12 第十一章 蛋白质的生物合成.ppt

第1页：第十一章 蛋白质的生物合成

第十一章蛋白质的生物合成

第2页：DNADNARNA蛋白质复制转录翻译

DNADNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录基因遗传基因表达生物中心法则忠实复制忠实转录忠实翻译

第3页：第一节 遗传密码

遗传密码

• 一、遗传密码和密码单位
• 1.遗传密码( genetic code )指mRNA中的核苷酸序列与多肽中氨基酸序列之间的对应关系, 通常是指核苷酸三联体决定氨基酸的对应关系, 故也称三联体密码或密码子.2. 密码单位1954年物理学家Gamov G 首先对遗传密码进行探讨: 41=4; 42=16; 43=64, 足以编码20种氨基酸, 密码子(codon)应是三联体(triplet).

第4页：密码子或称三联体密码

密码子或称三联体密码,即mRNA上决定一个特定氨基酸的三个核苷酸。

• 3.密码子的确定
• 用各种人工合成模板在体外翻译蛋白质的方法确定
• 用核糖体结合技术测定密码子中的核苷酸排列顺序1961 ~ 1965年4 年时间,完全确定了编码20种天然氨基酸的密码子,编出了遗传密码字典。

第5页：12

12

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第6页：密码的第一个碱基5´密码的第三个碱基

密码的第一个碱基5´密码的第三个碱基3´U CAGUCAGUCAGUCAG密码的第二个碱基112121212

第7页：二、遗传密码的基本特征

遗传密码的基本特征 遗传密码的连续性(commaless) 密码子之间没有任何起“标点”作用的空格,阅读mRNA 时是连续的,一次阅读3个核苷酸(碱基)

第8页：遗传密码的不重叠性在绝

数生物中,阅读mRNA时

以密码子为单位,不重叠地阅读

第9页：

第10页：遗传密码具有简并性

遗传密码具有简并性(degeneracy)(

• 1)除Met(AUG)和Trp(UGG)外,每个氨基酸都有两个或更多的密码子,这种现象称为密码子的简并性(degenecy)。(
• 2)同义密码:同一个氨基酸的不同密码子称同义密码子(synonyms)。(
• 3)简并性的生物学意义:减少有害突变, 对生物物种的稳定有一定意义(
• 4)密码的简并性往往表现在密码子的第三位碱基上。

第11页：

第12页：密码的变偶性

第二位碱基配对

严格的,第三位碱基可以有一定变动,Crick称这种现象为密码的摆动性或变偶性(wobble)

第13页：切记:在书写或阅读密码子

切记:在书写或阅读密码子、反密码子的碱基顺序时,一定都按5´→ 3´方向阅读!

第14页：tRNA 反密码子中除A、U、G

tRNA 反密码子中除A、U、G、C 四种碱基外, 还经常在第一位出现次黄嘌呤( I )。

I 可以与A、U 、C 三者之间形成碱基对, 使带有次黄嘌呤的反密码子可以识别更多的简并密码子。

由于变偶性的存在, 细胞内只需要32种tRNA, 就能识别61个编码氨基酸的密码子。原核和真核细胞都只合成约30种带有反密码子的tRNA。

第15页：遗传密码的通用性和变异性

遗传密码的通用性和变异性(

• 1)通用性:指各种低等和高等生物,包括病毒、细菌及真核生物,基本上共用一套遗传密码. (
• 2)密码的变异性:目前已知线粒体DNA(mtDNA)的编码方式与通用遗传密码子有所不同.

第16页：密码子有起始密码子和终止密码子

密码子有起始密码子和终止密码子(

• 1)起始密码子:AUG(Met)多数原核,真核生物GUG少数情况(
• 2)终止密码子:UAA、UAG、UGA不编码任何氨基酸,又称为无义密码子(nonsensecodons)或终止密码子(chain-terminatingcodons),它们单个或串联在一起用于多肽链翻译的结束,没有相应的tRNA存在。

第17页：许多原核生物在mRNA的起始密码子上

该序列最初

由Shine-Dalgarno发现的,故称之为SD序列(Shine-Dalgarnosequence)

第18页：

第19页：第二节 核糖体

核糖体

蛋白质合成的工厂用放射性同位素标记氨基酸,注射到小鼠体内,经短时间后取出肝脏,制成匀浆,离心,分离各细胞器,发现核糖体放射性最强,说明核糖体是蛋白质合成部位

第20页：二、核糖体的结构原核生物真核生物

二、核糖体的结构原核生物真核生物

第21页：

第22页：三、核糖体的活性位点

三、核糖体的活性位点

第23页：

第24页：

第25页：四、核糖体的功能参与多肽链的启动、延长

“核糖体

1种核酶,它催化肽键的形成,将蛋白质生物合成牢牢地控制在RNA的手中

第26页：第三节 转移RNA的功能在蛋白质合成中

• 转移RNA的功能在蛋白质合成中,tRNA起着运载氨基酸的作用,按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。tRNA有两个关键部位:⑴3'端CCA: 接受氨基酸, 形成氨酰-tRNA.需ATP提供活化氨基酸所需的能量。⑵与mRNA结合部位—反密码子部位(tRNA的接头作用)此外, tRNA上尚有(
• 3)识别氨酰tRNA合成酶的位点, (
• 4)核糖体识别位点

第27页：

第28页：3´5´ICCA-OH5´3´CCA

3´5´ICCA-OH5´3´CCA-OHG G CC C G密码子与反密码子的阅读方向均为5´3´两者反向平行配对。

第29页：第四节 蛋白质生物合成的分子机制

蛋白质生物合成的分子机制

• 一、肽链延伸合成的方向和速度
• 1.方向N 端→ C 端
• 2.速度肽链延伸的速度极快,一个核糖体合成一条完整的血红蛋白α-链(146个AA)需3分钟, 平均0.8AA/秒;大肠杆菌20个AA/秒。

第30页：二、mRNA 上翻译的方向

mRNA 上翻译的方向

• 1.用人工合成的多核苷酸作模板证明:
• 2.翻译方向:5´→3´

第31页：三、原核生物蛋白质生物合成的分子机制氨基

氨基酸的激活

各种参加蛋白质合成的AA与携带它的相应的tRNA结合成氨酰-tRNA的过程

第32页：氨基酸的激活

氨基酸的激活

• 1.部位: 细胞质
• 2.酶: 氨酰-tRNA合成酶
• 3.能量: 消耗2ATP
• 4.产物: 氨酰-tRNA 甲酰化产物f Met-tRNA(原核生物起始AA)
• 5.激活过程:
• 1)氨基酸-AMP-酶复合物的形成
• 2)氨基酸从氨基酸-AMP-酶复合物转移到相应的tRNA上

第33页：AA + ATP + E AA-AM

+E氨基酸激活的总反应式

:氨酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨酰-tRNA+AMP+PPi20种氨基酸中,每一种氨基酸都有各自特异的氨酰-tRNA合成酶

第34页：氨酰-tRNA合成酶具有高度的专

• 氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性:它既能识别相应的氨基酸(L-构型),又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA分子;
• 氨酰-tRNA合成酶具有校对功能:即使AA识别出现错误,此酶具有水解功能,可以水解非正确组合的氨基酸和tRNA之间形成的共价联系。
• 这种高度专一性和校对作用,保证了氨基酸与特定的tRNA准确匹配,从而使蛋白质的合成具有一定的保真性(翻译过程的错误频率<10-
• 4)。(氨酰-tRNA合成酶与tRNA的相互作用被称为“第二遗传密码”)

第35页：肽链合成的起始1.70S起始复合物的形成

肽链合成的起始1.70S起始复合物的形成( 起始氨基酸及起始tRNAi起始氨酰-tRNAi: 甲硫氨酰-tRNAi甲酰化:起始氨基酸原核:甲酰甲硫氨酸f Met真核:甲硫氨酸Met①甲酰化后才能与IF2结合生成30S复合物②甲酰化防止起始氨基酸进入延伸中的肽链③使f Met-tRNAi 结合在核糖体P部位④延长因子EF-Tu识别未甲酰化的Met-tRNA

第36页：原核:甲酰甲硫氨酸( fMet )

原核:甲酰甲硫氨酸( fMet )

第37页：翻译起始需要有一个接载fMet 或

翻译起始需要有一个接载fMet (原核生物) 或Met (真核生物)的起始tRNA (tRNAi)。

但因tRNAi的TΨC环没有与核糖体的A位处5S rRNA的一序列互补的保守序列,所以起始用的tRNAi只能进入核糖体的P位。

第38页：细菌中的起始因子

• 细菌中的起始因子:IF1:结合在30S亚基上作为完全起始复合物的一部分,起稳定此复合物的作用。IF2:结合到特异的起始tRNA(fMet-tRNAi),并将起始tRNA置于小亚基上。IF3:30S小亚基特异地与mRNA起始部位结合需要IF3。IF3还作为70S核糖体的解离因素,产生30S亚基。(
• 2)70S起始复合物的形成

第39页：

第40页：肽链的延长肽链的延长分为4个步骤

肽链的延长肽链的延长分为4个步骤:进位转肽脱落移位——核糖体循环

• 1.进位:
• 1)一个新的氨酰-tRNA进入A位
• 2)延长因子参加
• 3)消耗1个GTP

第41页：原核生物蛋白质合成的延伸因子

原核生物蛋白质合成的延伸因子：下表列出三种延伸因子的基因、分子量、分子数与功能。

说明：EFG 的基因名称在源文本中缺失，以“—”表示。

第42页：

第43页：转肽

转肽:

• 1)肽酰基从P位转到A位, 肽键的形成。
• 2)负责肽键合成的酶称为肽酰转移酶(peptityl transferase),简称转肽酶。
• 3)肽的转移是核糖体大亚基(50S或60S)的功能。
• 4)抗菌素嘌呤霉素抑制蛋白质合成,使新生的肽链在合成未完成之前就释放出来。

第44页：

第45页：

第46页：脱落转肽后,P部位上空载的tRNA经

脱落转肽后,P部位上空载的tRNA经出口位点(E) 脱落

• 4.移位:
• 1)核糖体向mRNA 3´端移动一个密码子,移位导致肽酰-tRNA从A位点移出,进入P位点;空着的A位点为下一个密码子对应的氨酰-tRNA的进入作好准备。
• 2)需要1个GTP

第47页：3) 三位点模型

三位点模型: 1989年德国的Nierhaus 等提出模型认为,细菌tRNA及mRNA相对于核糖体发生移位后,空载tRNA并未立即从核糖体上解离下来,而是移到了E位点(出口位点),当新的氨酰-tRNA结合到A位点时,E位点的空载tRNA才解离下来,此过程涉及到核糖体构象的变化, 该变化有利于核糖体对正确氨酰-tRNA的识别作用,从而提供了蛋白质合成的精确性。

第48页：

第49页：(四) 肽链合成的终止与释放

肽链合成的终止与释放

• 1.终止信号
• 1)终止密码子: UAA、UGA 、UAG 正常细胞不含能和终止密码子互补的反密码子的tRNA,这些终止密码子能被终止因子所识别。
• 2)释放因子(release factor,RFs):RF1: 识别UAA 、UAG RF2: 识别UAA 、UGARF3: 不识别终止密码子, 但刺激另外两个因子的活性,协助肽链释放

第50页：终止机制

终止机制:

• 1)释放因子与终止密码子结合使转肽酶活性变成水解酶活性,水解了P位点上多肽与tRNA之间的键,释放出多肽和tRNA。
• 2)在基因中,终止密码子总是紧接在编码最后一个氨基酸的密码子后面。任何一个三联密码发生无义突变时都足以终止其基因的蛋白质合成。
• 3)在原核生物的基因中,UAA是最常见的终止密码,其它依次为UGA和UAG,但阅读UGA存在更多的错误。(错误阅读终止密码就是一个氨酰-tRNA对它产生错误反应,使蛋白质合成继续进行,直到另一个终止密码出现)。

第51页：

第52页：

第53页：

第54页：多核糖体是一个mRNA分子与一定数目

多核糖体

一个mRNA分子与一定数目的单个核糖体结合而成的,形成念珠状

第55页：

第56页：原核生物转录与翻译相偶联

原核生物转录与翻译相偶联

第57页：前体蛋白是没有活性的

• 前体蛋白是没有活性的,常常要进行一系列翻译后加工,才能成为有功能的成熟蛋白。蛋白质合成后的加工主要有以下几种方式。
• 1.氨基端和羧基端的修饰:在原核生物中几乎所有蛋白质都是从N-甲酰蛋氨酸开始,真核生物从蛋氨酸开始。甲酰基经酶水解而除去,蛋氨酸或者氨基端的一些氨基酸残基常由氨肽酶催化而水解除去。因此,成熟的蛋白质分子的N-端没有甲酰基,或没有蛋氨酸。同时, 某些蛋白质分子氨基端要进行乙酰化,在羧基端也要进行修饰(五) 肽链的折叠和加工处理

第58页：除去信号肽

• 除去信号肽:某些蛋白质氨基端有一段15~30个氨基酸残基的顺序,这段顺序称作信号肽,与蛋白质传送到特定的细胞器、膜,或分泌出细胞外有关。信号肽在运送过程中通常由专一的酶催化而水解除去。
• 3.羟基氨基酸的磷酸化:某些蛋白质分子中的丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸残基的羟基,在酶催化下被ATP磷酸化。磷酸化在酶的活性调节中有重要意义。
• 4.羧化反应:某些蛋白质,如凝血酶等凝血因子,含有多个γ-羧基Glu,这一羧基是在需VitK的酶催化下进行的。

第59页：羟基化反应

羟基化反应:胶原蛋白中的脯氨酸与赖氨酸的羟基化,由相应的羟基化酶催化完成。

• 6.甲基化反应:某些蛋白质中的赖氨酸残基需要甲基化,某些谷氨酸残基的羧基也要甲基化,以除去负电荷。
• 7.加糖链:糖蛋白的糖链是蛋白质合成之后,在通过高尔基体时,经过糖化而形成的。糖链或加在天冬氨酸残基上,或加在丝氨酸、苏氨酸残基上。

第60页：加辅基:蛋白质与辅基的结合也是在翻译

• 加辅基:蛋白质与辅基的结合也是在翻译之后进行的,如乙酰CoA羧化酶的辅基-生物素和细胞色素C的血红素。
• 9.二硫键的形成:真核细胞合成的某些蛋白质,往往能自发地折叠形成其天然构像,分子内的半胱氨酸的巯基之间形成共价键-二硫键。二硫键在稳定蛋白质空间构型中起着重要作用。例如胰岛素分子的成熟是借核糖体上释放的前胰岛素原经自发折叠、形成二硫键,然后再切除C肽而形成的。

第61页：蛋白质前体的裂解

• 蛋白质前体的裂解:一种蛋白质前体能产生多种多肽激素,如垂体产生的几种小肽激素是来源于同一个大的蛋白质前体。
• 11.新生肽链折叠成有活性的构象:需要分子伴侣(molecular chaperones)辅助。
• 12.蛋白质自我剪接:1990年,Hirata等首次报道一种新的蛋白质加工方式-蛋白质自我剪接。他们发现,酿酒酵母细胞基因TFP1表达生成两种蛋白,较大的(69×103)是液泡H+-ATPase的催化亚基,它来自TFP1基因5´编码区和3´编码区,较小的(50×103)是由该基因中央区编码的。他们证明,这两种蛋白是同一条多

第62页：肽链经过自我剪接产生的

我剪接产生的,较小的蛋白

被切割下来的部分,较大的蛋白在切除较小蛋白后再连接而成

第63页：切除连接蛋白质的自我剪接

切除连接蛋白质的自我剪接

第64页：四、蛋白质合成所需的能量蛋白质的合成是一

• 蛋白质合成所需的能量蛋白质的合成是一个高耗能过程AA活化2个高能磷酸键(ATP)肽链起始1个(70S复合物形成,GTP)进位1个(GTP)移位1个(GTP)第一个氨基酸掺入需消耗3个(活化2 + 起始
• 1), 以后每掺入一个AA需要消耗4个(活化2个+ 进位1个+ 移位1个)高能键。

第65页：从氨基酸开始合成一个含200个残基的

从氨基酸开始合成一个含200个残基的蛋白质需要消耗多少高能磷酸键?

• 活化一个氨基酸-2 200×2=400
• 起始一次:-1
• 形成一个肽键:-2 199×2=398
• 共消耗高能键400+398+1=799五、活性肽合成的特征P.285——286

第66页：第五节 真核生物与原核生物蛋白质合成的差

真核生物与原核生物蛋白质合成的差异

• 1.核糖体更大:真核生物——80S , 原核生物——70S。
• 2.起始氨酰tRNA:真核——Met-tRNAmet mRNA识别是从5´端开始, 无SD序列, 起始因子识别与mRNA 5´端帽子有关。以扫描机制识别出一个AUG 从此开始形成阅读框架。
• 3.起始密码子: 通常只有一个AUG起始密码子。
• 4.80S起始复合物:9种起始因子——eIF-1, 2, 3, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 5

第67页：

第68页：蛋白激酶参与真核细胞蛋白质合成的调节

蛋白激酶参与真核细胞蛋白质合成的调节。蛋白激酶可以催化eIF-2 磷酸化

• 6.释放因子: 真核——1种, 识别3种终止密码; 原核——3种。——与原核生物不同的是, 真核生物蛋白质生物合成的终止和释放,只需要一种RF,并且它的作用要GTP供能。
• 7.翻译与转录: 真核——不偶联; 原核——偶联。
• 8.合成速度: 真核: 慢,3个肽键/核糖体/秒原核: 快,10-15个肽键/核糖体/秒
• 9.顺反子: 真核——单顺反子; 原核——多顺反子。

第69页：第六节 蛋白质合成的抑制剂

蛋白质合成的抑制剂

• 抗菌素:嘌呤霉素、氯霉素、四环素、链霉素抑制原核细胞翻译,不作用于真核细胞;链霉素、新霉素、卡那霉素与原核30S核糖体结合, 引起密码错读
• 亚胺环己酮:只作用于真核细胞80S核糖体
• 白喉霉素: 与EF-2结合(真核延长因子催化部位),抑制真核细胞蛋白质合成

第70页：

第71页：本章主要内容

本章主要内容:

• 一、遗传密码
• 二、核糖体
• 三、转移RNA的功能
• 四、蛋白质生物合成的分子机制
• 五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异
• 六、蛋白质合成的抑制剂重点:蛋白质合成过程及分子机制;蛋白质合成的忠实性;氨酰-tRNA合成酶的作用及决定蛋白质合成忠实性的分子机制。

第72页：END

END

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）