原核生物-生物化学与分子生物学课件.ppt
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- 生物 生物化学 分子生物学 课件
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1、Chapter 18 Protein Synthesis and Processing蛋白质的合成蛋白质的合成与加工与加工Department of Biochemistry and Molecular Biology,Medical College of Shantou University,Shantou,ChinaJianjun Xie,M.D.,Ph.D 1954年,年,Paul Zamecnik及其同事实验证明体内蛋白质是由氨及其同事实验证明体内蛋白质是由氨基酸合成的。基酸合成的。1956年,他们发现了氨基酰年,他们发现了氨基酰-tRNA合成酶。合成酶。1958年,年,M.B.Hoa
2、gland和和Zamecnik又发现蛋白质生物合成需又发现蛋白质生物合成需要可溶性要可溶性RNA为中介。为中介。1961年,年,Howard Dintzis证明血红蛋白肽链合成方向是从证明血红蛋白肽链合成方向是从N-末末端向端向C-末端进行。末端进行。19611966年间,年间,Nirencerg、Matthaei和和Khorana先后确定了先后确定了64个遗传密码。个遗传密码。19731976年,麦胚无细胞体系、兔网织无细胞体系分别建立,年,麦胚无细胞体系、兔网织无细胞体系分别建立,蛋白质合成的具体过程终于揭晓。蛋白质合成的具体过程终于揭晓。标志性事件标志性事件l蛋白质的生物合成蛋白质的生物
3、合成,即,即翻译翻译(translation)l翻译的过程翻译的过程就是将核酸中就是将核酸中核苷酸序列核苷酸序列编码的遗传编码的遗传信息,通过信息,通过遗传密码遗传密码破译的方式解读为蛋白质分破译的方式解读为蛋白质分子中子中20种种氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序。何谓翻译?何谓翻译?蛋白质合成体系的组成蛋白质合成体系的组成Components Required for Protein Biosynthesis第一节第一节 lmRNA(messenger RNA,信使信使RNA)lrRNA(ribosomal RNA,核糖核蛋白体核糖核蛋白体RNA)ltRNA(transfer RNA,转移转
4、移RNA)l 起始因子起始因子(initiation factor,IF)l 延长因子延长因子(elongation factor,EF)l 释放因子(终止因子)释放因子(终止因子)(release factor,RF)等等 一、一、mRNA是蛋白质是蛋白质/多肽链合成的模板多肽链合成的模板l在遗传信息传递过程中,在遗传信息传递过程中,DNA转录生成转录生成mRNA,mRNA作作为蛋白质合成的直接模板,指导蛋白质多肽链的合成。为蛋白质合成的直接模板,指导蛋白质多肽链的合成。l mRNA包括包括 5-非翻译区非翻译区(5-untranslated region,5-UTR)开放阅读框架区开放阅读
5、框架区(open reading frame,ORF)3-非翻译区非翻译区(3-untranslated region,3-UTR)原核生物原核生物mRNA真核生物真核生物mRNA非翻译区非翻译区核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP53蛋白质蛋白质PPPmG-53蛋白质蛋白质AAAp 1961年,年,Nirenberg 证明了证明了mRNA的模板作用。的模板作用。pmRNA分子上每分子上每3个核苷酸构建一个密码子,编码某个核苷酸构建一个密码子,编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号,一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信
6、号,称为三联体密码称为三联体密码(triplet codon),也称遗传密码子,也称遗传密码子(genetic codon)。(一)(一)mRNA含有含有64种密码子种密码子起始密码起始密码(initiation codon):AUG 终止密码终止密码(termination codon):UAA、UAG、UGA 遗遗传传密密码码表表53m7GpppAAAAn3非翻译区5非翻译区编码区AUGUAAORF从从mRNA 5 端起始密码子端起始密码子AUG到到3 端终止密码子之间的核苷酸端终止密码子之间的核苷酸序列,各个三联体密码连续排列编码一条多肽链,称为开放阅读框架序列,各个三联体密码连续排列编
7、码一条多肽链,称为开放阅读框架(open reading frame,ORF)。1.遗传密码具有通用性遗传密码具有通用性(二)遗传密码具有几个特性(二)遗传密码具有几个特性l从原核生物生物(包括病毒、细菌等)、真核生物以从原核生物生物(包括病毒、细菌等)、真核生物以及人类都共同使用同一套遗传密码。及人类都共同使用同一套遗传密码。l已发现少数例外,如动物细胞的线粒体、植物细胞的已发现少数例外,如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。叶绿体。2.密码子具有方向性密码子具有方向性(direction)l起始密码子总是位于起始密码子总是位于mRNA开放阅读框架的开放阅读框架的5末端,末端,终止密码子位于
8、终止密码子位于3末端。末端。l翻译的方向是从翻译的方向是从5到到3末端。末端。3.遗传密码具有连续性遗传密码具有连续性(commaless)l 密码子按密码子按5 3方向每方向每3个一组阅读框架顺序翻译,个一组阅读框架顺序翻译,无标点、不重叠,即无标点、不重叠,即连续性连续性.lmRNA开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入或缺开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入或缺失,可引起失,可引起移码突变移码突变(frameshift mutation)。翻译翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。4.遗传密码具有简并性遗传密码具有简并性(degeneracy)l 简并性,即同一种
9、氨基酸具有多个密码子,或者多个密码子代表简并性,即同一种氨基酸具有多个密码子,或者多个密码子代表一种氨基酸的现象。一种氨基酸的现象。l 遗传密码中,除色氨酸和甲硫氨酸仅对应一个密码子外,其余氨遗传密码中,除色氨酸和甲硫氨酸仅对应一个密码子外,其余氨基酸均有一个以上密码子为其编码。基酸均有一个以上密码子为其编码。l密码子简并性的生物学意义:减少有害突变。密码子简并性的生物学意义:减少有害突变。遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。GCU ACUGCC ACCGCA ACAGCG ACGAlaThr遗传密码的简并性遗传密码的简并性5.遗传密码具有摆动性遗传密码
10、具有摆动性(wobble)l编码同一氨基酸的不同密码子互称同义编码同一氨基酸的不同密码子互称同义密码子;同义密码子之间的差异通常只密码子;同义密码子之间的差异通常只在第在第3位碱基上,密码子第位碱基上,密码子第3位碱基与位碱基与tRNA反密码子反密码子不严格遵守碱基配对规不严格遵守碱基配对规律律,而是,而是摆动摆动碱基配对。碱基配对。U摆动配对摆动配对二、一种二、一种tRNA只能转运一种氨基酸,但一种氨只能转运一种氨基酸,但一种氨基酸可由几种基酸可由几种tRNA转运转运反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂tRNA的三级结构示意图的三级结构示意图 三、三、rRNA与蛋白质组成核糖体与蛋白质组成核糖体
11、 蛋白质合成场所蛋白质合成场所核蛋白体的组成核蛋核蛋白体白体原核生物原核生物真核生物真核生物蛋白质蛋白质S S值值rRNArRNA蛋白质蛋白质S S值值rRNArRNA小亚基小亚基2121种种30S30S16S16S3333种种40S40S18S18S大亚基大亚基3434种种50S50S23S23S5S5S4949种种60S60S28S28S5.8S5.8S5S5S核蛋白体核蛋白体70S70S80S80S核核糖糖体体的的组组成成原核生物核糖体原核生物核糖体 70 S Mt 2.7106 真核生物核糖体真核生物核糖体 80S Mt 4.2106核糖体在蛋白质合成中有主要作用:核糖体在蛋白质合成中
12、有主要作用:核糖体两亚基上具有结合核糖体两亚基上具有结合mRNA的位点,还有与起的位点,还有与起始因子、延长因子、释放因子及各种酶的结合位点;并且始因子、延长因子、释放因子及各种酶的结合位点;并且具有两个具有两个tRNA结合的位点;结合的位点;A位点是氨基酰位点是氨基酰tRNA结合位结合位点,点,P位点是肽酰位点是肽酰tRNA结合位点。通过将结合位点。通过将mRNA、氨基、氨基酰酰-tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的合成。核糖体是合成蛋白质的场所。质的合成。核糖体是合成蛋白质的场所。原核生物核蛋白体结构模式原核生物核蛋白体结构模式3
13、0S小亚基:有小亚基:有mRNA结合位点结合位点50S大亚基:大亚基:E位:排出位(位:排出位(Exit site)转肽酶活性转肽酶活性大小亚基共同组成:大小亚基共同组成:A位:氨基酰位,受位位:氨基酰位,受位(aminoacyl site)P位:肽酰位,给位位:肽酰位,给位(peptidyl site)l20种氨基酸(种氨基酸(AA)l酶及众多蛋白因子,如酶及众多蛋白因子,如氨基酰氨基酰-tRNA合成酶、起合成酶、起始因子始因子(initiation factor,IF)、延长因子延长因子(elongation factor,EF)、释放因子(释放因子(release factor,RF)。
14、lATP、GTPl无机离子无机离子四、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子四、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子大肠杆菌蛋白质合成的大肠杆菌蛋白质合成的5 5个阶段所需化合物个阶段所需化合物1氨基酸的活化氨基酸的活化20种氨基酸种氨基酸20种氨基酰种氨基酰-tRNA合成酶合成酶32种(或多于种(或多于32种)种)tRNAATP、Mg2+2起始起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNAfmermRNA上的起始密码子(上的起始密码子(AUG)30S核糖体亚基核糖体亚基50S核糖体亚基核糖体亚基起始因子(起始因子(IF-1,IF-2,IF-3)GTP、Mg2+3延长延长具有功能的具有功能的70S核
15、糖体(起始复合物)核糖体(起始复合物)密码子特异的氨基酰密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子(延长因子(EF-Tu,EF-Ts,EF-G)GTP、Mg2+4终止与释放终止与释放mRNA上的终止密码上的终止密码释放因子(释放因子(RF-1,RF-2,RF-3)5折叠和翻译后的加工折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物,特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物,水解过程,末端残基的修饰,磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅水解过程,末端残基的修饰,磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅基结合到蛋白质上基结合到蛋白质上阶段阶段必需化合物必需化合物1氨基酸的活化氨基酸的活
16、化20种氨基酸种氨基酸20种氨基酰种氨基酰-tRNA合成酶合成酶32种(或多于种(或多于32种)种)tRNAATP、Mg2+2起始起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNAmRNA上的起始密码子(上的起始密码子(AUG)30S核糖体亚基核糖体亚基50S核糖体亚基核糖体亚基起始因子(起始因子(IF-1,IF-2,IF-3)GTP、Mg2+3延长延长具有功能的具有功能的70S核糖体(起始复合物)核糖体(起始复合物)密码子特异的氨基酰密码子特异的氨基酰-tRNA延长因子(延长因子(EF-Tu,EF-Ts,EF-G)GTP、Mg2+4终止与释放终止与释放mRNA上的终止密码上的终止密码释放因子
17、(释放因子(RF-1,RF-2,RF-3)5折叠和翻译后的加工折叠和翻译后的加工特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物,特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物,水解过程,末端残基的修饰,磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅水解过程,末端残基的修饰,磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅基结合到蛋白质上基结合到蛋白质上阶段阶段必需化合物必需化合物蛋白质的合成过程蛋白质的合成过程Protein Synthesis Process 第二节第二节l氨基酸的活化氨基酸的活化l肽链合成的起始肽链合成的起始(initiation)l肽链的延长肽链的延长(elongation)l肽链合成的终止肽
18、链合成的终止(termination)及释放及释放整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为4 4个阶段个阶段 :翻译过程从开放阅读框架的翻译过程从开放阅读框架的5-AUG开始向开始向3 阅读阅读,按,按mRNA上三联体密码的顺序指导蛋白质上三联体密码的顺序指导蛋白质从从N端向端向C端合成,直至终止密码。端合成,直至终止密码。氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(一)氨基酰(一)氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酸与合成酶催化氨基酸与tRNA的连接的连接一、氨基酸活化成氨基酰一、氨基酸活化成氨基酰-tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶(
19、aminoacyl-tRNA synthetase)第一步反应第一步反应:氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi目目 录录第二步反应第二步反应:氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E(型)型)l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度都有高度特异性。特异性。l氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有合成酶具有校正活性校正活性(editing activity,即酯酶的活性即酯酶的活性。l氨基酸活化耗能:2个Pl氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法:的表示方法:Ser-tRNASerMet-tRNAMet(二)氨基酰(
20、二)氨基酰-tRNA合成酶具有校读作用合成酶具有校读作用二、起始阶段形成翻译起始复合物二、起始阶段形成翻译起始复合物指在起始因子的作用下,指在起始因子的作用下,mRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合而形成分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物翻译起始复合物(translational initiation complex)。l原核生物中有原核生物中有3种起始因子种起始因子(initiation factor,IF):IF-1、IF-2、IF-3l真核生物起始因子被称作真核生物起始因子被称作eIF(eukaryotic initiation factor)eIF-1、-2、-3
21、、-4、-5和和-6 翻译的起始因子翻译的起始因子真核起始因子真核起始因子功能功能eIF-1 多功能因子,参与多个翻译步骤多功能因子,参与多个翻译步骤eIF-2 促进起始促进起始Met-tRNAMet与核糖体与核糖体40S小亚基结合小亚基结合eIF-2B 又称鸟苷酸交换因子,将又称鸟苷酸交换因子,将eIF-2上的上的GDP交换成交换成GTP eIF-3 首先与首先与40S小亚基结合的因子,并能加速后续步骤小亚基结合的因子,并能加速后续步骤eIF-4A 具有具有RNA解旋酶的活性,能解除解旋酶的活性,能解除mRNA 5 端的发夹结构,端的发夹结构,使其与使其与40S小亚基结合。是小亚基结合。是e
22、IF-4F 的组成成分的组成成分eIF-4B 与与mRNA结合,对结合,对mRNA进行扫描并定位第一个进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E 结合结合mRNA的帽子结构,是的帽子结构,是eIF4F的组成成分的组成成分eIF-4G 一种接头蛋白,能与一种接头蛋白,能与eIF-4E、eIF-3和和poly A结合蛋白结合将结合蛋白结合将40 S的小亚基富集至的小亚基富集至mRNA,而刺激翻译。是,而刺激翻译。是eIF4F的组成的组成成分成分eIF-5 促进上述起始因子从促进上述起始因子从40S小亚基脱落,以便小亚基脱落,以便40S小亚基与小亚基与60S大亚基结合形成大亚基结合形成80S起始复合物起
23、始复合物eIF-6 促进无活性的促进无活性的80S核糖体解聚生成核糖体解聚生成40S小亚基和小亚基和60S大亚基大亚基原核起始因子原核起始因子功能功能IF-1 防止防止tRNA过早地结合到过早地结合到A位位IF-2 促进促进fMet-tRNAfMet结合到结合到30S小亚基小亚基IF-3 结合结合30S小亚基,防止它过早地与小亚基,防止它过早地与50S大亚基结合,并提高大亚基结合,并提高P 位对位对fMet-tRNAfMet的特异性的特异性真核起始因子真核起始因子功能功能eIF-1 多功能因子,参与多个翻译步骤多功能因子,参与多个翻译步骤eIF-2 促进起始促进起始Met-tRNAMet与核糖
24、体与核糖体40S小亚基结合小亚基结合eIF-2B 又称鸟苷酸交换因子,将又称鸟苷酸交换因子,将eIF-2上的上的GDPGTP eIF-3 首先与首先与40S小亚基结合的因子,并能加速后续步骤小亚基结合的因子,并能加速后续步骤eIF-4A 具有具有RNA解旋酶的活性,能解除解旋酶的活性,能解除mRNA 5 端的发夹结构,端的发夹结构,使其与使其与40S小亚基结合。是小亚基结合。是的组成成分的组成成分eIF-4B 与与mRNA结合,对结合,对mRNA进行扫描并定位第一个进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E 结合结合mRNA的帽子结构,是的帽子结构,是的组成成分的组成成分eIF-4G 一种接头蛋白
25、,能与一种接头蛋白,能与、eIF-3和和poly A结合蛋白结合将结合蛋白结合将40 S的小亚基富集至的小亚基富集至mRNA,而刺激翻译。是,而刺激翻译。是eIF4F的组成的组成成分成分eIF-5 促进上述起始因子从促进上述起始因子从40S小亚基脱落,以便小亚基脱落,以便40S小亚基与小亚基与60S大亚基结合形成大亚基结合形成80S起始复合物起始复合物eIF-6 促进无活性的促进无活性的80S核糖体解聚生成核糖体解聚生成40S小亚基和小亚基和60S大亚基大亚基原核起始因子原核起始因子功能功能IF-1 防止防止tRNA过早地结合到过早地结合到A位位IF-2 促进促进fMet-tRNAfMet结合
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