蛋白质生物合成及加工

蛋白质生物合成及加工第1页/共66页2023/4/262:36第16章蛋白质生物合成及加工第一节遗传密码的破译第二节蛋白质的合成过程第三节蛋白质的加工、修饰及转运第2页/共66页2023/4/262:36第一节遗传密码的破译mRNA的翻译:按照mRNA上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程.将mRNA中4种核苷酸的语言解读为蛋白质中20种氨基酸的语言——翻译（Translation）第3页/共66页2023/4/262:3620世纪50年代PaulZamecnik将同位素标记的氨基酸注射到大鼠体内,分析不同时间肝脏内氨基酸的分布.时间长了会在任何地方都有,但注射后数分钟检测,全部跑到含有RNA的小颗粒中(即核糖体,ribosome).蛋白质的合成发生在粗面内质网上第4页/共66页2023/4/262:36Crick比较了核酸和氨基酸的大小和形状后,认为不可能在空间上互补,对核酸→蛋白质的信息传递作了以下预测：1)一种分子转换器,使信息从核酸序列转换成氨基酸序列,这种分子很可能是核酸；3)不论以何种方式进入蛋白质翻译系统,都必须与模板形成氢键；4)有20种分子转换器,每种氨基酸一个；5)每种氨基酸必定有一个对应的酶,催化与特定的分子转换器结合.Crick还预言一个氨基酸对应三个核苷酸。第5页/共66页2023/4/262:36Crick预言的分子转换器(adaptor)第6页/共66页2023/4/262:36mRNA分子中每三个相临碱基组成一个密码子,代表一种氨基酸,或起始信号,或终止信号mRNA上的四种碱基可组成64个密码子,其中61个代表不同的氨基酸,其余三个代表终止信号.第7页/共66页2023/4/262:36破译密码的必备条件：要有确定的已知序列的mRNA要有同位素标记的氨基酸第8页/共66页2023/4/262:36证明三联体密码的三个著名实验的示意图第9页/共66页2023/4/262:36A、1961年,MarshallNirenberg合成了poly(U),将它放入20根试管中,每根试管中加入了大肠杆菌细胞质抽提物和一种有同位素标记的氨基酸.反应一段时间后用TCA(三氯乙酸)将蛋白质沉淀下来,测定同位素的量,结果发现在加了同位素标记Phe的试管的沉淀物中同位素含量特别高第10页/共66页2023/4/262:36B、1964年也是由M.Nirenberg等人完成的.首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体,然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育.由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接的是那一种氨基酸.该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据第11页/共66页2023/4/262:36C、由Khorana等人完成.利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列,以此多聚核苷酸作模板,在体外进行蛋白质合成,发现可生成三种重复的多肽链.若从A翻译,则合成出多聚Ile,即AUC对应Ile；若从U翻译,则合成出多聚Ser,即UCA对应Ser；若从C翻译,则合成出多聚His,即CAU对应His.这是因为体外合成是无调控的合成,可以随机地从A、或U、或C翻译，所以有三种重复的多肽链生成.第12页/共66页2023/4/262:36通过Nirenberg和Khorana两位科学家的辛勤工作,于1966年全部密码都被破译.共有64个密码,其中61个密码是编码氨基酸的，其余3种是终止密码，两位科学家获得了诺贝尔奖。第13页/共66页2023/4/262:36遗传密码表第一位5端第三位3端第二位第14页/共66页2023/4/262:361.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,密码间无间断、无交叉遗传密码的特点第15页/共66页2023/4/262:362.通用性(universal)：在所有生物中都一样，但在线粒体、支原体等中有少量变化第16页/共66页2023/4/262:363.简并性(degeneracy)除Met,Trp外,其余氨基酸均由2个以上密码子编码.同义密码子.所对应的密码子的多少与该氨基酸在生物中的利用度成比例.但每一个密码子仅对应一个氨基酸不同物种对密码子有“偏爱性”第17页/共66页2023/4/262:36并不是一个tRNA对应一个密码子,一般只有三十几种tRNA来对应61个密码子,因此需有个机制让tRNA“偷懒”.这就是Crick的摆动性假说.4.摆动性(wobble)第18页/共66页2023/4/262:36第19页/共66页2023/4/262:36开放读码框架(openreadingframe,ORF)mRNA链上,从5’至3’,以AUG为起点,每三个碱基作为一个密码子连续阅读,直至出现终止密码子,AUG至终止密码子之间称为ORF第20页/共66页2023/4/262:36核糖体——蛋白质合成“工厂”

核糖体的基本功能:结合mRNA,在mRNA上选择适当的区域开始翻译密码子(mRNA)和反密码子(tRNA)的正确配对肽键的形成存在:

核糖体可游离存在,

真核中,也可同内质网结合,形成粗糙内质网原核中,与mRNA形成串状——多核糖体第二节蛋白质的合成过程第21页/共66页2023/4/262:36mRNA大肠杆菌核糖体的结构原核与真核生物的核糖体比较第22页/共66页2023/4/262:36原核生物翻译过程中核糖体结构模式:A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)第23页/共66页2023/4/262:36第一步氨基酸的活化ActivationofAminoAcids第二步起始Initiation第三步延伸Elongation第四步终止与释放Termination&Release第五部折叠和修饰

FoldingandPosttranslationalProcessing第24页/共66页2023/4/262:36第25页/共66页2023/4/262:36tRNA的结构特征与氨酰-tRNA合成酶结合与核糖体结合第26页/共66页2023/4/262:36氨酰-tRNA的合成(Aminoacyl-tRNA)第27页/共66页2023/4/262:36氨酰-tRNA的结构细胞中一般只有二十种氨酰-tRNA合成酶,不同tRNA与同一氨基酸的结合均由同一个酶催化.合成酶有很强的校对功能.第28页/共66页2023/4/262:36氨基酰tRNA合成酶的活性是绝对专一性的,酶同时对氨基酸和tRNA高度特异地识别.氨基酰tRNA合成酶有20种,分别特异性识别相应的20种氨基酸和相应的tRNA氨基酸,氨基酰tRNA合成酶,tRNA及mRNA上的密码子是一对一的关系,从而保证了遗传信息从mRNA准确地传递到蛋白质上第29页/共66页2023/4/262:36各种氨基酰tRNA的表示方法丙氨基酰tRNA：ala-tRNAala精氨基酰tRNA：arg-tRNAarg甲硫氨基酰tRNA：met-tRNAmet起始密码子AUG编码的met由tRNAimet(真核)或ftRNAifmet(原核)转运.tRNAimet和tRNAfmet称为起始者(initiator)tRNA第30页/共66页2023/4/262:36第31页/共66页2023/4/262:36HowardDintzis1961年证明蛋白质的合成方向:从N端到C端第32页/共66页2023/4/262:36细菌,线粒体和叶绿体中第一个氨基酸是甲酰化Met(fMet),连接在专用的tRNA上.因此Met有两个不同的tRNA对应同一个AUG密码子.真核生物细胞是Met2023/4/262:36fMet-tRNA的形成第34页/共66页2023/4/262:36原核与真核的翻译起始复合物有较大的差别第35页/共66页2023/4/262:36原核翻译起始复合物依赖于16SrRNA与mRNA的相互作用第36页/共66页2023/4/262:36原核、真核生物各种起始因子的生物功能促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合mRNA5＇帽子eIF-4E结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUGeIF--4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结合小亚基IF-4A最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2真核生物促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性EIF-3促进起始tRNA与小亚基结合EIF-2占据A位防止结合其他tRNAIF-1原核生物生物功能起始因子促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合mRNA5＇帽子eIF-4E结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUGeIF--4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结合小亚基IF-4A最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始tRNA与小亚基结合eIF-2真核生物促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性EIF-3促进起始tRNA与小亚基结合EIF-2占据A位防止结合其他tRNAIF-1原核生物生物功能起始因子第37页/共66页2023/4/262:36第38页/共66页2023/4/262:36原核生物多肽合成延伸过程示意图注意使用GTP而非ATP,是因为GTP会导致蛋白质构象的变化,容易从核糖体上脱落注册成肽转位第39页/共66页2023/4/262:36核糖核蛋白体循环——注册第40页/共66页2023/4/262:36核糖核蛋白体循环——成肽第41页/共66页2023/4/262:36肽键形成机制第42页/共66页2023/4/262:36核糖核蛋白体循环——转位第43页/共66页2023/4/262:36第44页/共66页2023/4/262:36大肠杆菌中有三种释放因子RF1,RF2和RF3.RF1识别A位的UAG和UAA,RF2识别A位的UGA和UAA,它们均可从tRNA上切离肽链并将tRNA从P位赶走RF3的功能不明,一般认为是它将30S和50S分开真核生物中只有一种RF,称为eRF,承包所有的工作第45页/共66页2023/4/262:36聚核糖体(polysome)可以加快蛋白质合成第46页/共66页2023/4/262:36原核生物中转录与翻译偶连在一起第47页/共66页2023/4/262:36第48页/共66页2023/4/262:36第49页/共66页2023/4/262:36一、多肽链的修饰1、肽链的N端修饰：去除N端fMet残基第三节蛋白质的加工、修饰及转运第50页/共66页2023/4/262:362、信号肽及部分肽段的切除

蛋白质完成跨膜运输，信号肽酶切除信号肽往往还含有一段与活性无关的其他肽段，切除后才能形成有活性的蛋白质第51页/共66页2023/4/262:363、蛋白质肽链的修饰

二硫键的形成：2个Cys-SH间脱氢氧化

辅助因子的连接：与糖、脂类、HA、血红素等结合形成结合蛋白质

亚基聚合：Hb的4个亚基聚合成四级结构

个别氨基酸的化学修饰编码氨基酸：20种；蛋白质AA：＞100种——编码AA化学修饰第52页/共66页2023/4/262:36磷酸化：Ser、Thr、Tyr羟基化：Pro、Lys酰基化：His甲基化：Trp核糖基化：Arg意义：调节蛋白质功能第53页/共66页2023/4/262:36二、多肽链的折叠新生肽链折叠：分子伴侣、折叠酶折叠酶（Foldase）类：催化与折叠有关的化学反应的酶目前已知2个：二硫键异构酶（PDI）：使错误二硫键变成正确连接脯氨酰异构酶（PPI）：改变Pro构型第54页/共66页2023/4/262:36分子伴侣（Molecularchaperone）：帮助新生肽链进行非共价折叠的一类蛋白质.

热休克蛋白、伴侣素等第55页/共66页2023/4/262:36分子伴侣帮助新生肽链的正确折叠第56页/共66页2023/4/262:36泛酰蛋白质的合成蛋白质的降解酸性N-末端蛋白质的修饰在蛋白质降解系统中的作用被蛋白质降解系统识别第57页/共66页2023/4/262:36泛酰蛋白质降解的途径2023/4/262:36蛋白质的合成部位：核糖体合成后的去向：1）保留在胞浆2）进入细胞核、线粒体或其它细胞器3）分泌至体液（胞外）→运输到靶器官和靶细胞靶向运输（Proteintargeting）蛋白质合成后，定向到达其执行功能的目标地点三、蛋白质的转运第59页/共66页2023/4/262:361、分泌性蛋白质：穿过合成所在的细胞到其他组织细胞的蛋白质肽类激素、血浆蛋白、凝血因子、抗体蛋白胰蛋白酶原、凝血酶原

信号肽：蛋白质的N端存在一段由疏水性AA构成的肽段，引导蛋白质穿越膜结构第60页/共66页2023/4/262:3610～40个