第12章蛋白質的生物合成PPT課件

1、 蛋白質的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由 4 種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質一級結構中20種氨基酸的排列順序 。核苷酸三聯(lián)體決定氨基酸的對應關系第1頁/共89頁第一節(jié) 蛋白質生物合成體系第二節(jié) 蛋白質生物合成過程第三節(jié) 蛋白質合成后加工和輸送第四節(jié) 蛋白質生物合成的干擾和抑制第2頁/共89頁蛋白質合成體系蛋白質合成體系Protein Biosynthesis System 第 一 節(jié) 第3頁/共89頁 20種氨基酸(AA)作為原料 酶及眾多蛋白因子 如IF、eIF ATP、GTP參與蛋白質生物合成的物質：l 三種RNAmRNA（messenger RNA）rR

2、NA（ribosomal RNA）tRNA（transfer RNA）第4頁/共89頁一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼 mRNA是遺傳信息的攜帶者n遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。 原核細胞中數(shù)個結構基因常串聯(lián)為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質，為多順反子(polycistron) mRNA 。 真核細胞中一個mRNA只編碼一種蛋白質，為單順反子(single cistron)。第5頁/共89頁原核生物的多順反子真核生物的單順反子非編碼序列核蛋白體結合位點起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP53蛋白質PPPmG -53蛋白質第6頁/共89頁l

3、mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質合成的起始、終止信號，稱為三聯(lián)體密碼(triplet coden)。起始密碼(initiation coden): AUG 終止密碼(termination coden): UAA，UAG，UGA 第7頁/共89頁遺傳密碼表第8頁/共89頁從mRNA 5端起始密碼子AUG到3端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質多肽鏈，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。 第9頁/共89頁1. 連續(xù)性連續(xù)性(commaless)l遺傳密碼

4、的特點編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。 第10頁/共89頁基因損傷引起mRNA閱讀框架內的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致框移突變(frameshift mutation)。 Tyr Gly Ser ArgPro Thr Asp第11頁/共89頁2. 簡并性簡并性(degeneracy)遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯(lián)體為其編碼。第12頁/共89頁2. 簡并性簡并性(degeneracy)第13頁/共89頁3. 通用性通用性(universal) 蛋白質生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 少數(shù)例外

5、，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。第14頁/共89頁4. 擺動性擺動性(wobble)轉運氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結合，但反密碼與密碼間不嚴格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺動配對。 第15頁/共89頁U擺動配對第16頁/共89頁密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象tRNA反密碼子反密碼子第第1位堿基位堿基IUGACmRNA密碼子密碼子第第3位堿基位堿基U, C, AA, GU, CUG第17頁/共89頁二、核蛋白體是多肽鏈合成的裝置第18頁/共89頁原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋核蛋白體白體小亞基小亞基大亞基大亞基核蛋核蛋白體白體小亞基小亞基

6、大亞基大亞基S值值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質蛋白質rpS 21種種rpL 36種種rpS 33種種rpL 49種種 不同細胞核蛋白體的組成 第19頁/共89頁核核蛋蛋白白體體的的組組成成第20頁/共89頁原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式:A位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位(exit site)第21頁/共89頁三、tRNA與氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂第22頁/共89頁tRNA的三級結構示意的三

7、級結構示意圖圖第23頁/共89頁氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)l 氨基酸的活化第24頁/共89頁 tRNA與酶結合模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP第25頁/共89頁第一步反應氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi第26頁/共89頁第二步反應氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E第27頁/共89頁 氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activ

8、ity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 第28頁/共89頁真核生物： Met-tRNAiMet(initiator-tRNA)原核生物： fMet-tRNAifMet (N-formyl methionine)（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA第29頁/共89頁蛋白質生物合成過程蛋白質生物合成過程 The Process of Protein Biosynthesis 第 二 節(jié) 第30頁/共89頁 翻譯的起始(initiation) 翻譯的延長(elongation) 翻譯的終止(termination )整個翻譯過程

9、可分為 ：第31頁/共89頁一、肽鏈合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結合而形成翻譯起始 復 合 物 ( t r a n s l a t i o n a l i n i t i a t i o n c o m p l e x ) 。第32頁/共89頁原核、真核生物各種起始因子的生物功能 促促進進核核蛋蛋白白體體分分離離成成大大小小亞亞基基eIF-6促促進進各各種種起起始始因因子子從從小小亞亞基基解解離離，進進而而結結合合大大亞亞基基eIF-5eIF-4F復復合合物物成成分分，結結合合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F復復合合物物成成分分，結結合合mRNA5帽帽子

10、子eIF-4E結結合合mRNA，促促進進mRNA掃掃描描定定位位起起始始AUGeIF-4BeIF-4F復復合合物物成成分分，有有解解螺螺旋旋酶酶活活性性，促促進進mRNA結結合合小小亞亞基基IF-4A最最先先結結合合小小亞亞基基促促進進大大小小亞亞基基分分離離eIF-2B，eIF-3促促進進起起始始tRNA與與小小亞亞基基結結合合eIF-2真真核核生生物物促促進進大大小小亞亞基基分分離離，提提高高P位位對對結結合合起起始始tRNA敏敏感感性性EIF-3促促進進起起始始tRNA與與小小亞亞基基結結合合EIF-2占占據(jù)據(jù)A位位防防止止結結合合其其他他tRNAIF-1原原核核生生物物生生物物功功能能

11、起起始始因因子子促促進進核核蛋蛋白白體體分分離離成成大大小小亞亞基基eIF-6促促進進各各種種起起始始因因子子從從小小亞亞基基解解離離，進進而而結結合合大大亞亞基基eIF-5eIF-4F復復合合物物成成分分，結結合合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F復復合合物物成成分分，結結合合mRNA5帽帽子子eIF-4E結結合合mRNA，促促進進mRNA掃掃描描定定位位起起始始AUGeIF-4BeIF-4F復復合合物物成成分分，有有解解螺螺旋旋酶酶活活性性，促促進進mRNA結結合合小小亞亞基基IF-4A最最先先結結合合小小亞亞基基促促進進大大小小亞亞基基分分離離eIF-2B，eIF-3促促進進

12、起起始始tRNA與與小小亞亞基基結結合合eIF-2真真核核生生物物促促進進大大小小亞亞基基分分離離，提提高高P位位對對結結合合起起始始tRNA敏敏感感性性EIF-3促促進進起起始始tRNA與與小小亞亞基基結結合合EIF-2占占據(jù)據(jù)A位位防防止止結結合合其其他他tRNAIF-1原原核核生生物物生生物物功功能能起起始始因因子子e第33頁/共89頁（一）原核生物翻譯起始復合物形成1. 核蛋白體大小亞基分離；2. mRNA在小亞基定位結合；3. 起始氨基酰-tRNA的結合； 4. 核蛋白體大亞基結合。第34頁/共89頁IF-3IF-11. 核蛋白體大小亞基分離第35頁/共89頁A U G53IF-3I

13、F-12. mRNA在小亞基定位結合第36頁/共89頁S-DS-D序列：mRNA mRNA 起始密碼前的一段富含嘌呤核苷酸的序列, ,可與核糖體小亞基16S-rRNA16S-rRNA上富含嘧啶序列相結合。 第37頁/共89頁IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結合到小亞基A U G53第38頁/共89頁IF-3IF-1IF-2GTPGDP Pi4. 核蛋白體大亞基結合，起始復合物形成A U G53第39頁/共89頁（二）真核生物翻譯起始復合物形成l核蛋白體大小亞基分離；l起始氨基酰-tRNA結合；lmRNA在核蛋白體小亞基準確就位；l核蛋白體

14、大亞基結合。第40頁/共89頁mRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻譯起始復合物形成過程第41頁/共89頁二、肽鏈合成延長指根據(jù)mRNA密碼序列的指導，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終 止 的 過 程 。 又 稱 為 核 蛋 白 體 循 環(huán)(ribosomal cycle)l包括以下三步： 進位(entrance) 成肽(peptide bond formation) 轉位(translocation)第42頁/共89頁 延伸過程所需蛋

15、白因子稱為延長因子(elongation factor, EF)原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1 、EF-2 第43頁/共89頁原核延長原核延長因子因子生物功能生物功能對應真核延對應真核延長因子長因子EF-Tu促進氨基酰促進氨基酰-tRNA進入進入A位，位，結合分解結合分解GTPEF-1-EF-Ts調節(jié)亞基調節(jié)亞基EF-1-EF-G有轉位酶活性，促進有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，位，促進卸載促進卸載tRNA釋放釋放EF-2肽鏈合成的延長因子 第44頁/共89頁又稱注冊又稱注冊(registration)（一）

16、進位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位。第45頁/共89頁延長因子EF-T催化進位（原核生物）第46頁/共89頁第47頁/共89頁Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP第48頁/共89頁（二）成肽是由轉肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。第49頁/共89頁（三）轉位延長因子EF-G有轉位酶( translocase )活性，可結合并水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3側移動 。第50頁/共89頁fMetA U G53fMetTuGTP第51頁/共89頁進位轉位成肽第52頁/共89頁 三、肽鏈合成的終止當mRNA上終止

17、密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。第53頁/共89頁終止相關的蛋白因子稱為釋放因子(release factor, RF) 一是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。二是誘導轉肽酶變?yōu)轷ッ富钚?，使肽鏈從核蛋白體上釋放。 釋放因子的功能:原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物釋放因子：eRF 第54頁/共89頁原核肽鏈合成終止過程 第55頁/共89頁U A G53RFCOO-第56頁/共89頁多聚核蛋白體(polysome)使蛋白質合成高速、高效進行。第57頁/共

18、89頁電鏡下的多聚核蛋白體現(xiàn)象第58頁/共89頁蛋白質合成后加工和輸送蛋白質合成后加工和輸送Posttranslational Processing & Protein Transportation第 三 節(jié)第59頁/共89頁主要包括一、多肽鏈折疊為天然三維結構 二、肽鏈一級結構的修飾三、空間結構的修飾 第60頁/共89頁一、多肽鏈折疊為天然功能構象蛋白質 新生肽鏈N端在核蛋白體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始。 一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質折疊的信息，即一級結構是空間構象的基礎。第61頁/共89頁促進蛋白折疊功能的大分子:1. 分子伴侶 (molecular chaperon

19、) 2. 蛋白二硫鍵異構酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰順反異構酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)第62頁/共89頁1) 熱休克蛋白(heat shock protein, HSP) 是指細胞在應激原特別是環(huán)境高溫誘導下所生成的 一組蛋白質。 HSP70、HSP40和GrpE族 2) 伴侶素(chaperonins) 具有獨特的雙層7-9 元環(huán)狀結構的寡聚蛋白,它們以依賴ATP 的方式促進體內正常和應急條件下的蛋白質折疊。 GroEL和GroES家族1. 分子伴侶分子伴侶是細胞中一類保守

20、蛋白質，可識別肽鏈的非天然構象并與之結合，幫助多肽在體內折疊、組裝、轉運或降解等，完成功能后與之分離，不構成這些蛋白質執(zhí)行功能時的組份。第63頁/共89頁HSP促進蛋白質折疊基本作用結合保護待折疊多肽片段，再釋放該片段進行折疊，形成HSP70和多肽片段依次結合、解離的循環(huán)。 HSP40結合待折疊多肽片段 HSP70-ATP復合物 HSP40- HSP70-ADP-多肽復合物 ATP水解GrpE ATPADP復合物解離，釋出多肽鏈片段進行正確折疊 第64頁/共89頁伴侶素的主要作用為非自發(fā)性折疊蛋白質提供能折疊形成天然空間構象的微環(huán)境。 第65頁/共89頁2、蛋白二硫鍵異構酶 二硫鍵異構酶可催化

21、錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質形成熱力學最穩(wěn)定的天然構象。第66頁/共89頁3、肽-脯氨酰順反異構酶 多肽鏈中肽酰-脯氨酸間的肽鍵有順反兩種異構體，空間構象明顯差別。 肽酰-脯氨酰順反異構酶可促進上述順反兩種異構體之間的轉換。 第67頁/共89頁二、一級結構的修飾（一）肽鏈N端的修飾（二）個別氨基酸的修飾（三）多肽鏈的水解修飾第68頁/共89頁鴉片促黑皮質素原鴉片促黑皮質素原(POMC)的水解修的水解修飾飾NC信號肽PMOCKRKR103肽 ( ？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin第69頁/共89頁三、空間結構的修飾（一）亞基聚合 （二）輔基連接（三）疏水脂鏈的

22、共價連接 第70頁/共89頁蛋白質合成后經(jīng)過復雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞靶部位的過程稱為蛋白質的靶向輸送。 四、蛋白質合成后的靶向輸送蛋白質的靶向輸送(protein targeting)第71頁/共89頁所有靶向輸送的蛋白質結構中存在分選信號，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質轉移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為信號序列 。 信號序列(signal sequence)第72頁/共89頁靶向輸送蛋白靶向輸送蛋白信號序列或成分信號序列或成分分泌蛋白分泌蛋白信號肽信號肽內質網(wǎng)腔蛋白內質網(wǎng)腔蛋白信號肽，信號肽，C端端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列序列)線

23、粒體蛋白線粒體蛋白N端靶向序列（端靶向序列（2035氨基酸殘基）氨基酸殘基）核蛋白核蛋白核定位序列（核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）抗原）過氧化體蛋白過氧化體蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）序列）溶酶體蛋白溶酶體蛋白Man-6-P（甘露糖（甘露糖-6-磷酸）磷酸）靶向輸送蛋白的信號序列或成分 第73頁/共89頁（一）分泌蛋白的靶向輸送真核細胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進入內質網(wǎng)。 信號肽(signal peptide) 新生分泌蛋白N端的保守氨基酸序列稱信號肽。 第74頁/共89頁信號肽的一級結構第75頁

24、/共89頁信號肽引導真核分泌蛋白進入內質網(wǎng) 第76頁/共89頁（二）線粒體蛋白的靶向輸送 第77頁/共89頁（三）細胞核蛋白的靶向輸送第78頁/共89頁蛋白質生物合成的干擾和抑制蛋白質生物合成的干擾和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis第 四 節(jié)第79頁/共89頁l抗生素(antibiotics)是微生物產生的能夠殺滅或抑制細菌的一類藥物。l抗代謝藥物指能干擾生物代謝過程，從而抑制細胞過度生長的藥物，如：6-MP。l 某些毒素也作用于基因信息傳遞過程。第80頁/共89頁一、抗生素類抗生素抗生素作用點作用點作用原理作用原理應用應用四環(huán)素族（金霉素四環(huán)素族（金霉素 新霉素、土霉素）新霉素、土霉素）鏈霉素、卡那霉素、鏈霉素、卡那霉素、新霉素新霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素紅霉素紅霉素梭鏈孢酸梭鏈孢酸 放線菌酮放線菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素原核核蛋白原核核蛋白體小亞基體小亞基原核核蛋