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1、蛋白质的生物合成 生物化学与分子生物学教研室刘先俊 背景环境分析 一 概述以RNA中的mRNA为模板 将mRNA的碱基所组成的遗传密码转变为蛋白质分子中氨基酸的排列顺序 称为蛋白质的生物合成 也称为翻译 translation 简言之 就是生物体以mRNA为模板合成蛋白质的过程 翻译过程中核酸的作用 背景环境分析 背景环境分析 二 蛋白质生物合成体系基本原料 20种编码氨基酸模板 mRNA适配器 tRNA装配机 核蛋白体主要酶和蛋白质因子 氨基酰 tRNA合成酶 转肽酶 起始因子 延长因子 释放因子等能源物质 ATP GTP无机离子 Mg2 K 背景环境分析 一 mRNA是遗传信息的携带者mR
2、NA来源 生物遗传信息储存于DNAmRNA分子中的碱基排列序列决定了蛋白质分子中的氨基酸排列顺序 mRNA中相邻的3个碱基代表一个氨基酸 三个相邻的碱基称为一组密码 coden 或称三联体密码 64组密码组成遗传密码表 起始密码 1组 AUG 兼作Met的密码终止密码 3组 UAA UGA UAG 61组密码编码20种 氨基酸 背景环境分析 遗传密码表 背景环境分析 mRNA的基本结构 从mRNA5 端起始密码子AUG到3 端终止密码子之间的核苷酸序列 称为开放阅读框架 openreadingframe ORF 背景环境分析 原核生物的多顺反子 真核生物的单顺反子 背景环境分析 遗传密码的特点
3、 1 连续性 commaless 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读 密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉 背景环境分析 基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失 可能导致框移突变 frameshiftmutation 背景环境分析 2 方向性 sideness 翻译时遗传密码的阅读方向是5 3 即读码从mRNA的起始密码子AUG开始 按5 3 的方向逐一阅读 直至终止密码子 背景环境分析 3 简并性 degeneracy 在遗传密码表中 共有64组密码 43 其中 3组作为翻译的终止密码 UAA UAG和UGA AUG兼作翻译的起始密码 AUG是蛋氨酸的密码 其余6
4、1组密码 包括AUG作为亮氨酸的密码 共同编码20种 氨基酸 因此 必然有一种氨基酸由多组密码编码的现象 称为密码的简并性 实际上 除色氨酸与蛋氨酸 由一个密码编码 外 其余氨基酸均由两个或两个以上的密码编码 2 6个 背景环境分析 各种氨基酸的密码子数目 背景环境分析 4 通用性 universal 无论原核生物如病毒 细菌等和真核生物包括人类都共用一套遗传密码即三联体密码 只是不同生物对密码子具有偏爱性 背景环境分析 二 tRNA是搬运氨基酸的工具1 tRNA的结构 背景环境分析 tRNA分子中与蛋白质合成有关的位点 1 氨基酸结合位点 2 氨酰 tRNA合成酶识别位点 3 核糖体识别位点
5、 4 反密码位点 反密码与密码结合时方向相反 即反密码的第1 2 3位碱基分别与密码的第3 2 1位碱基配对 背景环境分析 反密码与密码配对时 反密码的第2 3位碱基分别与密码的第2 1位碱基配对时严格遵循碱基配对规则 即A与U G与C配对 而反密码的第1位碱基与密码的第3位碱基配对时不严格遵循碱基配对规则 后者成为摆动配对或不稳定配对 wobblebasepair 摆动配对情况通过摆动配对 使得携带有同种氨基酸的不同tRNA分子可分别结合在几种同义密码上 如反密码为IGC的丙氨酰 tRNA 可分别结合到同义密码GCU GCC GCA上 GCU GCC GCA均为编码丙氨酸的密码 摆动配对的存
6、在对于保持生物物种的稳定具有重要意义 tRNA是氨基酸与遗传密码间的适配器 2 氨酰 tRNA各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的氨基酰 tRNA表示为 氨基酸的三字母缩写 tRNA氨基酸的三字母缩写例如 丙氨酰 tRNA Ala tRNAAla精氨酰 tRNA Arg tRNAArg甲硫氨酰 tRNA Met tRNAMet起始者甲硫氨酰 tRNA Met tRNAiMet延长甲硫氨酰 tRNA Met tRNAeMet 在生物体内 一种tRNA只能与一种氨基酸结合 即一种tRNA只能搬运一种氨基酸 而一种氨基酸可与一种以上的tRNA分子结合 所以 tRNA的种类 80种以上 比氨基酸 2
7、0种 多 三 核糖体是蛋白质生物合成的场所核糖体是肽链合成的 装配机 胞质中核糖体种类 游离的核糖体 合成细胞固有蛋白与粗面内质网结合的核糖体 合成带有信号肽的分泌性蛋白质核糖体由大 小亚基组成 其组成成份包括rRNA和蛋白质 不同细胞核蛋白体的组成 在核糖体上 与蛋白质生物合成有关的主要结构有 1 有容纳mRNA的部位 2 有结合氨酰 tRNA的部位 称为氨酰基部位 简称A位 有结合肽酰 tRNA的部位 称为肽酰基部位 简称P位 3 有结合蛋白质因子的部位 4 有转肽基酶 transpeptidase 存在 可催化肽键的形成 5 具有延长因子依赖的GTP酶活性 A位和P位呈紧密相邻 每个部位
8、的宽度正好相当于mRNA上一个遗传密码的宽度 mRNA与核糖体的结合原核生物核糖体的小亚基的rRNA 16S 的3 末端有一富含嘧啶的区段 可与mRNA分子的起始部位的一段富含嘌呤的区段互补结合 使mRNA结合至核糖体上 mRNA分子中的这段富含嘌呤的区段称为S D序列 Shine Dalgarnosequence 通常为GGAGGU S D序列位于mRNA的5 端紧接起始信号的上游 原核生物mRNA的S D序列及其与16SrRNA的结合 三 蛋白质生物合成过程蛋白质的生物合成过程包括 氨基酸的活化与转运 活化氨基酸在核糖体上形成多肽链 后者是蛋白质生物合成的中心环节 又称核糖体循环 翻译后加
9、工 氨基酸与tRNA的结合需要氨酰tRNA合成酶催化 并需要消耗ATP 一 氨基酸的活化与转运 第一步反应 第二步反应 氨基酰 tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性 绝对专一性 1个A A对应1个氨基酰tRNA合成酶催化反应 活化A A 活化 COOH 消耗2个ATP 产物 氨酰tRNA酶的两个位点 结合位点 结合正确的A A 活化水解位点 保证A A序列的正确性 校正活性 氨基酰 tRNA合成酶 二 原核生物核糖体循环翻译时 从mRNA的起始密码子AUG开始 按5 3 方向逐一读码 直至终止密码子 于是 合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始 从N 端 C 端延长 直至终止密码子前一位
10、密码子所编码的氨基酸 一 起始是指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的过程 基本过程 1 核蛋白体大小亚基分离 2 mRNA在小亚基定位结合 3 起始氨基酰 tRNA的结合 4 核蛋白体大亚基结合 指在mRNA模板的指导下 氨基酸依次进入核蛋白体并聚合成多肽链的过程 1 进位 positioning 注册 registration 2 成肽 peptidebondformation 3 转位 translocation 二 延长 肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行 包括以下三步 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基 1 进位 又称注册 registration
11、是指一个氨基酰 tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核蛋白体A位的过程 进位需要延长因子EF Tu与EF Ts参与 2 成肽 成肽是在转肽酶 peptidase 的催化下 核蛋白体P位上起始氨基酰 tRNA的N 甲酰甲硫氨酰基或肽酰 tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰 tRNA的 氨基结合形成肽键的过程 3 移位 转位是在转位酶 延长因子EF G 的催化下 核蛋白体向mRNA的3 端移动一个密码子的距离 使mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A位 而占据A位的肽酰 tRNA移入P位的过程 移位需要延长因子EF G参与 肽链合成延长 核蛋白体循环 过程 三 终止 指核蛋白体A
12、位出现mRNA的终止密码子后 多肽链合成停止 肽链从肽酰 tRNA中释出 mRNA 核蛋白体大 小亚基等分离的过程 终止阶段需要释放因子RF 1 RF 2和RF 3参与 RF 3可结合核蛋白体其他部位 有GTP酶活性 能介导RF 1 RF 2与核蛋白体的相互作用 释放因子的功能 识别终止密码子 RF 1特异识别UAA UAG RF 2特异识别UAA UGA 诱导转肽酶转变为酯酶活性 催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解 使肽链从核蛋白体上释放 原核肽链合成终止过程 合成含10个氨基酸的肽链 消耗多少ATP aa 活化2 10 20ATP 消耗2个高能磷酸键 计2ATP 1staa
13、1GTP 直接进入P位 其余9aa 2 9 18GTP 重复进位 转肽 移位的过程 终止1GTP20 1 18 1 40ATP 活化以后直接消耗的是GTP 四 原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别 五 翻译后的加工新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性 必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质 这一加工过程称为翻译后修饰 posttranslationalmodification 翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化 从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性 一 多肽链折叠为天然构象的蛋白质新生肽链的折叠在肽链合成中 合成后完成 新生肽链N 端在核蛋白体上一出现 肽链的折叠即开始 可能
14、随着序列的不断延伸肽链逐步折叠 产生正确的二级结构 模序 结构域到形成完整空间构象 一般认为 多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息 即一级结构是空间构象的基础 细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成 而需要其他酶和蛋白质辅助 几种有促进蛋白质折叠功能的大分子 分子伴侣 molecularchaperon 蛋白质二硫键异构酶 proteindisulfideisomerase PDI 3 肽 脯氨酰顺反异构酶 peptideprolyl cis transisomerase PPI 二 一级结构修饰1 N 端 C 端的切除或修饰2 共价修饰 如羟基化 糖基化 磷酸化 乙酰化 羧基化 甲基
15、化等 三 空间结构的修饰1 亚基聚合2 辅基连接 四 蛋白质的靶向输送蛋白质在核蛋白体上合成后 必须分选出来 定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能 蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行 所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号 主要是N末端特异氨基酸序列 可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位 这类序列称为信号序列 signalsequence 信号序列的结构特点 1 由15 30个氨基酸残基构成 2 N端为1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基 如赖氨酸 精氨酸 3 中间为疏水中心 主要含疏水的中性氨基酸 如亮氨酸 异亮氨酸等 4 C端由极性相对较大 侧链较短的氨基酸组成如甘氨酸 丙氨
16、酸等 随后是信号肽酶的裂解位点 六 蛋白质生物合成的干扰与抑制 蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点 抗生素等就是通过阻断真核 原核生物蛋白质翻译体系某组分功能 干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的 可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点 同时尽量利用真核 原核生物蛋白质合成体系的任何差异 以设计 筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物 一 抗生素 抗生素 antibiotics 是一类由某些真菌 细菌等微生物产生的药物 有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力 对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人 动物和植物的感染性疾病 四环素族 常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用 二 干扰蛋白质生物合成的生物活性物质 白喉毒素是真核细胞蛋白质合成的抑制剂 它作为一种修饰酶 可使eIF 2发生ADP糖基化共价修饰 生成eIF 2腺苷二磷酸核糖衍生物 使eIF 2失活 1 白喉毒素 diphtheriatoxin 2 干扰素 干扰素 interferon IFN 是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质 可抑制病毒的繁殖 干扰素分为 白
