学研究,嘌呤霉素,原核、真核核糖体,使肽酰基转移到它的氨基上，,肽链脱落,抗肿瘤药,夫西地酸、微球菌素,原核延长因子,EF-G,阻止转位,抗菌药,大观霉素,原核核糖体的小亚基,阻止转位,抗菌药,常用抗生素抑制肽链合成的原理及应用,白喉毒素的作用原理,二、某些毒素抑制真核生物的蛋白质合成,蛋白质具有种属特异性，因此各种生物的蛋白质必须由机体自身合成。,蛋白质合成体系包括原料氨基酸，模板,mRNA,、氨基酸搬运工具,tRNA,、蛋白质合成场所核糖体，以及合成各阶段所需的酶和蛋白质因子等。,蛋白质合成过程包括起始、延长和终止三个阶段。,原核生物和真核生物的肽链合成过程基本相似，只是真核生物的反应更为复杂、涉及的蛋白质因子更多。,翻译后加工包括在分子伴侣帮助下的肽链折叠、肽链末端及内部的水解、肽链中氨基酸残基的化学修饰、亚基聚合等方式。,蛋白质在细胞质合成后，还需要被靶向输送至其发挥功能的亚细胞区域，或分泌到细胞外。,蛋白质生物合成是许多药物和毒素的作用靶点。,本章知识点框架图：,蛋白质的合成,蛋白质合成体系,蛋白质合成后的加工和靶向输送,原核生物,真核生物,1.,起始氨酰,-tRNA:fMet-tRNA,fMet,2.,翻译起始复合物的形成,核糖体大小亚基分离,mRNA,与核糖体小亚基结合,fMet-tRNA,fMet,结合在核糖体,P,位,翻译起始复合物形成,3.,进位、成肽和转位,延长因子：,EF-Tu,、,EF-Ts,和,EF-G,4.,肽链合成终止,RF1,识别,UAA,或,UAG,，,RF2,识别,UAA,或,UGA,，,RF3,则与,GTP,结合并使其水解，协助,RF1,与,RF2,与核糖体结合,蛋白质生物合成是许多药物和毒素的作用靶点,1.,起始氨酰,-tRNA:Met-tRNA,i,Met,2.,翻译起始复合物的形成,43S,前起始复合物的形成,mRNA,与核糖体小亚基结合,核糖体大亚基的结合,3.,进位、成肽和转位,延长因子：,eEF1,、,eEF1,和,eEF2,4.,肽链合成终止,释放因子：,eRF,蛋白质的合成过程,1.,原料：氨基酸,2.,模板：,mRNA,3.,氨基酸搬运工具：,tRNA,4.,蛋白质合成场所：核糖体,5.,酶和蛋白质因子,1.,翻译后加工：在分子伴侣帮助下的肽链折叠、肽链末端及内部的水解、肽链中氨基酸残基的化学修饰、亚基聚合。,2.,蛋白质靶向输送至其发挥功能的亚细胞区域，或分泌到细胞外。,常用抗生素：,伊短菌素,、,四环素,、,链霉素、新霉素、巴龙霉素,、,氯霉素、林可霉素、红霉素,、,放线菌酮,、,嘌呤霉素,、,夫西地酸、微球菌素,、,大观霉素,