蛋白质的生物合成.ppt

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,*,*,第十一章,蛋白质的生物合成,温州医学院生物化学教研室,李春洋,遗传信息贮存于,DNA,分子中，通过转录生成,mRNA,，由,mRNA,传递的遗传信息被蛋白质生物合成成为蛋白质的氨基酸排列顺序，因此蛋白质生物合成过程又称为,翻译,。,蛋白质生物合成过程中需要,200,多种生物大分子参加，其中最关键的是,mRNA,、,tRNA,、,rRNA,。,翻译包含,起始,、,延长,和,终止,三个阶段的连续过程。,蛋白质生物合成的多肽链，要经过翻译后的,加工,，多种蛋白质在胞液合成后还需要,输送,到适当部位发挥作用。,第一节,参与,蛋白质生物合成的物质,一、蛋白质生物合成需要的原料,氨基酸是蛋白质合成的原料，由,mRNA,编码的氨基酸只有,20,种，它们是蛋白质合成的直接原料。,蛋白质分子中含有的一些特殊氨基酸是在肽链合成后经修饰加工形成的。,二、三种,RNA,在翻译中所起的作用,（一）,mRNA,的作用,mRNA是结构基因的转录产物，含有DNA传递的遗传信息。,mRNA,分子上以53方向，由,AUG,开始到3端终止密码子之间的核苷酸序列，称为一个,开放阅读框架,。,在阅读框架内，每,3,个连续的核苷酸组成一个三联体的遗传密码解读蛋白质中,20,种氨基酸，称为,遗传密码子,。,UCAGUCAGUCAGUCAG,遗传密码的特点：,方向性,起始密码子总是位于开放阅读框架,5,端，终止密码子位于,3,-,末端，且密码子的三个核苷酸也是按,5,3,方向阅读的。,连续性,阅读,mRNA,分子中遗传密码是从,5,端起始密码起始开始每,3,个核苷酸连续不断地向,3,端阅读，直至终止密码出现。,简并性,一个氨基酸具有两种或两种以上密码子（同义密码）的现象（除蛋氨酸和色氨酸外）。,摆动性,密码子和反密码子配对，有时会出现不遵循碱基配对规律的情况，称为遗传密码的摆动性。,通用性,是指所有生物体在蛋白质生物合成过程中使用的遗传密码相同。,tRNA,反密码子第,1,位碱基,mRNA,反密码子第,3,位碱基,I,U,、,C,、,A,U,A,、,G,G,U,、,C,A,U,C,G,（二）,tRNA,的作用,一种氨基酸可以和,2,6,种,tRNA,特异地结合，,tRNA,分子反密码环的反密码子与,mNRA,的密码子配对。,反密码子与密码子配对有时不严格遵守碱基配对原则，出现,摆动配对,。,（三）,rRNA,的作用,各种细胞核蛋白体都有大、小两个亚基构成，每个亚基都由多种,rRNA,和核蛋白质组成。,胞质中的核蛋白体分为两类：一类附着于粗面内质网；另一类游离于胞质。,核蛋白体小亚基上有mRNA结合的部位，使mRNA附着于核蛋白体上；,大亚基不仅有转肽酶活性，还有结合氨基酰的,A位,和结合肽酰的,P位,（在原核生物还有,E,位）。,三、蛋白质合成酶系,1.,氨基酰,-tRNA,合成酶,在,ATP,存在时，催化生成氨基酰,-tRNA,，具有绝对专一性和校正活性；,2.,转肽酶,位于核蛋白体大亚基（,核酶,），其作用是使大亚基P位上的肽酰基转移到A位上氨基酰基的氨基上生成肽键；,3.,转位酶,其活性存在于,EF-G,，其作用是使核蛋白体向mRNA的3-端移动一个密码子的距离。,氨基酸+,tRNA+ATP,氨基酰-,tRNA+AMP+PPi,氨基酰-,tRNA,合成酶,Mn,2+,或,Mg,2+,四、其他因子,其他蛋白质因子，如起始因子（,IF,/,eIF,）、延长因子（,EF,/eEF）、释放因子（,RF,/eRF,）等；,无机离子，如,Mg,2+,、,K,+,等；,供能物质，如,ATP,、,GTP,等。,第二节,蛋白质生物合成的过程,一、氨基酸的活化与转运,“,L,”,形的,tRNA,具有两个功能端：一端是反密码子，能识别,mRNA,中的密码子并与它配对结合；另一端能与氨基酸共价结合。,tRNA,携带的氨基酸是由,氨基酰-,tRNA,合成酶,催化的，该酶具有绝对专一性，能特异地识别氨基酸和,tRNA,，,并利用,ATP,释放的能量完成氨基酰-,tRNA,的合成。,氨基酸+,ATP-E,氨基酰-,AMP-E+PPi,氨基酰-,tRNA+AMP+E,氨基酰-,AMP-E+tRNA,密码子,AUG,可编码蛋氨酸（,Met,），同时还是起始密码。,在蛋白质合成过程中特异识别,mRNA,上起始密码子,AUG,的,tRNA,称为,起始,tRNA,，用,tRNA,i,或者,tRNA,i,met,表示；在多肽链延伸过程中运载氨基酸的,tRNA,统称为,普通,tRNA,，用,tRNA,或者,tRNA,met,表示。,真核生物：,Met-tRNA,i,Met,原核生物：,fMet-tRNA,i,f,Met,二、原核生物蛋白质的合成,（一）肽链生物合成的起始,原核蛋白质生物合成起始,是指大、小亚基、,mRNA,和具有启动作用的氨基酰,-tRNA,聚合为起始复合物的过程。,参与起始复合物形成的物质有核蛋白体大亚基、核蛋白体小亚基、,mRNA,、起始氨基酰（甲酰蛋氨酰）,-tRNA,和各种起始因子（,IF,或,eIF,）等。,原核生物翻译起始分为三个阶段：,核蛋白体亚基的拆离,30S,前起始复合物的形成,70S,起始复合物的形成,30,S,50,S,50,S,30,S,IF3,IF1,IF1,IF3,mRNA,AUG,2,6,3,4,5,S-D,GTP,，,Mg,2+,IF3,IF1,mRNA,AUG,2,6,3,4,5,S-D,mRNA,AUG,2,6,3,4,5,S-D,fMet-tRNA,fMet,IF2,IF1,2,3,mRNA,AUG,2,6,3,4,5,S-D,fMet-tRNA,fMet,30,S,IF3,IF1,IF1,IF2,IF3,GDP+Pi,50,S,mRNA,AUG,2,6,3,4,5,S-D,IF1,2,3,mRNA,AUG,2,6,3,4,5,S-D,fMet-tRNA,fMet,fMet-tRNA,fMet,（二）肽链的形成与延长,肽链延长阶段,是指根据,mRNA,密码序列的指导，依次添加氨基酸，从,N,端向,C,端延伸肽链，直到合成终止的过程。,原核和真核生物翻译延长过程基本相同，可分为,进位,、,成肽,和,转位,三个步骤，每循环一次延长一个氨基酸。,延长阶段需要的蛋白质因子称为,延长因子,（,EF,），还需要,GTP,、,Mg,2+,和,K,+,等参与。,（一,）,进位,根据,A,位上对应的,mRNA,遗传密码，相应的氨基酰,-tRNA,进入核蛋白体,A,位，称为,进位,（又称为,注册,）。,在进位前需要延长因子,EF-T,（包括,Tu,、,Ts,两个亚基）和,EF-G,的作用。,（二,）,成肽,（三,）,转位,进位,成肽,转位,（三）肽链合成的终止,参与肽链终止的蛋白质因子称为,释放因子,（RF）：,RF-1,（识别,UAA,、,UAG,）、,RF-2,（识别,UAA,、,UGA,）和,RF-3,（转肽酶变构、激活其酯酶活性）。,解聚后的大小亚基又可重新聚合形成起始复合物，开始另一条肽链的合成，此过程即,核蛋白体循环,。,三、真核生物蛋白质的合成,（一）参与蛋白质生物合成的蛋白质因子,参与翻译的起始因子较多,原核细胞延长因子,EF-Tu,和,EF-G,对应的真核细胞延长因子,eIF-1,和,eIF-2,，,tRNA,释放方式不同,真核细胞释放因子只有一种，具有,GTP,酶活性,（二）起始的氨基酰,-tRNA,生成起始复合物,IF,大小亚基分离,起始,tRNA,结合,mRNA,就位,IF-3,、,IF-1,核酸,-,核酸、核酸,-,蛋白质的辨认结合,eIF-3,、,3A,、,4C,eIF,IF-2,、,IF-1,eIF-2,、,2B,、,3,、,4C,eIF-3,、,1,、,4A,、,4B,、,4E,、,4F,大亚基结合,GTP,水解、各种,IF,脱落,eIF-5,原核生物,真核生物,功 能,EF-Tu,EF-Ts,EF-G,促进氨基酰-,tRNA,进入,A,位，结合,GTP,调节亚基，从,EF-Tu,中置换出,GDP,有转位酶活性，促进,mRNA-,肽酰-,tRNA,由,A,位进至,P,位，促进卸载,tRNA,的释放,EF1-,EF1-,、,EF2,（三）,mRNA,结构,真核生物的,mRNA,含有,7-,甲基鸟苷三磷酸形成的帽子结构（与核蛋白体结合）和多聚腺苷酸的尾（跨核膜转运）的单顺反子。,真核生物,mRNA,代谢较慢，无,SD,序列，其前体常含有插入序列，需要在加工时切除。,某些可感染哺乳动物的,RNA,病毒，其,RNA,部分呈,mRNA,活性，,RNA,内含有核蛋白体进入位点（类似,SD,序列）。,（四）形成起始复合物的机制,核蛋白体大、小亚基分离,起始氨基酰-,tRNA,的结合,mRNA,在核蛋白体小亚基的准确就位（扫描）,核蛋白体大亚基结合,40,S,Met-GTP-,eIF2,eIF3,eIF4C,40,S,mRNA,Met,Met,ATP,ADP+Pi,GDP+Pi,eIF2,3,4,C,5,eIF4A,4B,4E,4F,eIF5,60,S,Met,（五）转录和蛋白质生物合成的不同步性,（六）核糖体结构,（七）抑制剂,多聚核蛋白体循环,细胞内合成蛋白质时常常一条,mRNA,链上结合着多个核蛋白体同时进行肽链的合成，形成,多聚核蛋白体循环,；,核蛋白体在,mRNA,上最大密度为相隔80个核苷酸有一个核蛋白体。,第三节,蛋白质合成后的加工和靶向转运,一、蛋白质生物合成后的加工,（一）新生肽链的折叠,蛋白质二硫键异构酶,肽链脯氨酸异构酶,分子伴侣,GroES,GroEL,热休克蛋白HSP60,GroEL,（,Hsp60,）,折叠蛋白质的过程,二、一级结构的修饰,1.,起始蛋氨酸的去除,2.,剪接修饰,3.,部分氨基酸的共价修饰,磷酸化修饰；糖基化修饰；,羟基化修饰；二硫键形成。,KR,：赖氨酸和精氨酸残基,MSH,：促黑激素,LT,：脂酸释放激素,ACTH,：促肾上腺皮质激素,信号肽,KR,KR,KR,KR,103,肽,ACTH,-LT,-MSH,-MSH,内啡肽,POMC,POMC,：阿黑皮素原,三、高级结构的修饰,亚基的聚合,辅基的连接,疏水脂键的连接,糖链的添加,二、蛋白质生物合成后的靶向转运,不论是原核生物还是真核生物，细胞内合成的蛋白质都需要定位于细胞的特定区域才能发挥其作用，蛋白质合成后定向输送到其执行功能的区域的现象称为,蛋白质的靶向转运,（又称为,蛋白分送,）。,蛋白质,靶向转运去向,：保留在胞质；进入线粒体、细胞核或其他细胞器；分泌入体液，再输送到其应发挥作用的靶器官和靶细胞。,1.,原核生物蛋白质的跨膜转运,原核生物细胞外膜、内膜和周质膜间隙所含的蛋白质几乎都是分泌蛋白，其中绝大多数含有,信号肽,。,信号肽,（也称为,信号序列,）是指分泌性蛋白质其N端1436个以疏水氨基酸为主的保守性序列。,信号肽的作用是将合成的蛋白质移向内质网膜，与之结合最终穿过胞膜送出细胞外。,2.,真核生物蛋白质的分泌,在真核细胞中，蛋白质的生物合成与分泌是同时时行的，真核细胞合成的蛋白质的N端也有信号肽，也能形成两个-螺旋发夹结构，插入到内质网膜，将正在合成中的多肽链带入内质网腔。,在内质网腔中由粗面内质网向滑面内质网移行，最后进入高尔基体；在高尔基复合体中进一步加工后，贮存于分泌泡，泡膜与质膜融合，即可排出细胞外。,第四节,蛋白质生物合成与医学的关系,一、基因突变对蛋白质生物合成的影响,由于,DNA,分子上基因的缺陷使,RNA,和蛋白质合成异常，导致体内某些组织细胞结构和功能异常，由此造成的疾病称为,分子病,。,镰形红细胞贫血病人Hb(HbS),亚基,N-val,his,leu,thr,pro,val,glu,C,肽链,C,A,C G,T,G,基因,正常成人Hb(HbA),亚基,N-val,his,leu,thr,pro,glu,glu,C,肽链,C,T,C G,A,G,基因,二、病毒对蛋白质生物合成的影响,某些病毒如（如大脑心肌炎病毒）的蛋白质生物合成比宿主有效得多。,呼吸道、肠道病毒和疱疹性口炎病毒等都可大量复制，对于有限的蛋白质生物合成因子来说，它们的mRNA比宿主细胞的mRNA更具竞争优势。,某些病毒还可以阻止mRNA与40S核糖体结合，从而抑制宿主细胞蛋白质的合成。,三、抗生素对蛋白质生物合成的影响,抗生素一般是细菌或真菌所产生的具有抵制其他生物生长的物质。,许多具有杀菌或抑制细菌生长的作用而被广泛应用于临床和科研工作。,抗生素种类繁多，有不少直接作用于蛋白质生物合成的各个阶段，其作用机制各有不同。,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理,抗生素,作用机制,作用点,利福霉素,原核生物,RNA-pol,与,亚基结合，阻止核心酶与因子结合,氯霉素,阻碍氨基酰,-tRNA,进入,A,位；抑制转肽酶活性；高浓度抑制真核生物线粒体蛋白质合成原核生物大亚基,四环素族,原核生物小亚基,抑制起始复合物，阻碍氨基酰,-tRNA,进入,A,位；影响终止因子与核蛋白体结合,链霉素族,原核生物小亚基,改变小亚基构象，引起读码错误；阻碍终止因子与核蛋白体结合,嘌呤霉素,原核、真核生物核蛋白体,取代氨基酰,-tRNA,进入,A,位，使多肽分子提前释放,放线菌酮,真核生物大亚基,抑制转肽酶活性，阻断真核生物蛋白质的合成,红霉素,原核生物大亚基,阻止核蛋白体在,mRNA,上滑动,四、一些活性物质对蛋白质生物合成的影响,细菌毒素,植物毒素蛋白,干扰素,白喉毒素抑制蛋白质合成的作用机理,N,+,C,O,NH,2,O,OH,OH,ADP-O-CH,2,EF-2,（有活性）,O,OH,OH,EF-2,（无活性）,ADP-O-CH,2,白喉毒素,N,C,O,NH,2,干扰素对,eIF,2,的灭活作用,干扰素诱导病毒,RNA,降解,eIF,2B,eIF,2,-P,eIF,2B,-,（,ATP,）,n,2,，5-,polyA,RNaseL,（无活性）,2,，5-,polyA,合成酶,病毒,mRNA,单核苷酸,RNaseL,（有活性）,eIF,2,eIF,2,-P,ATP,ADP,Pi,H,2,O,