蛋白质的生物合成.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Chapter 12 Protein Biosynthesis，Translation,1/106,蛋白质生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA遗传信息，再详细转译为蛋白质中氨基酸排列次序过程，这一过程被称为,翻译（translation）,。,Whats translation?,2/106,Section 1 Protein Biosynthesis System,3/106,需要处理问题：,参加多肽链生物合成物质有哪些？各有何作用？,什么是,顺反子,？什么是,单顺反子,？什么是,多顺反子,？,什么是,遗传密码,？共有多少种？,起始密码,和,终止密码,分别有哪些？,什么是,开放阅读框,？,遗传密码,特点,有哪些？,核糖体大、小亚基是怎样组装？有何,生理功效,？,4/106,什么是,多聚核糖体,？,氨基酰tRNA合成酶有何生理作用？其作用,特点,是什么？,什么是,起始tRNA,？原核和真核生物起始tRNA分别携带,何种氨基酸,？,原核生物和真核生物起始因子、延长因子和释放因子分别有哪些？各有何,作用,？,多肽链生物合成时,供能物质,有哪些？,能量消耗,有多少？,5/106,蛋白质生物合成体系,原料：20种编码氨基酸,模板：mRNA,载体：tRNA,装配机：核糖体（核蛋白体）,酶和蛋白因子：氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子（IF）、延长因子（EF）、释放因子（RF）等,供能物质：ATP、GTP,无机离子：Mg,2+,、K,+,6/106,一、mRNA是多肽链生物合成直接模板,mRNA is the direct template for peptide biosynthesis,mRNA是翻译直接模板。,遗传学将编码一条多肽链遗传单位称为,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mRNA可编码几个功效相关多肽链，为,多顺反子（polycistron）,。,真核mRNA只编码一条多肽链，为,单顺反子（single cistron）,。,7/106,多顺反子与单顺反子,8/106,mRNA上遗传密码,起始密码（initiation codon）:,AUG,终止密码（termination codon）:,UAA，UAG，UGA,Whats genetic codon?,作为指导多肽链生物合成模板，mRNA中每三个相邻核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸信息，此三联体就称为,遗传密码,。,遗传密码共有64种，其中：,9/106,标准通用遗传密码表,10/106,从mRNA 5,端起始密码子AUG到3,端终止密码子之间核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为,开放阅读框（open reading frame,ORF）,。,Start of genetic message,Cap,End,Tail,5-端非翻译区,5,3,3-端非翻译区,开放阅读框架,11/106,遗传密码含有以下特点：,连续性,；,简并性,；,通用性,；,方向性,；,摆动性,。,12/106,1.连续性（commaless）：,遗传密码特点,指编码蛋白质氨基酸序列各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。,5.,A U G,G C A,G U A,C A U,U A A,3,Ala,Val,His,Met,终止密码,13/106,遗传密码连续性,14/106,基因损伤引发mRNA开放阅读框内碱基发生插入或缺失，可能造成,框移突变（frame-shift mutation）,。,15/106,2.简并性（degeneracy）：,遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。,同一氨基酸存在多个不一样遗传密码现象称为遗传密码,简并性,。,遗传密码简并性在保持遗传稳定性上含有主要意义。,16/106,遗传密码简并性,17/106,3.通用性（universal）：,蛋白质多肽链生物合成整套密码，从原核生物到人类都通用。,已发觉少数例外，如动物细胞线粒体、植物细胞叶绿体等。,密码通用性深入证实各种生物进化自同一祖先。,18/106,4.方向性（direction）：,指阅读mRNA模板上三联体密码时，只能沿5,3,方向进行。,19/106,5.摆动性（wobble）：,转运氨基酸tRNA反密码需要经过碱基互补与mRNA上遗传密码,反平行配对,结合。,但反密码与密码之间经常不严格恪守碱基配对规律，称为,摆动配对,。,20/106,密码子与反密码子摆动配对,tRNA反密码子,第1位碱基,I,U,G,A,C,mRNA密码子,第3位碱基,U,C,A,A,G,U,C,U,G,21/106,U,摆动配对现象示意图,22/106,核糖体（又称核蛋白体），是多肽链合成场所，是由各种rRNA与蛋白质组装形成复合体。,二、核糖体是多肽链生物合成场所,Ribosome is the place for peptide biosynthesis,23/106,核糖体组成,24/106,大肠杆菌核糖体空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基结合面为多肽链生物合成场所。,25/106,1,三个与tRNA结合位点：,A位：,又称受位或氨酰基位，可与新进入氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成份组成。,P位：,又称给位或肽酰基位，可与延伸中肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成份组成。,E位：,又称排出位，见于,原核生物,，空载tRNA脱离核糖体前结合位点；主要由大亚基成份组成。,核糖体大、小亚基功效,26/106,原核生物翻译过程中核糖体结构模式,A位：氨基酰位,(aminoacyl site),P位：肽酰位,(peptidyl site),E位：排出位,(exit site),27/106,2.,与模板mRNA,和,起始tRNA结合位点,：,主要与小亚基相关。,3.,转肽酶活性,：,将给位上肽酰基转移给受位上氨基酰tRNA，形成肽键；由大亚基成份组成。,4.,GTPase活性,：,水解GTP，取得能量；分别由大、小亚基成份组成。,5.,起始因子、延长因子及释放因子结合位点,：,分别由大、小亚基成份组成。,28/106,在多肽链生物合成过程中，经常由若干核糖体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核糖体之间存在一定间隔，形成念球状结构。,由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多肽链翻译所形成念球状结构称为,多聚核糖体（polysome）,。,29/106,多聚核糖体示意图,电镜下多聚核糖体,30/106,氨基酸臂,反密码环,三、tRNA是多肽链生物合成运载工具和适配器,tRNA is the carrier and adapter for peptide biosynthesis,31/106,tRNA三级结构示意图,32/106,能够识别mRNA中5端起始密码,AUG,tRNA是一个特殊tRNA，称为,起始tRNA,。,在原核生物中，起始tRNA是一个携带甲酰蛋氨酸tRNA，即,fMet-tRNA,fmet,；而在真核生物中，起始tRNA是一个携带蛋氨酸tRNA，即,Met-tRNA,i,met,。,在原核生物和真核生物中，均存在另一个携带蛋氨酸tRNA，识别非起动部位蛋氨酸密码AUG。,33/106,34/106,氨基酸,活化,与,携带连接,反应由,氨基酰tRNA合成酶,催化。,特异tRNA与对应氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而由tRNA携带活化氨基酸参加多肽链生物合成。,四、氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸活化与连接,The activating and linking with their carriers of amino acids are catalyzed by aminoacyl-tRNA synthetases,氨基酸+,tRNA,氨基酰-,tRNA,ATP,AMP,PPi,氨基酰-tRNA合成酶,35/106,tRNA与酶结合模型,tRNA,氨基酰-,tRNA,合成酶,ATP,36/106,氨基酰tRNA合成酶催化反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi,第一步：活化反应,37/106,第二步：连接反应,氨基酰-AMP-E,tRNA,氨基酰-tRNA,AMP,E,38/106,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合成酶含有,校正活性,（proof-reading activity）。,氨基酰-tRNA表示方法：,Ala-tRNA,Ala,Ser-tRNA,Ser,Met-tRNA,Met,39/106,与多肽链合成起始相关蛋白因子称为,起始因子（initiation factor，IF）,。,五、起始因子参加多肽链生物合成起始过程,Initiation factors participate in the initiation process of peptide biosynthesis,40/106,原核生物中存在,3种,起始因子，分别称为IF,1-3,。在真核生物中存在,9种,起始因子（eIF）。,IF作用主要是促进核糖体小亚基与起始tRNA及模板mRNA结合。,41/106,原核和真核生物中各种起始因子生物功效,42/106,与多肽链合成延伸过程相关蛋白因子称为,延长因子（elongation factor，EF）,。,六、延长因子参加多肽链生物合成延长过程,Elongation factors participate in the elongation process of peptide biosynthesis,EF-Tu bound with ribosome,43/106,原核生物中存在,3种,延长因子（EF-T,U,，EF-T,S,，EF-G），真核生物中存在,2种,（EF,1,，EF,2,）。,EF作用主要是促使,氨基酰tRNA进入,核蛋白受位；并可促进移位过程，即含有,转位酶,活性，可催化核糖体向mRNA 3-端移动一个密码子距离，使下一个密码子定位于A位。,44/106,多肽链合成延长因子,45/106,与多肽链合成终止并使之从核糖体上释放相关蛋白因子称为,释放因子（release factor，RF）,。,七、释放因子参加多肽链生物合成终止,Release factors participate in the termination process of peptide biosynthesis,Eukaryotic Release Factor,46/106,RF在原核生物中有,3种,，在真核生物中只有,1种,。,原核生物释放因子：,RF-1，RF-2，RF-3,真核生物释放因子：,eRF,47/106,RF生物学功效主要有：,识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。,诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核糖体上释放。,48/106,多肽链合成时，需,ATP、GTP,作为供能物质，并需,Mg,2+,、,K,+,参加。,氨基酸活化时需消耗2个高能磷酸键，肽键形成时（进位和转位）又消耗2个高能磷酸键，合成错误校正和消除常需消耗1个高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基平均需消耗,5个高能磷酸键（5分子ATP）,。,八、多肽链生物合成过程需要供能物质和无机离子,Energy materials and ions are needed in the process of peptide biosynthesis,49/106,课后讨论：,mRNA模板上是否存在特殊结构，方便于核糖体识别和结合？在原核生物和真核生物中，这种特殊结构是否相同？,50/106,Section 2 The Process of Peptide Biosynthesis,51/106,需要处理问题：,原核生物和真核生物中，多肽链生物合成包含哪些主要步骤？,什么是,核糖体循环,？核糖体循环主要由哪些,反应,过程所组成？,多肽链合成时，延长一个氨基酸残基需要消耗多少分子,ATP,？,52/106,蛋白质生物合成过程包含三大步骤：,氨基酸活化与搬运；,活化氨基酸在核糖体上缩合生成多肽链；,多肽链合成后加工修饰。,本节主要介绍活化氨基酸在核糖体上缩合生成多肽链过程，这一过程包含多肽链合成,起始,、,延长,和,终止,三个阶段。,53/106,包含以下几个步骤：,核糖体大、小亚基分离；,mRNA在小亚基定位结合；,起始氨基酰-tRNA结合；,核糖体大亚基结合。,一、原核生物多肽链合成过程,The processes of peptide synthesis in prokaryotes,（一）原核生物多肽链合成起始,54/106,IF-3,IF-1,1.核糖体大、小亚基分离：,IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核糖体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。,此时，IF-1占据核糖体A位。,55/106,A,U,G,5,3,IF-3,IF-1,2.mRNA在小亚基准确定位结合：,56/106,原核生物mRNA在核糖体小亚基上准确定位和结合包括两种机制：,核糖体小亚基对模板mRNA,S-D序列,识别和结合；,核糖体小亚基对模板mRNA,小核苷酸序列,识别结合。,57/106,原核mRNA起始部位由一段富含嘌呤特殊核苷酸次序组成，称为,Shine-Dalgarno序列,（,S-D序列,），即核糖体结合位点（RBS）。,而原核16S rRNA存在一段富含嘧啶序列，二者之间可经过碱基配对，使mRNA与核糖体小亚基结合。,58/106,小核苷酸序列是mRNA上紧接S-D序列之后序列，可被核糖体小亚基蛋白rpS-1识别结合。,经过上述两种机制，使mRNA能与核糖体小亚基准确定位结合。,59/106,IF-2,GTP,3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNA,f,met,)结合到小亚基,IF-3,IF-1,A,U,G,5,3,起始,fMet-tRNA,fmet,以及IF,2,-GTP一起，识别结合小亚基P位，并对应模板mRNA起始密码AUG。,60/106,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,-GDP,Pi,4.核糖体大亚基结合，形成起始复合体：,A,U,G,5,3,IF,2,结合GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet-tRNA,fMet,组成起始复合体。,61/106,多肽链合成延长阶段由一循环反应过程来完成，即,核糖体循环。,每完成一次核糖体循环增加一个氨基酸残基。,（二）原核生物多肽链合成延长,62/106,活化氨基酸在核糖体上重复翻译mRNA上密码并缩合生成多肽链循环反应过程，称为,核糖体循环,（ribosomal cycle）,。,核糖体循环包含多肽链合成,进位,、,成肽,和,转位,三步反应。,Whats ribosomal cycle?,63/106,1.进位（entrance）：,又称,注册(registration),，即,与mRNA下一个密码相对应氨基酰tRNA进入核糖体A位。,此步骤耗能，需,GTP,，Mg,2+,，和EF-T（EF-Tu和EF-Ts）参加。,64/106,2.成肽（peptide bond formation）：,成肽是由,转肽酶（transpeptidase）,催化肽键形成过程。,在转肽酶催化下，将,P位,上tRNA所携带,甲酰蛋氨酰基,或,肽酰基,转移到,A位,上氨基酰tRNA上，与其,-氨基缩合形成肽键。,此步骤需Mg,2+,，K,+,。,65/106,成肽反应过程,66/106,3.转位（translocation）：,延长因子,EF-G,有,转位酶（translocase）,活性，可促进核糖体向mRNA3侧移动相当于一个密码距离，同时使,肽酰基tRNA,从,A位,移到,P位,。,此步骤耗能，需,GTP,和Mg,2+,参加。,67/106,转位反应过程,68/106,此时，核糖体A位留空，与下一个密码相对应氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不停延长。,已失去甲酰蛋氨酰基或肽酰基tRNA从核糖体E位上脱落。,69/106,进位,转位,成肽,核糖体循环反应过程,70/106,核糖体沿mRNA链滑动，不停使多肽链延长，直到终止信号进入A位。,1识别：,RF识别终止密码，进入核糖体A位。,2水解：,RF使转肽酶变为酯酶，多肽链与tRNA之间酯键被水解，多肽链释放。,3.脱离：,模板mRNA、RF以及空载tRNA与核糖体脱离。,（三）原核生物多肽链合成终止,71/106,多肽链合成终止过程,72/106,多肽链合成终止演示,U,A,G,5,3,RF,COO,-,73/106,74/106,（一）真核生物多肽链合成起始,真核生物翻译起始复合体形成过程与原核生物类似，但参加蛋白因子更多。,核糖体大、小亚基分离；,起始氨基酰-tRNA结合；,mRNA在核糖体小亚基就位；,核糖体大亚基结合。,二、真核生物多肽链生物合成过程,The processes of peptide synthesis in eukaryotes,75/106,met,40S,60S,Me,t,Met,40S,60S,mRNA,eIF-2B、eIF-3、,eIF-6,elF-3,GDP+Pi,各种elF释放,elF-5,ATP,ADP+Pi,elF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB,Met,Met-tRNA,i,Met,-elF-2,-,GTP,真核生物翻译起始复合体形成过程,76/106,与原核生物基本类似，但参加反应延长因子不一样，由eEF-1替换EF-T完成进位，由eEF-2替换EF-G完成转位。,核糖体无E位，转位时空载tRNA直接从核糖体释放。,（二）真核生物多肽链合成延长,77/106,与原核生物类似，但RF只有一个，可识别全部终止密码。,（三）真核生物多肽链合成终止,78/106,Section 3 Post-translational Processing&Transportation of Peptide,79/106,需要处理问题：,多肽链怎样才能折叠成为含有特定空间构象和生物学活性蛋白质？,蛋白质一级结构修饰方式包含哪些？,蛋白质高级结构加工修饰方式有哪些？,蛋白质是怎样进行靶向输送？,什么是,信号序列,？什么是,信号肽,？,80/106,从核糖体释放出新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不一样翻译后复杂加工过程才转变为天然构象功效蛋白。,多肽链翻译后加工主要包含：,多肽链折叠,；,一级结构修饰,；,高级结构修饰,。,蛋白质合成后会被定向输送到其发挥作用特定部位，这一过程称为蛋白质,靶向输送,。,81/106,新生肽链折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核糖体上一出现，肽链折叠即开始。可伴随序列不停延伸肽链逐步折叠，产生正确二级结构、模体、结构域到形成完整空间构象。,普通认为，多肽链本身氨基酸次序储存着蛋白质折叠信息，即一级结构是空间构象基础。,细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其它酶或蛋白因子辅助。,一、多肽链折叠为天然构象蛋白质,A peptide chain could be folded into a protein with natural conformation,82/106,几个有促进蛋白折叠功效大分子,分子伴侣（molecular chaperon）；,蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase,PDI）；,肽-脯氨酰顺反异构酶（peptide prolyl cis-trans isomerase,PPI）。,83/106,1.分子伴侣：,分子伴侣,是细胞内一类保守蛋白质，可识别多肽链非天然构象，促进各功效域和整体蛋白质正确折叠。包含：,热休克蛋白,（heat shock protein,HSP）：,HSP70、HSP40和GreE族,伴侣素（,chaperonins）：,GroEL和GroES家族,84/106,2.蛋白二硫键异构酶：,多肽链内或肽链之间二硫键正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等天然构象十分主要，这一过程主要在细胞内质网进行。,蛋白二硫键异构酶,在内质网腔中活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定天然构象。,85/106,3.肽-脯氨酰顺反异构酶：,多肽链中肽酰-脯氨酸间形成肽键有顺反两种异构体，空间构象显著差异。,肽-脯氨酰顺反异构酶,可促进上述顺反两种异构体之间转换。,肽-脯氨酰顺反异构酶,是蛋白质三维构象形成限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。,86/106,N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸残基，必须在多肽链折迭成一定空间结构之前被切除。,二、蛋白质分子一级结构加工修饰,The processing and modification of primary structure of protein,去甲酰化：,甲酰化酶,甲酰蛋氨酸-肽,甲酸+蛋氨酸-肽,去蛋氨酰基：,蛋氨酸氨基肽酶,蛋氨酰-肽,蛋氨酸+肽,（一）N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸切除,87/106,由专一性蛋白酶催化，将部分肽段切除。,（二）氨基酸共价修饰,由专一性酶催化进行修饰，包含糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化以及疏水脂链共价连接等。,（三）多肽链水解修饰,88/106,鸦片促黑皮质素原(POMC)水解修饰,N,C,信号肽,PMOC,KR,KR,103,肽,(？),ACTH,-LT,-MSH,-MSH,Endophin,89/106,三、蛋白质分子空间结构修饰,Modification of spatial structure of protein,（一）亚基聚合,含有四级结构蛋白质由两条以上多肽链经过非共价键聚合形成寡聚体。,（二）辅基连接,结合蛋白合成后需要结合对应辅基才能成为含有天然活性蛋白质。,90/106,蛋白质合成后即被定向输送到特定部位发挥作用。在大多数情况下，被输送蛋白质分子需穿过膜性结构，才能抵达特定地点。,四、蛋白质合成后靶向输送到特定部位,Protein could be targeted to a special place after its synthesized,91/106,92/106,全部靶向输送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适当靶部位，这一序列称为,信号序列（signal sequence）,。,Whats signal sequence?,93/106,（一）分泌型蛋白靶向输送,真核细胞分泌型蛋白前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,Whats signal peptide?,各种新生分泌型蛋白N端存在保守氨基酸序列，可引导分泌型蛋白进入内质网并分泌至细胞外，称为,信号肽（signal peptide）,。,94/106,常见信号肽由1040个氨基酸残基组成，可分为三段。N端为带正电荷氨基酸残基，中间为疏水关键区，而C端由小分子氨基酸残基组成。接着是信号肽酶裂解位点。,在蛋白质被分泌后，信号肽序列可被,信号肽酶,识别并裂解。,95/106,常见分泌型蛋白质信号肽序列,96/106,分泌型蛋白定向输送，就是靠信号肽与胞浆中,信号肽识别颗粒（SRP）,识别并特异结合，然后再经过SRP与膜上,对接蛋白（DP）,或,SRP受体,识别并结合后，将所携带蛋白质送出细胞。,97/106,信号肽引导分泌型蛋白进入内质网,98/106,（二）线粒体蛋白靶向输送,99/106,（三）细胞核蛋白靶向输送,100/106,Section 4 I,nterference,&Inhibition of Protein Biosynthesis,101/106,需要处理问题：,抑制蛋白质生物合成抗生素有哪些？其作用机制有何不一样？,干扰素抑制蛋白质生物合成机制是什么？,102/106,一、抗生素类抑制蛋白质生物合成,抗生素抑制蛋白质生物合成原理,103/106,二、其它干扰蛋白质生物合成物质,如白喉毒素(diphtheria toxin)，可使真核生物延长因子eEF-2发生ADP糖基化失活，阻断肽链合成延长过程。,（一）毒素（toxin）,104/106,（二）干扰素,干扰素能诱导特异蛋白激酶，使真核生物起始因子eIF,2,磷酸化失活，抑制病毒蛋白质合成。,105/106,课后讨论：,胰岛素是由胰腺-细胞合成并分泌一个蛋白质类激素。其mRNA翻译直接产物是称为前胰岛原多肽，然后经加工转变成胰岛素并分泌至细胞外。请讨论胰岛素合成、加工及分泌详细过程。,106/106,