分子生物学第4章课件

1、第四章 蛋白质生物合成第1页，共76页。第一节 参与蛋白质合成的物质 第2页，共76页。一、mRNA从DNA传递遗传信息 1、mRNA的一级结构(1)5非翻译区 (5-UTR)：5端起始密码子，含核糖体结合位点 (RBS)，即核糖体赖以装配并启动翻译的一段序列(2)编码区 (coding region)：起始密码子终止密码子（主要序列） 从原核生物操纵子转录的mRNA有多个编码区，相邻编码区被一个RBS隔开，这种mRNA称为多顺反子mRNA (Polycistronic mRNA)； 真核生物多数mRNA只有一个编码区，这种mRNA称为单顺反子mRNA （monocistronic mRNA）

2、(3)3非翻译区 (3-UTR): 是从 mRNA 的终止密码子之后到 3，端的一段序列第3页，共76页。原核mRNA的一级结构模式真核mRNA的一级结构模式（哺乳动物）第4页，共76页。2、密码子遗传密码（genetic code）：是mRNA分子上按照53方向，每三个核苷酸与一种氨基酸对应，全部64种组合所形成的体系。密码子（codon）：从mRNA编码区53端每三个相邻碱基一组连续分组，每一组碱基构成一个遗传密码，称为密码子，也叫三联体密码（triplet code）。 每一个密码子与特定的一种氨基酸相对应。第5页，共76页。终止密码（stop coden）：也称无意密码子（nonsen

3、se coden）：没有对应的tRNA的反密码子与之结合，但能被蛋白质合成的终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。 终止密码有3个：UAA、UAG、UGA起始密码：AUG，是多肽链翻译开始的第一个密码子，在链内部则作为蛋氨酸的密码子。第6页，共76页。密码子特点1.密码的连续性(commaless)2.密码的简并性(degeneracy)3.密码的通用性(universality)第7页，共76页。连续性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。 三联子密码是连续的(commaless)和非重叠(non-overlapping)即每个碱基都参与构成密码子且只参与构

4、成一个密码子 第8页，共76页。简并性由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymous codon）。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。减少了变异对生物的影响第9页，共76页。除色氨酸（UGG）和甲硫氨酸（ATG）只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子：9种氨基酸有2个密码子，1种氨基酸有3个密码子，5种氨基酸有4个密码子，3种氨基酸有6个密码子。第

5、10页，共76页。偏爱性（preference） 编码同一种氨基酸的几个同义密码子在基因组中的使用频率可能不同，使用频率高的称为偏爱密码子 (Preferred codon)，使用频率低的称为稀有密码子（rare codon)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 第11页，共76页。通用性蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 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

6、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。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。第12页，共76页。3、阅读框（reading frame） 阅读框：mRNA分子上从一个起始密码子到其下游第一个终止密码子所界定的一段编码序列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。通常情况下，在三种框架中，只

7、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开放阅读框架（open reading frame,ORF）：指从AUG开始到终止密码子处的正确可读序列。第13页，共76页。第14页，共76页。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(frameshift mutation)。 第15页，共76页。二、tRNA既是氨基酸转运工具又是读码器 一种氨基酸可能有几种tRNA，它们称为同工tRNA一种tRNA可能识别几个不同的密码子，但它们一定是同义密码子研究发现:mRNA密码子的第三碱基和tRNA反密码子的第一碱基为摆动位置 (w

8、obble position)，该位置存在非Watson-Crick碱基对 第16页，共76页。 1966年，Crick摆动假说(wobble hypothesis): 1反密码子的第二、三碱基与密码子的相应碱基形成Watson-Crick碱基对，对密码子的特异性起决定作用2反密码子的第一碱基决定其识别的密码子数3第一、二碱基存在区别的同义密码子由不同的tRNA识别4识别61个密码子至少需要32种tRNA，其中包括一种起始tRNA第17页，共76页。一个tRNA究竟能识别多少个密码子是由反密码子的第一位碱基的性质决定的。第18页，共76页。完整的核糖体复合体有三个tRNA结合位点: A位点 （

9、aminoacyl site） 结合氨酰tRNA P位点 (Peptidyl site） 结合肽酰tRNA E位点 (exit site) 结合脱酰tRNAA位点和P位点定位于30S小亚基与50S大亚基的结合区域，E位点定位于50S大亚基上 三、核糖体是蛋白质的合成机器 第19页，共76页。第20页，共76页。第二节 氨基酸的负载 氨基酸负载：指氨酰tRNA合成酶催化氨基酸与相应的tRNA缩合生成氨酰tRNA氨酰tRNA中的氨酰基与tRNA以高能酯键连接，所以氨基酸负载也称为氨基酸活化 第21页，共76页。1氨基酸必须由tRNA负载 第22页，共76页。2负载由氨酰tRNA合成酶催化 氨酰tR

10、NA合成酶有20种，每一种都识别并催化一种氨基酸与其tRNA(包括同工tRNA)的3-羟基连接具有高度特异性（对底物氨基酸和tRNA) 具有校正活性作为共同的书写规则，用tRNAGly表示将要接受甘氨酸（Glysine）的tRNA，而用Gly-tRNAGly表示对应的氨基酰-tRNA 第23页，共76页。3原核生物起始Met-tRNAfMet需要甲酰化 在细菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸；所以，与核糖体小亚基相结合的是N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet，可以与延伸中的Met-tRNAMet区分开。 真核生物中，多肽合成是从生成甲硫氨酰tRNAiMet开始的，体内存在两种tRNAMet。只有甲硫

11、氨酰tRNAiMet能与40S小亚基相结合，起始肽链合成，普通tRNAMet携带的甲硫氨酸只能被掺入正在延伸的肽链中。第24页，共76页。第三节 原核生物蛋白质的合成 蛋白质生物合成的过程是由一组RNA相互协调配合，共同作用的结果蛋白质生物合成的概况如下：以mRNA作为模板，核糖体从mRNA的53方向进行阅读，蛋白质合成的方向是N端C端。翻译过程依赖于氨基酰-tRNA来搬运特异的氨基酸，并借助于自身的反密码子，通过密码反密码之间的碱基配对来识别mRNA上的对应密码子翻译过程是在核糖体上进行的，大致可以区分为三个步骤，即起始、延长和终止。 第25页，共76页。一、翻译起始核糖体与mRNA、fMe

12、t-tRNAfMet装配成70S起始复合体的过程包括 核糖体解离30S小亚基与mRNA结合30S起始复合体形成70S起始复合体形成 第26页，共76页。第27页，共76页。 1、核糖体解离 需要翻译起始因子IF-l和IF-3 IF-1 加强IF-2，IF-3的酶活IF-2 促使fMet-tRNA fmet 选择性结合在30S亚基上IF-3 促使30S亚基结合于mRNA起始部位，具有解离30S与50S亚基的活性第28页，共76页。 2、30S小亚基与mRNA结合 SD序列（Shine-Dalgarno Sequence）： 原核生物mRNA的核糖体结合位点，位于5非翻译区，包括起始密码子上游8-

13、13nt处的一段保守序列S-D序列是原核细胞中mRNA和核糖体识别、结合的位点。S-D序列具有保守序列：5-AGGAGGU-3。原核细胞核糖体小亚基16SrRNA具有3-UCCUCCA-5保守序列，二者正好互补，核糖体借此判定翻译的起始位点第29页，共76页。第30页，共76页。30S小亚基与翻译起始因子IF-l，IF-3的作用下通过mRNA 的SD序列与之相结合。AUG53IF-3IF-1第31页，共76页。IF-3IF-1IF-2GTP30S起始复合体构成：30S小亚基、mRNA、 fMet-tRNAfMet 、GTP、IF-I、 IF-2、IF-3各一分子AUG53只有fMet-tRNA

14、fMet能与第一个P位点相结合，其他所有tRNA都必须通过A位点到达P位点，再由E位点离开核糖体3、30S起始复合体形成（在IF-2和GTP的帮助下， fMet-tRNAfMet进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对）第32页，共76页。IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi带有tRNA、mRNA和3个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放翻译起始因子。AUG534、70S起始复合体形成 第33页，共76页。第34页，共76页。二、翻译延长 肽链的延伸过程实际上是一个循环反应每一个循环包括三步反应，即进位（entrance）成肽(pepti

15、de bond formation)移位(translocation)每一个循环使肽链延长一个氨基酸长度第35页，共76页。进位：mRNA上第二个密码子对应的氨基酰-tRNA结合到核糖体小亚基上的A位，该结合反应需要GTP，并为延长因子EF-T所催化。 （GTP/EF-T）AA2-tRNA A位 第36页，共76页。第37页，共76页。成肽：在肽酰基转移酶的催化下，在P位上氨基酰的C-末端与A位上氨基酰-tRNA的氨基之间形成肽键； （肽酰基转移酶）C-端（P位）+ N-端（A位） 肽键 第38页，共76页。是由转肽酶/肽基转移酶催化肽链合成方向 N端C端第39页，共76页。转位：在其后的转位

16、过程中，由于tRNA的离开而空出P位，新生的肽酰基tRNA即从A位移至P位，核糖体沿着mRNA移动一个密码子的距离，刚好使其进入A位；如此反复循环，肽链不断延伸。 第40页，共76页。延长因子EF-G有转位酶( translocase )活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动 。第41页，共76页。fMetAUG53fMetTuGTP第42页，共76页。第43页，共76页。三、翻译终止 当三个终止密码子中的任何一个出现在A位时，将促使与释放因子的结合，进而激活一系列终止过程包括：肽基转移酶活性改变、P位点肽酰tRNA水解，多肽水解、tRNA和mRNA脱落核糖体、核糖体

17、分解为大、小亚基等，然后肽链合成进入新的一轮循环第44页，共76页。1、终止过程第45页，共76页。 2、释放因子 RF-1：识别终止密码子UAA和UAGRF-2：识别终止密码子UAA和UGARF-3：不识别终止密码子，但具有核糖体依赖性GTP酶活性，与GTP结合之后可以协助RF-1或RF-2使翻译终止第46页，共76页。3、多核糖体循环 两种方式提高翻译效率 （1）多个核糖体同时翻译一个mRNA分子：在蛋白质合成的过程中，往往几个核糖体同时附着在同一条mRNA链上，形成所谓的“多聚核糖体”（polyribosome）结构。（2）核糖体循环：核糖体在一轮翻译完成之后，解离成亚基，回到mRNA的

18、5端，重新装配，开始新一轮翻译合成蛋白质合成的实际情况是当一个核糖体已经沿着mRNA链滑动到3端，新生肽链将要合成完毕时，而在mRNA的5端，核糖体的亚单位可能刚开始组装和启动肽链的合成第47页，共76页。4、转录与翻译偶联 第48页，共76页。第四节 真核生物蛋白质的合成 一、翻译的起始与原核生物有几点不同:真核生物起始Met-tRNAi不需要甲酰化真核生物mRNA没有SD序列，核糖体结合位点是其5端帽子结构真核生物mRNA含Kozak序列，其包含的起始密码子是翻译起始位点 第49页，共76页。真核生物的mRNA没有S-D序列，核糖体（小亚基）识别5端帽子结构，随后移动到起始密码子处。起始密

19、码子常处于-CCRCCAUGG-序列之中，这段保守序列的存在能增加翻译起始的效率，这段序列即Kozak序列。 1、Kozak序列（起始扫描模型）第50页，共76页。真核生物的mRNA没有S-D序列，核糖体（小亚基）识别5端帽子结构，随后移动到起始密码子处。起始密码子常处于-CCACCAUGG-序列之中，这段保守序列的存在能增加翻译起始的效率，这段序列即Kozak序列。 第51页，共76页。2、翻译起始因子 真核生物翻译起始因子的符号都以eIF表示，与原核生物翻译起始因子具有相同功能的真核生物翻译起始因子用同一编号 功能包括: 参与识别mRNA的帽子 参与形成80S起始复合体 某些翻译起始因子是

20、翻译调控点 第52页，共76页。3、真核生物翻译起始复合物形成(区别原核生物) 原核生物: 30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合。 真核生物: 40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80SmRNAMet-tRNAMet起始复合物。第53页，共76页。二、翻译延长 第54页，共76页。三、翻译终止终止阶段基本一致，释放因子有区别真核生物有两种释放因子:eRF1和eRF3eRF1可以识别全部三种终止密码子eRF3具有GTP酶活性，作用与原核生物的RF3一致第55页，共76页。四、多

21、核糖体循环 环状多核糖体 第56页，共76页。第五节 蛋白质的翻译后修饰 翻译后修饰 (Post-translational modification)：指由核糖体合成的肽链进一步经历各种变化(特别是各种化学反应)以改变结构、性质、活性，甚至改变寿命蛋白质翻译后修饰内容丰富一级结构的修饰，例如肽键水解、侧链修饰，又有空间结构的修饰，例如肽链折叠、亚基装配不可逆修饰，例如羟基化，又有可逆修饰，例如磷酸化与去磷酸化不同修饰内容进行的时机或场所不尽相同，在蛋白质多肽链的合成过程中、合成完成后、靶向转运或分泌过程中、到达功能场所后、参与细胞代谢时、最终被降解时，都可能进行 第57页，共76页。一、部分

22、切除 由蛋白酶水解特定肽键，切除信号肽、内部肽段、末端氨基酸，或者水解成一系列活性片段。这种水解是不可逆的。1、N端切除 原核生物甲酰蛋氨酸，真核生物蛋氨酸 膜蛋白、分泌蛋白前体信号肽2、蛋白激活 由蛋白酶水解实现的 例如:转化生长因子、 表皮生长因子和胰岛素第58页，共76页。二、折叠和装配 蛋白质折叠 (Protein folding)：具有不确定构象的新生肽链折叠形成具有天然构象的功能蛋白的过程蛋白质的一级结构是其构象的基础蛋白质多肽链能够自发折叠，形成稳定的天然构象不过，蛋白质多肽链在体内的折叠是在辅助蛋白的协助下进行的辅助蛋白包括折叠酶类和蛋白伴侣 第59页，共76页。分子伴侣（ch

23、aperone） 1、定义：能与其它构象不稳定（构象松弛）的蛋白结合并使之稳定的一类蛋白质，它们通过与多肽链结合帮助多肽在体内的折叠、组装、转运或降解，在完成任务后从多肽上释放下来。2、功能：分子伴侣是细胞内蛋白质折叠和组装的重要调节者。 第60页，共76页。3、蛋白质构象病 错误折叠的蛋白质能互相聚集，形成淀粉样沉淀而致病，这类疾病称为蛋白质构象病，盶病毒病、阿尔茨海默病 (Alzheimer disease)、帕金森病 (Parkinson disease)等4、蛋白质装配 在内质网上合成的许多分泌蛋白和膜蛋白都由多亚基构成。这些蛋白质的装配都在内质网内进行。缀合蛋白质的装配还涉及辅基化。

24、第61页，共76页。三、氨基酸修饰蛋白质是用20种标准氨基酸合成的目前从各种蛋白质中发现的氨基酸至少有100种其中的80多种非标准氨基酸都是标准氨基酸翻译后修饰的产物修饰包括：氨基酸的磷酸化、乙酰化、酰基化、羟基化、甲基化、羧基化、核苷酸化等第62页，共76页。四、糖基化 生物体内多数蛋白质都是缀合蛋白质其中以糖蛋白居多糖蛋白所含的糖基是在翻译后修饰阶段加接的，加接过程称为糖基化 (glycosylation)糖蛋白寡糖的功能活性必需靶向转运分子识别结构稳定易于溶解第63页，共76页。五、蛋白质泛素化（ubiquitination）泛素：在真核生物普遍存在，是一类高度保守的调节蛋白泛素化：指用

25、一个或多个泛素单体共价标记靶蛋白，从而影响其稳定性、功能、靶向转运，或被26S蛋白酶体识别并降解泛素通过泛素化系统介导蛋白质降解第64页，共76页。第六节 蛋白质的靶向转运 胞浆内各种蛋白质游离核糖体 分泌蛋白、膜蛋白和溶酶体蛋白内质网核糖体靶向转运：或分选，蛋白质向功能场所转运的过程 整个转运过程可以分为两个阶段:蛋白质向细胞器转运，通常在蛋白质合成过程中或合成刚结束时进行。蛋白质在该阶段分别进入内质网、线粒体或细胞核等转运到内质网的蛋白质进一步进入分泌途径。高尔基体蛋白、溶酶体蛋白和细胞膜蛋白都以小泡 (vesicle)形式通过分泌途径转运 第65页，共76页。一、进入内质网腔 分泌蛋白由

26、结合在内质网膜表面的核糖体合成，并且合成与转运是同时进行的，即新生肽链直接进入内质网腔，该过程称为共翻译转运 (cotranslational translocation)1、信号肽（signal peptide）2、信号肽受体蛋白：核糖体锚定于内质网膜的过程需要两个关键成分:信号识别颗粒(SRP)和SRP受体 3、共翻译转运过程第66页，共76页。第67页，共76页。共翻译转运过程合成信号肽与SRP结合（SRP与GTP结合，中止新生肽链合成）SRP-新生肽链-核糖体-mRNA与内质网表面SRP受体结合核糖体与贯穿内质网膜的转位子结合（ SRP、受体水解GTP解离）转位子通道开放，信号肽引导新生肽链穿过进入内质网腔内质网腔中的信号肽酶切除信号肽新生肽链继续合成并进入内质网腔新生肽链合成完毕，核糖体解离通道闭合，新生肽链在内质网腔内折叠，形成具有天然构象的蛋白质 第68页，共76页。新生蛋白在内质网内通过几种方式进一步修饰，然后转运到不同场所，包括以转运小泡形式向高尔基体转运。蛋白质在高尔基体内进一步修饰 (包括O、N糖基化) ，向不同场所转运，或分泌到细胞外第69页，共76页。