第十一章蛋白质合成ppt课件

1、第十一章第十一章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 蛋白质的生物合成在细胞代谢蛋白质的生物合成在细胞代谢中占有非常重要的位置。以大肠肝中占有非常重要的位置。以大肠肝菌为例，蛋白质占细胞干重菌为例，蛋白质占细胞干重50%左左右右,每个细胞约有每个细胞约有3000种不同的蛋白种不同的蛋白质分子，每种蛋白质又有无数分子质分子，每种蛋白质又有无数分子,而大肠肝菌的分裂周期不过而大肠肝菌的分裂周期不过20分钟分钟,可见蛋白质合成速度之快。可见蛋白质合成速度之快。 按中心法那么按中心法那么,DNA储存遗传信息传送给储存遗传信息传送给mRNA,mRNA是蛋白质合成的模板是蛋白质合成的模板,但是但是mRNA蛋

2、白质之间遗传信息的传送并不像转录蛋白质之间遗传信息的传送并不像转录那样简单那样简单,从从mRNA上所携带的遗传信息上所携带的遗传信息,到多肽到多肽链上所带的遗传信息的传送链上所带的遗传信息的传送,好似从一种言语翻译好似从一种言语翻译成另一种言语的情形成另一种言语的情形,所以人们称以所以人们称以mRNA为模板为模板的蛋白质合成过程为翻译或转译。的蛋白质合成过程为翻译或转译。nProtein synthesis or translation is the most complex of all biosynthetic mechanisms;n60 to 90 macromolecules for

3、 making up the protein-synthesizing machine ribosomes;nOver 20 enzymes for activating the amino acids;nOver 10 auxiliary proteins for the initiation, elongation and termination of the polypeptide chains;nAccount for up to 90% of the chemical energy used by a cell for all biosynthetic reactions; nThe

4、 molecules used for translation account for more than 35% of the cells dry weight; nProteins are synthesized with extremely high efficiency: a complete polypeptide chain of 100 residues is synthesized in about 5 seconds in an E.coli cells at 37oC.第一节:蛋白质合成体系的组分n翻译的过程非常复杂翻译的过程非常复杂,几乎涉几乎涉及到细胞内一切种类的及到细

5、胞内一切种类的RNA和几十种蛋白质因子和几十种蛋白质因子 。 有机界拥有有机界拥有1010-1011种不同的种不同的蛋白质蛋白质,构成数目这么宠大的不同的构成数目这么宠大的不同的多肽的单位却只需多肽的单位却只需20种种AA, AA在多在多肽中不同的陈列次序是蛋白质多样肽中不同的陈列次序是蛋白质多样性的根底，目前曾经清楚，多肽上性的根底，目前曾经清楚，多肽上AA的陈列次序最终是由的陈列次序最终是由DNA上核上核苷酸的陈列次序决议的，直接是由苷酸的陈列次序决议的，直接是由mRNA决议的。决议的。一、一、mRNAmRNA的发现的发现遗传密码遗传密码 不论是不论是DNA或或mRNA,根本上根本上都是由

6、都是由4种核苷酸构成。这种核苷酸构成。这4种核种核苷酸如何编制成遗传密码苷酸如何编制成遗传密码,又怎样又怎样被翻译成被翻译成20种种AA组成的多肽组成的多肽,这这就是蛋白质生物合成中的遗传密就是蛋白质生物合成中的遗传密码的翻译问题。决议码的翻译问题。决议Pr中中AA序列序列的核苷酸序列称遗传密码。的核苷酸序列称遗传密码。Amino acids in a polypeptide chain are coded by groups of three nucleotides in a mRNAEach mRNA molecule would have threepotential reading f

7、rames (for three differentpolypeptides) .Genetic studies indicated that substitution of one nucleotide usually affects only one singleamino acid: genetic codes are nonoverlapping.Genetic studies showed that genetic codons are successive triplets of nucleotidesAltered amino acid sequencesWhich condon

8、 which AA ?两个关键的技术：两个关键的技术：1.蛋白质体外合成系统；蛋白质体外合成系统；2.核酸人工合成技术。核酸人工合成技术。nWhen poly(G) was added, no polypeptides were detected.Polyribonucleotides of defined repeating sequences of two to four bases helped to end the decoding workCopolymer of repeating dinucleotides alwayslead to synthesis of polypepti

9、des of repeatingdipeptides:ABABABABABABAB- aa1-aa2-aa1-aa2- Copolymer of repeating trinucleotides will lead to the synthesis of three homopolypeptides:构成多少怎样的肽链？构成多少怎样的肽链？ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCD-ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCD-ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCD-ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDAB

10、CD-ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCD-Copolymer of repeating tetranucleotides will leadto the synthesis of a single type of polypeptide with repeatingtetrapeptides.Many trinucleotides promote the binding of specific aminoacyl-tRNA to ribosomesThe filter-binding assayfor detecting the bindingof a trinu

11、cleotide to a specific aminoacyl-tRNAmolecule: about 50 codons were assigned bythis method.All 64 triplet codes were deciphered by 1966n61 of the codons code for the 20 amino acids and three (UAA, UAG, UGA) for chain termination, called termination codons, stop codons, or nonsense codons);nAUG is a

12、dual codon coding for initiation and Met;Established thechemicalstructure oftRNAEstablished the in vitro system for revealing the genetic codesDevised methodsto synthesizewell definednucleic acids1.遗传密码的通用性遗传密码的通用性 原核生物与真核生物都运用同原核生物与真核生物都运用同样的密码子编码氨基酸。到目前样的密码子编码氨基酸。到目前为止，只发现个别的例外，线粒为止，只发现个别的例外，线粒体中的

13、遗传密码有个别的变化。体中的遗传密码有个别的变化。P:344.遗传密码遗传密码线粒体遗传密码的差别线粒体遗传密码的差别二、遗传密码的根本特点二、遗传密码的根本特点:2.密码的简并性密码的简并性: 一个一个AA可以被可以被1个以上的个以上的密码子编码的性质。密码子编码的性质。e.g. Glu CAA CAG ASP GAU GAC 编码同一种编码同一种AA的密码子的密码子称为同义密码子。称为同义密码子。 18 of the amino acids are coded by more than one codon: the genetic codes are degenerate。3.变偶性：一种

14、变偶性：一种tRNA可以识别可以识别一种以上的同一氨基酸的密码子。一种以上的同一氨基酸的密码子。 tRNA的反密码子中的反密码子中5含有含有I、I对对mRNA密码子的密码子的3碱基要求不严碱基要求不严厉。厉。 I 能与能与U、C、A构成氢键配构成氢键配对，对，e.g. tRNAArg 5ICG3反密码子反密码子 3 G C I G C I G C I密码子密码子 5 C G A C G U C G C 均为均为Arg4.延续性：密码子是无标点符号延续性：密码子是无标点符号的，密码是不重叠的，即相邻的的，密码是不重叠的，即相邻的密码子互不重叠。密码子之间没密码子互不重叠。密码子之间没有任何信号加

15、以隔开，假设在中有任何信号加以隔开，假设在中间插入一个碱基，就会呵斥这一间插入一个碱基，就会呵斥这一位点以后的读码发生错误，这叫位点以后的读码发生错误，这叫移码。移码。AUGGCGCGUUUUAGUUGA5.方向性：密码子的阅读方向是方向性：密码子的阅读方向是5 3，不，不能反过来。能反过来。6.特殊密码子特殊密码子 64个个code中，有中，有61个编码个编码AA 3个终止密码子：个终止密码子：UAG、UAA、UGA 起始密码子：起始密码子：AUG 独一密码子：独一密码子：AUGMet)、UGG(Trp) 二、二、tRNAAll tRNAs have common structural fe

16、atures:cloverleaf in secondary, “L in 3-D structures.Codon-anticodonpairing(1)被氨酰被氨酰-tRNA合成酶识别，合成酶识别，运输氨基酸；运输氨基酸； (2)反密码子反密码子,识别识别mRNA链上的链上的密码子；密码子；(3)衔接多肽链与核糖体。衔接多肽链与核糖体。tRNA功能功能Role of 3types ofRNA intranslation经过一系列调查，经过一系列调查，Crick得出结论得出结论: 大多数密码子的第三个碱基大多数密码子的第三个碱基与它的反密码子相对应的碱基与它的反密码子相对应的碱基之间配对是比

17、较疏松的，这些之间配对是比较疏松的，这些密码子的第三个碱基具有摆动密码子的第三个碱基具有摆动性，称为摆动假说，也叫变偶性，称为摆动假说，也叫变偶假说。假说。 密码子由前两个碱基构成密码子由前两个碱基构成Wastson-Crick配对，决议专注性。配对，决议专注性。 反密子的第一个碱基决议反密子的第一个碱基决议tRNA识别密码的数目。识别密码的数目。C A 识别一种识别一种 G U 识别二种识别二种 I 识别三种识别三种 翻译翻译20种种AA的的61个密码子最少个密码子最少需求需求32种种tRNA。三、核糖体三、核糖体Ribosomes are ribonucleoprotein particl

18、es for synthesizing proteins. 核糖体含有：核糖体含有：mRNA结合部位结合部位tRNA结合部位结合部位 1.氨酰基氨酰基:A位位 氨酰氨酰-tRNA结合结合部位；部位； 2.肽基部位肽基部位:P位位 正在延伸的多正在延伸的多肽基肽基 A位、位、P位有一小部分在位有一小部分在30S亚基内亚基内,大部分在大部分在50S亚基内。亚基内。 3.出口位：出口位：E位。位。催化肽键构成的部位催化肽键构成的部位四、辅助因子四、辅助因子起始起始 IF1 IF2 e1F2 参与起始参与起始 IF3 e1F3、e1F4c CBPI 与与5-帽子结合帽子结合, e1F4A、B、F 参与

19、寻觅第一个参与寻觅第一个AUG e1F5 协助协助e1F2、e1F3、e1F4c的的释放释放 e1F6 协助协助60S亚基从无活性的核亚基从无活性的核糖体上解离糖体上解离 2. 延伸因子延伸因子:EF-TU： eEF1a 协助氨酰协助氨酰-tRNA进进入核糖体入核糖体EF- TS eEF1Y： 协助协助EF-Tu、eEF1a周转移位因子周转移位因子3. 终止因子终止因子 RE1UAA、UAG RE2UAA、UGA， eRF 释放完好释放完好的肽链。的肽链。第二节第二节 AA的活化的活化n真核生物中起始是真核生物中起始是Metn原核生物中起始是原核生物中起始是fMetnAA之间直接构成肽键，这在

20、热力学之间直接构成肽键，这在热力学上是不允许的，这一能障是经过活上是不允许的，这一能障是经过活化化AA的羧基，构成活化中间体的羧基，构成活化中间体-氨氨酰酰tRNA加以抑制。在蛋白质合成中，加以抑制。在蛋白质合成中，必需经过活化才干构成肽键。必需经过活化才干构成肽键。一、一、AA的活化的活化 AAtRNAATP氨酰氨酰tRNA合合成酶，成酶， Mg2+氨酰氨酰-tRNA+AMP+PPi有三个意义有三个意义:1.AA必需由必需由tRNA携带进入核携带进入核糖体，由糖体，由tRNA识别密码子。识别密码子。2.氨酰键储存了能量，具有氨酰键储存了能量，具有相当高的转移势能，用于相当高的转移势能，用于以

21、后肽键的构成，不需求以后肽键的构成，不需求另外的能量。另外的能量。aminoacylThe amino acids arelinked either to the 2- or 3-OH group of the terminal adenosineof tRNAs.Aminoacyl-tRNA synthetase3.氨酰氨酰tRNA合成酶合成酶是蛋白质合成的准确是蛋白质合成的准确性的重要控制环节。性的重要控制环节。 tRNAGlnGln-tRNA synthetaseAmino acidarmAnticodonarmATPTOXIC PLANTSCommon Name: Alfalfa or

22、 LucerneScientific Name: Medicago sativa Most affected: cattle, chickens, humans, sheep Part: The entire plant 刀豆氨酸刀豆氨酸有毒有毒AA，通常，通常0.25%的含的含量就足以使昆虫致死。量就足以使昆虫致死。According to an updated checklist for Belize, D. megacarpa is the correct synonym for D. relexa var. grandiflora. The attractive seeds of th

23、is pantropic species wash ashore on tropical beaches throughout the world. Dioclea megacarpa刀豆氨酸含量刀豆氨酸含量达达8，剧毒，剧毒无比！无比！Caryedes brasiliensis whose larvae infest and feed on Dioclea violacea seeds containing up to 13% canavanine 南美洲的花生豆南美洲的花生豆象象Caryedes brasiliensis 其精氨酰其精氨酰-tRNA合成酶能区分精氨酸和刀豆氨酸。合成酶能区分

24、精氨酸和刀豆氨酸。只需一个AUG，有两种tRNA。tRNAfMet 识别起始密码子fMet-tRNAffMet N-甲酰甲硫氨酰-tRNAffMettRNAmMet 识别内部AUG密码子，用于内部合成，Met-tRNAmMet 。二、起始氨酰二、起始氨酰-tRNA的构成的构成:甲酰甲硫氨酸的构造甲酰甲硫氨酸的构造分两步构成分两步构成:(1)Met + tRNAfMet + ATP Met tRNAfMet + AMP + PPi(2)转甲酰酶以四氢叶酸为甲酰基供转甲酰酶以四氢叶酸为甲酰基供体构成体构成fMet-tRNAfMet 这两者都带有一样的反这两者都带有一样的反密码子密码子3UAC5，两

25、者均能，两者均能被同一种甲硫被同一种甲硫aa-tRNA合成合成酶所作用，那么，是如何识酶所作用，那么，是如何识别起始和内部的别起始和内部的AUG？A purine-rich Shine-Dalgarno sequence and a AUGcodon marks the start site of polypeptide synthesis on bacterial mRNA molecules. Translation start codonRBS第三节第三节 多肽链的合成多肽链的合成分为三个阶段分为三个阶段:肽链合成的起始肽链合成的起始肽链的延伸肽链的延伸肽链合成的终止和释放肽链合成的终止

26、和释放一、肽链合成的起始一、肽链合成的起始30S-mRNA复合物的构成：复合物的构成： 完好的核糖体不能直接与完好的核糖体不能直接与mRNA结结合起始多肽的合成，合起始多肽的合成，IF3参与、参与、IF1协助。协助。(1)必需先解离成必需先解离成30S、50S两个亚基两个亚基;(2)IF3与与30S亚基首先结合使亚基首先结合使30S与与50S不不再结合再结合; (3)30S结合到结合到mRNA上上,使使AUG正确定位正确定位于于P位内位内,构成构成30S- mRNA复合物复合物, mRNA的的SD序列与序列与16S rRNA 3互补。互补。30S预起始复合物的构成：预起始复合物的构成：fMet

27、-tRNAfMet与与GTP+IF2结合到结合到30S-mRNA的复合物上，构成预起的复合物上，构成预起始复合物。始复合物。fMet-tRNAfMet坐落在坐落在P位，起始位，起始tRNA的反密码子与的反密码子与mRNA的的AUG配对。配对。70S起始复合物的构成起始复合物的构成 50S结合到结合到30S预起始物上，结合预起始物上，结合在在IF2上的上的GTP被水解成被水解成GDP和和Pi并并被释放。被释放。IF3、IF2也分开核糖体，结也分开核糖体，结果便构成了一个包含有果便构成了一个包含有mRNA和起始和起始fMet-tRNAfMet在内的有功能的在内的有功能的70S核糖体，称为核糖体，称

28、为70S起始复合物。起始复合物。由于由于GTP的水解使结合在一同的两个的水解使结合在一同的两个亚基构成有活性的亚基构成有活性的70S核糖体，核糖体，P位占位占满，满，A位空着。位空着。Shine-Dalgarnosequence二、肽链的延伸二、肽链的延伸 参与的组分参与的组分:(1)有功能有功能70S核糖体核糖体; (2)氨酰氨酰-tRNA; (3)延伸因子延伸因子EF-Tu, EF-Ts、EF-G; (4)GTP。肽链的延肽链的延伸是以循伸是以循环的方式环的方式将将AA加到加到正在合成正在合成的肽链羧的肽链羧基端，合基端，合成方向是成方向是NC。每一循环分为四步每一循环分为四步: 进位、转

29、肽、移位、零进位、转肽、移位、零落落1.进位：新的第进位：新的第2个氨酰个氨酰-tRNA进入核糖进入核糖体体A位位 (1) EF-Tu、GTP与氨酰与氨酰tRNA结合构成三元结合构成三元复合物：氨酰复合物：氨酰-tRNA.EF-Tu.GTP, 然后进入然后进入A位。位。 氨酰氨酰-tRNA的反密码子与的反密码子与mRNA上处于上处于A位的密码子配对位的密码子配对,GTP水解成水解成GDP和和Pi。同时。同时EF-Tu.GDP释放出来。释放出来。(2)EF-Tu.GDP复合物再生时复合物再生时,EF-Ts将将GDP置换下来，生成置换下来，生成EF-Tu.Ts，GTP又又将将EF-Ts置换下来生成

30、置换下来生成EF-Tu.GTP参与参与下一个氨酰下一个氨酰-tRNA结合进入结合进入A位。位。 EF-Tu.GDP + EF-Ts EF-Tu.EF-Ts + GDP EF-Tu.EF-Ts + GTP EF-Tu.GTP + EF-Ts 耗费耗费1个个GTP(3) fMet-tRNAfMet不能与不能与EF-Tu.GTP结合，所以结合，所以fMet不会掺与到肽链的合成不会掺与到肽链的合成中。中。 2.转肽：肽键的构成转肽：肽键的构成 氨酰氨酰-tRNA进入核糖体进入核糖体A位以后，位以后，P位与位与A位占满，位占满，P位上的位上的fMet-tRNAfMet在肽基转移酶的作用下转移到在肽基转移

31、酶的作用下转移到A位中位中AA的氨基上，从而构成肽键。的氨基上，从而构成肽键。 结果结果A位上构成一个二肽基位上构成一个二肽基-tRNA，P位是空载的位是空载的tRNAfMet。 原先以为肽基转移酶是原先以为肽基转移酶是50S中的一种中的一种Pr，1992年，发现是年，发现是23S rRNA，它具，它具有核酶的作用。有核酶的作用。3.移位移位:肽键构成以后肽键构成以后:(1)EF-G、GTP与核糖体结合推进核糖体与核糖体结合推进核糖体沿沿mRNA 53方向挪动一个密码子的间方向挪动一个密码子的间隔隔; (2)由于核糖体的移位，二肽基由于核糖体的移位，二肽基tRNA从从A位移至位移至P位，仍与位

32、，仍与mRNA结合结合;(3)而原来在而原来在P位中的位中的tRNAfMet便分开便分开P位位零落下来，这时零落下来，这时mRNA上的下一个密码上的下一个密码子恰益处于核糖体的子恰益处于核糖体的A位，供下一个氨酰位，供下一个氨酰-tRNA的进位。的进位。 移位需求移位需求EF-G(也称移位也称移位酶酶)以及以及GTP参与，参与，EF-G、GTP与核糖体结合，便推进与核糖体结合，便推进核糖体移位，然后核糖体移位，然后GTP水解水解为为GDP和和Pi释放下来，释放下来，EF-G也解离下来，至止，一轮肽也解离下来，至止，一轮肽链的延伸循环便完成。链的延伸循环便完成。又耗费一个又耗费一个GTP三、肽链

33、合成的终止及释放三、肽链合成的终止及释放 当核糖体沿当核糖体沿mRNA挪动至终止挪动至终止密码子密码子(UAA、UAG、UGA)位于位于A位时肽链的延伸便停顿。位时肽链的延伸便停顿。终止因子终止因子: RF1, 识别识别UAA、UAG RF2, 识别识别UAA、UGA RF3能够是与能够是与GTP结合结合并水解并水解GTP，促进多肽链释放。，促进多肽链释放。分三个阶段分三个阶段:1.释放因子进入释放因子进入A位位 RF1 or RF2进入进入A位与终止密码子结合。位与终止密码子结合。2.多肽链的释放多肽链的释放 RF1 or RF2诱导肽基转移酶行使水解作用诱导肽基转移酶行使水解作用,将将位于

34、位于P位位tRNA上的肽基转移到水分子上上的肽基转移到水分子上,多肽链多肽链分开核糖体分开核糖体,释放因子与空载的释放因子与空载的tRNA也分开。也分开。3.70S核糖体解离核糖体解离 在在IF3存在下，解离成存在下，解离成50S和和30S，以便投入，以便投入另一条多肽链的合成。另一条多肽链的合成。Releasing factors recognize the stop codons and promotethe termination of the polypeptide synthesis: releasing the peptide chain, the tRNA and the two

35、 ribosomal units. Exitsite假设要合成一个由假设要合成一个由n个个AA组成的组成的多肽，需求耗费多少多肽，需求耗费多少ATP分子？分子？合成肽链的能量耗费：合成肽链的能量耗费：多肽合成所需的能量：多肽合成所需的能量： 氨基酸活化氨基酸活化 2 ATP ATPAMP 起始起始 1 GTP 延伸延伸 2 GTP进位进位1、移、移位位1 终止终止 1 GTPn个个AA的多肽：的多肽：2N+2N-1+2 = 4NA single mRNA is usually translated by multipleribosomes (polysomes)simultaneously.F

36、ormation of circular eukaryotic mRNA by protein-protein interactions of eIF4E and eIF4G (binding to the m7G cap), poly(A)-binding protein I (PABI) Force-fieldelectron micrographModel of protein synthesis on circular polysomes and recycling of ribosomal subunits.真核生物多肽链的合成真核生物多肽链的合成:一、真核生物多肽链合成起始的根本过程一、真核生物多肽链合成起始的根本过程1.Met-tRNAMet 、GTP.eIF2, 再与再与40S、eIF3、eIF4c构成三元复合物、构成三元复合物、43S核糖体复合物。核糖体复合物。2.帽子结合帽子结合Pr与与