蛋白質(zhì)生物合成

蛋白質(zhì)生物合成 第一節(jié)參與蛋白質(zhì)合成的物質(zhì) 一 mRNA從DNA傳遞遺傳信息 1 mRNA的一級結(jié)構(gòu) 1 5 非翻譯區(qū) 5 UTR 5 端 起始密碼子 含核糖體結(jié)合位點 RBS 即核糖體賴以裝配并啟動翻譯的一段序列 2 編碼區(qū) codingregion 起始密碼子 終止密碼子 主要序列 從原核生物操縱子轉(zhuǎn)錄的mRNA有多個編碼區(qū) 相鄰編碼區(qū)被一個RBS隔開 這種mRNA稱為多順反子mRNA PolycistronicmRNA 真核生物多數(shù)mRNA只有一個編碼區(qū) 這種mRNA稱為單順反子mRNA monocistronicmRNA 3 3 非翻譯區(qū) 3 UTR 是從mRNA的終止密碼子之后到3 端的一段序列 原核mRNA的一級結(jié)構(gòu)模式 真核mRNA的一級結(jié)構(gòu)模式 哺乳動物 2 密碼子 遺傳密碼 geneticcode 是mRNA分子上按照5 3 方向 每三個核苷酸與一種氨基酸對應(yīng) 全部64種組合所形成的體系 密碼子 codon 從mRNA編碼區(qū)5 3 端每三個相鄰堿基一組連續(xù)分組 每一組堿基構(gòu)成一個遺傳密碼 稱為密碼子 也叫三聯(lián)體密碼 tripletcode 每一個密碼子與特定的一種氨基酸相對應(yīng) 終止密碼 stopcoden 也稱無意密碼子 nonsensecoden 沒有對應(yīng)的tRNA的反密碼子與之結(jié)合 但能被蛋白質(zhì)合成的終止因子或釋放因子識別 終止肽鏈的合成 終止密碼有3個 UAA UAG UGA起始密碼 AUG 是多肽鏈翻譯開始的第一個密碼子 在鏈內(nèi)部則作為蛋氨酸的密碼子 密碼子特點 1 密碼的連續(xù)性 commaless 2 密碼的簡并性 degeneracy 3 密碼的通用性 universality 連續(xù)性 編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀 密碼間既無間斷也無交叉 三聯(lián)子密碼是連續(xù)的 commaless 和非重疊 non overlapping 即每個堿基都參與構(gòu)成密碼子且只參與構(gòu)成一個密碼子 簡并性 由一種以上密碼子編碼同一個氨基酸的現(xiàn)象稱為簡并 degeneracy 對應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子 synonymouscodon 密碼子前兩位堿基相同 第三位堿基不同仍編碼相同的氨基酸簡并性現(xiàn)象決定了 同義突變 的存在 即DNA或mRNA序列中一個核苷酸的改變 點突變 可能并不影響其編碼的多肽鏈中氨基酸的性質(zhì)和序列 減少了變異對生物的影響 偏愛性 preference 編碼同一種氨基酸的幾個同義密碼子在基因組中的使用頻率可能不同 使用頻率高的稱為偏愛密碼子 Preferredcodon 使用頻率低的稱為稀有密碼子 rarecodon 原核生物和真核生物有著各自的密碼偏愛性 如 脯氨酸的密碼子有CCC 真核生物 和CCG 原核生物 某一種密碼子的使用頻率與細(xì)胞內(nèi)相應(yīng)的tRNA的豐度一致 二者之間的相互協(xié)調(diào)有利于細(xì)胞內(nèi)某一氨基酸含量高的蛋白質(zhì)的順暢表達(dá) 通用性 蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼 從原核生物到人類都通用 理論意義 這對進(jìn)化過程中生物物種的穩(wěn)定性及物種之間的相互聯(lián)系與溝通是十分重要的 實踐意義 這對現(xiàn)代基因工程 利用低等細(xì)胞生成包括人類在內(nèi)的高等哺乳動物基因產(chǎn)物提供了可能性 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外 如動物細(xì)胞的線粒體 植物細(xì)胞的葉綠體 3 閱讀框 readingframe 閱讀框 mRNA分子上從一個起始密碼子到其下游第一個終止密碼子所界定的一段編碼序列mRNA中的編碼序列在被核糖體閱讀和翻譯時 從起始到終止都是以不重疊和不停頓的方式連續(xù)進(jìn)行的 即從mRNA5 端開始 以三個核苷酸為一組的方式進(jìn)行 因此 就有可能存在三種閱讀框架 每一種框架只相差一個堿基的位移 三種框架的出現(xiàn)完全取決于哪一個核苷酸作為第一個密碼子的第一個堿基 通常情況下 在三種框架中 只有一種能夠正確地編碼有功能活性的蛋白質(zhì) 而其它的閱讀框架往往由于頻繁出現(xiàn)終止密碼子而被封閉開放閱讀框架 openreadingframe ORF 指從AUG開始到終止密碼子處的正確可讀序列 基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失 可能導(dǎo)致框移突變 frameshiftmutation 二 tRNA既是氨基酸轉(zhuǎn)運工具又是讀碼器 一種氨基酸可能有幾種tRNA 它們稱為同工tRNA一種tRNA可能識別幾個不同的密碼子 但它們一定是同義密碼子研究發(fā)現(xiàn) mRNA密碼子的第三堿基和tRNA反密碼子的第一堿基為擺動位置 wobbleposition 該位置存在非Watson Crick堿基對 1966年 Crick擺動假說 wobblehypothesis 1 反密碼子的第二 三堿基與密碼子的相應(yīng)堿基形成Watson Crick堿基對 對密碼子的特異性起決定作用2 反密碼子的第一堿基決定其識別的密碼子數(shù)3 第一 二堿基存在區(qū)別的同義密碼子由不同的tRNA識別4 識別61個密碼子至少需要32種tRNA 其中包括一種起始tRNA 一個tRNA究竟能識別多少個密碼子是由反密碼子的第一位堿基的性質(zhì)決定的 完整的核糖體復(fù)合體有三個tRNA結(jié)合位點 A位點 aminoacylsite 結(jié)合氨酰tRNAP位點 Peptidylsite 結(jié)合肽酰tRNAE位點 exitsite 結(jié)合脫酰tRNAA位點和P位點定位于30S小亞基與50S大亞基的結(jié)合區(qū)域 E位點定位于50S大亞基上 三 核糖體是蛋白質(zhì)的合成機(jī)器 第二節(jié)氨基酸的負(fù)載 氨基酸負(fù)載 指氨酰tRNA合成酶催化氨基酸與相應(yīng)的tRNA縮合生成氨酰tRNA氨酰tRNA中的氨?；ctRNA以高能酯鍵連接 所以氨基酸負(fù)載也稱為氨基酸活化 1 氨基酸必須由tRNA負(fù)載 2 負(fù)載由氨酰tRNA合成酶催化 氨酰tRNA合成酶有20種 每一種都識別并催化一種氨基酸與其tRNA 包括同工tRNA 的3 羥基連接具有高度特異性 對底物氨基酸和tRNA 具有校正活性作為共同的書寫規(guī)則 用tRNAGly表示將要接受甘氨酸 Glysine 的tRNA 而用Gly tRNAGly表示對應(yīng)的氨基酰 tRNA 3 原核生物起始Met tRNAfMet需要甲酰化 在細(xì)菌中 起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸 所以 與核糖體小亞基相結(jié)合的是N 甲酰甲硫氨酰 tRNAfMet 可以與延伸中的Met tRNAMet區(qū)分開 真核生物中 多肽合成是從生成甲硫氨酰 tRNAiMet開始的 體內(nèi)存在兩種tRNAMet 只有甲硫氨酰 tRNAiMet能與40S小亞基相結(jié)合 起始肽鏈合成 普通tRNAMet攜帶的甲硫氨酸只能被摻入正在延伸的肽鏈中 第三節(jié)原核生物蛋白質(zhì)的合成 蛋白質(zhì)生物合成的過程是由一組RNA相互協(xié)調(diào)配合 共同作用的結(jié)果蛋白質(zhì)生物合成的概況如下 以mRNA作為模板 核糖體從mRNA的5 3 方向進(jìn)行閱讀 蛋白質(zhì)合成的方向是N端 C端 翻譯過程依賴于氨基酰 tRNA來搬運特異的氨基酸 并借助于自身的反密碼子 通過密碼 反密碼之間的堿基配對來識別mRNA上的對應(yīng)密碼子翻譯過程是在核糖體上進(jìn)行的 大致可以區(qū)分為三個步驟 即起始 延長和終止 一 翻譯起始 核糖體與mRNA fMet tRNAfMet裝配成70S起始復(fù)合體的過程包括核糖體解離 30S小亞基與mRNA結(jié)合 30S起始復(fù)合體形成 70S起始復(fù)合體形成 30S小亞基與mRNA結(jié)合 SD序列 Shine DalgarnoSequence 原核生物mRNA的核糖體結(jié)合位點 位于5 非翻譯區(qū) 包括起始密碼子上游8 13nt處的一段保守序列S D序列是原核細(xì)胞中mRNA和核糖體識別 結(jié)合的位點 S D序列具有保守序列 5 AGGAGGU 3 原核細(xì)胞核糖體小亞基16SrRNA具有3 UCCUCCA 5 保守序列 二者正好互補(bǔ) 核糖體借此判定翻譯的起始位點 30S小亞基與翻譯起始因子IF l IF 3的作用下通過mRNA的SD序列與之相結(jié)合 IF 3 IF 1 IF 3 IF 1 30S起始復(fù)合體構(gòu)成 30S小亞基 mRNA fMet tRNAfMet GTP IF I IF 2 IF 3各一分子 只有fMet tRNAfMet能與第一個P位點相結(jié)合 其他所有tRNA都必須通過A位點到達(dá)P位點 再由E位點離開核糖體 3 30S起始復(fù)合體形成 在IF 2和GTP的幫助下 fMet tRNAfMet進(jìn)入小亞基的P位 tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配對 IF 3 IF 1 IF 2 GTP GDP Pi 帶有tRNA mRNA和3個翻譯起始因子的小亞基復(fù)合物與50S大亞基結(jié)合 GTP水解 釋放翻譯起始因子 4 70S起始復(fù)合體形成 二 翻譯延長 肽鏈的延伸過程實際上是一個循環(huán)反應(yīng)每一個循環(huán)包括三步反應(yīng) 即進(jìn)位 entrance 成肽 peptidebondformation 移位 translocation 每一個循環(huán)使肽鏈延長一個氨基酸長度 進(jìn)位 mRNA上第二個密碼子對應(yīng)的氨基酰 tRNA結(jié)合到核糖體小亞基上的A位 該結(jié)合反應(yīng)需要GTP 并為延長因子EF T所催化 GTP EF T AA2 tRNA A位 成肽 在肽?；D(zhuǎn)移酶的催化下 在P位上氨基酰的C 末端與A位上氨基酰 tRNA的氨基之間形成肽鍵 肽酰基轉(zhuǎn)移酶 C 端 P位 N 端 A位 肽鍵 是由轉(zhuǎn)肽酶 肽基轉(zhuǎn)移酶催化 肽鏈合成方向N端 C端 轉(zhuǎn)位 在其后的轉(zhuǎn)位過程中 由于tRNA的離開而空出P位 新生的肽?；鵷RNA即從A位移至P位 核糖體沿著mRNA移動一個密碼子的距離 剛好使其進(jìn)入A位 如此反復(fù)循環(huán) 肽鏈不斷延伸 延長因子EF G有轉(zhuǎn)位酶 translocase 活性 可結(jié)合并水解1分子GTP 促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3 側(cè)移動 fMet fMet 三 翻譯終止 當(dāng)三個終止密碼子中的任何一個出現(xiàn)在A位時 將促使與釋放因子的結(jié)合 進(jìn)而激活一系列終止過程包括 肽基轉(zhuǎn)移酶活性改變 P位點肽酰tRNA水解 多肽水解 tRNA和mRNA脫落核糖體 核糖體分解為大 小亞基等 然后肽鏈合成進(jìn)入新的一輪循環(huán) 轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián) 第四節(jié)真核生物蛋白質(zhì)的合成 一 翻譯的起始與原核生物有幾點不同 真核生物起始Met tRNAi不需要甲?；婧松飉RNA沒有SD序列 核糖體結(jié)合位點是其5 端帽子結(jié)構(gòu)真核生物mRNA含Kozak序列 其包含的起始密碼子是翻譯起始位點 真核生物的mRNA沒有S D序列 核糖體 小亞基 識別5 端帽子結(jié)構(gòu) 隨后移動到起始密碼子處 起始密碼子常處于 CCRCCAUGG 序列之中 這段保守序列的存在能增加翻譯起始的效率 這段序列即Kozak序列 Kozak序列 起始掃描模型 真核生物的mRNA沒有S D序列 核糖體 小亞基 識別5 端帽子結(jié)構(gòu) 隨后移動到起始密碼子處 起始密碼子常處于 CCACCAUGG 序列之中 這段保守序列的存在能增加翻譯起始的效率 這段序列即Kozak序列 真核生物翻譯起始復(fù)合物形成 區(qū)別原核生物 原核生物 30S小亞基首先與mRNA模板相結(jié)合 再與fMet tRNAfMet結(jié)合 最后與50S大亞基結(jié)合 真核生物 40S小亞基首先與Met tRNAMet相結(jié)合 再與模板mRNA結(jié)合 最后與60S大亞基結(jié)合生成80S mRNA Met tRNAMet起始復(fù)合物 二 翻譯延長 三 翻譯終止 終止階段基本一致 釋放因子有區(qū)別真核生物有兩種釋放因子 eRF1和eRF3eRF1可以識別全部三種終止密碼子eRF3具有GTP酶活性 作用與原核生物的RF3一致 第五節(jié)蛋白質(zhì)的翻譯后修飾 翻譯后修飾 Post translationalmodification 指由核糖體合成的肽鏈進(jìn)一步經(jīng)歷各種變化 特別是各種化學(xué)反應(yīng) 以改變結(jié)構(gòu) 性質(zhì) 活性 甚至改變壽命蛋白質(zhì)翻譯后修飾內(nèi)容豐富一級結(jié)構(gòu)的修飾 例如肽鍵水解 側(cè)鏈修飾 又有空間結(jié)構(gòu)的修飾 例如肽鏈折疊 亞基裝配不可逆修飾 例如羥基化 又有可逆修飾 例如磷酸化與去磷酸化不同修飾內(nèi)容進(jìn)行的時機(jī)或場所不盡相同 在蛋白質(zhì)多肽鏈的合成過程中 合成完成后 靶向轉(zhuǎn)運或分泌過程中 到達(dá)功能場所后 參與細(xì)胞代謝時 最終被降解時 都可能進(jìn)行 蛋白質(zhì)構(gòu)象病錯誤折疊的蛋白質(zhì)能互相聚集 形成淀粉樣沉淀而致病 這類疾病稱為蛋白質(zhì)構(gòu)象病 盶病毒病 阿爾茨海默病 Alzheimerdisease 帕金森病 Parkinsondisease 等 第六節(jié)蛋白質(zhì)的靶向轉(zhuǎn)運 胞漿內(nèi)各種蛋白質(zhì) 游離核糖體分泌蛋白 膜蛋白和溶酶體蛋白 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核糖體靶向轉(zhuǎn)運 或分選 蛋白質(zhì)向功能場所轉(zhuǎn)運的過程整個轉(zhuǎn)運過程可以分為兩個階段 蛋白質(zhì)向細(xì)胞器轉(zhuǎn)運 通常在蛋白質(zhì)合成過程中或合成剛結(jié)束時進(jìn)行 蛋白質(zhì)在該階段分別進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 線粒體或細(xì)胞核等轉(zhuǎn)運到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)入分泌途徑 高爾基體蛋白 溶酶體蛋白和細(xì)胞膜蛋白都以小泡 vesicle 形式通過分泌途徑轉(zhuǎn)運 第七節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的抑制劑 1 氨基糖苷類 抑制革蘭陰性菌的蛋白質(zhì)合成 鏈霉素 卡他霉素 慶大霉素 阿米卡星 G4182 大環(huán)內(nèi)酯類 抑制葡萄