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1、第十三章蛋白质的生物合成,第一节 遗传密码第二节 与蛋白质合成有关的细胞器和生物大分子第三节 蛋白质生物合成的机理第四节 多肽链的折叠和加工第五节 蛋白质的投递和降解,第十三章 蛋白质的生物合成,蛋白质是绝大多数信息途径的终产物蛋白质的合成机制是最复杂的生物合成机制尽管蛋白质的合成具有极其复杂，但还是有相当高的速率,20世纪50年代蛋白质生物合成研究的几个重要进展,1.核糖体是蛋白质合成的场所（Paul Zamecnic)2.tRNA的发现（Mahlon Hoagland and Zamecnik)3.tRNA充当适配器的作用,第一节 遗传密码,一、三联体密码（一）遗传密码的一般特性1、三个碱
2、基编码一个氨基酸（三联体密码子）2、密码是非重叠的3、碱基序列被从一固定且没有标点的固定位置开始阅读4、密码子是简并的5、通用与例外（在一些线粒体中UGA不是终止密码子，而是色氨酸的密码子,（二）、遗传密码词典,一个蛋白质的氨基酸序列是由连续的三联体密码子的线性顺序决定的，这个序列的第一个密码子建立了一种阅读框（reading frame),平均说来，每个阅读框中的每20个密码子就应该有一个终止密码子。如果一个阅读框有50个以上的连续密码子无一个终止密码子，这段顺序为开放阅读框（open reading frame),（三）、三联体密码与阅读框,Established the chemical
3、structure oftRNA,Established the in vitro system for revealing the genetic codes,Devised methods to synthesize RNAs with definedsequences,Copolymer of repeating dinucleotides alwayslead to synthesis of polypeptides of repeatingdipeptides:ABABABABABABAB-aa1-aa2-aa1-aa2-,（四）、通过生物化学方法破解遗传密码,破解遗传密码的滤膜结合
4、试验,1、均聚多核苷酸链指导蛋白质的合成2、核糖体结合技术,The filter-binding assayfor detecting the bindingof a trinucleotide to a specific aminoacyl-tRNAmolecule:about 50 codons were assigned bythis simple and elegantmethod.,（五）、第二遗传密码：氨酰tRNA合成对底物的正确识别,氨基酸一旦与tRNA形成氨酰-tRNA后，进一步的去向就由tRNA来决定。,Chapeville and Lipmann 实验,返回,第二节 与蛋白
5、质合成有关的细胞器和生物大分子,一、核糖体和多核糖体（一）、核糖体 1、核糖体的结构与装配（1）、原核生物核糖体组件,原核生物大肠杆菌核糖体的组成,30S 核糖体亚基中16SRNA结构图,E.coli 的7个rRNA操纵子,（2）、真核生物核糖体组件,（3）、原核及真核核糖体的组成与构件图示,（4）、核糖体的自装配,（5）、tRNA与核糖体可能的结合位置图,（二）、多核糖体,二、mRNA是蛋白质合成的模板,1、可被E.coli 核糖体识别的不同S-D序列,三、tRNA,1、tRNA结构,2、tRNA三维结构带状图（数字代表核苷酸序列）,四、氨酰-tRNA合成酶,Class,Arg Cys Gl
6、n Glu Ile Leu Met Trp Tyr Val,Class,Ala Asn Asp Gly His Lys Phe Pro Ser Thr,1、氨酰-tRNA合成酶的两种类型,2、氨酰-tRNA合成酶反应,3、结合有tRNA底物的类型对类型氨酰-tRNA镜像相互作用图,(a)E.coli glu-tRNA合成酶（类酶）(b)Thermus thermophilus gly-tRNA合成酶（类酶）,4、氨酰-tRNA合成酶对 tRNA的选择性识别,E.Coli Glu-tRNA合成酶tRNA识别位点一些氨酰-tRNA合成酶所识别的确定因素在存在于反密码子中酵母tRNAphe 的确定因
7、素为五个不同的碱基共有的12个核苷酸确定t RNAser 家族单一G:U碱基对决定tRNAAla s,四种tRNA主要确定因素（每个碱基由一圆环代表）,(a)带有tRNAGln 和ATP的E.coli glu-tRNAGln 复合酶复合物的溶剂可及图(b)tRNAGln 结构图,被氨酰-tRNAAla氨酰化的tRNAAla微螺旋模型,tRNA分子中相应于3:70位置不同的碱基配对结构,五、密码-反密码子配对1、密码-反密码子配对示意图,2、密码-反密码子配对、第三碱基摆动性,I,C,I,U,G,U,I,A,六、起始因子,1、原核生物蛋白质合成中的起始因子,2、真核生物蛋白质合成中的起始因子,e
8、IF1 功能与原核生物IF1相似。eIF2 引导结合Met-tRNA与核糖体小亚基结合 2 与GTP结合 2 功能尚不清楚 2 结合Met-tRNAeIF3 参与43S核糖体复合物的形成,与原核生物的IF3功能不同,它是第一个和小亚基结合因子。,eIF4 4A 促使eIF4E从mRNA帽子结构上释放出来 4B 促进eIF4B与mRNA结合 4C 参与43S核糖体复合物的形成 4E 与P220一起和eIF4A,mRNA结合形成复合物 4F 是eIF4A-eIF4E-p220-mRNA复合物，特称为帽子结构结合蛋白复合物（CBPC），具ATP酶活力,P220 促使eIF4A在帽子结构附近寻找结合位
9、,引导 eIF4F-mRNA复合物的生成。eIF5 促使eIF4E、eIF2、eIF3离开48S起始复合物,引导60S大亚基与40S小亚基结合,生成80S起始复合物。eIF6 加速失活的80S解离。,七、蛋白质生物合成的延伸因子,1、原核生物蛋白质生物合成的延伸因子 EFTu 形成AAtRNA-GTP-EFTU复合物，引导AAtRNA结合在核糖体的A位。EFTs 协助EFTU形成AAtRNA-GTP-EFTu复合物。EFG 移位因子，帮助移位过程的进行。,2、真核生物蛋白质生物合成的延伸因子,EF1 促进AA-酰tRNA与核糖体结合EF1 促使EF1 再循环EF2 作用与原核生物的EF-G相似
10、,八、蛋白质生物合成的终止和释放因子,1、原核生物蛋白质生物合成的终止和释放因子RF1 识别UAA、UAG终止密码子RF2 识别UAA、UGA终止密码子RF3 加强RF1 和RF2 的作用2、真核生物蛋白质生物合成的终止和释放因子RF 具有三种原核因子的功能,返回,第三节、蛋白质生物合成的机理,多肽链合成的起始 多肽链的延伸 多肽链终止和释放,一、原核生物蛋白质合成的分子机制,1、起始事件,（1）、70S核糖体的解聚（2）、30S核糖体IF1.3复合物的形成（3）、30S核糖体起始复合物的形成（4）、70S核糖体起始复合物的形成,（一）原核生物中多肽链的起始,2、多肽链起始事件的顺序过程,起始
11、RNA,甲酰甲硫氨酸-tRNA转移酶以N10-甲酰基四氢叶酸为甲基供体催化甲酰甲硫氨酸-tRNA的甲酰化,mRNA识别与对准,可被E.coli 核糖体识别的不同S-D序列,3、多肽链的延伸,（1）、氨基酸的进位（2）、转肽（3）、移位,（1）、氨基酸的进位,E.coli 核糖体中多肽链延伸事情的循环图解,(2)、肽基转移,（3）、移位,使70S核糖体与mRNA复合物返回到延伸循环起点的三个步骤：脱酰基tRNA自P位点的脱离肽基-tRNA从A位点移到P位点,23SRNA是实质的肽基移位酶,23SRNA的肽基转移中心核糖体向后移动，使下一密子进 入A位点该过程需要EFG的帮助,结合状态模型,肽基转
12、移与移位中核糖体两tRNA分子相对位置模型,GTP水解刺激核糖体构象的改变进而实施其功能,蛋白质合成的能量消耗为每个氨基酸至少需四个高能磷酸键，此外还需两个GTP，运于氨酰-tRNA合成中氨基酸的活化,4、肽链的终止,肽链终止事件,核糖体的生活周期,多聚核糖体是蛋白质合成的活跃结构,多核糖体的电子显微图,原核生物中转录与转译间的关系,E.coli色氨酸操纵子,二、真核细胞的蛋白质合成,真核mRNA的特征结构,1、真核蛋白质起始的过程,43S前起始复合物的形成 43S起始复合物与mRNA的结合及40S核糖体亚基迁移至正确的起始密码子AUG 80S起始复合物的形成,2、真核生物中肽链的延伸,真核生
13、物中，延伸循环与原核生物中非常相似。三个真核延伸因子称作eIF1、eIF、eIF2,它们具有与相应的细菌延伸因子EF-Tu、EF-Ts、EF-G类似的功能。,3、真核肽链的终止,真核生物中一个称为eIF的释放因子识别所有的三个终止密码子,真核细胞中转译起始的三个步骤示意图,真核肽链起始的调节,eIF2通过亚基的ser残基可逆磷酸化作用对其功能进行调节,三、蛋白质合成的抑制剂,链霉素嘌呤霉素白喉毒素蓖麻毒蛋白,四、蛋白质的折叠,蛋白折叠途径,GroEL-GroES复合物（E.coli分子伴侣）的结构与功能,五、蛋白质的翻译后加工,多肽链的蛋白酶切割蛋白转运原核蛋白转运真核蛋白分类与转运分泌性蛋白
14、和许多膜蛋白的合成与穿过内质网膜的转运相偶联线粒体蛋白的输入,E.coli转运蛋白N末端信号序列一般特征,真核分泌性蛋白的合成及通过内质网的转运,蛋白质的降解,真核中蛋白降解的通用途径蛋白酶体,泛素与蛋白质的连接酶反应,具酸性N末端的蛋白降解对tRNA需求图解,T.acidophilum20S蛋白酶体结构,泛素-蛋白酶体降解途径图解,返回,第四节 多肽链的折叠和加工,一、氨基末端和羧基末端的修饰氨基末端fMet 和 Met被切除,在50%的真核生物蛋白中,其翻译后氨基末端的氨基都要乙酰化,羧基末端也被修饰。二、信号肽的切除1530AA三、氨基酸残基的修饰1、苏、丝、酪氨酸被磷酸化2、天冬、谷氨
15、酸被羧化3、赖氨基酸被甲基化,四、糖侧链的连接1、氮连寡糖 糖和Asn的氨相接2、氧连寡糖 糖和Ser The羟基相接 五、异戊二烯基团的附加六、附基的附加七、蛋白酶水解修饰八、二硫键的形成,返回,第五节 蛋白质的投递和降解,蛋白质的投递 蛋白质分类并转运到它们正确的位置的过程。一、分泌到胞外的蛋白质、整合到质膜和进入溶酶体的蛋白质，运转的前几步是相同的，起源于内质网。二、进入线粒体、叶绿体和细胞核有三种独特的运转过程。三、细胞质蛋白质仍然存在于细胞质,一、许多真核蛋白翻译后修饰开始于内质网,分泌到胞外的蛋白质、整和到质膜和进入溶酶体的蛋白质，运转的前几步是相同的，起源于内质网，在氨基末端的信
16、号肽的引导下进入内质网腔。信号肽的特点：1、含有1015个疏水氨基酸2、疏水氨基酸前端近氨基末端有一个或多个正电荷的氨基酸3、在羧基一端有一个极性的短序列氨基酸。,Proteins are translocated to the ER lumenvia the guidance of their N-terminal signalsequences,which share three similar structural features.,信号肽指导真核蛋白进入内质网,二、糖基化在蛋白质投递过程中起重要作用,1、糖基化蛋白是通过Asn与寡糖相连,首先在内质网内形成核心寡糖,核心寡糖和蛋白质结
17、合后,在内质网和高尔基体内被进一步修饰,其修饰的程度和蛋白质的投递有关。2、蛋白质通过运输小泡进入高尔基体，在高尔基体中加上O-连接寡糖，且对N连接寡糖进一步修饰。蛋白质被重新分类送至最终的目的地。3、在高尔基体内，区分分泌到胞外的蛋白质、整和到质膜和进入溶酶体的蛋白质的过程，不依赖信号肽而是依赖其结构。,4、溶酶体中水解酶类的投递,在高尔基体内，磷酸转移酶可以识别寡糖链上的甘露糖并使之磷酸化，（磷酸转移酶磷酸化甘露糖的基础是它可以识别水解酶中的特征性结构“信号补丁”）。磷酸化甘露糖酶可以被高尔基体膜上的受体识别，含有这种受体-磷酸化甘露糖酶复合体的小泡在高尔基体的背面出芽，并使它进入小泡，小
18、泡内的低PH使受体-磷酸化甘露糖酶复合体解体，由泡内的磷酸酯酶水解磷酸基团，受体重新回到高尔基体，含有水解酶的小泡从分类小泡中出芽并被送进溶酶体。,An UDP-GlcNAc analog,三、线粒体、叶绿体蛋白的投递,1、蛋白质的氨基末端有信号肽序列2、分子伴侣（伴侣蛋白）可以识别3、前体蛋白和细胞器膜上的受体识别，通过蛋白通道进入细胞器，在细胞器中被出去信号肽序列，在分子伴侣的帮助下形成空间结构。4、前体蛋白进入细胞器时，可以被ATP、GTP水解促进，也可以是通过跨膜的电化学势促进。,四、通往细胞核的信号传递,1、核糖体是在细胞核中组装的2、真核生物细胞分裂期间，核膜破裂，一旦细胞分裂完成
19、，核膜被重新建立，分散的核蛋白必须被重新输入进核中，为了重新输入，使蛋白进入核的信号顺序（核定位顺序 NLS）是不被切除的。核定位顺序 可以在蛋白质的任何部位。,四、通往细胞核的信号传递,3、对核的输入是由一批再细胞核和细胞质之间循环的蛋白质介导的。4、蛋白质包括：输入蛋白、和Ran(GTPase)。5、输入蛋白、形成一个杂二聚体，作为输核蛋白的可溶性受体，亚基在细胞质中结合带有核定位顺序 NLS的蛋白质，这种核定位顺序 NLS的蛋白复合物锚泊在核孔处，然后在Ran(GTPase)的帮助下进入核内，结合带有核定位顺序 NLS的蛋白质解离，输入蛋白、被运出细胞核。,五、细菌蛋白质投递途径的信号序
20、列,1、细菌可将一些蛋白质投递到膜内、膜外、膜之间的外周空间和细胞外部介质。2、投递过程所需信号肽和真核生物的基本相似。3、蛋白质的“转运感受态”构象和“功能”构象。4、触发因子,膜蛋白的投递,六、细胞通过受体介导的胞饮作用输入蛋白质,1、某些蛋白质是由环境介质中输入进细胞的，如：LDL、转铁蛋白、多肽激素和最后要被降解的循环蛋白。2、这些蛋白的输入需要受体，而受体集中存在于内吞小窝的内隔膜中。3、内吞小窝用笼状蛋白组成的网格把它们包裹在细胞内侧。4、笼状蛋白形成紧密的多面体结构，当越来越多的靶蛋白结合后，笼状蛋白形成的网格也随之长大，直至内吞小泡出芽进入细胞质。,5、笼状蛋白很快被解外套酶除去，小泡和核内体融合6、核内体的PH被膜中的V-型ATPase活性降低，使受体易于和靶蛋白解离。7、一些病毒和毒素可以利用受体介导的内吞作用进入细胞，如：白喉毒素、霍乱毒素和流感病毒和HIV。,返回,
