蛋白质的生物合成 张敏.ppt
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1、第四章:翻译及其调控中心法则中心法则 (The Central Dogma)转转 录录翻翻 译译逆转录逆转录复复 制制第一节:蛋白质合成的生物体系第一节:蛋白质合成的生物体系蛋白质的生物合成体系极其复杂:20种氨基酸,mRNA,核糖体,还包括多种蛋白质因子、其他蛋白质、酶类以及ATP、GTP等供能物质与必要的无机离子等:(一)原核生物(一)原核生物mRNAmRNA的特点的特点 原核生物原核生物mRNAmRNA的起始密码的起始密码AUGAUG上上游游7 7个核苷酸以外有一段个核苷酸以外有一段5 5-UAAGGAGG-UAAGGAGG-3 3 的保守序列称为的保守序列称为S-D(Shine-Dal
2、garno Sequence)。该序列该序列是核糖体识别结合的位点是核糖体识别结合的位点1 1、S-DS-D(Shine-Dalgarno)(Shine-Dalgarno)序列序列一一.生物合成的模板生物合成的模板mRNAmRNA 2 2、多顺反子、多顺反子(polycistron)(polycistron)顺反子顺反子(cistron)(cistron)遗传学将编码一个多肽的遗传学将编码一个多肽的mRNAmRNA上的遗传单位上的遗传单位称为顺反子称为顺反子乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区调控区调控区CAPCAP结合位点结合位点结合位点结合位点启动序列启动
3、序列启动序列启动序列操纵序列操纵序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因结构基因结构基因Z Z:-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y:透酶透酶透酶透酶A A:乙酰基转移酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶ZYAOPDNADNA3 3、连续基因、连续基因 多顺反子mRNA所转录的基因与基因之间有一段长度不等的间隔碱基序列,有的mRNA链上基因的间隔仅有1个碱基,甚至有编码序列相互重叠。E和和D:邻氨基苯甲酸合成酶的两个亚基:邻氨基苯甲酸合成酶的两个亚基A和和B:色氨酸合成酶的:色氨酸合成酶的、亚基亚基C:吲哚甘油磷酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶前导序列前导序列 E ED DC CB BA
4、 AOPtrpR结构基因结构基因(二)真核生物(二)真核生物mRNAmRNA的特点的特点 起始密码子常处于起始密码子常处于CCACCCCACCAUGAUGG G序列序列中,这段保守序列的存在能增加翻译起始的中,这段保守序列的存在能增加翻译起始的效率,这段序列称为效率,这段序列称为KozarkKozark序列序列(Marilyn(Marilyn Kozark).Kozark).、KozarkKozark序列序列 (Marilyn Kozark)(Marilyn Kozark)2、断裂基因断裂基因 3 3、单顺反子、单顺反子 由于氨基酸有20种,而核苷酸只有4种,其对应关系不可能是 1核苷酸1氨基
5、酸(414,420)2核苷酸1氨基酸(421620)但3 3核苷酸核苷酸1 1氨基酸氨基酸(4 43 364642020)是可能的是可能的,这从理论上肯定理论上肯定了三联体密码子的结构形式。Marshall Marshall Nirenberg Nirenberg(1961)(1961)遗传密码的破译遗传密码的破译(三)、遗传密码遗传密码NirenbergNirenberg等设计的实验:用化学合成的等设计的实验:用化学合成的mRNAmRNA为为模板,利用无细胞体系进行体外翻译实验模板,利用无细胞体系进行体外翻译实验:Poly(U)nPoly(U)n多聚苯丙氨酸;多聚苯丙氨酸;UUUUUU苯丙氨
6、酸苯丙氨酸Poly(A)nPoly(A)n多聚赖氨酸;多聚赖氨酸;AAAAAA赖氨酸赖氨酸Poly(C)nPoly(C)n多聚脯氨酸;多聚脯氨酸;CCCCCC脯氨酸脯氨酸Poly(G)nPoly(G)n多聚甘氨酸;多聚甘氨酸;GGGGGG甘氨酸甘氨酸Poly(AC)nPoly(AC)n苏氨酸苏氨酸/组氨酸交替组成的肽链组氨酸交替组成的肽链 ACAACA苏氨酸?苏氨酸?CACCAC组氨酸?组氨酸?Poly(AAC)nPoly(AAC)n多聚苏氨酸;多聚苏氨酸;ACAACA苏氨酸苏氨酸M.Nirenberg&P.LederM.Nirenberg&P.Leder(1964.(1964.Science
7、 145;1399)Science 145;1399)In vitrotRNAaaRibosomeNitrocellulose filter UCU(trinucleotides)Ser-C14,Leu,Lys,Arg,Ser,Leu-C14,Lys,Arg,Ser,Leu,Lys-C14,Arg,Ser-C14.Leu-C14.Lys-C14.Gly-C14.阅读框架阅读框架 指mRNA中从特定位点开始的,一段含有翻译密码的碱基序列。mRNA中的编码序列在被核糖体阅读和翻译时,从起始到终止都是以不重叠和不停顿的方式连续进行的,即从mRNA5端开始,以三个核苷酸为一组的方式进行。因此,就有可能
8、存在三种阅读框架,每一种框架只相差一个碱基的位移。三种框架的出现完全取决于哪一个核苷酸作为第一个密码子的第一个碱基。一些基本概念:一些基本概念:开放阅读框架开放阅读框架 指从AUG开始到终止密码子处的正确可读序列。通常情况下,在三种框架中,只有一种能够正确地编码有功能活性的蛋白质,而其它的阅读框架往往由于频繁出现终止密码子而被封闭。所以,一般一条mRNA序列仅编码一条蛋白质多肽链。阅读框架阅读框架1 1UUAUGAGCGCUAAAU阅读框架阅读框架2 2UUAUGAGCGCUAAAULeuLeuStopStopAlaAlaLeuLeuAsnAsnTyrTyrGluGluArgArgStopSt
9、op阅读框架阅读框架3 3UUAUGAGCGCUAAAUMetMetSerSerAlaAlaLysLys阅读框架可能存在的形式阅读框架可能存在的形式核糖体选择正确的开放框架核糖体选择正确的开放框架封封闭闭A U GA U G G G C A A U C C C G G C A A U C C CU A AU A A终止终止密码密码开放阅读框架开放阅读框架遗传密码(遗传密码(genetic codegenetic code):):是是mRNA分子上按照分子上按照53方向,每三个核方向,每三个核苷酸与一种氨基酸对应,全部苷酸与一种氨基酸对应,全部64种组合所形成种组合所形成的体系。的体系。密码子(
10、密码子(codoncodon):):每一个三联核苷酸的顺序称为密码每一个三联核苷酸的顺序称为密码子,也叫三联体密码。子,也叫三联体密码。每一个密码子与特定的每一个密码子与特定的一种氨基酸相对应。一种氨基酸相对应。终止密码(终止密码(stop codenstop coden):):也称无意义密码子(也称无意义密码子(nonsense coden):):没有对应的没有对应的tRNAtRNA的反密码子的反密码子与之结合,但能被与之结合,但能被蛋白质合成的终止因子或释放因子识别,终止蛋白质合成的终止因子或释放因子识别,终止肽链的合成。肽链的合成。终止密码有终止密码有3 3个:个:UAAUAA、UAGU
11、AG、UGAUGA起始密码(起始密码(initiation/start codeninitiation/start coden):):AUGAUG,是多肽链翻译开始的第一个密码子,是多肽链翻译开始的第一个密码子,在链内部则作为在链内部则作为蛋氨酸蛋氨酸的密码子。的密码子。1 1、方向性、方向性:mRNA mRNA分子中遗传密码阅读方向是从分子中遗传密码阅读方向是从5 5端端到到3 3端。端。2 2、连续性、连续性:mRNA mRNA分子中编码蛋白质氨基酸序列的分子中编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码是连续排列的,密码间无各个三联体密码是连续排列的,密码间无标点符号,没有间隔。标点符号,没有间
12、隔。移码突变移码突变遗传密码的特点:遗传密码的特点:A U GA U G G G C A A U C C C G G C A A U C C CU A AU A A终止终止密码密码开放阅读框架开放阅读框架3 3、兼并性与偏爱性、兼并性与偏爱性兼并性:兼并性:遗传密码的简并性通常是指密码子前两位碱基相同,第三位碱基不同仍编码相同的氨基酸。同义密码子:编码相同氨基酸的密码子统称为密码子家族,其成员互称为同义密码子。简并性现象决定了“同义突变”的存在,即DNA或mRNA序列中一个核苷酸的改变(点突变)可能并不影响其编码的多肽链中氨基酸的性质和序列。偏爱性:偏爱性:是指虽然多数氨基酸有一个以上的密码子
13、,但这些密码子的使用频率各不相同。原核生物和真核生物有着各自的密码偏爱性,如:脯氨酸的密码子有CCC(真核生物)和CCG(原核生物);某一种密码子的使用频率与细胞内相应的tRNA的丰度一致,二者之间的相互协调有利于细胞内某一氨基酸含量高的蛋白质的顺畅表达。理论意义理论意义:遗传密码的偏爱性可以作为基因表达调控的基因表达调控的一种机制一种机制,例如基因序列中出现稀有密码子时,可以使蛋白质的生物合成受到延迟。实践意义实践意义:当人们期望人工合成的基因片段能在细胞内高效表达高效表达时,应考虑采用该细胞偏爱的密码子作为基因的密码子,以此来指导人类对基因的改造。4 4、摆动性、摆动性 是指在蛋白质生物合
14、成过程中,密码子的第三位碱基总是处于一个不稳定的位置,它与反密码子的第一个碱基配对结合的强度不如前两个碱基,即“摆动碱基配对”。其结果是使一种tRNA分子可与一个以上的密码子碱基配对。U A UmRNA35摆动配对摆动配对密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、反密码子配对的摆动现象tRNAtRNA反密码子反密码子第第1 1位碱基位碱基I IU UG GA AC CmRNAmRNA密码子密码子第第3 3位碱基位碱基U,C,AU,C,AA,GA,GU,CU,CU UG G结果:一种结果:一种tRNAtRNA能与多个一二位相同的三联体密码配对能与多个一二位相同的三联体密码配对(简并密码子)(简并密码
15、子)5 5、通用性:、通用性:遗传密码的通用性是指从最简单的生物一直到人类,除个别细胞器的特殊密码子外,遗传密码都是相同的。理论意义:这对进化过程中生物物种的稳定性及物种之间的相互联系与沟通是十分重要的。实践意义:这对现代基因工程,利用低等细胞生成包括人类在内的高等哺乳动物基因产物提供了可能性。二、蛋白质生物合成的场所二、蛋白质生物合成的场所场所:核糖体(场所:核糖体(ribosome)ribosome)结构结构:Mg:Mg2+2+,蛋白质,蛋白质,rRNArRNA核糖体核糖体RNARNA的作用的作用1.1.大亚基大亚基rRNArRNA具有肽酰基转移酶活性具有肽酰基转移酶活性,催化肽催化肽键的
16、合成。键的合成。2.2.小小亚基亚基具有具有mRNAmRNA上上S-DS-D互补的序列互补的序列,是识是识别结合别结合mRNAmRNA的位点。的位点。3.核糖体大核糖体大亚基5SrRNArRNA具有两个保守序列具有两个保守序列,其中一个与其中一个与tRNAtRNA的的 TCTC环环互补识别序列互补识别序列,另另一个与一个与23SrRNA23SrRNA互补识别序列互补识别序列,稳定稳定核糖体结核糖体结构构容纳mRNA的部位;结合氨基酰tRNA的氨基酰位(amino-acyl site,位);结合肽酰 tRNA 的肽酰位(peptidyl site,位);原核生物核糖体至少有原核生物核糖体至少有6
17、 6个功能部位个功能部位:tRNA 排出位(exit site,位);肽基转移酶所在的部位;转位酶位点。真核生物核糖体结构与原核生物相似,但组分更复杂。mRNA结合位点结合位点核蛋白体与起始核蛋白体与起始fmettRNAfmet的结合的结合tRNAtRNA种类:种类:3030种种 同工同工tRNAtRNA:指携带不同的密码子,但识别:指携带不同的密码子,但识别 相同的氨基酸的一组相同的氨基酸的一组tRNAtRNA。三、蛋白质合成的搬运工具三、蛋白质合成的搬运工具tRNAtRNA反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂tRNAtRNA的三级结构示意图的三级结构示意图核糖体活性结合位点核糖体活性结合位点(
18、1)氨基酰)氨基酰-tRNA合成酶合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase)2.氨基酸的活化氨基酸的活化活化反应:活化反应:氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶活化反应活化反应:形成酯键形成酯键.氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNAtRNA都都 有高度特异性。通过其活性部位实现的。有高度特异性。通过其活性部位实现的。.氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶具有校正活性,将错配合成酶具有校正活性,将错配 的进行校正。的进行校正。氨基酰氨基酰-tRNA合成酶的特点合成酶的特
19、点(2)活化过程:)活化过程: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 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 E(3)活化氨基酸的表示方法:)活化氨基酸的表示方法:氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法:的表示方法:Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 四、蛋白因子四、蛋白因子()起始因子:()起始因子:原核生物原核生物IFIF :IFIF,IFIF,IF,IF 真核生物真核生物eIFeIF:eIFeIF,eIFeIF ,eIF,eIF 帽帽结合蛋白(结合蛋白(CBP/CBP/eI
20、F eIF),eIFeIF()延长因子()延长因子EF:原核生物:原核生物:EF-T,EF-G 真核生物:真核生物:EF-EF-()释放因子)释放因子 RF:原核生物:原核生物:RF-1,RF-2,RF-3,真核生物:真核生物:eRF-1,eRF-3 第二节:蛋白质合成过程第二节:蛋白质合成过程 核糖体读码方向核糖体读码方向:5:533肽链合成方向肽链合成方向:N C:N C起始、延长、终止起始、延长、终止一、起始一、起始:指指mRNAmRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNAtRNA分别与核蛋白体分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物。结合而形成翻译起始复合物。需起始因子(需起始因子(ini
21、tiation initiation factor,IFfactor,IF)参与参与,并消耗能量并消耗能量GTP(1GTP(1个)个)核蛋白体大小亚基分离;核蛋白体大小亚基分离;mRNAmRNA在小亚基上定位结合;在小亚基上定位结合;起始起始fMet-tRNAifMet-tRNAiMetMet的结合;的结合;核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。原核生物合成起始原核生物合成起始IF-1IF-11 1、核蛋白体大小亚基分离、核蛋白体大小亚基分离目目 录录IF-1IF-1,IF-3IF-3与小亚基结与小亚基结合促进大小合促进大小亚基分离亚基分离2 2、mRNAmRNA在小亚基定位结合在小亚基定位
22、结合IF-3促进mRNAmRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合IF-1IF-1IF3AUGAUG(1 1)mRNAmRNA位于位于起始密码起始密码上游上游8-138-13核苷酸部核苷酸部位,存在位,存在4-94-9个核苷酸保守序个核苷酸保守序UAAGGAGGUAAGGAGG(S-S-D D,核糖体识别序列),核糖体识别序列)(2 2)原核生物小亚基的)原核生物小亚基的3 3端存在与之互补序端存在与之互补序列列 AUUCCUCCAUUCCUCC反向互补配对。反向互补配对。mRNAmRNA定位基础:定位基础:S-DS-D序列序列 RNA-RNA识别识别 RNA-蛋白质识别蛋白质识别mRNA固定小
23、亚基固定小亚基,使使AUG固定于固定于P位位IF-1IF-1IF-2IF-2GTPGTP3 3、起始氨基酰、起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAtRNA(fMet-tRNAi imetmet)结合到小结合到小亚基亚基A A U U G G53目目 录录反密码子识别反密码子识别P P位密码子位密码子,使使起始氨基酰起始氨基酰tRNA(fMet-tRNA(fMet-tRNAimet)tRNAimet)结合到小亚基结合到小亚基就位就位.此时此时A A位上面结合有位上面结合有IF-IF-1 1IF-3IF-3IF-2IF-2GTPGTP起始氨基酰起始氨基酰tRNAtRNA(fMet-tRNAimet
24、)(fMet-tRNAimet)三元复合物IF-3IF-1IF-2GTPAUG53目目 录录反密码子识别反密码子识别P位密码子位密码子,使使起始氨基酰起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基结合到小亚基就位就位.IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合,起始复合物形成核蛋白体大亚基结合,起始复合物形成A U G53目目 录录大亚基结合,大亚基结合,水解水解GTP消耗能量消耗能量,释放起始因子释放起始因子IF-3IF-1A U G53IF-2-GTPIF-2GDPPi目目 录录(二)真核生物翻译起始复合物形成(二)真核生物翻译起始复合物形成4 4、核蛋白
25、体大亚基结合。消耗、核蛋白体大亚基结合。消耗GTP,GTP,释放释放各因子各因子.1 1、核蛋白体大小亚基分离;、核蛋白体大小亚基分离;2 2、起始氨基酰、起始氨基酰-tRNA-tRNA与小亚基与小亚基P P位结合;位结合;3 3、mRNAmRNA在核蛋白体小亚基准确就位;在核蛋白体小亚基准确就位;40S40S60S60S真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物形成过程复合物形成过程40S40S60S60Se eI IF F-3 3、e eI IF F-2 2B B 与与与与小小小小亚亚亚亚基基基基结结结结合合合合并并并并在在在在e eI IF F-6 6的的的的参参参参与与与与下下下下GDP+
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