基础生物化学第11dh章.ppt
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1、12 12 蛋白质的生物合成(翻译)蛋白质的生物合成(翻译)本章重点与难点本章重点与难点重点:了解密码子的概念与特点;重点:了解密码子的概念与特点;RNARNA在在蛋白质生物合成中的作用;蛋白质合成过蛋白质生物合成中的作用;蛋白质合成过程及合成后加工与运输。程及合成后加工与运输。难点:核糖体的结构;蛋白质合成过程;难点:核糖体的结构;蛋白质合成过程;肽链合成后的加工与定向运输;蛋白质生肽链合成后的加工与定向运输;蛋白质生物合成的干扰和抑制物合成的干扰和抑制DNA:ATGCATGCATGCRNA:AUGCAUGCAUGCPROTEIN:aa1 aa2 aa3 aa4什么样的碱基序列决定什么样的氨
2、基酸序列?如何实现碱基序列到氨基酸序列的转变?蛋白质的生物合蛋白质的生物合成成,即,即翻译或表翻译或表达达,就是将核酸,就是将核酸中由中由 4 种种核苷酸核苷酸序列序列编码的遗传编码的遗传信息,通过信息,通过遗传遗传密码密码破译的方式破译的方式解读为蛋白质一解读为蛋白质一级结构中级结构中20种种氨氨基酸的排列顺序基酸的排列顺序n20种氨基酸(AA)作为原料n酶及众多蛋白因子,如IF、eIF nATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括参与蛋白质生物合成的物质包括l 三种三种RNAmRNA(作为蛋白质生物合成的模板,决作为蛋白质生物合成的模板,决定多肽链中氨基酸的排列顺序定多肽链中氨基
3、酸的排列顺序)rRNA(蛋白体生物合成的场所蛋白体生物合成的场所)tRNA(搬运氨基酸的工具搬运氨基酸的工具)一、翻译模板一、翻译模板mRNA及遗传密码及遗传密码n mRNA是遗传信息的携带者遗遗传传学学将将编编码码一一个个蛋蛋白白质质或或多多肽肽的的遗遗传传单单位位称为称为顺反子顺反子(cistron)。原原核核细细胞胞中中数数个个结结构构基基因因常常串串联联为为一一个个转转录录单单位位,转转录录生生成成的的mRNA可可编编码码几几种种功功能能相相关的蛋白质,为关的蛋白质,为多顺反子多顺反子(polycistron)。真真核核mRNA只只编编码码一一种种蛋蛋白白质质,为为单单顺顺反反子子(s
4、ingle cistron)。原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG-5 3 蛋白质蛋白质 我们已经知道,多肽上氨基酸的排列次序最终是由DNA上核苷酸的排列次序决定的,而直接决定多肽上氨基酸次序的是mRNA上的核苷酸的排列次序,不论是DNA还是mRNA都是由4种核苷酸构成,而组成多肽的氨基酸有20种,显然,必须是几个核苷酸的组合编码一个氨基酸才能应付局面.用数学方法很容易算出,如果每2个核苷酸编码1个氨基酸,那么4种核
5、苷酸只有16中编码方式,显然不行,如果每3个核苷酸编码1个氨基酸,则有64种编码方式,很理想,如果4对1则有256种,太没必要也太复杂了,时刻记住生物体是一个最理想的体系.而且科学家们用生物化学实验已经证实是3个碱基编码1个氨基酸,称为三联体密码或密码子。遗传密码的破译遗传密码的破译在遗传密码的破译中,美国科学家M.W.Nirenberg等人做出了重要贡献,并于1968年获得了诺贝尔生理医学奖.早在1961年,M.W.Nirenberg等人在大肠杆菌的无细胞体系中外加poly(U)模板、20种标记的氨基酸,经保温后得到了多聚phe-phe-phe,于是推测UUU编码phe。利用同样的方法得到C
6、CC编码pro,GGG编码gly,AAA编码lys。如果利用poly(UC),则得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu,推测UCU编码Ser,CUC编码Leu,因为poly(UC)有两种读码方式:UCUCUC和CUCUCU采用这种方式,到1965年就全部破译了64组密码子。l mRNA上存在遗传密码上存在遗传密码mRNA分分子子上上从从5 至至3 方方向向,由由AUG开开始始,每每3个个核核苷苷酸酸为为一一组组,决决定定肽肽链链上上某某一一个个氨氨基基酸酸或或蛋蛋白白质质合合成成的的起起始始、终终止止信信号号,称称为为三三联联体体密密码码(triplet coden)。在64个密码子中有61个
7、编码氨基酸,3个不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用,称为终止密码子,它们是UAG、UAA、UGA,密码子AUG(编码Met)又称起始密码子。起始密码起始密码(initiation coden):AUG,GUG终止密码终止密码(termination coden):UAA,UAG,UGA 遗遗传传密密码码表表从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,称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。1.连续性连续性(commaless)l遗传密码的特点遗传密码的特点编码蛋白质氨编码蛋白质氨基酸序列的各个三基酸
8、序列的各个三联体密码连续阅读,联体密码连续阅读,密码间既无间断也密码间既无间断也无交叉。无交叉。基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生阅读框架内的碱基发生插入或缺失,可能导致框移突变插入或缺失,可能导致框移突变(frameshift mutation)。2.简并性简并性(degeneracy)遗传密码共有遗传密码共有64个,其中个,其中61个密码子对应个密码子对应20中氨基酸,中氨基酸,除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外,其余氨基酸除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外,其余氨基酸有有2、3、4个或多至个或多至6个三联体为其编码。个三联体为其编码。3.通用性通用性(universal
9、)蛋白质生物合成的整套密码,从原核生物到蛋白质生物合成的整套密码,从原核生物到人类都通用。人类都通用。已发现少数例外,如动物细胞的线粒体、植已发现少数例外,如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。一祖先。4.摆动性摆动性(wobble)转转运运氨氨基基酸酸的的tRNA的的反反密密码码需需要要通通过过碱碱基基互互补补与与mRNA上上的的遗遗传传密密码码反反向向配配对对结结合合,但但反反密密码码与与密密码码间间不不严严格格遵遵守守常常见见的的碱碱基配对规律,称为摆动配对。基配对规律,称为摆动配对。5
10、5、方向性、方向性 即解读方向为即解读方向为5 3U摆动配对摆动配对 tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,G U,CUG密码子、反密码子配对的摆动密码子、反密码子配对的摆动n反密码对密码的识别,通常也是根据碱基互补原则,即AU,GC配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对,并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为,则可与,则可与A、U或或C配对配对,如为U,则可与,则可与A或或G配对配对,这种配对称为不稳定配对不稳定配对。二、核蛋白体是多肽链合成的装置或场所二、核蛋白体是多肽链合成的装置或场所原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋核蛋白体白
11、体小亚基小亚基大亚基大亚基核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白蛋白质质rpS21种种rpL36种种rpS33种种rpL49种种 不同细胞核蛋白体的组成不同细胞核蛋白体的组成 核核蛋蛋白白体体的的组组成成n大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体,其30S亚基呈哑铃状,50S亚基带有三角,中间凹陷形成空穴,将30S小亚基抱住,两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位
12、:氨基酰位位:氨基酰位(aminoacyl site)P位:肽酰位位:肽酰位(peptidyl site)E位:排出位位:排出位(exit site)核糖体包括如下部位:核糖体包括如下部位:容纳容纳mRNA的部位的部位结合氨基酰结合氨基酰tRNA的部位(的部位(A位点)位点)结合肽酰结合肽酰tRNA的部位(的部位(P位点)位点)形成肽键的部位(转肽酶中心)形成肽键的部位(转肽酶中心)n核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能:1小亚基:可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。2大亚基:(1)具有两个不同的tRNA结合点。A位(右)受位或氨酰基位,可与新进入的氨基酰tRNA结合;P位(左)给位或肽酰
13、基位,可与延伸中的肽酰基tRNA结合。(2)具有转肽酶活性:将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA,形成肽键。(3)具有GTPase活性,水解GTP,获得能量。(4)具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。n在蛋白质生物合成过程中,常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上,同时进行翻译,但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔,形成念球状结构。n由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。三、三、tRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂tRNA的三级结构示意图的三级结构示意图氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tR
14、NAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(一)氨基酰(一)氨基酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)l 氨基酸的活化氨基酸的活化第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E AMP PPi 第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP EtRNA与酶与酶结合的模型结合的模型tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATPn 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物合成酶对底物n 氨基酸和氨基酸和tRNA都有高度特异性。都有高度特异性。n 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活
15、性合成酶具有校正活性n 氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法:的表示方法:Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet 起始肽链合成的氨基酰起始肽链合成的氨基酰-tRNA:真核生物:Met-tRNAiMet原核生物:fMet-tRNAifMetn翻译的起始(initiation)n翻译的延长(elongation)n翻译的终止(termination)整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为:翻翻译译过过程程从从阅阅读读框框架架的的5-AUG开开始始,按按mRNA模模板板三三联联体体密密码码的的顺顺序序延延长长肽肽链链,直直至终止密码出现。至终止密码出现。四、蛋白质生物合成过
16、程四、蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis活化氨基酸的缩合活化氨基酸的缩合核蛋白体循环核蛋白体循环n活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程,称为多肽链的循环反应过程,称为核蛋白体核蛋白体循环循环。n核蛋白体循环过程可分为核蛋白体循环过程可分为起动、延长和起动、延长和终止终止三个阶段,这三个阶段在原核生物三个阶段,这三个阶段在原核生物和真核生物类似,现以原核生物中
17、的过和真核生物类似,现以原核生物中的过程加以介绍。程加以介绍。(一)肽链合成起始(翻译起始)(一)肽链合成起始(翻译起始)指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物(translational initiation complex)。原核、真核生物各种起始因子的生物功能原核、真核生物各种起始因子的生物功能 1、原核生物翻译起始复合物形成、原核生物翻译起始复合物形成n核蛋白体大小亚基分离;核蛋白体大小亚基分离;nmRNA在小亚基定位结合;在小亚基定位结合;n起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合;的结合;n核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。1)30S起动复合物的形
18、成:在起动因子的促进下,30S小亚基与mRNA的起动部位,起动tRNA(fmet-tRNAfmet),和GTP结合,形成复合体。2)70S起动前复合体的形成:IF3从30S起动复合体上脱落,50S大亚基与复合体结合,形成70S起动前复合体。3)70S起动复合体的形成:GTP被水解,IF1和IF2从复合物上脱落。此时,tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合,tRNAfmet结合在核蛋白的给位(P位)。n在起始密码子AUG上游9-13个核苷酸处,有一段可与核糖体16SrRNA配对结合的、富含嘌呤的3-9个核苷酸的共同序列,一般为AGGA,此序列称SD序列。它与核糖体小亚
19、基内16SrRNA的3端一段富含嘧啶的序列GAUCACCUCCUUA-OH(暂称反SD序列)互补,形成氢键。使得结合于30S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG。n真核生物中的mRNA具有帽子结构,已知需一种特殊的帽子结合蛋白(CBP)以识别此结构。S-D序列序列:mRNA上的上的AGGAGGU区域区域作为翻译起始信号,被称为作为翻译起始信号,被称为ShineDalgarno顺序或序列。顺序或序列。2、真核生物翻译起始复合物形成、真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离;核蛋白体大小亚基分离;起始氨基酰起始氨基酰-tRNA结合;结合;mRNA在核蛋白体小亚基就位;
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