分子生物学课件第四章

1、 遗传密码三联子 tRNA的结构、功能与种类 核糖体的结构与功能 蛋白质合成的生物学机制 蛋白质的运转机制Contents新乡医学院第一页，共六十九页。4.4 蛋白质合成的生物学机制蛋白质是生物活性物质中最重要的大分子组分，生物有机体的遗传学特性要通过蛋白质来得到表达。蛋白质合成的过程氨基酸的活化翻译的起始肽链的延伸肽链的终止蛋白质前体的加工新乡医学院第二页，共六十九页。阶段必须组分1.氨基酸的活化20种氨基酸20种氨基酰tRNA合成酶20种或更多的tRNAATP，Mg 2+2.肽链的起始mRNAN甲酰甲硫氨酰tRNAmRNA上的起始密码子（AUG)核糖体小亚基核糖体大亚基GTP,Mg 2+起

2、始因子（IF-1,IF-2,IF-3)3.肽链的延伸功能核糖体（起始复合物）AAtRNA伸长因子GTP,Mg 2+肽基转移酶4.肽链的终止ATPmRNA上的终止密码子释放因子（RF-1,RF-2,RF-3)5.折叠和加工参与起始氨基酸的切除、修饰等加工过程的酶表413 蛋白质合成各阶段的主要成分(原核）新乡医学院第三页，共六十九页。4.4.1 氨基酸的活化氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶新乡医学院第四页，共六十九页。氨基酸的活化又分为两步：第一步反应氨基酸 ATPE 氨基酰-AMP-E PPi 第二步反应氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tR

3、NAAMP E新乡医学院第五页，共六十九页。4.4.2 翻译的起始原核生物（细菌）为例：30S小亚基 50S大亚基fMet-tRNAfMet3个翻译起始因子(IF-l、IF-2和IF-3)模板mRNA GTPMg 2所需成分新乡医学院第六页，共六十九页。翻译起始又可被分成3步：第一步：在IF-3作用下核糖体大小亚基分离， 在IF-l作用下mRNA模板通过SD序列与30S小亚基相结合。IF-3IF-1AUG53mRNA新乡医学院第七页，共六十九页。Shine及Dalgarno等证明几乎所有原核生物mRNA上都有一个5-AGGAGGU-3序列，这个富嘌呤区与30S亚基上16S rRNA3端的富嘧啶

4、区序列5-GAUCACCUCCUUA-3相互补,帮助从起始AUG处开始翻译 。SD序列新乡医学院第八页，共六十九页。IF-3IF-1IF-2GTP 第二步：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。AUG53mRNA新乡医学院第九页，共六十九页。IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi第三步：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。AUG53新乡医学院第十页，共六十九页。IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi新乡医学院第十

5、一页，共六十九页。真核生物翻译起始的特点（与原核生物对比）核糖体较大,为；起始因子比较多；mRNA 5端具有m7GpppNp帽子结构3端具有polyAMet-tRNAMet mRNA的5端帽子结构和3端polyA都参与形成翻译起始复合物； 新乡医学院第十二页，共六十九页。真核生物翻译起始复合物形成(区别原核生物) 原核生物中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。而在真核生物中，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（P120）。新乡

6、医学院第十三页，共六十九页。Met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-3GDP+Pi各种elF释放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始复合物形成过程第十四页，共六十九页。4.4.3 肽链的延伸肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，每个循环包括：AA-tRNA与核糖体结合肽键的生成移位。 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G真核生物：EF-1 、EF-2 延伸因子(elongation f

7、actor, EF)新乡医学院第十五页，共六十九页。原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基EF-1-EF-G有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子 新乡医学院第十六页，共六十九页。1、AA-tRNA与核糖体A位点的结合需要消耗GTP，并需EF-Tu、EF-Ts两种延伸因子起始复合物形成以后，第二个AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNAEF-TuGTP复合物，然后结合到核糖体的A位上。新乡医学院第十七页，共六十九页。通

8、过延伸因子EF-Ts再生GTP,形成EF-TuGTP复合物 重新参与下一轮循环EF-Tu-GTP+ EF-TsEF-Tu-Ts + GDPEF-Tu-GDP+ EF-TsEF-Tu-Ts + GTP新乡医学院第十八页，共六十九页。新乡医学院第十九页，共六十九页。TuTsGTPGDPAUG53TuTsGTP新乡医学院第二十页，共六十九页。是由转肽酶/肽基转移酶催化2、肽键形成新乡医学院第二十一页，共六十九页。核糖体向mRNA3端方向移动一个密码子。需要消耗GTP，并需EF-G延伸因子3、移位新乡医学院第二十二页，共六十九页。fMetAUG53fMetTuGTPmRNA新乡医学院第二十三页，共六十

9、九页。新乡医学院第二十四页，共六十九页。真核生物-只有一个终止因子（eRF）4.4.4 肽链的终止终止因子原核生物RF1：识别终止密码子UAA和UAGRF2：识别终止密码子UAA和UGARF3：具有GTP酶活性，刺激RF1和 RF2 活性，协助肽链的释放新乡医学院第二十五页，共六十九页。原核肽链合成终止过程 新乡医学院第二十六页，共六十九页。UAG53RFCOO-新乡医学院第二十七页，共六十九页。新乡医学院第二十八页，共六十九页。4.4.5 蛋白质前体的加工新生多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工修饰才能转变为有活性的蛋白质。1、N端fMet或Met的切除 细菌蛋白质N端的甲酰基能被脱甲酰化

10、酶水解，原核生物和真核生物N端的甲硫氨酸在多肽链合成完毕之前被切除。新乡医学院第二十九页，共六十九页。新生蛋白质在去掉N端一部分残基后变成有功能的蛋白质某些病毒或细菌可合成无活性的多聚蛋白质，经蛋白酶切割后成为有功能的成熟蛋白新生蛋白质经蛋白酶切后变成有功能的成熟蛋白质新乡医学院第三十页，共六十九页。2、二硫键的形成mRNA中没有胱氨酸的密码子，而不少蛋白质都含有二硫键？两个半胱氨酸-SH二硫键氧化新乡医学院第三十一页，共六十九页。 氨基酸侧链的修饰包括磷酸化(如核糖体蛋白质)、糖基化(如各种糖蛋白)、甲基化(如组蛋白、肌肉蛋白质)、乙基化(如组蛋白)、羟基化(如胶原蛋白)和羧基化等。糖蛋白是

11、通过蛋白质中天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基侧链上加上糖基形成的，胶原蛋白上的脯氨酸和赖氨酸为羟基化的。内质网是蛋白质N-糖基化的主要场所。3、特定氨基酸的修饰新乡医学院第三十二页，共六十九页。Regulation of activity turn activity onturn activity off generate a different function Protein-protein interaction modification site may be a binding interfaceSubcellular localization modification site may

12、 be a targeting signal modification may be a membrane anchor Degradationidentify the protein for degradation Why are proteins modified?第三十三页，共六十九页。Functions of glycosylationProper folding 正确折叠Stabilise proteins against proteolysis 防止降解Form ECM (extracellular matrix) 胞外基质Modulation of immune response

13、 免疫反应 Selectins bind to oligosaccharides, cell-cell interactionsAnchor proteins on membrane 锚定作用 GPI (Glycosylphosphatidylinositol 糖基磷脂酰肌醇) anchored proteins第三十四页，共六十九页。4、切除新生链中非功能片段不少多肽类激素和酶的前体要经过加工才能变为活性分子。新合成得到前胰岛素原，切去信号肽变成胰岛素原，再切去C-肽变成有活性的胰岛素。新乡医学院第三十五页，共六十九页。新乡医学院第三十六页，共六十九页。4.4.6 蛋白质生物合成抑制剂抗生素

14、作用点作用原理应用四环素族（金霉素 新霉素、土霉素）原核核蛋白体小亚基抑制氨基酰-tRNA与小亚基结合抗菌药链霉素、卡那霉素原核核蛋白体小亚基改变构象引起读码错误、抑制起始抗菌药氯霉素、林可霉素原核核蛋白体大亚基抑制转肽酶、阻断延长抗菌药红霉素原核核蛋白体大亚基抑制转肽酶、妨碍转位抗菌药梭链孢酸原核核蛋白体大亚基与EFG-GTP结合，抑制肽链延长抗菌药放线菌酮真核核蛋白体大亚基抑制转肽酶、阻断延长医学研究嘌呤霉素真核、原核核蛋白体 氨基酰-tRNA类似物，进位后引起未成熟肽链脱落抗肿瘤药抗生素抑制蛋白质生物合成的原理 新乡医学院第三十七页，共六十九页。四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线

15、菌酮新乡医学院第三十八页，共六十九页。 嘌呤霉素作用示意图嘌呤霉素是一类AA-tRNA的结构类似物，能够结合在核糖体的A位上，抑制AA-tRNA的进入。它所带的氨基与AA-tRNA上的氨基一样，能与生长中的肽链上的羧基反应生成肽链，这个反应的产物是一条3羧基端挂了一个嘌呤霉素残基的小肽，肽酰嘌呤霉素随后从核糖体上解离下来，所以嘌呤霉素是通过提前释放肽链来抑制蛋白质的合成的。新乡医学院第三十九页，共六十九页。小结6、蛋白质合成的抑制剂（1）AA-tRNA与核糖体A位点结合（2）肽键的形成（3）移位1、氨基酸的活化2、翻译的起始3、肽链的延伸4、肽链的终止5、蛋白质前体的加工（1）N端fMet或M

16、et的切割（2）二硫键的形成（3）特定氨基酸的修饰（4）切除新生链中非功能片段4.4蛋白质合成的生物学机制 新乡医学院第四十页，共六十九页。 遗传密码三联子 tRNA的结构、功能与种类 核糖体的结构与功能 蛋白质合成的生物学机制 蛋白质的运转机制Contents新乡医学院第四十一页，共六十九页。4.5 蛋白质运转机制蛋白质的合成位点与功能位点常常被细胞内的膜所隔开，蛋白质需要运转。核糖体是真核生物细胞内合成蛋白质的场所，任何时候都有许多蛋白质被输送到细胞质、细胞核、线粒体和内质网等各个部分，补充和更新细胞功能。细胞各部分都有特定的蛋白质组分，蛋白质必须准确无误地定向运送才能保证生命活动的正常进

17、行。 新乡医学院第四十二页，共六十九页。新乡医学院第四十三页，共六十九页。蛋白质运转可分为两大类: 1、翻译运转同步机制：蛋白质的合成和运转同时发生 2、翻译后运转机制：蛋白质从核糖体上释放后才发生运转。新乡医学院第四十四页，共六十九页。蛋白性质 主要类型 运转机制 分泌 免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等蛋白质在结合核糖体上合成，并以翻译-运转同步机制运输细胞器发育 核、叶绿体、线粒体、乙醛酸循环体、过氧化物酶体等细胞器中的蛋白质 蛋白质在游离核糖体上合成，以翻译后运转机制运输 膜的形成 质膜、内质网、类囊体中的蛋白质 两种机制兼有 表414 几类主要蛋白质的运转机制新乡医学院第四十五页，共

18、六十九页。新乡医学院第四十六页，共六十九页。4.5.1 翻译-运转同步机制信号肽(signal peptide)：常指新合成多肽链中用于指导蛋白质跨膜转移的N-末端氨基酸序列（有时不一定在N端）。1、信号肽新乡医学院第四十七页，共六十九页。（1）一般带有10-15个疏水氨基酸；（2）在靠近该序列N-端常常有1个或数个带正电荷的氨基酸；（3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链（丙氨酸或甘氨酸）。2、信号序列特点新乡医学院第四十八页，共六十九页。图428 蛋白质通过其N端的信号肽在内织网中运转到不同的细胞器新乡医学院第四十九页，共六

19、十九页。3、信号肽假说内容核糖体分泌蛋白5070个氨基酸残基后露出大亚基被内质网膜上的受体识别并与之结合信号肽过膜信号肽酶水解新生肽通过蛋白孔道穿越疏水的内质网双层磷脂与信号识别颗粒结合翻译暂时停止核糖体与内质网结合翻译重新开始翻译继续进行蛋白质合成结束新乡医学院第五十页，共六十九页。新乡医学院第五十一页，共六十九页。新乡医学院第五十二页，共六十九页。新乡医学院第五十三页，共六十九页。4.5.2 翻译后运转机制叶绿体和线粒体中有许多蛋白质和酶是由细胞质提供的，其中绝大多数以翻译后运转机制进入细胞器内。新乡医学院第五十四页，共六十九页。4.5.2.1 线粒体蛋白质跨膜运转1）通过线粒体膜的蛋白质

20、在运转之前大多数以前体形式存在，它由成熟蛋白质和位于N端的一段前导肽(leader peptide)共同组成,前导肽约含2080个氨基酸残基，当前体蛋白过膜时，前导肽被多肽酶所水解，释放成熟蛋白质。一、特征:1、线粒体内蛋白质跨膜运转新乡医学院第五十五页，共六十九页。2）蛋白质通过线粒体内膜的运转是一种需能过程；蛋白质跨膜运转时的能量来自线粒体Hsp70引发的ATP水解和膜电位差。3）蛋白质通过线粒体膜运转时，首先由外膜上的Tom受体复合蛋白识别与分子伴侣相结合的待运转多肽，通过Tom和Tim组成的膜通道进入线粒体内腔。新乡医学院第五十六页，共六十九页。 线粒体有内、外两层膜，前导肽的不同部位

21、可能在蛋白质的跨膜运转过程中发挥不同的作用。有些前导肽含有“止运入”肽段，当该肽段被跨膜通道中的受体识别时，所运输的多肽将定位在膜上。2、线粒体膜蛋白来源新乡医学院第五十七页，共六十九页。二、前导肽的作用与特点1、前导肽的作用： 拥有前导肽的线粒体蛋白质前体能够跨膜运转进入线粒体，在这一过程中前导肽被水解，前体转变为成熟蛋白，则失去继续跨膜能力。因此，前导肽对线粒体蛋白质的识别和跨膜运转起着关键作用。 新乡医学院第五十八页，共六十九页。2、前导肽的特点:1）带正电荷的碱性氨基酸(特别是精氨酸)含量较为丰富。2）缺少带负电荷的酸性氨基酸；3）羟基氨基酸(特别是丝氨酸)含量较高;4）有形成两亲(既

22、有亲水又有疏水部分)-螺旋结构的能力。新乡医学院第五十九页，共六十九页。4.5.2.2 核定位蛋白的运转机制新乡医学院第六十页，共六十九页。在多细胞真核生物中，每当细胞发生分裂时，核膜被破坏，等到细胞分裂完成后，核膜被重新建成，分散在细胞内的核蛋白必须被重新运入核内，因此，为了核蛋白的重复定位，这些蛋白质中的信号肽被称为核定位序列(nuclear localization sequence, NLS)一般都不被切除。NLS可以位于核蛋白的任何部位。真核生物核内蛋白质的运转新乡医学院第六十一页，共六十九页。蛋白质向核内运输过程需要核运转因子、和一个GTP酶(Ran)。和组成的异源二聚体是核定位蛋

23、白的可溶性受体，与核定位序列相结合的是亚基。由上述3个蛋白组成的复合物停靠在核孔处，依靠Ran GTP酶水解GTP提供的能量进入细胞核，和亚基解离，核蛋白与亚基解离，和分别通过核孔复合体回到细胞质中，起始新一轮蛋白质运转。新乡医学院第六十二页，共六十九页。4.5.3 蛋白质的降解 如在大肠杆菌中，许多蛋白质的降解是通过一个依赖于ATP的蛋白酶（称为Lon）来实现的。当细胞中存在有错误或半衰期很短的蛋白质时，该蛋白酶就被激活。每切除一个肽键要消耗两分子ATP。1、原核生物新乡医学院第六十三页，共六十九页。 蛋白质的降解依赖于泛素Ubiquitin，一个有76个氨基酸残基组成极为保守的蛋白参与。与

24、Ubiquitin相连的蛋白将被送到一个依赖于ATP的蛋白质降解系统直到完全降解。这个过程需有E1、E2、E3三个降解因子参与。2、在真核生物E3泛素蛋白连接酶E1泛素活化酶E2泛素携带蛋白新乡医学院第六十四页，共六十九页。Mono-ubiquitination -Regulation: endocytosis, gene expression, protein sorting, subnuclear traffickingMulti-ubiquitination -Protein degradationUbiquitination (泛素化) 第六十五页，共六十九页。SUMOylationSUMO (small ubiquitin-related modifier) proteins are small protein tags that are conjugated to proteins to modify their function. The ubiquitin system tags proteins fo