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    微生物分子伴侣ppt课件.ppt

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    微生物分子伴侣ppt课件.ppt

    微生物分子伴侣微生物分子伴侣微生物学微生物学(10级)级)徐利楠徐利楠寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多目录n一、分子伴侣的发现n二、分子伴侣的概念n三、分子伴侣的作用机制n四、分子伴侣的分类与分布n五、分子伴侣的生理作用n六、原核生物细胞质中的分子伴侣六、原核生物细胞质中的分子伴侣n七、真核生物细胞质中的分子伴侣寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多一、分子伴侣的发现n1978年,年,Laskey等首先使用术语分子伴侣来描述核质素等首先使用术语分子伴侣来描述核质素(nucleoplasmin)在核小体组装过程中的作用在核小体组装过程中的作用1。他们发。他们发现现DNA和组蛋白在生理条件下迅速混合将导致沉淀,但当和组蛋白在生理条件下迅速混合将导致沉淀,但当反应体系中存在核内富含的核质素时,反应体系中存在核内富含的核质素时,DNA和组蛋白则形和组蛋白则形成核心颗粒。在反应中,核质素与组蛋白结合,一方面屏成核心颗粒。在反应中,核质素与组蛋白结合,一方面屏蔽组蛋白正电荷引起的静电排斥,从而促进组蛋白单体之蔽组蛋白正电荷引起的静电排斥,从而促进组蛋白单体之间的相互作用;另一方面减弱间的相互作用;另一方面减弱DNA与组蛋自之间的静电吸与组蛋自之间的静电吸引,将沉淀降至最低程度。引,将沉淀降至最低程度。n随后随后Ellis等发现包括核质素在内的一些蛋白质可以协助其等发现包括核质素在内的一些蛋白质可以协助其它蛋白质折叠和组装,而且这类蛋白质广泛分布于原核和它蛋白质折叠和组装,而且这类蛋白质广泛分布于原核和真核细胞内真核细胞内2。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多二、分子伴侣的概念nEllis等提出了分子伴侣的基本概念:分子伴等提出了分子伴侣的基本概念:分子伴侣是一类在蛋白质折叠和组装过程中,防止侣是一类在蛋白质折叠和组装过程中,防止多肽链内或链间因疏水等相互作用表面瞬间多肽链内或链间因疏水等相互作用表面瞬间暴露而形成错误结构的蛋白质,并且还可以暴露而形成错误结构的蛋白质,并且还可以破坏已经形成的错误结构。分子伴侣本身不破坏已经形成的错误结构。分子伴侣本身不是折叠或组装产物的一部分是折叠或组装产物的一部分2。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多三、分子伴侣的作用机制n分子伴侣本身不包括控制正确折叠所需要的构象分子伴侣本身不包括控制正确折叠所需要的构象信息,而只是阻止非天然态多肽链内部的或相互信息,而只是阻止非天然态多肽链内部的或相互间的非正确相互作用,因而它们能提高折叠反应间的非正确相互作用,因而它们能提高折叠反应的产率而不一定能提高其速率。分子伴侣的作用的产率而不一定能提高其速率。分子伴侣的作用机制实际上就是它如何与靶蛋白识别、结合、又机制实际上就是它如何与靶蛋白识别、结合、又解离的机制。由于在天然分子中,疏水残基多半解离的机制。由于在天然分子中,疏水残基多半位于分子的内部而形成疏水核心,去折叠后就有位于分子的内部而形成疏水核心,去折叠后就有能暴露出来,或者在新生肽段的折叠过程中,会能暴露出来,或者在新生肽段的折叠过程中,会暂时形成疏水表面,因此认为分子伴侣最有可能暂时形成疏水表面,因此认为分子伴侣最有可能是与疏水表面相结合。是与疏水表面相结合。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多四、分子伴侣的分类与分布n分子伴侣蛋白可根据分子大小、功能或分布进行分子伴侣蛋白可根据分子大小、功能或分布进行分类。最常应用相对分子质量进行分类,主要包分类。最常应用相对分子质量进行分类,主要包括以下几种括以下几种3:nHSP8家族家族(包括泛素等包括泛素等);nGroES和相应的和相应的HSP10家族;家族;n小分子伴侣小分子伴侣(small heat shock protein,sHSP,包括包括HSP25、HSP27、HSP32等等);nHSP40家族(家族(DnaJ););nHsp47或胶原伴侣蛋白或胶原伴侣蛋白(collagenin);寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n肽链脯氨酸肽链脯氨酸(顺反顺反)异构酶异构酶(peptidil-prolil-cis,trans-isomerases,PPI);n蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerases,PDI);nGroEL和和HSP60家族;家族;n参与形成折叠体的参与形成折叠体的HSP70家族(家族(DnaK;Ssa1-4)nHSP90及其同源体以及及其同源体以及HSP100和和HSP 110家族家族。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多分子伴侣在细胞内的分布3寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多五、分子伴侣的生理作用n1、分子伴侣参与生物机体的应激反应、分子伴侣参与生物机体的应激反应 分子伴侣中除少数成员外,大部分均可被高分子伴侣中除少数成员外,大部分均可被高温或低温以及乙醇、亚砷酸盐、重金属等诱导合温或低温以及乙醇、亚砷酸盐、重金属等诱导合成,它们使生物体逆境耐受力大大增强。例如大成,它们使生物体逆境耐受力大大增强。例如大肠杆菌在肠杆菌在42条件下预处理条件下预处理5min 将明显提高其将明显提高其在在50的存活率;而大肠杆菌中如果的存活率;而大肠杆菌中如果DnaK 基因基因缺失严重,将会降低细胞在缺失严重,将会降低细胞在30下生长速度,在下生长速度,在40细胞生长则完全被抑制细胞生长则完全被抑制 4。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n2、分子伴侣在蛋白折叠中的作用、分子伴侣在蛋白折叠中的作用 非天然态的蛋白质会形成一些折叠中间体,而非天然态的蛋白质会形成一些折叠中间体,而折叠过程是一个通过折叠中间体的正确途径与错折叠过程是一个通过折叠中间体的正确途径与错误途径相互竞争的过程。分子伴侣的功能就是在误途径相互竞争的过程。分子伴侣的功能就是在竞争中帮助正确折叠途径,从而提高蛋白质的合竞争中帮助正确折叠途径,从而提高蛋白质的合成效率成效率4。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n3、分子伴侣参与生物大分子的转运和定位、分子伴侣参与生物大分子的转运和定位 Hsp70 家族能结合胞液中未折叠的蛋白,并帮家族能结合胞液中未折叠的蛋白,并帮助其输入到线粒体和叶绿体中。如在线粒体一些助其输入到线粒体和叶绿体中。如在线粒体一些蛋白质的转运过程中,分子伴侣能解开细胞质内蛋白质的转运过程中,分子伴侣能解开细胞质内前体蛋白折叠的结构域,并牵拉多肽链穿膜而过。前体蛋白折叠的结构域,并牵拉多肽链穿膜而过。线粒体基质线粒体基质Hsp70(mHsp70)可与已进入线粒体可与已进入线粒体腔的前导肽交联,一旦前体蛋白进入线粒体腔,腔的前导肽交联,一旦前体蛋白进入线粒体腔,立即有一分子的立即有一分子的mHsp70结合上去,这样就防止结合上去,这样就防止导肽退回细胞质。随着肽链进一步伸入线粒体腔,导肽退回细胞质。随着肽链进一步伸入线粒体腔,肽链会结合更多的肽链会结合更多的mHsp70 分子,分子,mHsp70 分子分子可拖拽肽链,可拖拽肽链,mHsp70 以一种高能构象结合前导以一种高能构象结合前导肽转变为低能构象,促使前导肽进入线粒体腔,肽转变为低能构象,促使前导肽进入线粒体腔,并迫使后面的肽链解链进入转运孔道并迫使后面的肽链解链进入转运孔道5。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多线粒体蛋白跨膜转运过程图解5寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n4、分子伴侣参与遗传物质的复制转录分子伴侣参与遗传物质的复制转录 在体外试验中,核酸衣壳蛋白可与单链在体外试验中,核酸衣壳蛋白可与单链DNA、RNA 以及双链以及双链DNA 结合结合6。这种分子伴侣是与。这种分子伴侣是与DNA相结合并帮助相结合并帮助DNA折叠的。折叠的。DNA与蛋白的这与蛋白的这种相互作用对种相互作用对DNA的转录、复制以及重组都十分的转录、复制以及重组都十分重要。重要。DNA在溶液中的结构有相当的刚性,必须在溶液中的结构有相当的刚性,必须克服一个能障才能转变成它在蛋白复合物中的结克服一个能障才能转变成它在蛋白复合物中的结构,分子伴侣的作用就是帮助构,分子伴侣的作用就是帮助DNA分子进行折叠分子进行折叠和扭曲,从而把和扭曲,从而把DNA稳定在一个适合于和蛋白结稳定在一个适合于和蛋白结构的特定构象中。构的特定构象中。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n5、分子伴侣参与生物信号转导分子伴侣参与生物信号转导 一些脂溶性信息分子在细胞质中的受体有三个一些脂溶性信息分子在细胞质中的受体有三个功能部位:激素结合位点、功能部位:激素结合位点、DNA 结合结构域及核结合结构域及核定位位点,受体本身就是核定位蛋白。当细胞未定位位点,受体本身就是核定位蛋白。当细胞未受到激素刺激时,受体同分子伴侣结合在一起,受到激素刺激时,受体同分子伴侣结合在一起,核定位信号和核定位信号和DNA 结合位点都被隐蔽起来。当细结合位点都被隐蔽起来。当细胞受到信号分子的作用,脂溶性的激素进入细胞胞受到信号分子的作用,脂溶性的激素进入细胞质,同相应的受体上的激素结合位点结合,使受质,同相应的受体上的激素结合位点结合,使受体同分子伴侣脱离,露出核定位信号和体同分子伴侣脱离,露出核定位信号和DNA 结合结合位点。然后核定位蛋白通过核孔进入细胞核,位点。然后核定位蛋白通过核孔进入细胞核,DNA 结合位点同染色体上的结合位点同染色体上的 DNA结合,启动基结合,启动基因表达因表达 7 。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多分子伴侣Hsp90在信号转导中的作用8寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n1、TF途径途径 在大肠杆菌中,当多肽链从核糖体中被翻译出在大肠杆菌中,当多肽链从核糖体中被翻译出来时,触发因子来时,触发因子(TF)是第一个作用于新生多肽链是第一个作用于新生多肽链的分子伴侣。的分子伴侣。TF是一种分子量为是一种分子量为48kDa的蛋白,的蛋白,它能与核糖体以它能与核糖体以1:1的比例结合,并且能与短至的比例结合,并且能与短至57kDa残基的多肽链相互作用。当肽链从核糖体残基的多肽链相互作用。当肽链从核糖体上释放后,新生链上释放后,新生链-TF复合体以一种复合体以一种ATP独立方式独立方式分离。分离。TF与许多原核细胞的与许多原核细胞的Hsp70系统系统DnaK和和DnaJ在稳定天然链的折叠活性状态上有重叠的功在稳定天然链的折叠活性状态上有重叠的功能。仅缺失能。仅缺失TF或或DnaK的大肠杆菌细胞在的大肠杆菌细胞在37下下并未表现出折叠缺陷,但二者都缺失会引起错误并未表现出折叠缺陷,但二者都缺失会引起错误折叠聚集蛋白的积累,对大肠杆菌是致死的折叠聚集蛋白的积累,对大肠杆菌是致死的9。六、原核生物细胞质中的分子伴侣六、原核生物细胞质中的分子伴侣(大肠杆菌)(大肠杆菌)寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n 2、DnaK-DnaJ途径途径 DnaK属属Hsp70家族;家族;DnaJ属属Hsp40家族。家族。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多Hsp70 10n由由ATP结构域和底物结合结构域组成。结构域和底物结合结构域组成。nATPase分成分成4个区,其中的第二个区最重要。个区,其中的第二个区最重要。n底物结合域又分为底物结合域又分为Helix区和区和sheet区。区。Helix起到帽子的起到帽子的作用。作用。Sheet区的区的8个个sheets形成三明治结构,直接与底形成三明治结构,直接与底物结合。物结合。第第二二区区寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多-sandwich结构示意图结构示意图10 L12和和L34形成结合口袋;形成结合口袋;L45和和L56有稳定结合口袋的作用;有稳定结合口袋的作用;肽段通过氢键和疏水作用与底物结合域结合;肽段通过氢键和疏水作用与底物结合域结合;寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多Lid结构示意图结构示意图 Lid由由5个螺旋构成;个螺旋构成;螺旋螺旋1、2直接与直接与-sandwich作用;作用;Lid可能通过盐桥来调节开启和关闭。可能通过盐桥来调节开启和关闭。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多Hsp40nHsp40家族蛋白都含有J结构域,依据其他的保守结构域的存在与否将Hsp40家族分成三个亚型(、)。n型包括三个完整的结构域:J结构域、由富含甘氨酸/苯丙氨酸区连接的锌指结构域、羧基末端区。(如DnaJ、Ydj1p)n型包含两个完整的结构域:J结构域、由富含甘氨酸/苯丙氨酸区连接的羧基末端区。n型仅有J结构域。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多J结构域n由4个螺旋组成。第二个Helix表面富含赖氨酸。该结构域中富含正电荷的氨基酸对于Hsp70的ATP酶活性是必须的。J结构域是Hsp40与Hsp70相互作用区域。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n3、GroES-GroEL(伴侣素)途径(伴侣素)途径 伴侣素分子量为伴侣素分子量为800kDa,由一个双环复合体,由一个双环复合体围绕一个中心腔形成。它含有两个亚家族,它们围绕一个中心腔形成。它含有两个亚家族,它们在结构上相似但序列上却没有关联。在结构上相似但序列上却没有关联。I型分子伴侣型分子伴侣素也就是素也就是Hsp60仅在真细菌和线粒体及叶绿体这仅在真细菌和线粒体及叶绿体这类细胞器中存在,它们能与辅助因子类细胞器中存在,它们能与辅助因子GroES或或Hsp10家族作用,大肠杆菌家族作用,大肠杆菌GroEL及其辅助因子及其辅助因子GroES为为I型伴侣素的代表。型伴侣素的代表。II型分子伴侣素存在型分子伴侣素存在于古细菌和真核生物细胞质中并且不依赖于于古细菌和真核生物细胞质中并且不依赖于GroES。分子伴侣素的作用机制与。分子伴侣素的作用机制与Hsp70系统不系统不同,虽然二者都是通过同,虽然二者都是通过ATP的结合和释放来调节的结合和释放来调节的。伴侣素最初通过多个亚单位与非天然底物蛋的。伴侣素最初通过多个亚单位与非天然底物蛋白进行疏水接触从而捕捉底物蛋白,随后移位到白进行疏水接触从而捕捉底物蛋白,随后移位到中央腔中进行折叠中央腔中进行折叠11。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多原核生物细胞质分子伴侣网络图解 寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多七、真核生物细胞质中的分子伴侣 n1、类、类TF途径途径 真核生物细胞质中缺少触发因子,但包真核生物细胞质中缺少触发因子,但包含一种由含一种由和和亚单位组成的核糖体关联异亚单位组成的核糖体关联异二聚体复合物,也就是天然链结合复合体二聚体复合物,也就是天然链结合复合体(NAC)。)。NAC除了缺失除了缺失PPI酶结构域外,酶结构域外,其功能与其功能与TF是相似的。是相似的。NAC能与短天然链能与短天然链结合并且从核糖体上释放后能够与其分离结合并且从核糖体上释放后能够与其分离12。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n2、Hsp70-Hsp40途径途径 在酿酒酵母中,新生多肽链从核糖体中在酿酒酵母中,新生多肽链从核糖体中翻译出来时,也能够与结合因子翻译出来时,也能够与结合因子(RAC)相互相互作用。稳定的作用。稳定的RAC异源二聚体由异源二聚体由DnaJ相关相关辅助分子伴侣辅助分子伴侣Zuotin和和Hsp70相关辅助分相关辅助分子伴侣子伴侣Ssz1/Pdr13组成组成13。Ssz1与其它与其它Hsp70的细胞质形式不同,不能与新生链的细胞质形式不同,不能与新生链直接作用,同时直接作用,同时Ssz1的肽结合结构域对细的肽结合结构域对细胞功能也不是必需的。胞功能也不是必需的。Zuotin包含一个包含一个J结结构域,与构域,与DnaJ相似。相似。Ssb蛋白是蛋白是Zuotin的的伴侣蛋白。伴侣蛋白。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多n3、伴侣素途径、伴侣素途径 真核生物伴侣素真核生物伴侣素TRiC为为II型伴侣素,与型伴侣素,与GroEL相比,它们在功能及作用方式上不同,但它们双相比,它们在功能及作用方式上不同,但它们双环状结构是相关的,每个环中都包含八个同源亚环状结构是相关的,每个环中都包含八个同源亚单位,它们主要是顶部结构域不同。与单位,它们主要是顶部结构域不同。与GroEL的的寡聚化不同,寡聚化不同,TRiC的两个环都包含八个不同亚单的两个环都包含八个不同亚单位,它也能够与新生多肽链结合。位,它也能够与新生多肽链结合。TRiC能够将底能够将底物多肽链围绕在空腔内而起作用。近期研究证实物多肽链围绕在空腔内而起作用。近期研究证实了了TRiC是通过其顶端结构域的是通过其顶端结构域的-螺旋延伸来调节螺旋延伸来调节空腔的打开和关闭而起作用。空腔的打开和关闭而起作用。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多 真核生物细胞质早期分子伴侣网络真核生物细胞质早期分子伴侣网络14寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多附录:细胞质中主要的分子伴侣及其功能15 寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多参考文献1.Laskey,R.A.,Honda,B.M.,Mills,A.D.and Finch,J.T.(1978)Nucleosomes are assembled by an acidic protein which binds histones and transfers them to DNA.Nature.275,416-420.2.Ellis,J.(1991)Proteins as molecular chaperones.Nature.328,378-379.3.杨玲,左假,刘雯.(2007)分子伴侣与分子伴侣病.国际遗传学杂志.30,119-122.4.聂忠清,吴永刚,蒙建洲.(2006)分子伴侣的功能和应用.生命科学.18,84-89.5.Karp,G.(1999)Cell and molecular biology:concepts and experiments.2nd ed.New York:John Wiley&Sons Inc.204.6.Lapadat-Tapolsky M,De Rocquigny H,Van Gent D,et al.Interactions between HIV-1 nucleocapsid protein and viral DNA may have important functions in the viral life cycle.Nucleic Acids Res,1993,21(4):8318397.王金发编著.细胞生物学M.北京:科学出版社,2003.4764778.Alberts B,Bray D,Lewis J,et al.Molecular biology of the cell.3 rd ed M.New York:Garland Pub,Inc.,1994.5679.Agashe,V.R.,Guha,S.,Chang,H.C.,Genevaux,P.,Hayer-Hartl,M.,Stemp,M.,Georgopoulos,C.,Hartl,F.U.and 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