第11章2 蛋白质的生物合成

第11章2蛋白质的生物合成第1节蛋白质合成体系一、mRNA与遗传密码蛋白质合成的直接模板，指导肽链的合成。mRNA分子上的核苷酸顺序决定蛋白质分子的氨基酸顺序。1、信使RNA２、遗传密码3个连续的核苷酸代表1个氨基酸，即每3个核苷酸组成1个密码子，称为三联体密码。4种碱基如何对应20种基本氨基酸？1个碱基对应一种AA42个碱基对应一种AA163个碱基对应一种AA64——三联体密码（１）遗传密码的破译遗传密码表1、方向性５’－３’2、简并性除Try和Met各有一个，其他都有两个以上。3、通用性与例外所有生物共用一套密码。但在真核细胞线粒体中，UAG不是终止密码子，是Trp的密码子；AUA不是Ile的密码子，而是Met的密码子；AGA和AGG不是Arg密码子，而是终止密码子。4、读码的连续性（2）遗传密码的基本特性5、有起始密码子和终止密码子起始密码子：AUG终止密码子：UAA、UAG、UGA6、变偶性tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为摆动性（变偶性）。二、tRNA氨基酸的携带者；每一种氨基酸都有特有tRNA携带，有的氨基酸可以被几种tRNA携带称为同工受体tRNA；携带了氨基酸的tRNA：Ala-tRNAAla原核细胞：起始甲酰甲硫氨酰tRNA—tRNAfMet真核细胞：起始tRNA—tRNAmMet肽链延伸—tRNAMet核蛋白体的组成核蛋白体原核生物真核生物蛋白质S值rRNA蛋白质S值rRNA小亚基21种30S16S33种40S18S大亚基34种50S23S5S49种60S28S5.8S5S核蛋白体70S80S三、核糖体是蛋白质合成的工厂原核生物核蛋白体结构模式多核糖体（polysome)一个mRNA分子可同时有多个核蛋白体在进行同一种蛋白质的合成，这种mRNA和多个核蛋白体的聚合物称为多聚核蛋白体。四、翻译辅助因子P349表13-5第2节蛋白质的生物合成氨基酸的活化肽链合成的起始肽链合成的延伸肽链合成的终止与释放翻译后加工一、氨基酸的活化氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨酰-tRNA合成酶二、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)。参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiationfactor，IF）。S-D序列：在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在4~9个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS)能与16S核糖体RNA识别，以帮助从起始AUG处开始翻译。Shine和Dalgarno（一）、起始密码子识别S-D序列（二）、原核生物翻译起始复合物形成•核蛋白体大小亚基分离；•mRNA在小亚基定位结合；•起始氨基酰-tRNA的结合；•核蛋白体大亚基结合。IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'3.起始氨基酰tRNA与小亚基结合IF-3IF-1IF-2GTPGDPPiAUG5'3'4.核蛋白体大亚基结合•A：aminoacylsite•P：peptidesite•E：exitsite（大部分在大亚基上）IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi起始过程消耗1个GTP。指按照mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。三、蛋白质合成的延伸（elongation）•肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环（ribosomalcycle)。•每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：–进位（entrance）–转肽（peptidebondformation）–移位（translocation）①进位指根据mRNA上一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP延长因子EF-T催化进位（原核生物）②转肽：肽酰转移酶（核糖体参与催化）延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3’侧移动。③移位：EF-G（EF-2）进位移位转肽肽酰转移酶活性变为酯酶活性（八）翻译的终止（terminate）当mRNA上终止密码（UAA、UAG、UGA）出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。原核肽链合成终止过程UAG5'3'RFCOO-原核生物蛋白质合成的能量计算氨基酸活化：2个~PATP起始：1个GTP延长：2个GTP终止：1个GTP结论：每合成一个肽键至少消耗4个~P。蛋白质合成过程小结肽链合成方向NC（同位素证明）以mRNA的5’-3’方向阅读遗传密码该合成过程是一个耗能过程•新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰(posttranslationalmodification)。•翻译后修饰包括多肽链折叠为天然的三维构象及对肽链一级结构的修饰、空间结构的修饰等。翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送•蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位点的过程称为蛋白质的靶向输送(proteintargeting)。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质•新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。•一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。•细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送几种有促进蛋白质折叠功能的大分子:1.分子伴侣(molecularchaperon)2.蛋白质二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolyl-cis-transisomerase,PPI)第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送1.分子伴侣:分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠的保守蛋白质。分子伴侣有以下功能：①封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段；②创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰；③促进蛋白质折叠和去聚集；④遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送(1)热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)(2)伴侣蛋白(chaperonin)分子伴侣主要有：第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送(1)热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。热休克蛋白包括HSP70、HSP40和GrpE三族。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送(2)伴侣蛋白(chaperonin)伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌的GroEL和GroES（真核细胞中同源物为HSP60和HSP10）等家族。其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送2.蛋白质二硫键异构酶多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌型蛋白质、膜蛋白质等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送3.肽-脯氨酰顺反异构酶多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象有明显差别。肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送二、蛋白质一级结构修饰主要是肽键水解和化学修饰（一）肽链末端的修饰（二）个别氨基酸的共价修饰1．糖基化2．羟基化3．甲基化4．磷酸化5．二硫键形成6．亲脂性修饰第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送四、合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送•新生蛋白质的去向：第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要是N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这类序列称为信号序列(signalsequence)。信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋白质自身的一级结构中。（一）靶向输送的蛋白质N-端存在信号序列第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送①N-端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；②中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；③C-端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是被信号肽酶(signalpeptidase)裂解的位点。信号肽有以下共性：第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特异信号序列，称为核定位序列(nuclearlocalizationsequence,NLS)。NLS为含4～8个氨基酸残基的短序列，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的不同部位，而不只在N末端。不同的NLS间未发现共有序列；在蛋白质进核定位后，NLS不被切除。核定位序列第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送•真核细胞分泌型蛋白质的靶向输送过程为：核蛋白体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网腔并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转移至细胞膜，再分泌到细胞外。（二）分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送信号序列引导蛋白质进入内质网第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送•与分泌型蛋白质一样，内质网中的驻留蛋白质先经粗面内质网上的附着核蛋白体合成并进入内质网腔，然后随囊泡输送到高尔基复合体。但是，内质网蛋白质多肽链的C-端含有滞留信号序列，可与相应受体结合。在高尔基复合体上，内质网蛋白质通过其滞留信号序列与受体结合后，随囊泡输送回内质网。（三）靶向输送至内质网的蛋白质C-端含有滞留信号序列第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送（四）质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜•质膜蛋白质合成时在粗面内质网上的跨膜机制与分泌型蛋白质的跨膜机制相似，但是，质膜蛋白质的肽链并不完全进入内质网腔，而是锚定在内质网膜上。•不同类型的跨膜蛋白质以不同的形式锚定于膜上。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送（五）线粒体蛋白质以其前体形式在胞液合成后靶向输入线粒体•绝大部分线粒体蛋白质是由核基因组编码、在胞液中的游离核蛋白体上合成后释放、靶向输送到线粒体中的。第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送真核细胞线粒体蛋白质的靶向输送第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送（七）细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔靶向输送入核第三节蛋白质翻译后修饰和靶向输送1.N端改造fMet的切除2.信号肽（能透膜，进行蛋白质的锚定）的切除3.氨基酸的修饰/改造肽链内或肽链间的二硫键的形成、乙酰化、甲基化氨基酸残基的修饰（Pr