蛋白质生物合成

第37章、蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成„生物体不论是繁殖期还是成熟期，都需要不断地合成各种蛋白质来维持生命。蛋白质的生物合成是生命科学最重大而基本的研究课题。„Pro生物合成的本质：基因的表达，包括肽键的形成和AA排列顺序的确定„基因表达—遗传信息的传递：DNA→mRNA→蛋白质→生物性状„DNA并不直接参与Pro的合成，Pro的合成是mRNA为模板，AA的“搬运工”tRNA，“装配机”rRNA（核蛋白体）及其它许多酶及辅助因子的协助下进行的。一．遗传密码mRNA„遗传密码：mRNA中核苷酸的排列顺序与蛋白质中AA的排列顺序的关系称为遗传密码。1．密码子——AA的代码„四种核苷酸如何决定二十种AA的排列顺序？„人工合成的核苷酸序列为模板，进行体外蛋白质合成。如多聚UUC,得三种不同的多肽.UUCUUCUUCUUC多聚PheUCUUCUUCUUCU多聚SerCUUCUUCUUCUU多聚Leu三联体密码：3个核苷酸组成一个密码子（codon），每个codon就是特定AA代码„四种核苷酸每3个一组，可组成43=64密码子AA种类，所以有些AA是二个以上密码子，亮Leu有六个codon61codon编码二十种AA3codon终止密码UAA，UAG，UGAMet起始信号—AUG（Pro中的Met也用此codon）Val-GUG有时也为N-甲酰Met起始密码2．密码的性质—各种生物共用一套密码基本单位是按5’3’方向编码、不重叠、无标点的三联体的三联体密码。①无间隔性：codon之间是连续的，无其他核苷酸隔开起始codon——终止codon②方向性：codon的阅读方向mRNA5’—3’③不重叠性：3个核苷酸——1个AA，核苷酸无重叠编码情况，如5核苷酸编码2个AAX④终止密码非兼职性UAG，UAA，UGA起始密码兼职性AUG起始codon—Metcodon及链内Metcodon(tRNA不同)GUGValcodon有时兼起始codon编码N-甲酰Met（少数）2．密码的性质—各种生物共用一套密码基本单位是按5’3’方向编码、不重叠、无标点的三联体的三联体密码。⑤密码的通用性从低等生物→人，所有生物共用一套密码但是不同的生物中，不同codon使用频率不同真核生物线粒体内的codon与通用密码有些差异⑥密码的简并性：64个密码子，其中61个密码子编码20种氨基酸一种AA由几个codon编码的性质如Alacodon：GCU，GCC，GCA，GCG此时codon的专一性取决于前二个碱基，此性质可减少Pro生物合成时的突变机会，提高稳定性。2．密码的性质—各种生物共用一套密码基本单位是按5’3’方向编码、不重叠、无标点的三联体的三联体密码。⑦密码的变偶性如Glycodon：GGU，GGC，GGA，GGGAlacodon：GCU，GCC，GCA，GCG它们的前两位碱基都相同，有些氨基酸只有两个密码子，通常第三位碱基都是嘧啶或嘌呤，可用通式XY或XY来表示，进而发现tRNA上的反密码子与密码子配对时，密码子的第一、第二位碱基是严格配对的，第三位碱基可以有一定的变动。Crick称此现象为变偶性（wobble)。UCAG32种tRNA61氨基酸密子2．密码的性质—各种生物共用一套密码⑧密码的防错系统密码子的简并程度不同，但同义密码子在密码表中的分布十分有规律。氨基酸的极性由第二碱基决定，简并性由第三碱基决定。中间碱基U,它编码的氨基酸是非极性、疏水和支链的常在球蛋白的内部中间碱基C,它编码的氨基酸是非极性或具有不带电荷的极性侧链中间碱基A或G,其相应的氨基酸常在球蛋白的外周，具有亲水性。第一位是A或C，第二位是A或G，第三位任意，相应的氨基酸具有亲水性侧链并具有碱性前两位是AG,第三位任意，相应的为亲水的酸性氨基酸⑧密码的防错系统„密码子的分布规律可降低突变造成的危害，比如：密码子中一个碱基被置换，可能编码相同的氨基酸或理化性质相似的氨基酸。mRNA与读码框(readingframe)„mRNA携带的翻译成多肽链的遗传信息，由起始密码到终止密码的一个区域，在此区域中密码子排列是连续的。„读码框外的称非编码区真核mRNA原核mRNAAUGUUAAUGUUAAUGUUAAAAAAAAA5'-cap5'3'3'核糖体结合位点ORFORFORFSD二、tRNA的功能—“AA的搬运工”识别AA，3’端核苷酸的核糖2‘或3’-OH上，tRNA转运AA氨基酰tRNA识别遗传密码—反密码子（反密码环）„tRNA种类很多，分子大小也不同，不同tRNA具有不同的反密码子„起始Met与链内Met的tRNA不同三．核蛋白体rRNA（核糖体）„合成Pro的场所1．核糖体，核蛋白体的组成„核蛋白体—rRNA(60%)+蛋白质(40%)是巨大的多酶复合体，还有一些蛋白因子等„在细胞中以游离形式存在，在真核细胞中也可与内质网结合，形成粗面内质网。核蛋白体的组成真核生物原核生物小亚基大亚基小亚基大亚基RNA（沉降系数）18S28S,5S,5.8S16S23S,5SPro种类30∽502136颗粒大小（沉降系数）40S60S30S50S核糖体大小80S70S2、核蛋白体的功能—Pro合成的场所„Pro合成时，mRNA与核蛋白体的结合是小亚基靠大亚基的接触面上，核蛋白体向mRNA的3‘端移动一定距离后，第二个核蛋白体又可结合到mRNA，一条mRNA可接5、6个或50、60个核蛋白体（一般隔80核苷酸）。„意义1）高速翻译2）避免合成过量同种mRNA而造成错误突变。四、蛋白体生物合成过程„Pro的生物合成是从氨基端到羧基端逐个加上AA的过程,既快又复杂,需要多种成分(200)的参与.—核蛋白体循环蛋白质生物合成AA的活化与搬运—氨基酰tRNA的合成肽链合成的起始—起始复合物的形成四个阶段（70S-mRNA-fMet-tRNA）肽链的延伸—包括进位,转肽,移位肽键的终止—终止codon1.AA的活化与搬运„AA的NH2与-COOH的反应性并不强,需活化①活化反应需:氨基酰tRNA合成酶(Mg2+),ATP,tRNAAA先与酶形成中间复合物再接到tRNA的AA臂(3‘末端CCA-OH)上活化反应NH2CHCOOHR+ATP+EMg2+NH2CHCOOAMP.E+PPiRtRNANH2CHCRO-tRNA+AMP+EO原核细胞第一个AA—N-甲酰MetMetMet.tRNAfMetFH4.N10CHOfMet.tRNAfMetN端封闭，利于Pr合成从NC端氨基酰tRNA②.氨酰tRNA合成酶的性质„a.具有高度的专一性识别AA识别特异的tRNA„b.该酶还有校正功能避免携带错误的AAPhe-tRNAphe不水解Ile-tRNAphe水解1.蛋白质的合成过程核蛋白体循环—肽链合成的起始,延长,停止(原核)①蛋白质合成的起始需起始因子IF1,IF2,IF3,GTPIF3促进30sRNA与mRNA的结合IF1,IF2再结合fMet·tRNAfMet再结合50sRNA„起始复合物的形成70S.mRNA.fMet.tRNAfMet翻译开始于mRNA与核糖体的结合SD序列蛋白质合成的起始30S.mRNA.fMet.tRNAfMet70S.mRNA.fMet.tRNAfMetfMet.tRNAfMet30S.mRNA.IF3IF330S.IF370S50S30SIF3mRNAIF1,IF2(AUG)(AUG)50SGTPGTPGTP②肽链的延伸—包括进位,转肽和移位三个步骤需延长因子,EF-Tu,EF-Ts,GTP的参与„a.对应mRNA上第二codon的AA-tRNA进A位„b.在肽基转移酶的催化下,P位的fMet转移到A位的AA-tRNA上,与2位的AA残基的-NH2宿合,形成二肽酰tRNA—fMet·AA2·tRNA，P位空tRNA掉下。„c.A位的二肽酰tRNA移到P位,空出A位如此,第三,第四,n个AA的AA·tRNA继续参与肽链的合成。③肽链合成的终止(UAAUGAUAG)„终止密码出现在A位,终止因子(RF1,RF2,RF3)识别终止codon,RF因子促进P位上肽链水解释放及tRNA的释放,离开rRNA,IF3促进亚基解聚,30S,50S又用于新肽链的合成„实际活细胞中Pro合成时,每条mRNA上同时结合多个核糖体,这样可充分利用mRNA,提高Pro的合成效率.肽链的终止3、真核细胞蛋白质合成„真核细胞蛋白质合成与原核细胞有一定的差别①合成场所核蛋白体大(80S-60S,40S)②起始AA为Met③起始codon只有AUG五.蛋白质运输与翻译后修饰—功能蛋白的生成蛋白质运输与信号肽(signalorleadersequance)①信号肽序列；需要运输的新合成蛋白N端含有的一段特殊的氨基酸序列。转运的过程中该序列被信号肽酶切除。②信号肽的结构特征；含10－40个氨基酸残基，氨基端至少含有一个带正电的氨基酸，中部有长度为10-15高度疏水的氨基酸（丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸）③信号肽的功能；携带蛋白质通过脂膜，达到一定的位置。信号肽的结构特征信号肽的结构特征信号肽的跨膜作用SRP;Signalrecognitionparticle信号肽的跨膜作用信号肽的跨膜作用与蛋白质的糖基化长醇五.蛋白质翻译后修饰与加工—功能蛋白的生成„合成后的Pro需经过加工,修饰,正确的折叠才能成为功能蛋白重要的修饰方式:①N-末端Met的切除原核生物大多Pr不含Met1个或多个AA残基切除真核生物的Pr不含1位Met原核生物的N-End不含甲酰基—脱甲酰基酶②二硫键的形成二硫键异构酶正确-S-S-的形成„重要的修饰方式③肽链的部分切除某些肽链合成后需经酶水解切除一些肽链后才能折叠出正确的构象④正确的折叠分子伴侣molecularcharperones„分子伴侣(chaperone)是一种帮助其它蛋白质正确折叠成功能蛋白的巨大蛋白质(有多个亚基),广泛存在于生物界.„分子伴侣在蛋白质（一级结构）合成结束前阻止新生多肽的错误折叠⑤AA残基的修饰如羧基化,羟基化,磷酸化,甲基化,乙酰化,糖化等⑥与辅助因子的结合六.抗生素对核酸合成及蛋白质合成的影响„许多抗生素能抑制遗传信息的表达,最终抑制蛋白质的合成1.作用于DNA合成的抗生素—复制（或转录）的抑制剂„丝裂霉素C:与DNA结合,对细菌和恶性细胞有一定的选择性,用于抗菌,抗癌„博莱霉素A2:作用于DNA的G-C碱基对,切断DNA,有抗菌抗癌作用„抗癌霉素:与DNApol的-SH作用,干扰DNA合成„新制霉素:作用于生物膜,破坏DNA药物:嘧啶及嘌呤的衍生物,5-氟尿嘧啶,6-SH嘌呤等,干扰正常DNA合成„烃化剂,氮芥,环磷酰胺等,使碱基烃化→缺陷DNA分子2.作用于RNA合成的抗生素—转录抑制剂„利福平:半合抗抑制RNApol„放线菌素D:插入双链DNA之间,阻止单链DNA的形成3.作用于蛋白质合成的抗生素—翻译抑制剂„氯霉素,红霉素:与细菌50SrRNA(核蛋白体)结合,抑制70S核糖体生成,不抑制真核生物80S核糖体的生成„嘌呤霉素:结合于50SA位,阻止正常进位„土霉素,链霉素,四环素,金霉素等作用于30SrRNA,阻止翻译的进行嘌呤霉素习题„何谓密码的简并性和变偶性？两者有何关系？„阐述蛋白质生物合成的全过程。„什么是信号肽?有何特征和功能?„在蛋白质定向输送时，多肽本身有何作用？„分子伴侣有何功能?„P537,第4题第39章细胞代谢与基因表达调控相互关系糖、脂类、蛋白质、核酸代谢„糖代谢与蛋白质代谢的相互关系„脂类代谢与蛋白质代谢的相互关系„糖代谢与脂类代谢的相互关系„核酸代谢与糖、脂及蛋白质代谢的相互关系糖与蛋白质代谢脂类与糖代谢AA，糖，脂肪代谢的关系磷酸甘油脂肪酸脂肪磷酸丙糖„脂类与蛋白质代谢的相互关系（有氨基酸与糖、脂代谢糖、脂、核酸与蛋白质代谢ATP是通用的能量载体ATP是通用的能量载体代谢调控„复杂的物质代谢总是彼此配合，保持高度的协调统一，是因为机体内存在一个完善的自我调控系统。„单细胞生物：细胞或酶水平的调控„复杂