生物化学蛋白质的生物合成翻译.ppt

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1、目目 录录蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成（翻译（翻译）Protein Biosynthesis，Translation目目 录录l蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成，即，即翻译翻译，就是将核酸，就是将核酸中由中由 4 种种核苷酸序列核苷酸序列编码的遗传信息，通编码的遗传信息，通过过遗传密码遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级破译的方式解读为蛋白质一级结构中结构中20种种氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序。核苷酸三联体决定核苷酸三联体决定氨基酸的对应关系氨基酸的对应关系主要内容主要内容l第一节第一节 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系l第二节第二节 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程l第三节第三

2、节 蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送l第四节第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制蛋白质生物合成的干扰和抑制目目 录录蛋白质合成体系蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System 第第 一一 节节 目目 录录l20种氨基酸种氨基酸(AA)作为原料作为原料l酶及众多蛋白因子酶及众多蛋白因子 如如IF、eIF lATP、GTP参与蛋白质生物合成的物质：参与蛋白质生物合成的物质：l 三种三种RNAmRNA（messenger RNA）rRNA（ribosomal RNA）tRNA（transfer RNA）目目 录录一、翻译模板一、翻译模板mRNA及遗传密码及遗传密码l

3、 mRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者n遗遗传传学学将将编编码码一一个个多多肽肽的的遗遗传传单单位位称称为为顺顺反反子子(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mRNAmRNA可可编编码码几几种种功功能能相相关关的的蛋蛋白质，为白质，为多顺反子多顺反子(polycistronpolycistron)mRNA)mRNA 。真真核核一一个个mRNAmRNA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(single(single cistroncistron)mRNA mRNA mRNA mRNA

4、。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 蛋白质蛋白质目目 录录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，称为称为三联体密码三联体密码(triplet coden)。起始密码起始密码(initiation code

5、n):AUG 终止密码终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA 遗遗传传密密码码表表目目 录录从从mRNA 5 端端起起始始密密码码子子AUG到到3 端端终终止止密密码码子子之之间间的的核核苷苷酸酸序序列列，各各个个三三联联体体密密码码连连续续排排列列编编码码一一个个蛋蛋白白质质多多肽肽链链，称称为为开开放放阅阅读框架读框架(open reading frame,ORF)。目目 录录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基酸序列的各个三联体密编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。码连续阅读，

6、密码间既无间断也无交叉。目目 录录基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突基发生插入或缺失，可能导致框移突变变(frameshift mutation)。Tyr Gly Ser ArgPro Thr Asp2.简并性简并性(degeneracy)遗遗传传密密码码中中，除除色色氨氨酸酸和和甲甲硫硫氨氨酸酸仅仅有有一一个个密密码码子子外外，其其余余氨氨基基酸酸有有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。2.简并性简并性(degeneracy)目目 录录3.通用性通用性(universal)蛋白质生物合成的整套密码，从原核生

7、蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。物到人类都通用。少数例外，如动物细胞的少数例外，如动物细胞的线粒体线粒体、植物、植物细胞的细胞的叶绿体叶绿体。目目 录录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碱基配对规律，称为摆动配对。的碱基配对规律，称为摆动配对。U摆动配对摆动配对目目 录录密码子、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二、核蛋白体是多肽链合成的装置二、核蛋白体是多肽

8、链合成的装置目目 录录 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：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)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目目 录录氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶（一）（一）氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(ami

9、noacyl-tRNA synthetase)l 氨基酸的活化氨基酸的活化 tRNA与酶结与酶结合模型合模型tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP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目目 录录l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有都有高度特异性高度特异性。l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有合成酶具有校正活性校正活性(proofreading activity)。l氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法：的表示方法：Ala

10、-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 目目 录录真核生物真核生物：Met-tRNAiMet(initiator-tRNA)原核生物原核生物：fMet-tRNAifMet(N-formyl methionine)（二）（二）起始肽链合成的氨基酰起始肽链合成的氨基酰-tRNA目目 录录蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis 第第 二二 节节 目目 录录l翻译的起始翻译的起始(initiation)l翻译的延长翻译的延长(elongation)l翻译的终止翻译的终止(termination)整个翻译过程可

11、分为整个翻译过程可分为：目目 录录一、肽链合成起始一、肽链合成起始指指mRNA和和起起始始氨氨基基酰酰-tRNA分分别别与与核核蛋蛋白白体体结结合合而而形形成成翻翻译译起起始始复复合合物物(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 e目目 录录（一）原核生物翻译起始复合物形成（一）原核生物翻译起始复合物形成l1.1.核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；l2.mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；l3.3.起始氨基酰起始氨基酰-tRNA的结合；的结合；l4.4.核蛋白体大亚基结合。核

12、蛋白体大亚基结合。IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离A U G53IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合S-DS-D序列：序列：mRNA mRNA 起始密码前的一段富含嘌起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列呤核苷酸的序列,可与核糖体小亚基可与核糖体小亚基16S-16S-rRNArRNA上富含嘧啶序列相结合。上富含嘧啶序列相结合。IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小结合到小亚基亚基A U G53IF-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

13、结合，起始复合物形成A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi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l核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；l起始氨基酰起始氨基酰-tRNA结合；结合；lmRNA在核蛋白体小亚基准确就位；在核蛋白体小亚基准确就位；l核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。metmet40S40S60S60SMetMetMetMet40S40S60S60SmRNAeIF-2BeIF-2B、eIF-3eIF-3、eIF-6 elF-3elF-3GDP+Pi各种各种各种各种elFelF释放释放释放释放

14、elF-5ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP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目目 录录二、肽链合成延长二、肽链合成延长指指根根据据mRNA密密码码序序列列的的指指导导，次次序序添添加加氨氨基基酸酸从从N端端向向C端端延延伸伸肽肽链链，直直到到合合成成终终止止的过程。的过程。又称为又称为核蛋白体循环核蛋白体循环(ribosomal cycle)l包括以下三步：包括以下三步：进位进位(entrance)成肽成肽(peptide bond formation)转位转位(transloc

15、ation)目目 录录l延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor,EF)原核生物：原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：真核生物：EF-1、EF-2 目目 录录肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 又称注册又称注册又称注册又称注册(registration)(registration)（一）进位（一）进位指根据指根据mRNA下下一组遗传密码指导，一组遗传密码指导，使相应氨基酰使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体进入核蛋白体A位。位。延长因子延长因子EF-T催化催化进位（原核生物）进位（原核生物）Tu TsGTPG

16、DPA U G53TuTsGTP（二）成肽（二）成肽是由转肽酶是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽催化的肽键形成过程。键形成过程。（三）转位（三）转位延长因子延长因子EF-G有转位酶有转位酶(translocase)活性，可结合并水解活性，可结合并水解1 1分子分子GTP，促进核蛋，促进核蛋白体向白体向mRNA的的3 3侧移动侧移动 。fMetA U G53fMetTuGTP进进位位转转位位成肽成肽目目 录录 三、肽链合成的终止三、肽链合成的终止当当mRNA上上终止密码终止密码出现后，多肽链合成出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、

17、核、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。目目 录录终止相关的蛋白因子称为终止相关的蛋白因子称为释放因子释放因子(release factor,RF)一一是是识识别别终终止止密密码码，如如RF-1RF-1特特异异识识别别UAAUAA、UAGUAG；而而RF-2RF-2可识别可识别UAAUAA、UGAUGA。二二是是诱诱导导转转肽肽酶酶变变为为酯酯酶酶活活性性，使使肽肽链链从从核核蛋蛋白白体体上释放。上释放。释放因子的功能释放因子的功能:原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF 原原核

18、核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 U A G53RFCOO-多聚核蛋白体多聚核蛋白体(polysome)使蛋白质合成高速、使蛋白质合成高速、高效进行。高效进行。电镜下的多聚核蛋白体现象电镜下的多聚核蛋白体现象目目 录录蛋白质合成后加工和输送蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing&Protein Transportation第第 三三 节节目目 录录主要包括主要包括一、多肽链折叠为天然三维结构一、多肽链折叠为天然三维结构 二、肽链一级结构的修饰二、肽链一级结构的修饰三、空间结构的修饰三、空间结构的修饰 目目 录录一、多肽链折叠为天然功能构象蛋白质一、多肽

19、链折叠为天然功能构象蛋白质l新生肽链新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。折叠即开始。l一一般般认认为为，多多肽肽链链自自身身氨氨基基酸酸顺顺序序储储存存着着蛋蛋白白质质折折叠叠的的信信息息，即即一一级级结结构构是是空空间间构构象的基础象的基础。目目 录录促进蛋白折叠功能的大分子促进蛋白折叠功能的大分子:1.分子伴侣分子伴侣(molecular chaperon)2.蛋白二硫键异构酶蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)3.肽肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl cis-trans

20、 isomerase,PPI)目目 录录1)1)热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein,HSP)(heat shock protein,HSP)是指细胞在应激原特别是环境高温诱导下所生成的是指细胞在应激原特别是环境高温诱导下所生成的 一一组蛋白质。组蛋白质。HSP70HSP70、HSP40HSP40和和GrpEGrpE族族 2)2)伴侣素伴侣素(chaperoninschaperonins)1)1)具有独特的双层具有独特的双层7-9 元环状结构的寡聚蛋白元环状结构的寡聚蛋白,它们以它们以依赖依赖ATP 的方式促进体内正常和应急条件下的蛋白质折的方式促进体内正常和应急条件下的

21、蛋白质折叠。叠。GroELGroEL和和GroESGroES家族家族1.分子伴侣分子伴侣分子伴侣是细胞中一类保守蛋白质，可识别肽链的分子伴侣是细胞中一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象并与之结合，帮助多肽在体内折叠、组装、非天然构象并与之结合，帮助多肽在体内折叠、组装、转运或降解等，完成功能后与之分离，不构成这些蛋白转运或降解等，完成功能后与之分离，不构成这些蛋白质执行功能时的组份。质执行功能时的组份。HSP促进蛋白质折叠基本作用促进蛋白质折叠基本作用结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠，形成行折叠，形成HSP70和多肽片段依次结合、解离和多肽片

22、段依次结合、解离的循环。的循环。HSP40结合待结合待折叠多肽片段折叠多肽片段 HSP70-ATP复合物复合物 HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物多肽复合物 ATP水解水解GrpE ATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠 伴侣素的主要作用伴侣素的主要作用为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境空间构象的微环境。2、蛋白二硫键异构酶、蛋白二硫键异构酶 二硫键异构酶可催化错配二硫键断裂二硫键异构酶可催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成

23、热力学最稳定的天然构象。成热力学最稳定的天然构象。3、肽、肽-脯氨酰顺反异构酶脯氨酰顺反异构酶 多肽链中肽酰多肽链中肽酰-脯氨酸间的肽键有顺反两种异脯氨酸间的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。构体，空间构象明显差别。肽酰肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。异构体之间的转换。目目 录录二、一级结构的修饰二、一级结构的修饰（一）肽链（一）肽链N端的修饰端的修饰（二）个别氨基酸的修饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰（三）多肽链的水解修饰目目 录录鸦片促黑皮质素原鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰的水解修饰NC信号肽信号肽P

24、MOCKRKR103肽肽(？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin目目 录录三、空间结构的修饰三、空间结构的修饰（一）亚基聚合（一）亚基聚合 （二）辅基连接（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接（三）疏水脂链的共价连接 目目 录录蛋蛋白白质质合合成成后后经经过过复复杂杂机机制制，定定向向输输送送到到最最终终发发挥挥生生物物功功能能的的细细胞胞靶靶部部位位的的过程称为蛋白质的靶向输送。过程称为蛋白质的靶向输送。四、蛋白质合成后的靶向输送四、蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质的靶向输送蛋白质的靶向输送(protein targeting)目目 录录所所有有靶靶向向输输送送的的蛋蛋白白质质结结

25、构构中中存存在在分分选选信信号号，主主要要为为N末末端端特特异异氨氨基基酸酸序序列列，可可引引导导蛋蛋白白质质转转移移到到细细胞胞的的适适当当靶靶部部位位，这这一一序序列列称称为为信号序列信号序列。信号序列信号序列(signal sequence)目目 录录靶向输送蛋白的信号序列或成分靶向输送蛋白的信号序列或成分 目目 录录（一）分泌蛋白的靶向输送（一）分泌蛋白的靶向输送真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入输送过程首先要进入内质网内质网。信号肽信号肽(signal peptide)新生分泌蛋白新生分泌蛋白N端的保守氨基酸序列端的保守氨基酸序列称信号

26、肽。称信号肽。信号肽的一级结构信号肽的一级结构信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网（二）线粒体蛋白的靶向输送（二）线粒体蛋白的靶向输送（三）细胞核蛋白的靶向输送（三）细胞核蛋白的靶向输送目目 录录蛋白质生物合成的干扰和抑制蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference&Inhibition of Protein Biosynthesis第第 四四 节节目目 录录l抗生素抗生素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。一类药物。l抗代谢药物抗代谢药物指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过指能干扰生物代谢过

27、程，从而抑制细胞过度生长的药物，如度生长的药物，如：6-MP。l 某些毒素也作用于基因信息传递过程某些毒素也作用于基因信息传递过程。一、抗生素类一、抗生素类抗生素抑制蛋白质生物合成的原理抗生素抑制蛋白质生物合成的原理 四四环环素素族族氯霉素氯霉素链霉素和卡那霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素嘌呤霉素放线菌酮放线菌酮 嘌嘌嘌嘌呤呤呤呤霉霉霉霉素素素素作作作作用用用用示示示示意意意意图图图图目目 录录二、其他干扰蛋白质生物合成的物质二、其他干扰蛋白质生物合成的物质l毒素毒素(toxin)l干扰素干扰素(interferon)目目 录录白喉毒素白喉毒素(diphtheria toxin)的作用机理的作用机理白白喉喉毒毒素素+eEFeEF-2-2（有活性有活性）eEFeEF-2-2（无活性无活性）目目 录录干扰素的作用机理干扰素的作用机理干扰素诱导的蛋白激酶干扰素诱导的蛋白激酶dsRNA1.干扰素诱导干扰素诱导eIF2磷酸化而失活磷酸化而失活ATPeIF2ADPeIF2-P（失活）（失活）Pi磷酸酶磷酸酶目目 录录2.干扰素诱导病毒干扰素诱导病毒RNA降解降解降解降解mRNAdsRNA干扰素干扰素AAPAPPPP2 5 2 5 5 2-5 AAPPPATP2-5A合成酶合成酶RNaseLRNaseL活化活化