生物化学及分子生物学(人卫第九版)-15蛋白质的合成

作者:孙露洋倪菊华单位:北京大学第十五章蛋白质的合成ProteinBiosynthesis目录第一节蛋白质合成体系第二节氨基酸与tRNA的连接第三节肽链的合成过程第四节蛋白质合成后的加工和靶向输送第五节蛋白质合成的干扰和抑制重点难点熟悉了解掌握蛋白质合成的概念及特点；蛋白质合成体系的组成及各自功能；遗传密码的特点；翻译后加工的主要方式。蛋白质合成基本过程；原核生物与真核生物蛋白质合成的异同；蛋白质合成后的靶向输送机制。分子伴侣的功能；各类蛋白质亚细胞定位分拣信号的特点；抗生素和毒素对蛋白质合成的影响蛋白质合成体系Protein-synthesizingSystem第一节密码子（codon)在mRNA的开放阅读框区域，每3个相邻的核苷酸为一组，编码一种氨基酸，称为三联体密码（tripletcode）或密码子。遗传密码（geneticcode）起始密码子和终止密码子起始密码子（initiationcodon）：AUG终止密码子（terminationcodon）：UAA、UAG、UGA一、mRNA是蛋白质合成的模板第1个核苷酸（5′端）第2个核苷酸第3个核苷酸（3′端）UCAGU苯丙氨酸苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸酪氨酸酪氨酸终止密码子终止密码子半胱氨酸半胱氨酸终止密码子色氨酸UCAGC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸组氨酸组氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGA异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸*甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸天冬酰胺天冬酰胺赖氨酸赖氨酸丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸UCAGG缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸UCAG遗传密码表遗传密码的特点：方向性（directional）连续性（non-punctuated）简并性（degeneracy）摆动性（wobble）通用性（universal）密码子的连续性（a）氨基酸的排列顺序对应于mRNA中密码子的排列顺序；（b）核苷酸插入导致移码突变密码子的摆动性运载氨基酸：氨基酸各由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合在tRNA3ˊ-CCA的位置，结合需要ATP供能；充当“适配器”：每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座。tRNA的作用二、tRNA是氨基酸和密码子之间的特异衔接子合成肽链时mRNA与tRNA的相互识别、肽键形成、肽链延长等过程全部在核糖体上完成，核糖体沿着模板mRNA链从5′端向3′端移动。核糖体类似于一个移动的多肽链“装配厂”三、核糖体是蛋白质合成的场所核糖体的功能位点酶类：氨酰-tRNA合成酶肽酰转移酶转位酶蛋白质因子：起始因子（initiationfactor，IF）延长因子（elongationfactor，EF）释放因子（releasefactor，RF）四、蛋白质合成需要多种酶类和蛋白质因子种类生物学功能起始因子IF1IF2IF3占据核糖体A位，防止tRNA过早结合于A位促进fMet-tRNAfMet与小亚基结合阻止大、小亚基过早结合；增强P位结合fMet-tRNAfMet的特异性延长因子EF-TuEF-TsEF-G促进氨酰-tRNA进入A位，结合并分解GTPEF-Tu的调节亚基有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位；促进tRNA卸载与释放释放因子RF1RF2RF3特异识别终止密码UAA或UAG；诱导肽酰转移酶转变为酯酶特异识别终止密码UAA或UGA；诱导肽酰转移酶转变为酯酶具有GTPase活性，当新合成肽链从核糖体释放后，促进RF1或RF2与核糖体分离原核生物肽链合成所需要的蛋白质因子种类生物学功能起始因子eIF1eIF1AeIF2eIF2B，eIF3eIF4AeIF4BeIF4EeIF4GeIF4FeIF5eIF5B结合于小亚基的E位，促进eIF2-tRNA-GTP复合物与小亚基相互作用原核IF1的同源物，防止tRNA过早结合于A位具有GTPase活性，促进起始Met-tRNAMet与小亚基结合最先与小亚基结合的起始因子；促进后续步骤的进行eIF4F复合物成分，具有RNA解旋酶活性，解开mRNA二级结构，使其与小亚基结合结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始密码AUGeIF4F复合物成分，结合于mRNA的5′-帽结构eIF4F复合物成分，结合eIF4E和poly(A)结合蛋白(PABP)包含eIF4A、eIF4E、eIF4G的复合物促进各种起始因子从小亚基解离，从而使大、小亚基结合具有GTPase活性，促进各种起始因子从小亚基解离，从而使大、小亚基结合延长因子eEF1αeEF1γeEF2与原核EF-Tu功能相似与原核EF-Ts功能相似与原核EF-G功能相似释放因子eRF识别所有终止密码真核生物肽链合成所需要的蛋白质因子氨基酸与tRNA的连接TheAttachmentofAminoAcidontoitstRNA第二节氨基酸与tRNA连接的专一性由氨酰-tRNA合成酶决定。氨酰-tRNA合成酶具有高度专一性，既能识别特异的氨基酸，又能辨认应该结合该种氨基酸的tRNA。因此，氨酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。一、氨酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和tRNA反应过程氨基酸+tRNA氨酰-tRNAATPAMP＋PPi氨酰-tRNA合成酶氨酰-tRNA合成酶催化ATP分解为焦磷酸与AMP；第一步反应第二步反应AMP、酶、氨基酸三者结合为中间复合体（氨酰-AMP-酶），其中氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相联而活化；第三步反应活化氨基酸与tRNA3′-CCA末端的腺苷酸的核糖2′或3′位的游离羟基以酯键结合，形成相应的氨酰-tRNA。氨酰-tRNA的合成二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨酰-tRNA起始氨酰-tRNA:Met-tRNAiMet参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet真核生物原核生物起始氨酰-tRNA:fMet-tRNAfMet肽链的合成过程SynthesisProcessofPeptideChain第三节原核生物翻译起始复合物的形成一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成核糖体大小亚基分离mRNA与核糖体小亚基结合fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位翻译起始复合物形成。真核生物翻译起始复合物的形成43S前起始复合物的形成mRNA与核糖体小亚基结合核糖体大亚基的结合mRNA的S-D序列原核翻译起始复合物的形成真核翻译起始复合物的形成二、在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链翻译起始复合物形成后，核糖体从mRNA的5′端向3′端移动，依据密码子顺序，从N端开始向C端合成多肽链在核糖体上重复进行进位、成肽和转位，每循环1次，肽链上即可增加1个氨基酸残基真核生物的肽链延长机制与原核生物基本相同，但亦有差异，如二者所需延长因子不同，真核生物需要eEF1、eEF1和eEF2这三类延长因子，其功能分别对应于原核生物的EF-Tu、EF-Ts和EF-G。此外，在真核生物，一个新的氨酰-tRNA进入A位后会产生变构效应，致使空载tRNA从E位排出。三步反应进位（positioning）：氨酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入核糖体A位的过程，又称注册成肽（peptidebondformation）：核糖体A位和P位上的tRNA所携带的氨基酸缩合成肽的过程转位（translocation）：成肽反应后，核糖体需要向mRNA的3′端移动一个密码子的距离，方可阅读下一个密码子，此过程为转位肽链延长三、终止密码子和释放因子导致肽链合成终止肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要经过一次进位、成肽和转位反应。如此往复，直到核糖体的A位对应到了mRNA的终止密码子上。终止密码子不被任何氨酰-tRNA识别，只有释放因子RF能识别终止密码子而进入A位，这一识别过程需要水解GTP。原核生物有3种RFRF1识别UAA或UAG，RF2识别UAA或UGA，RF3则与GTP结合并使其水解，协助RF1与RF2与核糖体结合。真核生物仅有eRF一种释放因子所有3种终止密码子均可被eRF识别。真核生物中肽链合成完成后的水解释放过程尚未完全了解。多聚核糖体（polyribosome或polysome）：多个核糖体结合在1条mRNA链上所形成的聚合物。多聚核糖体的形成可以使肽链合成高速度、高效率进行。多聚核糖体蛋白质合成后的加工和靶向输送ProcessingandTargetingofSynthesizedProteins第四节一、新生肽链折叠需要分子伴侣细胞中大多数天然蛋白质折叠并不是自发完成的，其折叠过程需要其他酶或蛋白质的辅助，这些辅助性蛋白质可以指导新生肽链按特定方式正确折叠，它们被称为分子伴侣（molecularchaperone）。目前研究得较为清楚的分子伴侣是热激蛋白70（heatshockprotein70,Hsp70）家族和伴侣蛋白（chaperonin）。Hsp70：在蛋白质翻译后加工过程中，Hsp70与未折叠蛋白的疏水区结合，既可避免蛋白质因高温而变性，又可防止新生肽链过早折叠。Hsp70也可以使一些跨膜蛋白在转位至膜前保持非折叠状态。有些Hsp70通过与多肽链结合、释放的循环过程，使多肽链发生正确折叠。这个过程需要ATP水解供能，并需要其他伴侣蛋白如Hsp40的共同作用。chaperonin：其主要作用是为非自发性折叠肽链提供正确折叠的微环境。例如，在大肠杆菌，约有10%~15%的细胞内蛋白质的正确折叠依赖伴侣系统GroEL/GroES，热激条件下依赖该系统的蛋白质则高达30%。在真核细胞，与GroEL/GroES功能类似的伴侣蛋白是Hsp60。Hsp70作用示意图GroES/GroEL系统的作用原理二、肽链水解加工产生具有活性的蛋白质或多肽新生肽链的水解是肽链加工的重要形式。新生肽链N端的甲硫氨酸残基，在肽链离开核糖体后，大部分即由特异的蛋白水解酶切除。还有许多蛋白质在初合成时是分子量较大的没有活性的前体分子，如胰岛素原、胰蛋白酶原等。这些前体分子也需经过水解作用切除部分肽段，才能成为有活性的蛋白质分子或功能肽。有些多肽链经水解可以产生数种小分子活性肽，如阿黑皮素原（pro-opiomelanocortin，POMC）。POMC的水解修饰化学修饰类型被修饰的氨基酸残基磷酸化丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸N-糖基化天冬酰胺O-糖基化丝氨酸、苏氨酸羟基化脯氨酸赖氨酸甲基化赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸乙酰化赖氨酸、丝氨酸体内常见的蛋白质化学修饰三、氨基酸残基的化学修饰改变蛋白质的活性四、亚基聚合形成具有四级结构的活性蛋白质通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质；具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体（oligomer）；辅基连接后形成完整的结合蛋白质；结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。五、蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位分泌型蛋白质在内质网加工及靶向输送内质网蛋白的C端含有滞留信号序列大部分线粒体蛋白在细胞质合成后靶向输入线粒体质膜蛋白质由囊泡靶向输送至细胞膜核蛋白由核输入因子运载经核孔入核蛋白种类信号序列结构特点分泌蛋白和膜蛋白信号肽由13～36个氨基酸残基组成，位于新生肽链N端核蛋白核定位序列由4～8个氨基酸残基组成，通常包含连续的碱性氨基酸（Arg或Lys），在肽链的位置不固定内质网蛋白内质网滞留信号肽链C端的Lys-Asp-Glu-Leu序列核基因组编码的线粒体蛋白线粒体前导肽由20～35个氨基酸残基组成，位于新生肽链N端溶酶体蛋白溶酶体靶向信号甘露糖-6-磷酸（Man-6-P）蛋白质的亚细胞定位分捡信号信号肽结构特点分泌型蛋白质的加工与靶向输送核蛋白的靶向输送蛋白质合成的干扰和抑制Interferencea