7蛋白质生物合成-5-12 - 2013年最新《化学生物学》ppt课件.ppt

1、第六章第六章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成biosynthesis of protein罗塞塔石碑罗塞塔石碑年仅年仅11岁的法国少年，岁的法国少年，商博良决心解开碑文的商博良决心解开碑文的秘密，秘密，真是令人惊奇不已。真是令人惊奇不已。他为此勤奋工作他为此勤奋工作21年，年，对照希腊文，对照希腊文，终于读通埃及国王托勒终于读通埃及国王托勒密，及王后克里奥帕特密，及王后克里奥帕特拉，两个象形文字的秘拉，两个象形文字的秘密。密。 蛋白质的生物合成，即蛋白质的生物合成，即翻译翻译: 以以mRNA为模板形成蛋白质的过程，为模板形成蛋白质的过程， 将核酸中将核酸中 4 种种核苷酸序列核苷酸序列编码的

2、遗传信息，编码的遗传信息， 通过遗传密码通过遗传密码破译破译的方式的方式, 解读解读为为 蛋白质一级结构中蛋白质一级结构中20种种氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序 。主要内容主要内容参与蛋白质生物合成的主要物质蛋白质生物合成的过程翻译后的加工蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系n 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质mRNA和密码子、和密码子、tRNA、rRNA酶、辅助因子、蛋白质因子、酶、辅助因子、蛋白质因子、ATP、GTP、无机离子无机离子合成方向：合成方向：N CN C端端 （一）、（一）、mRNA翻译的模板翻译的模板CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU5 /3

3、/-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr- 密码子密码子 mRNA mRNA分子中，从分子中，从5 5-3-3每三个相邻的每三个相邻的 碱基组成的三联体，代表某个氨基酸碱基组成的三联体，代表某个氨基酸 共有共有6464种种6161种种代表代表2020中氨基酸中氨基酸3 3种种(codon)AUG起始密码起始密码蛋氨酸蛋氨酸 密码子：密码子：细菌中细菌中GUG表示表示起始起始的的甲酰蛋氨酸甲酰蛋氨酸UAA（琥珀密码子）（琥珀密码子）UAG （乳石密码子）（乳石密码子）UGA （赭石密码子）（赭石密码子）Established the in

4、 vitro system for revealing the genetic codesDevised methods to synthesize RNAs with definedsequencesNirenberg以均聚物以均聚物共聚物为模板指导多共聚物为模板指导多肽的合成肽的合成,寻找到了破译遗传密码的途径寻找到了破译遗传密码的途径Poly U 为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为Poly PhePoly C 为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为Poly Pro Poly A 为模板，产生的多肽链为为模板，产生的多肽链为Poly Lys无细胞体系无细胞体系-去模版去模版

5、膜过滤技术膜过滤技术The for detecting the bindingof a trinucleotide to a specific aminoacyl-tRNA molecule: about codons were assigned bythis simple and elegant method.Copolymer of alwayslead to synthesis of polypeptides of :ABABABABABABAB- aa1-aa2-aa1-aa2- Khorana以以共聚物共聚物指导多肽的合成，加快了破译遗指导多肽的合成，加快了破译遗传密码的步伐传密码的

6、步伐遗传密码表遗传密码表第一碱基第一碱基（5 端）端）第第 二二 碱碱 基基第三碱基第三碱基（3 -端）端）终止终止终止终止*在在mRNA起始部位的起始部位的AUG为起始信号为起始信号遗传密码遗传密码 三联体，三联体， 不重复、不重复、 不间断不间断 方向性方向性 通用性通用性 简并性简并性 连续性连续性 摆动性摆动性 遗传密码的特点遗传密码的特点绝大多数密码子对各种生物都适用绝大多数密码子对各种生物都适用5 3同一氨基酸具有多种密码子同一氨基酸具有多种密码子同义密码同义密码第第1 1、2 2位位第第3 3位位决定密码的特异性决定密码的特异性摆动摆动 简并性：简并性：同义密码子同义密码子 对应

7、于同一种对应于同一种AAAA的不同密码子的不同密码子 Met Met 和和TrpTrp仅一个密码子仅一个密码子简并性的生物意义在于减少有害突变简并性的生物意义在于减少有害突变遗传密码表遗传密码表第一碱基第一碱基（5 -端）端）第第 二二 碱碱 基基第三碱基第三碱基（3 -端）端）终止终止终止终止*在在mRNA起始部位的起始部位的AUG为起始信号为起始信号碱基的改变仍有可能编码原来的碱基的改变仍有可能编码原来的AA密码子与反密码子的配对密码子与反密码子的配对I A、C、UU A、GG C、U反密码子反密码子识别识别密码子密码子第第1位位（摆动配对）（摆动配对）（tRNAtRNA）（mRNAmRN

8、A）摆动性摆动性: : 反密码与密码间不严格遵守常见的反密码与密码间不严格遵守常见的 碱基配对规律碱基配对规律第第3位位决定密码的决定密码的特异性特异性 第第1、2位位摆动性摆动性 第第3位位沿沿5 5-3-3方向连续阅读方向连续阅读插入碱基插入碱基缺失碱基缺失碱基移码移码突变突变 连续性：连续性：无标点、不重叠无标点、不重叠每三个核苷酸只编码一个氨基酸每三个核苷酸只编码一个氨基酸5. UACGGACAUCUG.35.UACCGGACAUCUG.3酪酪甘甘组组蛋蛋酪酪精精苏苏 半胱半胱5. UACGACAUCUG.3酪酪天天 异亮异亮插入插入缺失缺失密码子在蛋白质中出现的频率密码子在蛋白质中出

9、现的频率密码的防错系统密码的防错系统 如如 第二位的碱基第二位的碱基 U 极性的氨基酸极性的氨基酸； C 非极性或不带电荷的极性非极性或不带电荷的极性侧链侧链氨基酸；氨基酸； A或或G 极性的氨基酸；极性的氨基酸； 密码子在密码表中的分布有一定的规则：密码子在密码表中的分布有一定的规则： 通常情况：通常情况： 第二位决定氨基酸的极性，第二位决定氨基酸的极性， 第三位决定密码子的简并性。第三位决定密码子的简并性。 使使碱基碱基的的变化变化有时有时不会不会引起引起氨基酸氨基酸的变化的变化 编码相同的编码相同的AA， 若引起氨基酸变化也是若引起氨基酸变化也是同类型同类型氨基酸相互取代氨基酸相互取代

10、理化性质接近的理化性质接近的AA，这样，合成的蛋白质功能差别不会太大。这样，合成的蛋白质功能差别不会太大。极性并具有碱性氨基酸第一位第一位 A 或或 C第二位第二位 A 或或 G 前两位的碱基是前两位的碱基是AG （AGN）极性并具有酸性氨基酸这样的分布规律这样的分布规律 ？遗传密码表遗传密码表第一碱基第一碱基（5 -端）端）第第 二二 碱碱 基基第三碱基第三碱基（3 -端）端）终止终止终止终止*在在mRNA起始部位的起始部位的AUG为起始信号为起始信号（二）、（二）、tRNA搬运氨基酸搬运氨基酸1.1.结合氨基酸结合氨基酸: :由由ATPATP供能供能, ,将氨基酸结合在将氨基酸结合在tRN

11、A3tRNA3-CC-CCA A位置位置. . 一种氨基酸有几种一种氨基酸有几种tRNAtRNA携带；携带；2.2.反密码子反密码子: : 决定所带氨基酸，并准确在决定所带氨基酸，并准确在mRNAmRNA上对号入座上对号入座. .ser5tyr5氨基酰氨基酰tRNAtRNA的表示方法的表示方法精氨基酰精氨基酰tRNAtRNA： arg-tRNAarg-tRNAargarg甲硫氨基酰甲硫氨基酰tRNAtRNA： met-met-tRNAtRNAmetmet丙氨基酰丙氨基酰tRNAtRNA： ala-ala-tRNAtRNAalaala(三三)、核糖体、核糖体蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所 rR

12、NA + 蛋白质蛋白质 大亚基大亚基 小亚基小亚基 原核原核 50s + 30s 70s 真核真核 60s + 40s 80s PAP位位 -肽酰基肽酰基tRNA结合位；结合位； A位位 -氨酰氨酰tRNA结合位；结合位； 不同的不同的tRNA结合位点：结合位点：核糖体分类核糖体分类 一类一类 附着于粗面内质网参与分泌蛋白的合成；附着于粗面内质网参与分泌蛋白的合成；另一类另一类 游离于胞质，参与细胞固有蛋白质的合成游离于胞质，参与细胞固有蛋白质的合成 l功能：装配机，功能：装配机， 转肽酶活性，转肽酶活性， 促进氨基酸合成肽促进氨基酸合成肽l粗面内质网粗面内质网二二 、翻译的五个阶段、翻译的五

13、个阶段翻译翻译起始起始肽链肽链延长延长肽链肽链终止终止 氨基酸的氨基酸的活化活化肽链折叠和肽链折叠和加工加工进位进位转肽转肽脱落脱落移位移位与翻译五个阶段有关的物质与翻译五个阶段有关的物质 参与翻译的蛋白质因子参与翻译的蛋白质因子阶段原核阶段原核 真核真核 功功 能能IF1IF2 e eIF2 参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成IF3 e eIF3、e eIF4C起始起始 CBP I 与与mRNAmRNA帽子结合帽子结合 e eIF4A B F 参与寻找第一个参与寻找第一个AUGAUG e eIF5 协助协助eIF2eIF2、eIF3eIF3、eIF4CeIF4C的释放的释放 e eIF

14、6 协助协助60S60S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 e eEF1 协助氨酰协助氨酰- -tRNAtRNA进入核糖体进入核糖体延长延长EF-Ts e eEF1 帮助帮助EF-EF-TuTu 、 eEF1eEF1 周转周转 EF-G e eEF2 移位因子移位因子终止终止 RF-1 e eRF 释放完整的肽链释放完整的肽链 RF-2 RF-31. 氨基酸的氨基酸的活化活化氨酰氨酰tRNA的生成的生成氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶合成酶氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA + AMP + + AMP + PPiPPi氨基酸活化态氨基酸活化态氨基酸氨基酸 + +

15、 ATPATP+ + tRNAtRNA二二 、翻译、翻译氨基酸氨基酸+ +ATP+tRNAATP+tRNA氨基酰氨基酰 氨基酰氨基酰- -tRNA+AMP+ppitRNA+AMP+ppi氨基酰氨基酰tRNAtRNA合成酶合成酶ATPPPiH2N-CH-C-OHR OH2N-CH-CO-ACC-tRNAR O氨基酰tRNA合成酶tRNA氨基酰氨基酰tRNAtRNAGlyGlyGly H2N-CH-C-AMP-ER O氨基酰氨基酰tRNA的生成的生成氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶合成酶 特异性强特异性强,催化特定氨基酸与特异的催化特定氨基酸与特异的tRNA结合，结合， 每种氨基酸有特异的合成

16、酶催化，每种氨基酸有特异的合成酶催化， 此种特异性此种特异性保证保证了遗传信息翻译的了遗传信息翻译的准确性准确性 氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶: l识别氨酰识别氨酰-RNA-RNA合成酶的位点：合成酶的位点： 倒倒L L结构中结构中 参与此作用参与此作用l核糖体识别位点：核糖体识别位点：倒倒L L结构中结构中 TCTC环与此有关。环与此有关。DHU环环 反密码环反密码环 氨基酸臂氨基酸臂关于关于tRNAtRNAtRNA与酶结合的模型tRNAtRNA氨酰氨酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶ATPATP大肠杆菌大肠杆菌tRNAtRNAAlaAla氨基酸臂氨基酸臂是是酶酶的的辨认位点辨认位点 辨认

17、位点：辨认位点：7373位位 3 3位位-70-70位碱基对位碱基对 可变环可变环- -形成空腔形成空腔 4种种tRNA的辨认核苷酸的辨认核苷酸 2、起始阶段、起始阶段起始复合体起始复合体大亚基大亚基mRNAmRNAMet-Met-tRNAtRNA( (fMet-tRNAfMet-tRNA) )小亚基小亚基IF-1，2，3GTP起始复合物的形成过程（原核）起始复合物的形成过程（原核）1 2小亚基小亚基大亚基大亚基反密码子反密码子密码子密码子肽链的延长动画肽链的延长动画3. 肽链的延长阶段肽链的延长阶段1 延长因子（延长因子（EF）EF-TEF-GEF-TuEF-Ts2 GTP条件：条件：肽链延

18、长过程中肽链延长过程中4个重复反应个重复反应进位进位转肽转肽脱落脱落移位移位肽链延长过程中的耗能肽链延长过程中的耗能 转肽反应：转肽反应： 4、终止阶段、终止阶段A位位 出现出现终止密码子终止密码子释放因子释放因子 进入进入A位位肽酰转移酶肽酰转移酶 变为变为水解酶水解酶作用作用 在在GTP帮助下多肽链水解帮助下多肽链水解 大、小亚基分离。大、小亚基分离。 释放因子对终止密码子识别：释放因子对终止密码子识别： RF1 RF1 识别识别UAAUAA、UAGUAG RF2 RF2 识别识别UAAUAA、UGAUGA， RF3 RF3 协助二者起作用。协助二者起作用。三、蛋白质合成后的靶向输送三、蛋

19、白质合成后的靶向输送概念：蛋白质合成后概念：蛋白质合成后定向到达定向到达其其功能部位功能部位过程过程靶向输送靶向输送 蛋白质结构中存在蛋白质结构中存在分选信号分选信号信号序列信号序列（信号肽）（信号肽）指指N N末端末端特异氨基酸序特异氨基酸序列，可列，可引导引导蛋白质蛋白质转移转移到细胞的适当到细胞的适当靶部位靶部位的的序列。序列。信号序列信号序列(signal sequence)新生多肽链的需要加工才能转变为天然构新生多肽链的需要加工才能转变为天然构象的功能蛋白。主要包括象的功能蛋白。主要包括： 肽链折叠为天然的三维结构肽链肽链折叠为天然的三维结构肽链 一级结构的修饰一级结构的修饰 高级结

20、构修饰高级结构修饰四四、蛋白质翻译后修饰蛋白质翻译后修饰（二）（二） 、多肽链折叠为天然构象的蛋白质、多肽链折叠为天然构象的蛋白质分子伴侣分子伴侣 (molecular chaperon) (molecular chaperon) 分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠正确折叠。 1.1.热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP)(heat shock protein, HSP)： HSP70HSP70、HSP40HSP40和和GreEG

21、reE族族 2.2.伴侣素伴侣素( (chaperoninschaperonins) )： GroELGroEL和和GroESGroES家族家族依赖于依赖于热休克蛋白热休克蛋白Hsp70的折叠；的折叠； 依赖于依赖于热休克蛋白热休克蛋白Hsp70 和分子伴侣复合体的折叠和分子伴侣复合体的折叠 多肽链折叠的三种形式多肽链折叠的三种形式分子伴侣非依赖性折叠分子伴侣非依赖性折叠伴侣素伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程系统促进蛋白质折叠过程 催化催化 错配二硫键断裂，形成错配二硫键断裂，形成正确二硫键正确二硫键， 使蛋白质形成热力学最稳定天然构象。使蛋白质形成热力学最稳定天然构象。蛋白

22、二硫键异构酶蛋白二硫键异构酶 （内质网活性高）（内质网活性高）肽肽- -脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨各脯氨酸酸弯折处形成准确折叠。弯折处形成准确折叠。 是蛋白质三维构象形成的是蛋白质三维构象形成的限速酶限速酶折叠过程需要的酶折叠过程需要的酶（三）、一级结构的修饰一级结构的修饰 1. 1. N N端修饰端修饰 原核生物原核生物脱甲脱甲酰基酶酰基酶MetMet- -fMetfMet- -氨基肽酶氨基肽酶真核细胞真核细胞2. 2. 氨基酸残基的修饰氨基酸残基的修饰： 磷酸化、羟基化、乙酰化、糖基化磷酸化、羟基化、

23、乙酰化、糖基化3. 3. 水解加工水解加工：酶前体的活化酶前体的活化亚基聚合亚基聚合 Hb4Hb4亚基的聚合亚基的聚合辅基连接辅基连接疏水脂链的共价连接疏水脂链的共价连接 高级结构的修饰高级结构的修饰五、五、蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis 抗生素抗生素(antibiotics)(antibiotics) 指微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。指微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。抗代谢药物抗代谢药物指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如

24、：长的药物，如：6-MP6-MP。某些毒素某些毒素 也作用于基因信息传递过程。也作用于基因信息传递过程。（一）、抗生素类抗生素抗生素作用点作用点作用原理作用原理应用应用四环素族（金霉素四环素族（金霉素 新新霉素、土霉素）霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素、新链霉素、卡那霉素、新霉素霉素氯霉素、林可霉素氯霉素、林可霉素红霉素红霉素梭链孢酸梭链孢酸 放线菌酮放线菌酮嘌呤霉素嘌呤霉素原核核蛋白体原核核蛋白体小亚基小亚基原核核蛋白体原核核蛋白体小亚基小亚基原核核蛋白体原核核蛋白体大亚基大亚基原核核蛋白体原核核蛋白体大亚基大亚基原核核蛋白体原核核蛋白体大亚基大亚基真核核蛋白体真核核蛋白体大亚基大亚基真核、原

25、核核真核、原核核蛋白体蛋白体 抑制氨基酰抑制氨基酰-tRNA与小亚基结与小亚基结合合改变构象引起读码错误、抑制改变构象引起读码错误、抑制起始起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位抑制转肽酶、妨碍转位与与EFG-GTP结合，抑制肽链延结合，抑制肽链延长长抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰氨基酰-tRNA类似物，进位后类似物，进位后引起未成熟肽链脱落引起未成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究医学研究抗肿瘤药抗肿瘤药抗生素抑制蛋白质生物合成的原理抗生素抑制蛋白质生物合成的原理 四四环环素素族族氯霉素氯霉素链霉素和卡那霉

26、素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素嘌呤霉素放线菌酮放线菌酮（二）、其他干扰蛋白质生物合成的物质l毒素毒素(toxin)(toxin)l干扰素干扰素(interferon)(interferon) 白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理NCONH2N+OCH2OOHOHADPCONH2白白喉喉毒毒素素（有活性有活性）OCH2OOHOHADP（无活性无活性）干扰素的作用机理干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA1. 1. 诱导诱导eIFeIF2 2磷酸化磷酸化而失活而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）失活）Pi磷酸酶磷酸酶起始因子起始因子2.2.干扰素间接干扰素间接活化活化一种一种核酸内切酶核酸内切酶，此酶使，此酶使病毒病毒mRNAmRNA降解降解, ,从而阻断蛋白质合成从而阻断蛋白质合成降解降解mRNAdsRNA干扰素干扰素AAPAPPPP2 5 2 5 5 2 - 5 AAPPPATP2-5A合成酶合成酶RNaseLRNaseL活化活化