蛋白质的生物合成PPT课件

蛋白质的生物合成,中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息,到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译(translation)。,翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为NC端。,遗传信息传递的中心法则,生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。,遗传信息流动示意图,核糖体,DNA,mRNA,tRNA,第一节 RNA在蛋白质生物合成中的重要功能,一、mRNA和遗传密码原核生物mRNA的结构：4个特点mRNA的半衰期很短,很不稳定,一旦完成其使命后很快就被水解掉。 mRNA的分子大小差异大。mRNA的合成是在DNA指导下的RNA聚合酶的催化下先合成mRNA的前体，即核内不均一RNA（hnRNA）。 hnRNA在细胞核内加工成mRNA，然后转移到细胞质中。,mRNA(messenger RNA)是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。,原核生物和真核生物mRNA的比较,原核细胞mRNA的结构特点,5,3,先导区,AGGAGGU,SD区,帽子结构功能半衰期短许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在AUG作为起始密码；AUG上游712个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区， 16S rRNA3- 端反向互补而使mRNA与核糖体结合。,真核细胞mRNA的结构特点,m7G-5ppp-N-3 p,帽子结构功能使mRNA免遭核酸酶的破坏使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。,Poly(A)尾巴的功能是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性,AAAAAAA-OH,(一)遗传密码的破译,1.三联体密码与阅读框 遗传密码: DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。 密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。,2.人工合成多核苷酸和无细胞体系蛋白质合成,1961年，M.W.Nirenberg等人,大肠杆菌的无细胞体系中外加poly(U)模板、20种标记的氨基酸，经保温后得到了多聚phe-phe-phe，于是推测UUU编码phe。利用同样的方法得到CCC编码pro，GGG编码gly，AAA编码lys。如果利用poly（UC），则得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推测UCU编码Ser，CUC编码Leu.到1965年就全部破译了43 = 64组密码子。M.W.Nirenberg等,1968年获诺贝尔生理医学奖.,遗传密码字典,U,A,C,G,UCAG,U,C,A,G,第二位,第一位（5）,第三位（3）,UCAG,UCAG,UCAG,3.三核苷酸诱导安酰tRNA对核糖体的特异结合,保温,硝酸纤维滤膜过滤,分析留在滤膜上的核糖体-AAtRNA,确定与核糖体结合的AA,技术要点：人工合成三核苷酸为模板+核糖体+AA-tRNA,（二）遗传密码的性质,1、密码是无标点符号的且相邻密码子互不重叠。编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个地线形排列，密码子之间既不重叠也不间隔，从起始密码子到终止密码子（不包括终止子）构成一个完整的读码框架，又称开放阅读框架（ORF）。方向：从mRNA的5到3。,如果在阅读框中插入或删除一个碱基就会使其后的读码发生移位性错误（称为移码）。,2.密码的简并性,由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并，对应于同一氨基酸的一组密码子称为同义密码子(Synonymous codon)。简并性的生物学意义？A、可以降低由于遗传密码突变造成的灾难性后果B、可以使DNA上的碱基组成有较达的变化余地，而仍然保持多肽上氨基酸序列不变（意思基本同上）。,3、密码的摆动性：,密码子中第三位碱基与反密码子第一位碱基的配对有时不一定完全遵循A-U、G-C的原则，Crick把这种情况称为摇摆性，有人也称摆动配对或不稳定配对。反密码子第一位的G可以与密码子第三位的C、U配对，U可以与A、G配对，I可以和密码子的U、C、A配对，这使得该类反密码子的阅读能力更强。,tRNA分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于反密码子环上。,4、密码子是近于完全通用的。,这是如火如荼的转基因的前提。目前只发现线粒体和叶绿体内有列外情况。64组密码子中，AUG既是编码蛋氨酸的密码，又是起始密码；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子：UAG、UAA、UGA。,tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。同工受体tRNA:一种氨基酸可以有一种以上tRNA作为运载工具。把携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同功受体tRNA,tRNA的结构特征三叶草型二级结构,tRNA的功能,（一）被特定的氨酰- tRNA合成酶识别，使tRNA接受正确的活化氨基酸。（二）识别mRNA链上的密码子。（三）在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生长的多肽链与核糖体的作用。,(一)、接受正确的活化氨基酸,（二）识别mRNA链上的密码子。,tRNA分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于反密码子环上。,密码子与反密码子的配对关系,反密码子,tRNA,5,3,A U C,5,mRNA,3,密码子,1 2 3,tRNA有两个关键部位： 3端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。需ATP提供活化氨基酸所需的能量。 与mRNA结合部位反密码子部位（tRNA的接头作用）,氨基酸一旦与tRNA形成氨酰tRNA后，进一步的去向就由tRNA来决定了。tRNA凭借自身的反密码子与mRNA上的密码子相识别，从而把所携带的氨基酸送到肽链的一定位置上。,从tRNA的功能，可以看出：（1）氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白质生物合成的第一步，每一种氨基酸在被掺入肽链之前都首先被活化和连接在专一tRNA上，活化和连接都发生在氨基酸的羧基上。（2）载体tRNA凭借自身的反密码子与mRNA上的密码子相识别而把所携带的氨基酸送到肽链的一定位置上（3）遗传信息是通过mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子间碱基配对作用翻译出来的。,三、核 糖 体,是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质与rRNA的重量比约为1:2。蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。,1、核糖体的结构和组成2、核糖体的功能,不同来源核糖体的大小和RNA组成,原核生物,核糖体（S),亚基（S),rRNA (S),真核生物,核糖体的组成,原核生物核糖体的组成,大肠杆菌中30S的亚基能单独与mRNA结合成30S核糖体-mRNA复合体，后者与tRNA可以专一性结合。50S亚基不能单独与 mRNA结合，但可以非专一地与tRNA结合， 50S亚基上有两个tRNA结合位点：氨酰基位点-A位点；肽酰基位点-P位点。还有一个GTP结合位点。,原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图,核糖体基本结构动画,第二节 蛋白质合成的机理,氨基酸的活化,E,氨基酸,ATP +,氨酰腺苷酸,E-AMP,PPi,第一步,AMP,第二步,E,氨基酸的活化,3-氨酰-tRNA,活化反应方程式：,一个氨基酸活化需要消耗2个高能磷酸键,氨酰- tRNA合成酶特点,专一性：对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。 对tRNA 具有极高专一性。校对作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。,氨酰tRNA合成酶：每一种氨基酸都有至少一种专一的氨酰tRNA合成酶，它即能识别氨基酸，又能识别tRNA，从而把特定的氨基酸连到对应的tRNA上，有人也把氨酰tRNA合成酶的双向识别功能称为第二遗传密码。tRNA与氨酰tRNA合成酶的主要集中在氨基酸臂和反密码子臂上的有关序列。此外，tRNA上的受体茎环（acceptor stem）也是识别特征。不同的氨酰tRNA合成酶在分子量、氨基酸序列、亚基组成上差异较大。它是如何识别氨基酸的呢？,二、合成起始,起始密码：AUG；起始氨基酸：甲硫氨酸；多肽链延伸方向：从N末端向C末端； mRNA阅读方向： 5/ 3/，,原核生物起始tRNA： tRNAfMet,起始氨基酸： fMet(甲酰甲硫氨酸）N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet的形成,Met-tRNAfMet,fMet-tRNAfMet,N10-甲酰FH4,FH4,转甲酰酶,1.小亚基与IF1和IF3结合。2.30S起始复合物形成，IF2、GTP参与，16SrRNA与mRNA的SD序列结合。3. 30S复合物与50S亚基结合形成70S亚基，起始氨酰tRNA进入P位点，它的反密码子与mRNA上的起始密码子AUG碱基配对。,肽链合成的起始,30S亚基 mRNA IF3- IF1复合物,30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物,70S起始复合物,mRNA +30S亚基-IF3,IF-1,70S起始复合物,三、肽链的延长（一）进入：第二个氨酰tRNA通过密码子反密码子的配对作用进入核糖体的A位点（氨基位点）。EF-Tu、EF-Ts和GTP参与。 TuTs循环。（二）转肽：在大亚基上肽酰转移酶（peptidyl transferase）的作用下，A位点氨基酸的A-氨基亲核攻击P位点氨基酸的羧基基团并形成肽键，结果两个氨基酸均连到了A位点的tRNA上，该过程称为转肽作用（transpeptidation），此时，P位点上卸载的tRNA从核糖体上离开。,（三）移位（translocation，也可称转位）：核糖体沿着mRNA5/3/方向移动1个密码子位置，携带肽链的tRNA转位到P位点，A位点空出以便接纳下一个氨基酸。移位要求移位酶参与和水解1分子GTP供能。,TuTs循环,三、肽链的延长,进入,转肽,移位,进入,(TuTs),转肽,3,（EF-G）,四、肽链合成的终止及释放,（1）识别终止密码子：UAA、UAG和UGA，释放因子RF1或RF2进入核糖体A位，RF3与GTP结合促进RF1或RF2与A位结合。 （2）多肽链的释放（3）70S核糖体解离,RF,肽键的形成,多核糖体与核糖体循环,合成完毕的肽链,核糖体循环,翻译的基本过程,五、蛋白质合成中GTP的作用,一个氨基酸活化需要消耗2个高能磷酸键（ATP提供）。起始阶段需水解1分子GTP；肽链延长的进入阶段要水解1分子GTP；肽链延长的移位也水解1个GTP；5. 终止阶段水解1个GTP；6. 整个肽链中一个肽键的生成至少需要4个高能键。,原核生物蛋白质合成中的能量计算（合成一个二肽）,例：合成200个a.a残基的多肽，需消耗多少高能键？（理由）一个肽键的生成至少需要4个高能键，起始甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成，消耗2个高能键，起始阶段需要1个高能键，终止阶段需要1个高能键。（200-1）4 + 2 + 1 + 1=800,第三节 真核生物多肽链的合成（自学）,1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2、真核细胞的蛋白质翻译需要大量的蛋白因子，翻译后加工和定向输送比原核复杂得多。起始氨基酸为Met，不是fMet；3、蛋白质的合成与mRNA的转录生成不偶联；4、合成过程中有不同的抑制剂；5、真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。,(一)、 翻译起始真核的翻译起始比原核更复杂，因为：（1）真核mRNA的二级结构更为多样和复杂（2）真核mRNA是经过多重加工的，它被转录后首先要经过各种加工才能从细胞核进入细胞质中，并形成各种各样的二级结构。一些mRNA与几种类型的蛋白质结合在一起形成一种复杂的颗粒状，有时称核糖核蛋白粒（ribonucleoprotein particle）,在翻译之前，它的二级结构必须改变，其中的蛋白质必须被去掉。,(一)、 翻译起始（3）核糖体需要扫描mRNA以寻找翻译起始位点真核mRNA没有SD序列来帮助识别翻译起点，因此核糖体要扫描每一个mRNA。核糖体结合到mRNA的5端的帽子结构并向3端移动一寻找起始位点。这种扫描过程很复杂，知之甚少，真核的翻译起始用到的起始因子（eIF）至少有9种 ，多数的功能仍需进步研究。,（1）40S小亚基-(eIF-3)结合到(eIF-2-GTP)-Met-tRNAi复合物上形成40S前起始复合物（40S preinitiation complex）（2）mRNA结合到40S前起始复合物上形成40S起始复合物。（3）40S起始复合物扫描mRNA寻找适当的起始密码子（通常是5端附近的AUG）。（4）40S复合物与60S大亚基结合形成80S起始复合物。,(二)、 延伸与原核类似，也可分为aa-tRNA的入位、转肽、核糖体移位三步反应。 eEF、GTP等参与.,(三)、 终止真核细胞中有两个释放因子eRF-1和eRF-3（GTP结合蛋白）介导终止。当GTP结合到eRF-3后它的GTPase活性就被激活，eRF-1和eRF-3-GTP形成一个复合物，当UAG，UGA，UAA进入A位点时，该复合物就结合到A位点上，接着GTP水解促使释放因子离开核糖体，mRNA被释放，核糖体解体成大小亚基，新生肽在肽酰转移酶催化下被释放。,第四节 蛋白质生物合成的调控,一、翻译起始的调控二、稀有密码子对翻译的影响三、重叠基因对翻译的影响四、poly(A)对翻译的影响五、翻译的阻遏六、魔斑核苷酸水平对翻译的影响,肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具有正确三维空间结构的蛋白质的过程。 体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白质参与，称为助折叠蛋白: （1）酶：蛋白质二硫键异构酶（PDI）； （2）分子伴侣,肽 链 的 折 叠,Lasky于1978年首先提出分子伴侣（molecular chaperone）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在。,1、肽链末端的修饰：N-端fMet或Met的切除2、信号序列的切除3、氨基酸残基的修饰4、糖基侧链的添加5、异戊二烯基团的附加6、辅基的加入7、蛋白酶水解修饰：部分肽段的切除8、二硫键的形成9、蛋白合成受许多抗生素和毒素抑制,第五节 蛋白质合成后的加工,胰岛素原的加工,切除C肽后，形成成熟的胰岛素分子,切除信号肽后折叠成稳定构象的胰岛素原,多核糖体,第一个编码区,第一个编码区,第二个编码区,第二个编码区,终止起始,终止,起始,mRNA,mRNA,5,5,3,3,第六节 蛋白质合成后的运输,由于真核细胞的结构和功能很复杂，所以蛋白质合成后的定向转运（targeting, translocation）的机制也很复杂。,一、蛋白质的分选信号,蛋白质的分选信号有信号肽和信号斑块，含信号肽的多肽进入内质网的过程：当包含信号肽的多肽被合成一部分时，信号肽识别体（SRP）就识别信号肽并结合到核糖体上，翻译暂时停止，SRP与内质网膜上的受体（停泊蛋白，docking protein）结合，核糖体与内质网结合，SRP离开，延伸的肽链通过内质网上的肽移位装置（translocon）进入内质网，信号肽被切除。,信号肽假说简图,3,5,SRP循环,mRNA,内质网膜,内质网腔,信号肽酶,信号肽,分泌蛋白质的合成和胞吐作用,内质网,高尔基体,泡,泡,泡融入质膜,核糖体,芽泡,二、蛋白质运输类型,两种类型：伴同转译运送和转译后运送伴同转译运送：转译后运送：线粒体和叶绿体蛋白是在细胞质游离核糖体上完全合成后运输来的，同样，这种运输也需要信号序列。,三、蛋白质的运输方式,（一）直接穿膜运输（二）经过运输泡被转运到内质网中的多肽多数还要运往它处。经过初步的翻译后修饰，可溶性蛋白和膜结合蛋白被运输到高尔基体，这种运输是经过运输泡进行的,线粒体外膜,线粒体内膜,带有导肽的线粒体蛋白质前体跨膜运送过程示意图,内外膜接触位点的蛋白质通道,线粒体hsp70,受体蛋白,hsp70,导肽,蛋白酶切除导肽,四、蛋白质运输过程,问答题,1、试述遗传中心法则的主要内容。2、遗传密码如何编码？简述其基本特点。3、mRNA、tRNA、rRNA在蛋白质生物合成中各具什么作用？4、肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？5、试比较下列生物分子结构单元的激活机制： 蛋白质 脂肪酸 多糖 名词解释中心法则遗传密码密码子简并性 翻译冈崎片段 多核糖体,