生物化学课件37-38 蛋白质的生物合成.ppt

1、蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制DNARNA中心法则总结了生物体内中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来给人类的生产和生活带来了深刻的革命了深刻的革命nmRNA在核糖体上作为翻译的模板。氨基酸由在核糖体上作为翻译的模板。氨基酸由tRNA分子运送到核糖体上。正确的

2、氨基酸顺序分子运送到核糖体上。正确的氨基酸顺序是通过是通过mRNA上的密码子和上的密码子和tRNA上的反密码子上的反密码子互补结合来完成的，而每个特异的氨基酸又是特互补结合来完成的，而每个特异的氨基酸又是特异地结合到异地结合到tRNA上。上。n在原核和真核生物中，在原核和真核生物中，AUG是翻译开始的起始密是翻译开始的起始密码子。肽链的延伸涉及到结合在核糖体的码子。肽链的延伸涉及到结合在核糖体的A位和位和P位上的位上的tRNA所携带的氨基酸之间形成肽键。一所携带的氨基酸之间形成肽键。一旦肽键形成，核糖体沿着旦肽键形成，核糖体沿着mRNA移动一个密码子移动一个密码子，为下一个负载，为下一个负载t

3、RNA的结合做好准备。的结合做好准备。n翻译一直持续到翻译一直持续到mRNA上终止密码子（上终止密码子（UAG，UAA或或UGA）出现方完成）出现方完成Oswald T. Avery通过实验证通过实验证明转化因子是明转化因子是DNAHershey-Chase实验实验1952年年Alfred D. Hershey和和Martha Chase用用32P标标记记T2噬菌体的噬菌体的DNA,用用35S标记噬菌体蛋白质实标记噬菌体蛋白质实验。证明验。证明DNA是噬菌体是噬菌体的遗传物质的遗传物质噬菌体是裸露的染色体噬菌体是裸露的染色体烟草花叶病毒组合实验烟草花叶病毒组合实验是核酸是遗传信息运载是核酸是遗

4、传信息运载物质的另一证据物质的另一证据 类型类型自我拼接自我拼接 类型类型自我拼接自我拼接 核核mRNAmRNA的拼的拼接体的拼接接体的拼接 核核mRNAmRNA的的酶促拼接酶促拼接 编辑类型编辑类型 机制机制 存在存在U U的插入与删除的插入与删除 gRNA gRNA的转酯反应的转酯反应 锥虫线粒体锥虫线粒体mRNAmRNAC C、A A或或U U的插入的插入 多头绒孢菌线粒体的多头绒孢菌线粒体的 mRNAmRNA和和tRNAtRNAG G的插入的插入 RNA RNA聚合酶重复转录聚合酶重复转录 副粘病毒的副粘病毒的P P基因基因C C转变为转变为U U 酶促脱氢酶促脱氢 哺乳类肠的哺乳类肠

5、的apoPtRNAapoPtRNAC C转变为转变为U U或或U U转变为转变为C C 脱氢或氨基化脱氢或氨基化 植物线粒体植物线粒体mRNAmRNA和和tRNAtRNA 牛心线粒体牛心线粒体tRNAtRNAA A转变为转变为I I 脱氨脱氨 脑谷氨酸受体亚基脑谷氨酸受体亚基mRNAmRNARNARNA编辑的生物学意义编辑的生物学意义消除移码突变等基因突变的危害消除移码突变等基因突变的危害增加了基因产物的多样性增加了基因产物的多样性与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式Francis H. C. Crick的实验结果的实验结果表明三联体密码

6、学说正确，表明三联体密码学说正确，n同年，同年，Franois Jacob和和Jacques Monod证明了证明了mRNA的存在的存在Francis CrickMarshall NirenbergH. Gobind Khorana利用重复共聚物破译密码利用重复共聚物破译密码20种基酸的遗传密码字典种基酸的遗传密码字典密码子数密码子数1086421 2 3 4 5 6 蛋白质中残基的百分数蛋白质中残基的百分数反密码子与密码子之间的反密码子与密码子之间的碱基配对碱基配对顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子先导区先导区末端顺序末端顺序SD区区AGGAGGUAGGAGGU特点特点 半衰期短半衰期短

7、许多原核生物许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在以多顺反子形式存在 AUG作为起始密码；作为起始密码；AUG上游上游712个核苷酸处有一被称为个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区，序列的保守区，16SrRNA3- 端反向互补而使端反向互补而使mRNA与核糖体与核糖体结合结合5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5 ppp-N-3 pA（50200）-OH帽子结构功能帽子结构功能 使使mRNA免遭核酸酶的破坏免遭核酸酶的破坏 使使mRNA能与核糖体小亚基结合并能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质开始合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因子所识别，被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋

8、白质的合成从而促进蛋白质的合成 是是mRNA由细胞核进入由细胞核进入细胞质所必需的形式细胞质所必需的形式 它大大提高了它大大提高了mRNA在在细胞质中的稳定性细胞质中的稳定性3端含端含CCA-OH序列序列 TC环环(TC loop)额外环或可变环额外环或可变环(extro variable loop) 反密码子环反密码子环(anticodon loop)二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环(dihydro-U loop或或D-loop)上述的上述的TC环，反密码子环，反密码子环，和二氢尿嘧啶分别连接环，和二氢尿嘧啶分别连接在由在由4或或5个碱基组成的螺旋个碱基组成的螺旋区上，依次称为区上，依次称为TC茎，

9、反茎，反密码子茎和二氢尿嘧啶茎。密码子茎和二氢尿嘧啶茎。此外，此外，15-16个固定碱基几乎个固定碱基几乎全部位于这些环上全部位于这些环上密码子与反密码密码子与反密码子的阅读方向均子的阅读方向均为为5 3，两者，两者反向平行配对。反向平行配对。3 -A-U-C- 5 5 -U-A-G- 3 突变突变tRNA Tyr 的反密码子（正常时应为的反密码子（正常时应为3 -A-U-G- 5 ）此终止密码被读作此终止密码被读作TyrGluH2NCOOH第一个突变：由于第一个突变：由于DNA突变使突变使mRNA分分子中子中GAG变为变为UAGGAG(Glu) UAG（终止密码）（终止密码）H2NCOOHT

10、yrH2NCOOH第二个突变：第二个突变： tRNA Tyr的反密码子的反密码子GUA突变成突变成CUA突变突变tRNATyr可以将终止密可以将终止密码码 UAG读作读作TyrRNARNA和蛋白质的分布相对集中和蛋白质的分布相对集中,RNA,RNA主要定位于核糖体中央主要定位于核糖体中央, ,蛋白质在颗粒外围。蛋白质在颗粒外围。小亚基是一扁平不对称颗粒小亚基是一扁平不对称颗粒, ,由头和体组成由头和体组成, ,分别占小亚基分别占小亚基的的1/31/3和和2/32/3。在头和体之间的。在头和体之间的部分是颈部分是颈, ,并有并有1-21-2个突起称为个突起称为叶或平台。叶或平台。大亚基由半球形主

11、体和三个大大亚基由半球形主体和三个大小与形状不同的突起组成。中小与形状不同的突起组成。中间的突起称为间的突起称为 鼻鼻,呈杆状呈杆状; ;两两侧的突起分别称为柄侧的突起分别称为柄(stalk)(stalk)和脊和脊(ridge)(ridge)。电镜下的。电镜下的70S70S核核糖体大体是圆形颗粒糖体大体是圆形颗粒, ,直径约直径约23nm23nm。小亚基斜。小亚基斜(45(45角角) )卧在卧在50S50S亚基的亚基的L L1 1肩和中心突之间肩和中心突之间。 30S与与mRNA结合部位结合部位结合或结合或接受肽基的接受肽基的部位）部位）结合或接受结合或接受AA- tRNA的部位）的部位）50

12、S阶段阶段原核原核 真核真核 功功 能能IF1IF2 eIF2 参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成IF3 eIF3、eIF4C起始起始CBP I 与与mRNA帽子结合帽子结合 eIF4A B F 参与寻找第一个参与寻找第一个AUGeIF5 协助协助eIF2 、 eIF3、eIF4C的释放的释放eIF6 协助协助60S亚基从无活性的核糖体上解离亚基从无活性的核糖体上解离EF-Tu eEF1 协助氨酰协助氨酰-tRNA进入核糖体进入核糖体延长延长EF-Ts eEF1 帮助帮助EF-Tu 、 eEF1 周转周转 EF-G eEF2 移位因子移位因子RF-1终止终止 eRF 释放完整的肽链释放完

13、整的肽链RF-2EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸氨基酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸第一步第一步第二步第二步氨氨基基酸酸的的活活化化步步骤骤3-氨酰氨酰-tRNA第一步反应第一步反应消耗消耗2ATP第二步反应第二步反应Met-tRNAiMetfMet-tRNAtMet转甲酰酶转甲酰酶CHO-HN-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-+H2N-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-在原核生物中，多肽链起始的氨基酸均在原核生物中，多肽链起始的氨基酸均为甲酰甲硫氨酸为甲酰甲硫氨酸。30S亚基亚基 mRNA IF3- IF1复合复合物物30S mRNA GTP- fMe

14、t tRNA- IF2- IF1复合物复合物70S起始复合物起始复合物 mRNA +30S亚基亚基-IF3IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S50S亚基亚基IF2+ IF1+GDP+PiIF1IF-3IF2IF3 IF2 IF1IF-170S起始起始复合物复合物氨基酸羧基通过氨基酸羧基通过酸酐键与酸酐键与AMP上上的的5 -磷酸基相连磷酸基相连酶：氢键酶：氢键N-端端C-端端肽链的延长肽链的延长n氨基酰氨基酰-tRNA与结合因子与结合因子EF-Tu-GTP结合，结合，GTP水解释放能量水解释放能量推动氨基酰推动氨基酰-tRNA进位与密码子进位与密码子结合结合nTu-GTP再生：再生：

15、Tu-GDP释放，释放，延长因子延长因子Ts与与Tu结合致使结合致使GDP释放，释放，GTP与与Tu结合使结合使Ts释放释放n每引进一个氨基酰每引进一个氨基酰-tRNA消耗一消耗一个个GTPn进位需要进位需要2种延长因子：种延长因子：EF-Tu和和EF-TS(真核生物是真核生物是1个个EF-1)TsTs-GDP嘌呤霉素嘌呤霉素puromycin结构类似氨基酰结构类似氨基酰-tRNA，与后者竞争，形，与后者竞争，形成转肽反应中氨基酰异常复合体成转肽反应中氨基酰异常复合体链霉素链霉素streptomycin能与能与30S-亚基结合亚基结合四环素四环素tetracyclines能阻断氨基酰能阻断氨基

16、酰-tRNA进入进入A位点位点氯霉素氯霉素chloramphenicol能阻断能阻断70S核糖体中的核糖体中的50S大亚基的肽大亚基的肽酰转移酶的活性酰转移酶的活性放线菌酮放线菌酮cycloheximide被认为与氯霉素的作用类似，但它主要被认为与氯霉素的作用类似，但它主要作用于真核生物的作用于真核生物的80S核糖体中的核糖体中的60S亚基亚基红霉素红霉素erythromycin与与50S大亚基结合，并阻断移位作用，大亚基结合，并阻断移位作用，将肽酰将肽酰-tRNA冻结冻结在在A位点上位点上(1)(1)嘌呤霉素（嘌呤霉素（puromycinpuromycin) ) 嘌呤霉素的结构很类似氨基嘌呤

17、霉素的结构很类似氨基酰酰-tRNA-tRNA，故能与后者相竞争作为转肽反应中氨基酰异，故能与后者相竞争作为转肽反应中氨基酰异常复合体，从而抑制蛋白质的生物合成常复合体，从而抑制蛋白质的生物合成: :当生长着的肽当生长着的肽链链( (或甲酰甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸) )被转移到嘌呤霉素的氨基上去时，被转移到嘌呤霉素的氨基上去时，新生成的肽酰新生成的肽酰- -嘌呤霉素会从核糖体上脱落下来，从而嘌呤霉素会从核糖体上脱落下来，从而终止翻译。因此肽链合成过早终止，而且在此截短的肽终止翻译。因此肽链合成过早终止，而且在此截短的肽链的羧基端连有一分子嘌呤霉素。链的羧基端连有一分子嘌呤霉素。(2)(2)链霉素链

18、霉素(streptomycin)(streptomycin) 链霉素能与链霉素能与30S-30S-亚基结合从亚基结合从而抑制蛋白质的合成而抑制蛋白质的合成; ;此此30S-30S-链霉素复合体是一种效率链霉素复合体是一种效率很低且很不稳定的起始解离而终止翻译的复合体。链霉很低且很不稳定的起始解离而终止翻译的复合体。链霉素结合在素结合在30S30S亚基上时亦能改变氨基酰亚基上时亦能改变氨基酰-tRNA-tRNA在在A A位点上位点上与其对应的密码子配对的精确性和效率。与其对应的密码子配对的精确性和效率。 (3)(3)四环素四环素(tetracyclines(tetracyclines) ) 四环

19、素能阻断氨基酰四环素能阻断氨基酰-tRNA-tRNA进入进入A A位点，从而抑制肽链的延长位点，从而抑制肽链的延长; ;新生的肽链存留在新生的肽链存留在P P位点上，并能与嘌呤霉素反应。位点上，并能与嘌呤霉素反应。 (4)(4)氯霉素氯霉素(chloramphenicol(chloramphenicol) )氯霉素能阻断氯霉素能阻断70S70S核糖体中的核糖体中的50S50S大亚基的肽酰转移酶的活性，从而抑制肽链的延长。大亚基的肽酰转移酶的活性，从而抑制肽链的延长。(5)(5)放线菌酮放线菌酮(cycloheximide(cycloheximide) )放线菌酮被认为与氯霉素的作用放线菌酮被认

20、为与氯霉素的作用类似，但它主要作用于真核生物的类似，但它主要作用于真核生物的80S80S核糖体中的核糖体中的60S60S亚基。亚基。(6)(6)红霉素红霉素(erythromycin)(erythromycin)红霉素与红霉素与50S50S大亚基结合，并阻断移大亚基结合，并阻断移位作用因而将肽酰位作用因而将肽酰-tRNA-tRNA 冻结冻结 在在A A位点上。对红霉素产生抗性位点上。对红霉素产生抗性是由于是由于50S50S大亚基中某一个蛋白质产生突变之故。大亚基中某一个蛋白质产生突变之故。上述各种抗菌素对细菌的完整细胞或无细胞系统均有抑制上述各种抗菌素对细菌的完整细胞或无细胞系统均有抑制作用，

21、它们都作用于核糖体循环的起始和作用，它们都作用于核糖体循环的起始和/ /或延长步骤。或延长步骤。 由于细菌核糖体与哺乳动物线粒体核糖体相似，因此能抑由于细菌核糖体与哺乳动物线粒体核糖体相似，因此能抑制细菌核糖体功能的抗菌素，往往也能抑制哺乳动物线粒体的制细菌核糖体功能的抗菌素，往往也能抑制哺乳动物线粒体的核糖体循环。线粒体是一个核糖体循环。线粒体是一个 半自养半自养 的细胞器，它的蛋白质除的细胞器，它的蛋白质除由胞浆核糖体循环产生供应外，并有其自身的翻译系统。由胞浆核糖体循环产生供应外，并有其自身的翻译系统。四环素族类四环素族类( (包括四环素、土霉素、金霉素等包括四环素、土霉素、金霉素等)

22、)对真核细胞对真核细胞的无细胞系统蛋白质合成具有抑制作用，但对完整的真核细胞的无细胞系统蛋白质合成具有抑制作用，但对完整的真核细胞无抑制作用，这是由于四环素族类抗菌素不易透入真核细胞膜无抑制作用，这是由于四环素族类抗菌素不易透入真核细胞膜。 （1 1）释放因子）释放因子RFRF1 1或或RFRF2 2进入核糖体进入核糖体A A位。位。 （2 2）多肽链的释放）多肽链的释放（3 3）核糖体解离）核糖体解离tRNARFRF肽链合成的肽链合成的终止及释放终止及释放大肠杆菌蛋大肠杆菌蛋白质合成白质合成5个主要阶段个主要阶段的物质需求的物质需求翻译翻译方向方向翻译方向翻译方向合成完毕合成完毕的肽链的肽链

23、多核糖体多核糖体3mRNA延伸中的肽链延伸中的肽链5核糖体循环核糖体循环 n去除去除N端甲硫氨酸残基端甲硫氨酸残基n信号肽及部分肽段的切除信号肽及部分肽段的切除当蛋白质完成跨膜运输后，信号肽酶切除信当蛋白质完成跨膜运输后，信号肽酶切除信号肽段号肽段往往还含有一段与活性无关的其他肽段，必往往还含有一段与活性无关的其他肽段，必须切除，才能形成活性蛋白须切除，才能形成活性蛋白n二硫键形成二硫键形成在在2个个Cys-SH之间脱氢氧化形成之间脱氢氧化形成-S-S-n辅助因子连接辅助因子连接蛋白质与糖、脂、核酸等辅助因子结合形蛋白质与糖、脂、核酸等辅助因子结合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等结合蛋白质成糖蛋白

24、、脂蛋白、核蛋白等结合蛋白质n亚基聚合亚基聚合如血红蛋白的如血红蛋白的4个亚基聚合个亚基聚合n构成蛋白质的编码氨基酸只有构成蛋白质的编码氨基酸只有20种，种，但蛋白质中的氨基酸有但蛋白质中的氨基酸有100多种，这多种，这些氨基酸都是编码氨基酸经化学修饰些氨基酸都是编码氨基酸经化学修饰得到的得到的-磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸-羟基化：脯氨酸，赖氨酸羟基化：脯氨酸，赖氨酸-酰基化：组氨酸酰基化：组氨酸-甲基化：色氨酸甲基化：色氨酸-核糖基化：精氨酸核糖基化：精氨酸n意义：或者是蛋白质所固有的，或者意义：或者是蛋白质所固有的，或者在调解蛋白质功能时起重要作用在调解蛋

25、白质功能时起重要作用A链区链区HSB链区链区间插序列间插序列(C肽区肽区)SHSHSHHSHS信号肽信号肽N核糖体上合成核糖体上合成出无规则卷曲出无规则卷曲的的前胰岛素原前胰岛素原切除切除C肽后，形肽后，形成成熟的胰岛素成成熟的胰岛素分子分子切除信号肽后切除信号肽后折叠成稳定构折叠成稳定构象的胰岛素原象的胰岛素原SSSSNNCCA链链B链链胰岛素胰岛素CNSSSS胰岛素原胰岛素原SSn蛋白质的生物活性不仅依赖于蛋白质的生物活性不仅依赖于他们的氨基酸顺序，而且依赖他们的氨基酸顺序，而且依赖于他们的空间结构于他们的空间结构n新生肽链必须经过一系列严格新生肽链必须经过一系列严格而复杂的折叠过程，才能

26、形成而复杂的折叠过程，才能形成具有正确空间结构的有活性的具有正确空间结构的有活性的蛋白质蛋白质n多肽链的氨基酸顺序如何决定多肽链的氨基酸顺序如何决定蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构第二遗第二遗传密码？传密码？Lasky于于1978年首先提出分子年首先提出分子伴侣伴侣(mulecular chaperone)的的概念，这是一类在细胞内能帮概念，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，在原核部分的一类蛋白因子，在原核生物和真核生物中广泛存在生物

27、和真核生物中广泛存在分子伴侣和折叠酶分子伴侣和折叠酶n分子伴侣分子伴侣(molecular chaperone)帮助新生肽链进行非共价折叠的一类蛋白帮助新生肽链进行非共价折叠的一类蛋白质质如热休克蛋白，前导肽等如热休克蛋白，前导肽等n折叠酶折叠酶(foldase)类类催化与折叠直接有关的化学反应的酶催化与折叠直接有关的化学反应的酶目前知道目前知道2个折叠酶参与折叠：个折叠酶参与折叠：二硫键异二硫键异构酶构酶(PDI)；脯氨酸异构酶；脯氨酸异构酶(PPI)35SRP循环循环mRNAn1.蛋白质在核糖体上合成蛋白质在核糖体上合成n2.首先合成出信号肽首先合成出信号肽(段段)n3.信号肽被信号识别体信号肽被信号识别体(SRP)蛋白结合，蛋白结合，肽链的延伸停止肽链的延伸停止n4.SPR与内质网膜上的与内质网膜上的SPR受体结合，核受体结合，核糖体与内质网膜上核糖体受体结合糖体与内质网膜上核糖体受体结合n5.SPR释放释放n6.肽链延长重新开始，完成蛋白质合成肽链延长重新开始，完成蛋白质合成n7.信号肽酶切除信号肽，蛋白质释放入内信号肽酶切除信号肽，蛋白质释放入内质网腔内质网腔内一些多肽链上一些多肽链上N-N-端的信号肽的结构端的信号肽的结构