高中生物竞赛：蛋白质的生物合成课件.ppt

1,蛋白质的生物合成,ro的生物合成需要信息、能量、物质： mRNA, rRNA and tRNA EnergyATP, GTP MaterialAa （Activated RNAAa） CofactorsE、Protein factors、Metal ions,2,3,Structural gene指DNA分子上决定蛋白质和RNA(rRNA,mRNA and tRNA)结构的gene。 Gene Expression Structural gene mRNA Protein的全过程。 Central DogmaGenetic Information in DNAmRNA Protein（ Genetic Information of Protein Can Not Reverse ） DNA RNA Protein,Transcription,Reverse Transcription（类病毒）,Translation(翻译),RNA DNA RNA Protein Biological Properties 类病毒（反转录Virus）,?,Replication,Replication,遗传信息的表达方式,第一节 核糖体 Ribosome是体内pro合成的场所，是pro合成总装配车间，有大量实验给予证实。,4,5,原核生物核糖体组成,真核生物核糖体组成,rRNA60-65%,Proteins30-35%,rRNA55%,Proteins45%,位点30S50SIF3（起始因子）A位（氨酰tRNA结合位）IF1P位（肽酰-tRNA结合位）IF2GTP位（延伸水解GTP）mRNA延伸因子 EFTu，EFTs释放因子 RF1，2，3,mRNA是遗传信息的携带者遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。,7,第二节 密码子,8,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,Genetic code 遗传密码: 指DNA分子中特定的核苷酸排列顺序指定特定的氨基酸排列顺序 ，这种相关关系或“翻译语言”称为 Codon密码子: mRNA分子中每3个连续相邻的核苷酸指令一个氨基酸的排列位置，这3个相邻的核苷酸 称“三联体,Triplet”或“密码子”。,9,50年代，人们已经知道pro的Aa顺序与Nt顺序有关，但Nt 4种，Aa 20种，4种 Nt 怎样编排才能有效地指导Aa顺序呢？人们首先在数学上加以推导（择要介绍）1个Nt决定1个Aa，41 = 4 不能满足指导20Aa的需要2个4216 仍不能3个4364 最可能4个44256 太多,10,11,遗传密码的特点 1、Commaless(无标点)From AUG to UAA，一个接一个阅读，其间无 Nt 隔开。插入或删去一个Nt， 即造成移码突变，如：UGU GUG UGU GUG Cys Val Cys Val UGU GGU GUG UGU Cys Gly Val Cys 2、Currency(通用性,近乎） Virus、Procaryote、Eucaryote都用同一套Genetic Code，如用兔红血球核糖体（含mRNA）与E. Coli tRNA 及pr合成其它因子保温，合成了兔Hb，说明E.Coli tRNA能正确阅读兔Hb的mRNA上的信息。 但同一Aa的几组Codons，不同生物利用频率不同,12,3、 Degeneracy（简并性）大多数Aa, 除Met, Trp外，都可具有好几组Codon，（64：20）。如UGU，UGC皆为Cys，几种密码子编码同一Aa的Codon叫简并Codon(同义密码子) 4、第三碱基的变偶性（Wobble）（第三碱基具较低专一性）Codon的专一性主要由头两个Nt决定，第三碱基不那么重要，这一性质称Codon的变偶性，一般规律是UC，AG互变，它与简并性不同，变偶性主要是描述tRNA反密码子对Codon第三位Nt某种程度的变异仍具阅读能力, 特别是Anticodon 中 I 的阅读能力(I与U、C、A配对),13,5、Reading Direction of Genetic Code 53，不重叠性 6、密码字典中有三组Codon不编码Aa UAA，UAG，UGA，它们是终止Codon；一组AUG，既编码Met，又是起始Codon。,14,密码子和反密码子是反向配对,第三节 原核的翻译过程,翻译的起始(Initiation)翻译的延长(Elongation)翻译的终止(Termination ),17,整个翻译过程可分为 ：,翻译开始前发生两个重要事件：,18,第一步 翻译起始,氨酰tRNA的合成核糖体解离为两个亚基,19,核糖体只识别tRNA，而不能识别其携带的氨基酸。因此还存在氨酰- tRNA合成酶将正确的氨基酸加载到对应tRNA分子上，即氨酰- tRNA合成酶对tRNA和氨基酸的再识别。,tRNA在氨酰-tRNA 合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的 3-OH 与氨基酸的羧基形成活化(酯)氨基酰-tRNA。 氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与 ATP 作用, 形成氨基酰腺嘌呤核苷酸（氨酰AMP）；第二步是氨酰基转移到tRNA的3-OH端上,形成氨基酰-tRNA,20,21,Step 1,22,Step 2,氨酰tRNA合成酶的特征 a. 需Mg2+或Mn2+的巯基酶，共50多种。 b. 至少有两个结合位 c. 专一性特高，每一种氨基酰-tRNA 合成酶只能识别一种相应的 tRNA d. Aminoacyl-tRNA Synthetase有I类和2类(E.Coli) I类先将Aa-AMP上的氨基酸转到2OH，然后再转到3 OH上； 2类可直接将Aa-AMP上的氨基酸转到3 OH上。 e. tRNA合成酶的校对作用： 活化氨基酸以形成肽键将氨基酸连接到合适的tRNA上; 以保证准确携带氨基酸。 因为tRNA上的氨基酸的身份在Ribosome上不被检查。,以上合成的Aa-tRNA是所有掺入Aa的必由之路。而且对起始的Met还有特殊要求。 1、起始Aa-tRNA合成 甲酰化位置在Met-NH2（掩蔽NH2） a. 体内有两种能携带Met的tRNA 它们碱基组成不同，但都识别AUG。 tRNAifMet携带f Met到起始位，蛋白合成后切除。 tRNAm携带Met到肽链内部。 b. 甲酰化酶只催化Met- tRNAifMet甲酰化，对Met，Met-tRNA都无效。 最终形成氨甲酰甲硫氨酸tRNA.,24,一种特殊的tRNA开始肽链的合成,在细菌、线粒体、叶绿体中,25,Met +tRNAfMet+ ATP Met-tRNAifMet + AMP+PPi,Met-tRNA 合成酶,N10-甲酰THFAtRNAfMet THFA + fMet-tRNAifMet,真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAifMet,i 表示 Initiation, 核蛋白体大小亚基分离； mRNA与30S小亚基结合； 起始氨基酰-tRNA与小亚基结合； 核蛋白体大亚基结合；,一、原核生物的翻译起始, 核蛋白体大小亚基分离；,一、原核生物的翻译起始,50S,+ IF3,30S-IF3,50S,+ IF3,30S,30S-IF3,+ mRNA + fMet-tRNAifMet + GTP + IF1，IF2,IF3,30s小亚基上的16S rRNA和mRNA的SD序列（位于起始位点上游413个核苷酸）结合,辨认出mRNA链上的起始点（AUG），并且引入第一个氨酰tRNA。,30s起始复合物的形成,一、原核生物的翻译起始,SD 序列 ：核糖体结合位点,起始Codon,mRNA-30S-IF2IF1-fMet-tRNAifMet-GTP + 50S mRNA-fMet-tRNAifMet-70S + GDPPi + IF2IF1 a. 70S形成后，fMet-tRNAifMet进到50S上的肽酰位点（P位）, 50S上另有一氨酰位点（A位）空着，准备接受下一个 Aa-tRNA b. 真核起始复合物形成复杂得多，用到： AUG、tRNAi、Met-tRNAi、ATP、GTP、eIF1-5, 70S起始复合物的合成,一、原核生物的翻译起始,5 3mRNA,fMet,P位,A位,AUG, 50S,mRNA-fMet-tRNAf-70S,肽酰位点,氨酰位点,tRNA的氨酰末端位于大亚基上，反密码子与结合小亚基的mRNA相互识别,32,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位(exit site),从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链。,33,开放阅读框架 (open reading frame, ORF),(开读框),34,Lac promoter and operator,TemplateDNA strand,Transcriptionstart,ORF,Transcriptionstop,Lac transcription,起始因子的功能,35,IF1：只与30S亚基结合，作为完整复合体的一部分。结合在A位点，阻止氨酰tRNA的进入，还可以阻止30S和50S亚基的结合；,IF2：结合一个特定的起始tRNA，并控制他进入核糖体。,作为30S-mRNA复合体的一部分，检验第一个氨酰tRNA的准确性。,肽链延伸分3步， “进位”、“转肽”、“移位”。,37,二、原核生物的翻译延伸,1） AatRNA进位 70S上有P位，由fMet-tRNAf占据，A位空着，新进入的第二个Aa-tRNA则来占据A位，叫进位，进位也需两步反应。,Aa-tRNA + GTP-EFTuAa-tRNA-GTP-EFTuAa-tRNA-GTP-EFTu + 70S Complex Aa-tRNA-70S + GDP-EFTu + Pi其中：EFTu为肽链延伸因子，,进位：,38,fMet,P位,A位,AUG,5 3 mRNA,2）转肽 P位上的肽链（此时还只有一个fMet）转移到A位上的Aa上，形成一种连接在tRNA上的n+1肽（此时还只是1+1肽）同时P位上tRNAf 成为空载。 a. 二Aa连接方式是fMet的COOH与第二Aa的NH2间的肽键。肽链延伸方向“头向生长”即N端Aa最先合成。 b. 需肽基转移酶、K+。肽酰转移酶是50S上固有蛋白质位点，需高浓度K+。,39,在大亚基的催化下，位于P为肽基tRNA上的肽链转移到A位的氨酰tRNA末端，加上一个新的氨基酸，形成一个新的肽基tRNA。此时P位为一个不携带任何氨基酸的脱氨酰化的tRNA。核糖体向前滑动，将脱氨酰化的tRNA挤出P位点，导致肽基tRNA重新位于P位点，暴露出下一个三联体密码子,空载tRNA在被挤出核糖体会在E位点短暂停留，实际顺序是A到P再到E。,40,转肽：,肽基转移酶，K+,Aa2-NH2,A位,生长方向NC,嘌呤霉素作用：嘌呤核苷酸衍生物3N-CO-Tyr(衍生物-NHCO-Aa)，其结构与 tRNA-CCA-OHCO-Aa相似。不同在NHCO键和酯键 嘌呤霉素与核糖体无连接部位，形成的肽酰嘌呤霉素易脱落，pr合成中断。 故：嘌呤霉素抑制在于转肽步骤。同时从结构上也证明是头向生长（N C生长）糖 1 4尾向脂CH3 COO 头向NA 5 3尾向pr N C （tRNA） 头向,41,3）核糖体移位 移位是指核糖体在mRNA上沿53方向移动一个Codon的距离，它需要GTP和另一种延伸因子EFG。 EFG也叫“移位酶”，移位机理至今不清，移位后： 原在A位的二肽，实际位置到了70S的P位，原在P位的空载tRNA离开核糖体。接着，第三个AatRNA进入新的A位，开始下轮的进位，转肽，移位，从而使肽链不断延长为2肽，3肽，4肽最后合成pr原。,42,移位,43,Aa2-fMet,EFGGTP,Aa2-fMet,Aa3-tRNA,A位,A位,1、当核糖体在mRNA上沿 5 3方向不断移动中，如遇mRNA上出现终止Codon（UAA，UAG，UGA），则不再接受AatRNA而由释放因子RF占据。2、被肽酰转移酶水解下来的肽链释放入水相中3、tRNA脱离 核糖体脱离并解体为30S + 50S4、30S再与IF3结合（此可阻止与50S结合）,44,三、原核生物的翻译终止,释放因子有三种： RF1，识别UAA,UAG，占据A位，促进肽酰转移E变水解E RF2，识别UAA,UGA，占据A位，促进肽酰转移E变水解E RF3，协助肽链释放,45,终止,RF,AanfMet,RF,肽脱落,遗传信息的翻译,遗传信息的翻译,遗传信息的翻译,遗传信息的翻译,遗传信息的翻译,甲硫氨酸,肽键,遗传信息的翻译,甲硫氨酸,遗传信息的翻译,甲硫氨酸,组氨酸,色氨酸,遗传信息的翻译,甲硫氨酸,组氨酸,色氨酸,XXXX,54,Ribosome cycle,活化每个氨基酸2个高能键，进位需要1个高能键，移位需要1个高能键。合成一个n肽所需能量：4n个高能键。 原核生物中，肽链的终止不需GTP，,合成过程是一个耗能过程,第四节 真核细胞蛋白质合成的特点,真核生物mRNA的结构,58,1. 核糖体为80S，由60S的大亚基和40S的小亚基组成2. 起始密码AUG3. 起始tRNA为MettRNA，且没有被甲酰化，称为tRNAiMet4. 起始复合物结合在mRNA 5端AUG上游的帽子结构，真核mRNA无富含嘌呤的SD序列（除某些病毒mRNA外） 5. 已发现的真核起始因子有近12种（eukaryote Initiation factor,eIF）肽链终止因子及释放因子（RF）,只有一种,无特异性。线粒体、叶绿体内蛋白质的合成同于原核细胞,59,eIF4G 是结合eIF4E帽子复合物的多功能接头,olyA结合蛋白,eIF-2活性的调节,在真核生物中，促进氨酰-tRNA进位的延伸因子只有一种EFT1，促进移位的为EFT2，真核生物的肽链合成终止只需要一种终止因子RF。,不可用,1、40S小亚基识别mRNA的5端（标志是5端的帽子结构），扫描查找真核生物mRNA起始位点；真核生物的起始位点由一个包含AUG密码子的10核苷酸序列构成。在起始位点，核糖体60s亚基加入到复合体。另外还需要起始因子，包括那些识别5帽子的蛋白质。,2、绝大多数真核生物起始事件包括对5端的帽子结构的识别，但也存在另外一种起始方式。40S亚基直接结合一个位点，内部核糖体插入位点（IRES），这样就允许核糖体不从mRNA的5到3端阅读而直接在此序列处结合mRNA并起始翻译。IRES原件能允许当大部分mRNA的翻译受到抑制时能够继续进行翻译。该方式包括一些病毒。,(一).抗生素类阻断剂,2.四环素和土霉素: 抑制氨基酰tRNA与核糖体A位结合，也抑制fMet-tRNAfMet与核糖体结合,3.氯霉素：作用于30S亚基,蛋白质合成的抑制剂,链霉素、卡那霉素、新霉素等（氨基糖苷类抗生素） 主要抑制革兰氏阴性细菌蛋白质合成的三个阶段：起始复合物的形成，使氨基酰tRNA从复合物中脱落；在肽链延伸阶段，使氨基酰tRNA与mRNA错配；在终止阶段，阻碍终止因了与核蛋白体结合，使已合成的多肽链无法释放，而且还抑制70S核糖体的介离。,(三).亚胺环己酮（放线菌酮）,(二).白喉霉素（diphtheria toxin）,由白喉杆菌所产生的白喉霉素是真核细胞蛋白质合成抑制剂。它对真核生物的延长因子-2（EF-2）起共价修饰作用，生成EF-2腺苷二磷酸核糖衍生物，从而使EF-2失活，它的催化效率很高，只需微量就能有效地抑制细胞整个蛋白质合成，而导致细胞死亡,只抑制真核60S亚基的肽酰转移酶活性,第五节 真核、原核表达的差异,原核生物基因表达的特异性,真核生物基因表达的特异性,多聚核糖体在pro合成过程中，往往多个Ribosome结合于一条 mRNA分子上，分别完成同一种pro的合成任务，这种构造叫多核糖体。它使翻译速度成倍提高。Poly ribosome上，单个Ribosome间隔3nm，呈念珠状。每6个核糖体形成一个右手螺旋，大亚基在外，小亚基在内。,提高了翻译的效率,第六节 翻译后加工,移去部分氨基酸（信号肽、C或N） 折叠（共折叠和翻译后折叠） 降解（泛素介导的蛋白酶体降解） 修饰（磷酸化，糖基化，甲基化，乙酰化等）,磷酸化：指由蛋白质激酶催化的把ATP的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基（丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸）上的过程，是生物体内一种普通的调节方式，在细胞信号转导的过程中起重要作用。,糖基化：在酶的控制下，蛋白质或脂质附加上糖类的过程，发生于内质网。在糖基转移酶作用下将糖转移至蛋白质，和蛋白质上的氨基酸残基形成糖苷键。蛋白质经过糖基化作用，形成糖蛋白。糖基化是对蛋白的重要的修饰作用，有调节蛋白质功能作用。,乙酰化修饰（赖氨酸）调控蛋白质的多种性质，包括DNA-蛋白质相互作用、亚细胞定位、转录活性、蛋白质稳定性等等。除了这些重要的生物学功能外，赖氨酸乙酰化蛋白质及其调控酶与衰老和几种重大疾病（如癌症、神经变形紊乱、心血管疾病等）紧密相联,甲基化：从活性甲基化合物(如S-腺苷基甲硫氨酸)上将甲基催化转移到其他化合物的过程。某些组蛋白残基通过甲基化可以抑制或激活基因表达，从而形成为表观遗传。,ADP核糖基化指的是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)中的ADP核糖基部分与某些蛋白质的氨基酸残基发生共价连接反应,从而影响蛋白质的功能。ADP核糖基化由ADP核糖转移酶(ADPRTS)来完成,动物细胞有一个很大的ADP核糖转移酶基因家族.,