生物化学蛋白质的生物合成.ppt
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1、第十三章第十三章 蛋白质的生物合成(翻译)蛋白质的生物合成(翻译)Biosynthesis of Protein or Translation蛋白质生物合成的概况蛋白质生物合成的概况1.1.概念:以概念:以mRNAmRNA为模板合成蛋白质的过程,又称翻译。为模板合成蛋白质的过程,又称翻译。2.2.原料:原料:2020种氨基酸种氨基酸(19541954年年 Paul Paul ZamecnikZamecnik等)等)3.3.中介分子:中介分子:tRNAtRNA、mRNAmRNA、rRNArRNA 分子分子(1958(1958年年等等)。4.4.6464个遗传密码个遗传密码(19611961196
2、6Nirenberg1966Nirenberg等)等)4.4.合成方向:从肽链的合成方向:从肽链的N N端到端到C C端端(19611961年年Howard Howard DintzisDintzis)5.5.合成场所:核糖体合成场所:核糖体6.6.合成体系建立合成体系建立:(:(1973197319761976年)年)第一节第一节 蛋白质生物合成的基本条件蛋白质生物合成的基本条件20种种aamRNAtRNA核糖体核糖体氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶肽酰转移酶肽酰转移酶 转位转位酶酶各种因子各种因子ATPATP、GTPGTP K K+、MgMg2+2+一、一、mRNAmRNA是蛋白质合成
3、的直接模板是蛋白质合成的直接模板(一)(一)mRNAmRNA的一般特点:的一般特点:1.1.种类繁多种类繁多 2.2.大小不一:大小不一:50050060006000个碱基个碱基3.3.半衰期短:原核生物半衰期短:原核生物1 13 3分钟,真核生物数分钟,真核生物数小时或几天小时或几天4.4.占细胞总占细胞总RNARNA:1%1%2%2%5.5.真核真核mRNAmRNA的的5 5端有端有N N7 7-甲甲基鸟苷的基鸟苷的“帽状帽状”结构:结构:具有稳定具有稳定mRNAmRNA及有助于及有助于翻译起始的作用翻译起始的作用6.6.3 3 端有端有2020250250个多聚腺苷酸个多聚腺苷酸(Pol
4、yAPolyA)的)的“尾状尾状”结构:结构:具有维持具有维持mRNAmRNA翻翻译模板的活性译模板的活性7.7.*(组蛋白除外)(组蛋白除外)翻译时是从翻译时是从mRNAmRNA编码区的起始密码子开始至终止密编码区的起始密码子开始至终止密码子结束。码子结束。遗传密码遗传密码(genetic code)(genetic code):指:指mRNAmRNAmRNAmRNA分子中从分子中从5 533端记数,端记数,三个相邻的核苷酸为一组,代表某中氨基酸或其它信息三个相邻的核苷酸为一组,代表某中氨基酸或其它信息,这相邻的三个核苷酸称为一个遗传密码。这相邻的三个核苷酸称为一个遗传密码。遗传密码供有多少
5、个呢?遗传密码供有多少个呢?遗传密码类别遗传密码类别遗传密码遗传密码代表的信息代表的信息说明说明起始密码:起始密码:AUGAUG起始信号及氨起始信号及氨基酸信息基酸信息(真核)代表蛋(真核)代表蛋氨酸氨酸(原核)代表甲(原核)代表甲酰蛋氨酸酰蛋氨酸终止密码:终止密码:UAAUAA、UAGUAG、UGAUGA终止信号终止信号UGAUGA还代表硒代还代表硒代半胱氨酸半胱氨酸余下的密码余下的密码只代表氨基酸只代表氨基酸信息信息(二)遗传密码的特点(二)遗传密码的特点1.方向性(方向性(directionality)2.2.连续性连续性(commalessnesscommalessness)谷氨酰胺谷
6、氨酰胺(CAGCAG)插入插入精氨酸精氨酸(AGUAGU)苏氨酸苏氨酸(ACAACA)谷氨酰胺(谷氨酰胺(AACAAC)缺失缺失3.简并性简并性(degeneracy)同义密码子:同义密码子:脯氨酸脯氨酸:CC:CCU U、CCCCC C、CCACCA、CCGCCG脯氨酸(脯氨酸(CCU)组氨酸(组氨酸(CAC)4.通用性(通用性(universality)遗传密码的特点遗传密码的特点1.1.通用性通用性(universality)5.摆动性(摆动性(wobble)密码子与反密码子的摆动配对现象密码子与反密码子的摆动配对现象tRNA反密码子的第反密码子的第1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子
7、的第密码子的第3位碱基位碱基U,C,AA,GU,CUG二、二、核糖体(核糖体(rRNArRNA)是蛋白质合成的场所)是蛋白质合成的场所(一一)rRNA)rRNA的特点的特点1.1.种类:原核生物有种类:原核生物有5S 5S、23S23S、16S 16S rRNArRNA;真核生物有;真核生物有28S28S、18S18S、5S 5S rRNArRNA2.2.含量最多:占细胞含量最多:占细胞总总RNA 80%RNA 80%90%90%3.3.rRNArRNA与蛋白质构成与蛋白质构成核糖体核糖体50SPA50SE转转肽肽酶酶(二)核糖体上的主要功能部位(二)核糖体上的主要功能部位肽酰位肽酰位(P)(
8、P):结合肽酰结合肽酰-tRNA-tRNA氨酰位氨酰位(A)(A):结合氨酰结合氨酰-tRNA-tRNA催化肽键生成,催化肽键生成,兼有酯酶活性兼有酯酶活性空载空载tRNAtRNA排除位排除位(真核无(真核无E E位)位)553mRNA3mRNA三、三、tRNAtRNA是运输氨基酸的工具是运输氨基酸的工具tRNAtRNA的特点:的特点:分子量最小:分子量最小:60609090个碱个碱基基1.1.含有较多的稀有碱基含有较多的稀有碱基2.2.5 5端大多为端大多为pGpG,3,3端均为端均为-CCA-CCA3.3.反密码子的第一位碱反密码子的第一位碱基常出现次黄嘌呤基常出现次黄嘌呤(I I)4.4
9、.细菌中有细菌中有30304040种种tRNAtRNA;真核细胞中有;真核细胞中有40 40 5050种种tRNAtRNA。氨基酸臂:氨基酸臂:与氨基酸结合与氨基酸结合TC环(臂):环(臂):与核蛋白体与核蛋白体rRNA结合结合反密码子:反密码子:识别并结合识别并结合mRNA密码子密码子D臂:臂:氨酰氨酰-tRNA合成合成识别位点识别位点(一)氨基酰(一)氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶催化氨基酰催化氨基酰-tRNA-tRNA的合成,兼有酯的合成,兼有酯酶活性。具有校正功能酶活性。具有校正功能(误差(误差1010-4-4)氨基酰氨基酰tRNAtRNA合成酶使合成酶使tRNAtRNA识别特
10、识别特异的氨基酸。异的氨基酸。氨基酸的活化形式:氨基酰氨基酸的活化形式:氨基酰-tRNA-tRNA 氨基酸的活化部位:是羧基氨基酸的活化部位:是羧基四、参与蛋白质合成的酶类四、参与蛋白质合成的酶类原核生物肽链的起始氨酰原核生物肽链的起始氨酰-tRNA-tRNA为甲酰蛋氨酰为甲酰蛋氨酰-tRNA;-tRNA;而真而真核生物肽链为蛋氨酰核生物肽链为蛋氨酰-tRNA-tRNA(二)(二)肽酰转移酶肽酰转移酶(peptidyl transferase)(核酶)(核酶)催化肽键生成,兼有酯酶活性催化肽键生成,兼有酯酶活性 -原核原核23SrRNA;真核;真核28SrRNA肽链合成方向:肽链合成方向:NC
11、NCA U G G G C553mRNA3mRNAU A CC C GHNHCH2CO(三)转位酶催化核糖体移位(三)转位酶催化核糖体移位原核生物由延长因子原核生物由延长因子G(80kD)催化催化真核生物由延长因子真核生物由延长因子2(100kD)起作用)起作用A U G G G C553mRNA3mRNAU A CC C GHNHCH2CO五、主要的蛋白因子五、主要的蛋白因子1.起始因子(起始因子(initiation factor,IF)()(真核起始因子,真核起始因子,eukaryotic initiation factor,eIF):):参与翻译的起始参与翻译的起始2.延长因子延长因子
12、(elongation factor,EF):):参与肽链的延长参与肽链的延长3.终止释放因子(终止释放因子(releasing factor,RF)及核蛋白体释放及核蛋白体释放因子(因子(ribosomal releasing factor,RRF):):参与肽链合参与肽链合成的终止成的终止第二节第二节 肽链的生物合成过程肽链的生物合成过程一、原核生物的一、原核生物的肽链合成过程肽链合成过程原核生物翻译过程的各种蛋白质因子及其功能原核生物翻译过程的各种蛋白质因子及其功能种类种类功能功能起始因子起始因子IF-1占据氨基酰位(占据氨基酰位(A A位),防止防止氨酰位),防止防止氨酰-tRNA-t
13、RNA过早地结合到过早地结合到A A位位IF-2促进促进fMet-tRNAifMet-tRNAifMetfMet与核糖体与核糖体30S30S小亚基结合小亚基结合IF-3结合结合核糖体核糖体30S30S小亚基,小亚基,促进大促进大、小亚基分离,提高肽小亚基分离,提高肽酰位酰位(P P位)位)对对fMet-tRNAifMet的敏感性的敏感性延长因子延长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA-tRNA进入进入A A位,结合并水解位,结合并水解GTPGTPEF-Ts调节调节亚基亚基EF-G转位酶,使转位酶,使肽肽酰酰tRNA有有A位转至位转至P位,促进位,促进tRNA卸载与释放卸载与释放释放因子
14、释放因子RF-1识别终止密码子识别终止密码子UAA和和UAG,诱导肽,诱导肽酰酰转移酶转变为酯酶转移酶转变为酯酶RF-2识别终止密码子识别终止密码子UAA和和UGA,诱导肽,诱导肽酰酰转移酶转变为酯酶转移酶转变为酯酶RF-3与核糖体结合,具有与核糖体结合,具有GTP酶活性,介导酶活性,介导RF-1及及RF-2与核糖体与核糖体的相互作用的相互作用(一)翻译的起始阶段(一)翻译的起始阶段在起始因子的作用下,在起始因子的作用下,fMet-fMet-tRNAitRNAifMetfMet、mRNAmRNA与核糖体结与核糖体结合,形成合,形成70S70S起始复合物的过起始复合物的过程。此阶段需要程。此阶段
15、需要GTPGTP及及MgMg2+2+参参加加起始阶段包括四个小事件的发生起始阶段包括四个小事件的发生1.1.核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离2.2.mRNAmRNA在小亚基上定位结合在小亚基上定位结合3.3.fMet-tRNAifMet-tRNAifMetfMet的结合的结合4.4.核蛋白体大亚基的结合核蛋白体大亚基的结合起始因子起始因子 功能功能IF-1占据氨基酰位(占据氨基酰位(A A位),位),防止防止tRNA过早地结合过早地结合到到A位位IF-2促进促进fMet-tRNAifMet结结合到合到30S小亚基小亚基IF-3 结合结合30S小亚基,小亚基,促进促进大大、小亚基分离,并
16、小亚基分离,并提高提高P位对位对fMet-tRNAifMet的敏感性的敏感性1.核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离50SIF-1IF-1促进大小亚基分离促进大小亚基分离防止氨酰防止氨酰tRNA过早进位过早进位IF-3IF-3可防止核糖体的亚基过早聚合可防止核糖体的亚基过早聚合50SE在小亚基上定位结合在小亚基上定位结合mRNA定位基础是定位基础是S-D序列序列S-D序列(核糖体结合位点)是指序列(核糖体结合位点)是指位于位于mRNA起始密码(起始密码(AUG)的)的上游约上游约813核苷酸部位存在有核苷酸部位存在有49个核苷酸组成的一致序列,个核苷酸组成的一致序列,如如AGGAGG。小亚
17、基上小亚基上16S rRNA 的的3端存在有与端存在有与S-D序列互补的序列序列互补的序列UCCUCCIF-1IF-33516S rRNAmRNAmRNA在小亚基上定位结合在小亚基上定位结合IF3IF-3促进促进mRNA在小亚基定位结在小亚基定位结合合AUG53IF-1IF-3AUG533.3.fMet-tRNAifMet结合到小亚基结合到小亚基-首先占据首先占据P P位位IF-2GTPIF-2促进促进fMet-tRNAifMet与小亚基结合与小亚基结合同时同时tRNAtRNA的反密码的反密码子与子与mRNAmRNA的密码子的密码子配对结合配对结合4.核蛋白体大亚基的结合核蛋白体大亚基的结合I
18、F2自复合物解离的同时发生自复合物解离的同时发生GTP水解水解(消耗一个高能磷(消耗一个高能磷酸键),酸键),大亚基随之与小亚大亚基随之与小亚基结合,并释放各种起始因基结合,并释放各种起始因子,形成子,形成70S起始复合物,起始复合物,为延伸作好了准备。为延伸作好了准备。IF-1IF-350SAUG53IF-2GTPGDP+PiGTP(二)翻译的延长阶段(二)翻译的延长阶段肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行,肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行,每每循环一次,形成一个肽键,即增加一个氨基酸残循环一次,形成一个肽键,即增加一个氨基酸残基基,故又称为核蛋白体循环故又称为核蛋白体循环每次核
19、蛋白体循环包括三个步骤:每次核蛋白体循环包括三个步骤:v进位(进位(entrance)(注册)(注册)v成肽成肽(peptide bond formation)v转位转位(translocation)1.1.进位:氨基酰进位:氨基酰-tRNAtRNA进到核糖体的进到核糖体的A A位位原核延长因子原核延长因子EF-T主要是促主要是促进氨基酰进氨基酰-tRNA进到进到A位位(消耗一个高能磷酸键)(消耗一个高能磷酸键)。包括包括Tu(40kD)和)和Ts(28kD)两个亚基。)两个亚基。50SA A AA U G53aa2UUU50SA A AA U G532.2.成肽:成肽:肽酰转移酶肽酰转移酶催
20、化肽键的生成催化肽键的生成原核生物的肽酰转移酶为原核生物的肽酰转移酶为核糖体大亚基的核糖体大亚基的23S rRNAaa2U U UfMetfMet每次移动一个遗传密码的距离,转位耗能每次移动一个遗传密码的距离,转位耗能(消耗(消耗GTP的一个高的一个高能磷酸键)。能磷酸键)。原核生物由转位酶是原核生物由转位酶是EF-G(80kD),真核为延长因子,真核为延长因子23.3.转位转位-核糖体与核糖体与mRNAmRNA相对移动相对移动 同时有肽酰同时有肽酰-tRNAtRNA由由A A位移向位移向P P位位50SEaa2U U UfMetA A AA U G53(三)翻译的终止阶段(三)翻译的终止阶段
21、当当mRNAmRNA上终止密码出现上终止密码出现后,多肽链合成停止,后,多肽链合成停止,肽链从肽酰肽链从肽酰-tRNA-tRNA中中释出,释出,mRNAmRNA、核蛋白、核蛋白体等分离。终止过程体等分离。终止过程需要释放因子参加需要释放因子参加。终止过程需消耗终止过程需消耗GTPGTP。释放因子释放因子功能功能RF-1RF-1辨认辨认UAAUAA、UAGUAG激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键RF-2RF-2辨认辨认UAAUAA、UGAUGA激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键RF-3RF-3促进促进RF-1RF-1或或RF-2RF-2进入进入
22、A A位,位,具具GTPGTP酶活性,帮助肽链的释放酶活性,帮助肽链的释放50SEPAUGAAA53RF-1RF-1RF-1:辨认:辨认UAAUAA、UAGUAGRF-2RF-2:辨认:辨认UAAUAA、UGAUGA激活转肽酶的酯酶活性激活转肽酶的酯酶活性而水解酯键而水解酯键RF-3RF-3RF-3:促进:促进RF-1RF-1或或RF-2RF-2进入进入A A位,位,具具GTPGTP酶活性,帮助肽链的释放酶活性,帮助肽链的释放fMetaa2aa3aa4aa5aa aa aa aa aa aan aaaaaaaaaaaa aa aa aa aa aan(二)真核生物的肽链合成过程(二)真核生物的
23、肽链合成过程真核生物翻译过程的蛋白质因子及其功能真核生物翻译过程的蛋白质因子及其功能 起始因子起始因子功能功能eIF-1多功能因子,参与多个翻译步骤多功能因子,参与多个翻译步骤eIF-2促进起始促进起始Met-tRNAiMet与核糖体与核糖体40S小亚基结合小亚基结合eIF-2B与与40S小亚基结合小亚基结合,促进大、促进大、小亚基分离小亚基分离eIF-3与与40S小亚基结合小亚基结合,促进大、促进大、小亚基分离小亚基分离;介导介导eIF-4F复合物复合物-mRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-4A具有具有RNA解旋酶的活性,能解除解旋酶的活性,能解除mRNA 5端的发夹结构,使其与端的发夹
24、结构,使其与40S小亚基结合。小亚基结合。是是eIF-4F复合物的组成成分复合物的组成成分。eIF-4B与与mRNA结合,促进结合,促进mRNA扫描并定位起始扫描并定位起始AUGeIF-4E结合结合mRNA的的5端帽结构,端帽结构,是是eIF-4F复合物的组成成分复合物的组成成分eIF-4G与与eIF-4E、eIF-3和和polyA结合蛋白(结合蛋白(PAB)结合。)结合。是是eIF-4F复合物的复合物的组成成分组成成分eIF-5促进上述起始因子从促进上述起始因子从40S小亚基脱落,以便小亚基脱落,以便40S小亚基与小亚基与60S大亚基结大亚基结合形成合形成80S起始复合物起始复合物eIF-6
25、促进无活性的促进无活性的80S核糖体解聚生成核糖体解聚生成40S小亚基和小亚基和60S大亚基大亚基真核生物翻译过程的蛋白质因子及其功能(续)真核生物翻译过程的蛋白质因子及其功能(续)延长因子延长因子功能功能eEF1促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位,结合水解位,结合水解GTP(相当于原核(相当于原核EF-Tu)eEF1调节亚基(相当于原核调节亚基(相当于原核EF-Ts)eEF-2有转位酶活性(相当于原核有转位酶活性(相当于原核EF-G)释放因子释放因子功能功能eRF识别所有终止密码子(具有原核各种识别所有终止密码子(具有原核各种RF的功能的功能(一一)真核生物翻译的起始阶段真核生物翻译
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