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蛋白质的生物合成

蛋白质的生物合成. 翻 译. 蛋白质的生物合成. 一、 RNA 在蛋白质的生物合成中的作用 二、蛋白质生物合成的过程 三、肽链的加工与修饰. 一、 RNA 在蛋白质生物合成的作用. 1. mRNA 在蛋白质的合成中的作用 2. tRNA 在蛋白质的合成中的作用 3. rRNA 在蛋白质的合成中的作用. 1. mRNA 在蛋白质的合成中的作用. mRNA 上的密码顺序决定多肽链的氨基酸顺序. （1）真核细胞 mRNA 的结构 ：. 帽子（7-甲基鸟嘌呤） 5`侧不翻译区 开放阅读框（ open reading frame) 3` 侧不翻译区

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蛋白质的生物合成

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Presentation Transcript

  1. 蛋白质的生物合成 翻 译

  2. 蛋白质的生物合成 一、RNA在蛋白质的生物合成中的作用 二、蛋白质生物合成的过程 三、肽链的加工与修饰

  3. 一、RNA在蛋白质生物合成的作用 1.mRNA在蛋白质的合成中的作用 2.tRNA在蛋白质的合成中的作用 3.rRNA在蛋白质的合成中的作用

  4. 1.mRNA在蛋白质的合成中的作用 mRNA上的密码顺序决定多肽链的氨基酸顺序

  5. （1）真核细胞mRNA的结构： • 帽子（7-甲基鸟嘌呤） • 5`侧不翻译区 • 开放阅读框（open reading frame) • 3`侧不翻译区 • 多聚A的尾巴。

  6. mRNA在蛋白质生物合成中的作用 • 在真核生物中，mRNA前体hnRNA在细胞核内合成、加工，成熟。然后通过核孔运输到胞液内，与核糖体一起参与蛋白质的合成。 • mRNA中的开放阅读框的硷基，每3个构成一个密码，每个密码将指导核糖体将某个氨基酸渗入一条多肽链。整个开放阅读框将确定新合成的肽链的氨基酸顺序。 • mRNA的阅读方向是从5`-3`，与它合成的方向一致，蛋白质合成是从氨基末端到羧基末端。

  7. 密码的性质 • mRNA开放阅读框中的每个硷基都是密码构成部分。 A、密码的连续性 • 密码没有硷基的重叠 • 密码之间没有间隔 • 密码之间没有标点符号

  8. 密码的破译 • Nirenberg & Matthaei 在无细胞蛋白质合成系统中翻译人工合成的poly(U)s，他们得到了多聚苯丙氨酸。 • 这个结果告诉他们苯丙氨酸的密码只含尿嘧啶硷基。 • 这发现的重要性在于：一个人可以合成确定顺序的mRNA，分析它的蛋白质产物，获得遗传密码的性质。

  9. 实验证明密码是由奇数个硷基组成 • 如果密码是偶数硷基组成，那么poly(UC)就只有一个密码反复重复例如UCUC，如果翻译从第二个硷基开始，则密码为CUCU。这种情况下，合成的蛋白质是同一种氨基酸组成的多肽链。 • Khorana发现poly(UC)s翻译的结果是重复的二肽poly(丝-亮)，证明密码由奇数硷基组成

  10. 密码是由3的倍数个硷基组成 • 如果密码的硷基数目是三个或三的倍数， mRNA poly(UUC)将被翻译成均一的多肽链。例如poly(UUC) 被翻译成了多聚苯丙氨酸或多聚丝氨酸或多聚亮氨酸。 • 重复的四核苷酸将被翻译成重复的四肽，例如poly(UAUC)合成了多聚酪-亮-丝-异亮。 • 这样密码可能含有三的倍数个硷基。由于6是偶数，而不在奇数之列。

  11. 2、密码的数目 • 而且三个硷基代表一个氨基酸是给予足够的密码代表20种氨基酸的最小的数目。 • 所以，每三个硷基组成一个遗传密码，共有64种密码，其中三种为终止密码，即UAA、UGA、UAG

  12. 3、密码的简并性 64种密码代表20种氨基酸，除了甲硫氨酸、 色氨酸只有一个密码而外，其余氨基酸都有 2、3、4、5或6 个遗传密码。 同一氨基酸的多个密码的第三位硷基常常是不同，但并不影响氨基酸的翻译。因此密码的前两个硷基在决定氨基酸时是起主要作用的。

  13. 3、 密码和反密码的摆动配对 （Wobble pair） • 密码和反密码的配对，有时不遵从 硷基配对规律，这主要在tRNA反密码的第一硷基和mRNA密码的第三硷基之间； • mRNA A、C、U A、U C、G、U • tRNA I U C

  14. 4、密码的通用性 • 从最简单的生物，例如病毒一直到人类都使用同一套密码合成蛋白质。 • 但遗传密码并不是严格地通用的，动物细胞的线粒体、植物细胞的绿叶体、至少一种细菌中使用的密码和上述密码有一定的差别 • 在标准的密码中为终止密码，线粒体、绿叶体中可以编码色氨酸和谷氨酰胺

  15. 2、tRNA在蛋白质生物合成的 作用 tRNA在蛋白质生物合成中转运氨基酸到核糖体

  16. tRNA的发现： • 1957年Zamecnik及其同事用来自大白鼠的无细胞系统合成蛋白质。 系统中的一个组分是所谓的pH5酶，含有和核糖体一起指导加入的mRNA翻译的可溶性因子 pH5酶主要是蛋白质。 Zamecnik发现其中也有小分子的RNA。而且发现氨基酸可与这些小分子RNA共价相联。

  17. 实验： • 混合pH5酶、RNA、ATP和14C-亮氨酸，结果显示加入的亮氨酸愈多，与tRNA连接的也越多。 没有ATP，没有反应发生。 • 现在我们已经知道，这个实验发生的反应就是氨基酸连接于tRNA的反应。

  18. tRNA可以携带氨基酸到核糖体 • 实验： 混合14C-亮氨酸标记的pH5RNA和微粒体， 经过一定时间，在pH5RNA上失去的亮氨酸的放射活性，而 微粒体上蛋白质上得到的放射活性，呈现良好的相关性。 可以推论亮氨酸从亮氨酰-tRNA渗入进了核糖体上新合成的蛋白质

  19. 2、tRNA的结构 • 1965年Robert Holley和其同事确定了来自酵母的、携带丙氨酸的tRNA的硷基顺序。其一级结构提示，其 二级结构是三叶草形 。 • 1969年，已有14个tRNA的结构已被确定，尽管他们在一级结构上存在很大的差异，但但它们都呈现三叶草形。

  20. tRNA的二级结构 • 氨基酸臂 • 反密码环 • 双氢尿嘧啶环 （D-loop） • 假尿嘧啶环 （TC-loop） • 稀有硷基。

  21. 二级结构折叠成三级结构

  22. tRNA的三维结构 • 1970S Alexander Rich利用X-射线衍射技术揭示了tRNA的三维结构。 • tRNA的三维结构成倒L形。

  23. tRNA三级结构的稳定因素： • 除了稳定二级结构的因素而外、三级结构局部之间也有相互作用；包括： • 硷基配对之间的相互作用 • 硷基与磷酸-糖骨架之间的相互作用、 • 磷酸糖-骨架与磷酸糖-骨架之间的相互作用。

  24. 氨基酸tRNA反应生成氨基酰tRNA • 氨基酸以酯键的形式连接于 tRNA的3`羟基上。 • 催化这个反应的酶是氨基酰-tRNA合成酶

  25. 核糖体识别氨基酰-tRNA中的tRNA • 1962年Fritz Lipmann证实了核糖体可以识别氨基酰-tRNA中的tRNA，而不是氨基酸。 • 实验： • 半胱氨酰-tRNA丙氨酰- tRNA。 在体外的蛋白质合成体系中，加入mRNA（随机的U和G的多聚体，其中U/G为5/1，其含有许多编码半胱氨酸的密码UGU，但不含丙氨酸的密码GCN）

  26. 结果： 丙氨酸实际上渗入了新合成的肽链。 • 推论： 核糖体不能区别连接在tRNA上的氨基酸，只识别氨基酰- tRNA上的tRNA部分。 这个实验也指出氨基酰-tRNA合成酶忠实性（fidelity）的重要性

  27. 氨基酰-tRNA合成酶的专一性 • 如果氨基酰-tRNA合成酶犯了错误、将一个错的氨基酸加在tRNA上，那么，这些氨基酸将在错误的位置渗入蛋白质。这可能引起非常严重的后果，该蛋白质甚至没有功能。 • 氨基酰-tRNA合成酶对tRNA和氨基酸都有非常高的专一性。

  28. 氨基酰-tRNA合成酶识别作用 • 由于所有tRNA的二级和三级结构基本是相同的，那么合成酶应该识别tRNA哪些顺序，才能从20多种tRNA选择出一种合适的tRNA。

  29. 氨基酸臂和反密码环的作用 • 生物化学的和遗传学的实验证实：tRNA的氨基酸臂在氨基酰-tRNA合成酶识别tRNA时起重要作用。 • 在某些情况下，改变氨基酸臂的的一个硷基对，可以改变连接氨基酸的特异性。 • 生物化学和遗传学的实验也证实：反密码和氨基酸臂一样也在氨基酰-tRNA合成酶识别tRNA时起重要作用。 有时反密码环可能是专一性的绝对决定因素。

  30. 合成酶与tRNA X-ray射线晶相学分析说明有两类氨基酰-tRNA合成酶。两类的作用机制是不同的。I 类合成酶有一个口袋，能容纳氨基酸臂和相应tRNA的反密码，从D-loop和氨基酸臂的小沟接触tRNA。 • II类合成酶也有一个口袋容纳氨基酸臂和反密码，

  31. rRNA在蛋白质生物合成的作用场所。 rRNA与 蛋白质组成的核糖体是蛋白质生物合成场所。

  32. 核糖体的结构： • 真核生物80S核糖体 60S大亚基：28SrRNA 5.8srRNA + 45种蛋白质 5SrRNA 40S小亚基 18SrRNA + 30种蛋白质

  33. 原核生物核糖体的结构 大肠杆菌： 核糖体70S 大亚基 50S 23SrRNA 5SrRNA + 31种蛋白质 小亚基 30S 16SrRNA + 21种蛋白质

  34. 核糖体的结构

  35. 核糖体的结构图

  36. 核糖体上的一些功能区 mRNA结合部位 肽酰-tRNA结合部位（P位） 氨基酰-tRNA结合部位 （A位） 转肽酶活性：催化氨基酸之间生成肽键

  37. 翻译的过程 • 翻译的启始： 在大肠杆菌的每轮翻译的末尾， 核糖体解离成大、小亚基。启始因子1（IF1）促进这种解离。 启始因子3结合于游离的小亚基，组织了它与大亚基的重新结合。

  38. 30S的启始复合物 • 30S的启始复合物由30S的小亚基、fMet-tRNA、mRNA组成。 • 30S小亚基与mRNA的结合取决于mRNA上的、恰好在启始密码上游的、一段短的硷基顺序AGGAGGU，即Shine-Dalgarno (SD) 顺序与16SrRNA 3`端一段互补硷基顺序配对。 • IF-3调节这一结合，IF-1、IF-2帮助调节这一结合。这时IF-1、IF-2、IF-3都结合在30S的小亚基上

  39. 在原核生物： • 启始密码通常都是AUG、但有时也可以是GUG，偶尔也可以是UUG。 • 启始的氨基酰-tRNA是甲酰-蛋氨酸-tRNA，记为：fMet-tRNA。它是第一个渗入肽链的氨基酸，在肽链合成完毕后的加工过程中，常常被移出。

  40. IF2是促进fMet-tRNA结合到30S小亚基的主要促进因子。其他的两个因子也起着主要的促进作用。IF2是促进fMet-tRNA结合到30S小亚基的主要促进因子。其他的两个因子也起着主要的促进作用。 • 在生理水平的IF-2浓度下，IF-2的结合需要GTP。但此时它并不水解。 • 完整的30S启始复合物含一分子30S小亚基、一分子mRNA、一分子fMet-tRNA和IF-1、IF-2、IF-3各一分子。

  41. GTP的作用 • 50S的大亚基与30S的启始复合物结合后，GTP被水解。 • GTP的水解由IF-2和50S的大亚基一起催化。GTP水解促使IF-2和GDP从启始复合物上释放。 • 这时肽链的延长开始

  42. 真核细胞蛋白质合成的启始 • 真核核糖体、启始的氨基酰-tRNA结合于mRNA的5`帽子，然后向3`方向扫描，直到发现第一个位于适当的启始密码AUG，而定位于此。最适顺序是ACCATGG。 • 大约5~10%的情况是核糖体绕过第一个ATG，继续扫描更有利的ATG。 • 有时，它们在一个上游的AUG启动，翻译一个短的阅读框。然后继续扫描在下游的AUG再次启动。

  43. mRNA5`端的二级结构对翻译的启动有促进或抑制效应；恰在启始密码后的发夹结构可以迫使核糖体停留在AUG处，然后刺激启动。mRNA5`端的二级结构对翻译的启动有促进或抑制效应；恰在启始密码后的发夹结构可以迫使核糖体停留在AUG处，然后刺激启动。 • 在帽子和启始部位之间的、非常稳定的干环结构能封闭核糖体的扫描，因而抑制翻译的启动。 • 某些病毒和细胞的mRNA含有IRES序列，该序列能吸引核糖体直接进入mRNA的内部。

  44. 真核启始因子的功能 • eIF-2促进启始的蛋氨酰-tRNA与核糖体的结合。 • 通过用ATP代替ADP， eIF-2A激活eIF-2。 • eIF-3结合于40S的核糖体小亚基， • eIF-4促进60S大亚基与40S小亚基复合物（40S小亚基、启始的蛋氨酰-tRNA和Mrna）的结合 • eIF-6结合于60S的大亚基，阻止它与40S亚基的解离。

  45. eIF-4F • eIF-4F是一个mRNA的帽子结合蛋白；它含有三个部分：eIF-4E、 eIF-4A、 eIF-4G • eIF-4E具有帽子结合的活性 • eIF-4E结合帽子后的复合物被其它两个亚基eIF-4A、 eIF-4G稳定。

  46. eIF-4A • eIF-4A是DEAD蛋白家族的成员、具有RNA螺旋酶的活性，此活性能解旋真核mRNA5`端先导顺序中的发夹结构， • 另一个启始因子eIF-4B有助于这一活性 • 这一活性需要ATP分解供能。

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