《蛋白质的生物合成》PPT课件.ppt
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1、4 4 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 mRNA mRNA和遗传密码和遗传密码 tRNA tRNA 核糖体核糖体 参与合成的酶及蛋白质因子参与合成的酶及蛋白质因子 多肽链合成的机理多肽链合成的机理 翻译后的加工和定向运输翻译后的加工和定向运输 本本 章章 概概 要要翻译翻译:RNA参与蛋白质生物合成,将核苷酸序列转参与蛋白质生物合成,将核苷酸序列转变为氨基酸序列,进而形成高级结构的过程。变为氨基酸序列,进而形成高级结构的过程。最保守最耗时的事件之一。细菌细胞中有最保守最耗时的事件之一。细菌细胞中有8080的的能量和能量和50%50%的干重用于蛋白质合成。的干重用于蛋白质合成。原料:氨基酸原料
2、:氨基酸模板:模板:mRNAmRNA工具:工具:tRNAtRNA场所:核糖核蛋白体场所:核糖核蛋白体有关的酶、蛋白质因子有关的酶、蛋白质因子翻译体系翻译体系翻译包括起始、多肽链延伸、终止三个基本阶段。翻译包括起始、多肽链延伸、终止三个基本阶段。第一节第一节 mRNA和遗传密码和遗传密码 携带从携带从DNADNA传递来的遗传信息,是蛋白质生物合传递来的遗传信息,是蛋白质生物合成的模板。它决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。成的模板。它决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。5-UTR3-UTRExonIntronpolypeptideMUture mRNAPre-mRNA开放阅读框(开放阅读框(ORF)
3、大肠杆菌大肠杆菌Trp前导序列的前导序列的3种可能的种可能的ORFsORF:从起始密码到终止密码的蛋白编码区序列从起始密码到终止密码的蛋白编码区序列 多顺反子:多顺反子:原核细胞中每种原核细胞中每种mRNAmRNA分子常带有多分子常带有多个功能相关的蛋白质的编码信息,翻译过程中可同个功能相关的蛋白质的编码信息,翻译过程中可同时合成几种蛋白质。时合成几种蛋白质。单顺反子:单顺反子:真核细胞每种真核细胞每种mRNAmRNA一般只带有一种蛋一般只带有一种蛋白质编码信息。白质编码信息。顺反子(顺反子(cistroncistron)编码单条多肽链的一个遗传功能单位,即转录单位。编码单条多肽链的一个遗传功
4、能单位,即转录单位。(seymour Benzer,1975)顺反子概念把基因具体化为DNA分子的一段序列,它负责传递遗传信息,是决定一条多肽链的完整的功能单位;但它又是可分的,组成顺反子的核苷酸可以独自发生突变或重组,单顺反子单顺反子多顺反子多顺反子遗传密码:遗传密码:指指DNADNA或或mRNAmRNA中决定蛋白质中氨基酸排列中决定蛋白质中氨基酸排列顺序的碱基序列信息。顺序的碱基序列信息。密码子:密码子:mRNAmRNA中相邻三个核苷酸组成编码多肽链中中相邻三个核苷酸组成编码多肽链中一个氨基酸三联体。一个氨基酸三联体。2.2.遗传密码遗传密码一是体外翻一是体外翻译译系系统统的建立;的建立;
5、二是核酸的人工合成:二是核酸的人工合成:三是核糖体三是核糖体结结合技合技术术。破破译遗传译遗传密密码码的突破性工作主要包括:的突破性工作主要包括:aa-tRNA分离测序及密码子的摆动性分离测序及密码子的摆动性 多聚核苷酸体外合成多聚核苷酸体外合成 体外无细胞翻译体系体外无细胞翻译体系遗传密码的发现:遗传密码的发现:第一个遗传密码的破译第一个遗传密码的破译1954年,物理学家年,物理学家George Gamow数学推理数学推理43 符合经济原则。符合经济原则。1961年年,Brenner和和Grick在在T4噬噬菌菌体体突突变变体体侵侵染染大大肠肠杆杆菌菌过过程程中中发发现现DNA链链与与蛋蛋白
6、白质质氨氨基基酸酸链链的的共共线线性性,首首先先肯肯定定了三个核苷酸的推理以及阅读的连续性和简并性了三个核苷酸的推理以及阅读的连续性和简并性。1961年年,美美国国NIH的的Marshall Nirenberg和和Mathaei 利利用用大大肠肠杆杆菌菌体体外外无无细细胞胞翻翻译译体体系系加加入入多多聚聚核核苷苷酸酸的的方方式式证证明明了了UUU(Phe)、AAA(Lys)、CCC(Pro),但但由由于于polyG形形成成三三股股螺螺旋旋而而不不与与核核糖糖体体结结合合而而未未能能得得到到对对应应的氨基酸。的氨基酸。不同的氨基酸分别加入到不同的氨基酸分别加入到polyUpolyU试管系统中试管
7、系统中 答案:答案:polyUpolyU合成的肽链合成的肽链全部是苯丙氨酸(全部是苯丙氨酸(PhePhe)破译第一个遗传密码破译第一个遗传密码Nirenberg和和Mathaei 的的体外无细胞翻译体系体外无细胞翻译体系遗传密码的发现:遗传密码的发现:密码表的确立密码表的确立1963年年,Speyer和和Ochoa等等利利用用混混合合共共聚聚物物法法确确定定了了Asp、Glu和和Thr等遗传密码的碱基组成,但不能明确碱基顺序。等遗传密码的碱基组成,但不能明确碱基顺序。1964年年,Nirenberg和和Leder建建立立了了破破译译密密码码的的新新方方法法tRNA与与确确定定三三联联体体密密码
8、码(核核糖糖体体)结结合合实实验验。但但并并非非所所有有三三核核苷苷酸酸都都能能与与核核糖糖体体进进行行特特异异结结合合,所所以以有有些些氨氨基基酸酸的的tRNA与核糖体的结合并非特异的。与核糖体的结合并非特异的。1964-1966年年,Khorana、Jones和和Nishimura等等人人应应用用有有机机化化学学和和酶酶学学技技术术制制备备已已知知的的核核苷苷酸酸重重复复多多聚聚物物,以以其其为为模模板板进行体外翻译,完成了所有遗传密码的破译。进行体外翻译,完成了所有遗传密码的破译。Khorana:有机合成DNA单链 双链DNA RNA单链 氨基酸链DNA pol IRNA pol体外翻译
9、(标记体外翻译(标记aa)UCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUC UCU、CUC Ser、LeuUUCUUCUUCUUCUUCUUCUUCUUCUUC UUC、UCU、CUU Ser、Leu、PheUUACUUACUUACUUACUUACUUACUUAC UUA、UAC、ACU、CUU Thr、Leu、Tyr CUU(Leu)UCU(Ser)CUC(Leu)CUU(phe)1966年,Nirenberg和KhorUnU绘制全部64个密码子的遗传密码字典Marshall W Nirenberg 和 Har Gobind Khorana 1968年诺贝尔化学奖遗传密码的发现:遗传
10、密码的发现:密码表的验证密码表的验证1966年年,Sterisinger等等用用噬噬菌菌体体T4中中用用原原黄黄素素诱诱发发移移码码突突变变的的方方法法证证实实遗遗传传密密码码是是完完全全正正确确的的。而而且且还还可可推推测测出出遗遗传传信信息息是是以以5-3的的方方向向阅阅读读的的,蛋蛋白白质则是从质则是从N端向端向C端合成的。端合成的。遗传密码的发现:遗传密码的发现:副密码子(副密码子(paracodon)的发现)的发现1984年年,Prather等等发发现现氨氨基基酸酸接接受受柄柄G3-C70被被G3-U70突突变变的的tRNALys保留对保留对Lys的特异性,且也能携带的特异性,且也能
11、携带Ala或或 Gly。1985年年,Normanly等等发发现现取取代代亮亮氨氨酸酸tRNA中中的的12个个碱碱基基(无无反反密码子碱基的取代密码子碱基的取代),能够使其变为丝氨酸,能够使其变为丝氨酸tRNA。1988年年,MIT的的Hou和和Schimmel 通通过过比比较较tRNA的的D柄柄、反反密密码码柄柄、TC柄柄和和氨氨基基酸酸接接受受柄柄等等突突变变进进一一步步证证明明了了氨氨基基酸酸接接受受柄柄上上G3U70决决定定着着氨氨基基酸酸的的特特异异性性。由由此此,ChristiandeDuve提提出出了了第第二二套套密密码码系系统统的的概概念念或或学学说说。该该学学说说认认为为tR
12、NA氨氨基基酸酸接接受受柄柄有有一一副副密密码码区区,可可被被氨氨基酰基酰tRNA合成酶识别,并决定合成酶识别,并决定tRNA的特异性。的特异性。3.3.遗传密码的特点遗传密码的特点(1)起始与终止密码子)起始与终止密码子 起始密码子:起始密码子:AUG 原核细胞编码原核细胞编码 N-N-甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸 真核细胞编码真核细胞编码 甲硫氨酸甲硫氨酸 终止密码子:终止密码子:UAA、UAG、UGA(2)读码的连续性)读码的连续性 两个密码子之间没有任何间隔,从起始码两个密码子之间没有任何间隔,从起始码AUG开始,开始,每三个碱基代表一个氨基酸。每三个碱基代表一个氨基酸。(3)密码的简并性
13、)密码的简并性 61个密码子编码个密码子编码20种氨基酸,一种氨基酸可以对应多个种氨基酸,一种氨基酸可以对应多个密码子。密码子。3.3.遗传密码的特点遗传密码的特点丙氨酸丙氨酸:GCG GCU GCC GCA (3)密码的简并性)密码的简并性 61个密码子编码个密码子编码20种氨基酸,一种氨基酸对应多个密码种氨基酸,一种氨基酸对应多个密码子子,如丙氨酸如丙氨酸:GCU,GCC,GCA,GCG。(4)密码的通用性)密码的通用性 各种低等和高等生物基本上都使用同一套遗传密码。各种低等和高等生物基本上都使用同一套遗传密码。大肠杆菌的蛋白质合成系统可以正确阅读人珠蛋白大肠杆菌的蛋白质合成系统可以正确阅
14、读人珠蛋白mRNAmRNA的密码系统,合成出人珠蛋白。的密码系统,合成出人珠蛋白。例外,人线粒体中,例外,人线粒体中,UGUUGU是色氨酸的密码子,是色氨酸的密码子,UGU UGG UGU UGG 是终止密码子。是终止密码子。3.3.遗传密码的特点遗传密码的特点无义突变无义突变(nonsense mutation)(nonsense mutation)DNADNA上任何代表氨基酸的密码子变为终止密码上任何代表氨基酸的密码子变为终止密码子的改变。子的改变。错义突变错义突变(missense mutation)(missense mutation)DNADNA分子中的核苷酸置换后改变了分子中的核苷
15、酸置换后改变了mRNAmRNA上遗上遗传密码,从而导致合成的多肽链中一个氨基酸被传密码,从而导致合成的多肽链中一个氨基酸被另一氨基酸所取代的改变。另一氨基酸所取代的改变。密码突变密码突变第二节第二节 tRNA2.1 tRNA的结构的结构 tRNA是蛋白质生物合成中氨基酸转运的工具。是蛋白质生物合成中氨基酸转运的工具。最小的最小的 RNA:4S 长长70 90个个base,其中,其中22nt是恒定是恒定 含有含有10%的稀有碱基的稀有碱基 氨基酸接受壁氨基酸接受壁负责连接负责连接aaTC臂臂常常由由5 bp茎茎和和7 nt环环组组 成成。此此 臂臂 负负 责责 核核 糖糖 体体rRNA识别识别。
16、反反密密码码子子臂臂由由5 bp茎茎和和7nt环环组组成成,负负责责对对密密码码子子的的识识别与配对别与配对。D环环由由4bp茎茎和和8 nt环环组组成成。负责负责氨酰氨酰tRNA合成酶结合合成酶结合。额额外外环环长长4-21nt不不等等,负负责责在在L型型三三维维结结构构中中连连接接D环环反反密密码码子子环环和和TC-受受体体臂。臂。二级结构二级结构倒倒L三级结构:三级结构:T T环和环和D D环两个双螺旋区相互垂直环两个双螺旋区相互垂直 2.2 tRNA的功能的功能(1)解读解读mRNA的遗传信息的遗传信息(2)运输的工具,运载氨基酸运输的工具,运载氨基酸tRNAtRNA是连接氨基酸和是连
17、接氨基酸和mRNAmRNA的桥梁,正确翻译需要的桥梁,正确翻译需要 氨基酸正确选择并结合到对应的氨基酸正确选择并结合到对应的tRNAtRNA上。上。正确连接氨基酸的正确连接氨基酸的tRNAtRNA能够被能够被mRNAmRNA正确识别。正确识别。密码子的摆动现象(密码子的摆动现象(wobble)在密码子的在密码子的3端位置和反密码子的端位置和反密码子的5端位置的核端位置的核苷酸碱基之间可能发生非标准的碱基配对,也即苷酸碱基之间可能发生非标准的碱基配对,也即密码密码子的变偶性子的变偶性。密码子的摆动性解释了遗传密码的简并现象,简并的碱基密码子的摆动性解释了遗传密码的简并现象,简并的碱基是在摆动位置
18、中。是在摆动位置中。密码子识别中的摆动性配对密码子识别中的摆动性配对反密码第反密码第1位碱基位碱基ACGU1密码第密码第3位碱基位碱基UGC,UA,GA,C,UI2.3 tRNA的种类的种类(1)起始起始tRNA和延伸和延伸tRNA 起始起始tRNA:Prok:tRNAfmet,fMet-tRNAfmet Euk:tRNAimet,Met-tRNAimet 延伸延伸tRNA:tRNAmmet,m可省略可省略(2)同工(受体)同工(受体)tRNA(isoaccepting tRNAs)(携带携带AA相同而反密码子不同的一组相同而反密码子不同的一组tRNA。不同的反密码子识别不同的反密码子识别AA
19、AA的同义密码;的同义密码;同功同功tRNAtRNA在细胞内合成量上有多和少的差别,分别称为主在细胞内合成量上有多和少的差别,分别称为主要要tRNAtRNA和次要和次要tRNAtRNA。主要。主要tRNAtRNA中反密码子识别中反密码子识别tRNAtRNA中的高频密中的高频密码子,而次要码子,而次要tRNAtRNA中反密码子识别中反密码子识别mRNAmRNA中的低频密码子。中的低频密码子。2.3 tRNA的种类的种类2.3 tRNA的种类的种类(3)校正)校正tRNA(或抑制(或抑制tRNA)编码编码tRNA的基因发生某种突变,以的基因发生某种突变,以“代偿代偿”或校或校正正mRNA上密码子的
20、原有突变所产生的不良后果。这上密码子的原有突变所产生的不良后果。这类类tRNA称为抑制称为抑制tRNA或校正或校正tRNA。包括:包括:无义抑制无义抑制 错义抑制错义抑制第三节第三节 核糖体的特性与功能核糖体的特性与功能核糖体核糖体由几种由几种rRNArRNA和几十和几十种蛋白质组成亚细胞颗粒种蛋白质组成亚细胞颗粒作用作用:蛋白质合成的场所。蛋白质合成的场所。3.1 核糖体的组成核糖体的组成小亚基小亚基密度梯度离心分离不同亚基密度梯度离心分离不同亚基原核生物原核生物:游离于细胞质:游离于细胞质真核生物真核生物:1.1.游离于细胞质中:游离于细胞质中:合成细胞溶质或细胞器膜的蛋白质,主要参与细合
21、成细胞溶质或细胞器膜的蛋白质,主要参与细胞固有蛋白质的合成;胞固有蛋白质的合成;2.2.与内质网相结合形成粗面内质网:与内质网相结合形成粗面内质网:合成三类蛋白质:溶酶体蛋白质、分泌到胞外的合成三类蛋白质:溶酶体蛋白质、分泌到胞外的蛋白和构成质膜骨架的蛋白质。蛋白和构成质膜骨架的蛋白质。3.2 核糖体的类型核糖体的类型P位位点点:肽肽酰酰基基tRNA结结合合位位点点,结结合合起起始始氨氨基基酰酰tRNA,在延伸中向在延伸中向A位给出肽基位给出肽基。A位点:位点:氨酰氨酰tRNA结合位点,接受新进入氨基酰结合位点,接受新进入氨基酰tRNA。E位点:位点:多肽链转移到氨酰多肽链转移到氨酰tRNA后
22、释放的后释放的tRNA暂停位点。暂停位点。转转肽肽酶酶活活性性部部位位:位位于于P位位点点和和A位位点点的的连连接接处处。参参与与蛋蛋白质合成的各种蛋白因子的结合位点。白质合成的各种蛋白因子的结合位点。3.3 3.3 核糖体的活性位点核糖体的活性位点mRNA结合位点:结合位点:位于位于30S小亚基小亚基头部,负责与头部,负责与mRNA的结合的结合核糖体的活性位点核糖体的活性位点第四节第四节 参与蛋白质合成的酶参与蛋白质合成的酶及蛋白质因子及蛋白质因子 氨氨酰酰tRNA合合成成酶酶专专一一识识别别tRNA分分子子,并并结结合合特定的氨基酸到特定的氨基酸到tRNA分子接受臂的分子接受臂的3端。端。
23、1.氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶(合成酶(AARSAARS)绝大多数细胞内有二十种氨酰绝大多数细胞内有二十种氨酰tRNAtRNA合成酶,每合成酶,每种酶对应一种氨基酸,但能和该氨基酸的多个种酶对应一种氨基酸,但能和该氨基酸的多个同同工受体工受体tRNAtRNA结合。结合。氨基酸氨基酸+ATP+tRNA +ATP+tRNA 氨酰氨酰-tRNA+AMP+PPi-tRNA+AMP+PPi活活化化:催催化化氨氨基基酸酸的的羧羧基基与与AMPAMP上上的的磷磷酸酸之之间间形形成成一个酯键,同时释放出一分子一个酯键,同时释放出一分子PPiPPi。转转移移:氨氨酰酰-AMPAMP通通过过形形成成酯酯键键将
24、将氨氨基基酸酸连连接接到到tRNA 3tRNA 3端腺苷酸的核糖上。端腺苷酸的核糖上。1.1 氨酰氨酰tRNA合成酶催化的反应合成酶催化的反应aa+ATP+E*氨基酰-AMP-E+PPi氨基酰-AMP-E+tRNA aa-tRNA+AMP+E一般是单体酶,具有一个一般是单体酶,具有一个N-N-末端催末端催化域,均包含一个化域,均包含一个RossmanRossman折叠。折叠。如如Tyr-tRNATyr-tRNA合成酶,合成酶,1.3 1.3 氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶的分类合成酶的分类Tyrosyl-tRNA 合成酶合成酶第一类:第一类:先将氨基酸羧基转移到先将氨基酸羧基转移到 tRNA
25、3 端端A的的 2-OH上,然后通过转酯反应转移到上,然后通过转酯反应转移到 3-OH上。上。一一般般是是二二聚聚体体或或四四聚聚体体,其其催催化化结结构构域域有有一一个个反反平平行行的的-折叠片,折叠片,-螺旋在侧面,螺旋在侧面,Ser-tRNASer-tRNA合合成成酶酶属属于于第第类类酶酶,它它有有一一个个中中央央反反平平行行-折折叠叠而而非非RossmanRossman折折叠叠,该该酶酶由由两两个个相相同同的的亚亚基基形形成成一一个个二聚体。二聚体。Ser-tRNASer-tRNA合成酶合成酶第二类:第二类:直接将氨基酸转到直接将氨基酸转到 tRNA 3 端端A的的 3-OH上。上。两
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