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15 蛋白质的生物合成.ppt

15 蛋白质的生物合成

小猴o0
2011-07-02 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《15 蛋白质的生物合成ppt》,可适用于高等教育领域

第十五章    蛋白质的合成蛋白质合成概述DNA:ATGCATGCATGCRNA:AUGCAUGCAUGCPROTEIN:aaaaaaaa什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列呢?如何实现碱基序列到氨基酸序列的转变?第一节              mRNAmRNA的概念首先是由FJacob和JMonod年提出来的.因为当时已经知道编码蛋白质的遗传信息载体DNA是在细胞核中而蛋白质的合成是在细胞质中于是就推测应该有一种中间信使在细胞核中合成后携带上遗传信息进入细胞质中指导蛋白质的合成后来经过众多科学家的实验发现了除rRNA和tRNA之外的第三种RNA,它起着这种遗传信息传送的功能,称为信使RNA(mRNA)。mRNA的半衰期很短,很不稳定,一旦完成其使命后很快就被水解掉。原核生物和真核生物mRNA的结构差异教大尤其是在’端。一、     原核生物mRNA的结构()   ’端SD序列PP在起始密码子AUG上游个核苷酸处有一段可与核糖体SrRNA配对结合的、富含嘌呤的个核苷酸的共同序列一般为AGGA此序列称SD序列。它与核糖体小亚基内SrRNA的’端一段富含嘧啶的序列GAUCACCUCCUUAOH(暂称反SD序列)互补形成氢键。使得结合于S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG。()   原核mRNA分子许多是多顺反子。转译时各个基因都有自己的SD序列、起始密码子、终止密码子分别控制其合成的起始与终止也就是说每个基因的翻译都是相对独立的。如Ecoli一个b的mRNA编码种与Trp合成有关的酶二、     真核生物mRNA的结构()   真核生物mRNA’端均具有mGpppN帽子结构无SD序列。帽子结构具有增强翻译效率的作用。若起始AUG与帽子结构间的距离太近(小于个核苷酸)就不能有效利用这个AUG会从下游适当的AUG起始翻译。当距离在个核苷酸之间时离体翻译效率与距离成正比。()   真核生物mRNA通常是单顺反子。真核mRNA具有“第一AUG规律”即当’端具有数个AUG时其中只有一个AUG为主要开放阅读框架的翻译起点。起始AUG具有二个特点:()AUG上游的经常是嘌呤尤其是A。()紧跟AUG的常常是G。起始AUG邻近序列中以ANNAUGGN的频率最高。若不是A则必须是G。无此规律的AUG则无起始功能。有关mRNA发现及其证实的细节看书P第二节              遗传密码我们已经知道,多肽上氨基酸的排列次序最终是由DNA上核苷酸的排列次序决定的而直接决定多肽上氨基酸次序的是mRNA上的核苷酸的排列次序,不论是DNA还是mRNA都是由种核苷酸构成而组成多肽的氨基酸有种,显然,必须是几个核苷酸的组合编码一个氨基酸才能应付局面用数学方法很容易算出,如果每个核苷酸编码个氨基酸,那么种核苷酸只有中编码方式显然不行,如果每个核苷酸编码个氨基酸,则有种编码方式,很理想,如果对则有种,太没必要也太复杂了,时刻记住生物体是一个最理想的体系而且科学家们用生物化学实验已经证实是个碱基编码个氨基酸,称为三联体密码或密码子。那么让我们看一下遗传密码是如何破译的。一、     遗传密码的破译在遗传密码的破译中,美国科学家MWNirenberg等人做出了重要贡献,并于年获得了诺贝尔生理医学奖早在年MWNirenberg等人在大肠杆菌的无细胞体系中外加poly(U)模板、种标记的氨基酸经保温后得到了多聚phephephe于是推测UUU编码phe。利用同样的方法得到CCC编码proGGG编码glyAAA编码lys。如果利用poly(UC)则得到多聚SerLeuSerLeu推测UCU编码SerCUC编码Leu因为poly(UC)有两种读码方式:UCUCUC和CUCUCU采用这种方式到年就全部破译了组密码子见表P。二、     遗传密码的特点在个密码子中有个编码氨基酸个不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用称为终止密码子它们是UAG、UAA、UGA密码子AUG(编码Met)又称起始密码子。密码子:mRNA上由三个相邻的核苷酸组成一个密码子代表肽链合成中的某种氨基酸或合成的起始与终止信号。()方向性:从mRNA的’到’()连读性编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个地线形排列密码子之间既不重叠也不间隔从起始密码子到终止密码子构成一个完整的读码框架(不包括终止子)又称开放阅读框架(ORF)。那么如果在阅读框中插入或删除一个碱基就会使其后的读码发生移位性错误(称为移码)。需要指出的是两个基因之间或两个ORF之间可能会互相部分重叠(共用部分序列)。()简并性几种密码子编码一种氨基酸的现象称为密码子的简并性。如GGN(GGA、GGU、GGG、GGC)都编码Gly那么这种密码子就称为Gly的简并密码。只有Met和Trp没有简并密码。一般情况下密码子的简并性只涉及第三位碱基。­    问题:简并性的生物学意义?A、可以降低由于遗传密码突变造成的灾难性后果试想如果每种氨基酸只有一个密码子那么剩下的个密码子都了终止子如果一旦哪个氨基酸的密码子发生了单碱基的点突变那么极有可能造成肽链合成的过早终止。如GUU编码Ala由于简并性的存在不论第三位的U变成什么都仍然编码AlaB、可以使DNA上的碱基组成有较达的变化余地而仍然保持多肽上氨基酸序列不变(意思基本同上)。()摇摆性密码子中第三位碱基与反密码子第一位碱基的配对有时不一定完全遵循AU、GC的原则也就是说密码子的碱基配对只有第一、二位是严谨的第三位严谨度低Crick把这种情况称为摇摆性有人也称摆动配对或不稳定配对。显然密码子的第三位和反密码子的第一位是摇摆位点。具体说来反密码子第一位的G可以与密码子第三位的C、U配对U可以与A、G配对另外反密码子中还经常出现罕见的I可以和密码子的U、C、A配对这使得该类反密码子的阅读能力更强。见表P­    问题:细胞内有几种tRNA?当遗传密码破译后由于有个密码子编码氨基酸于是人们预测细胞内有种但事实上绝大多数细胞内只有种左右Crick也正是在这种情况下提出了摇摆假说并合理解释了这种情况。根据摇摆性和个密码子经过仔细计算要翻译个密码子至少需要种tRNA外加个起始tRNA共需种。但是在叶绿体和线粒体内由于基因组很小用到的密码子少那么叶绿体内就有种左右tRNAs线粒体只有种。()通用性:密码子在不同物种间几乎是完全通用的。目前只发现线粒体和叶绿体内有列外情况这也是如火如荼的转基因的前提。但要注意的是不同生物往往偏爱某一种密码子。第三节              核糖体核糖体又称核蛋白体它是蛋白质合成的场所:标记各种aa注入大鼠体内在不同时间取出肝脏匀浆离心分离各种亚细胞器分析放射性蛋白的分布证实蛋白质的合成是在核糖体上进行的。对于真核细胞来说核糖体按其在细胞质中的位置分为游离核糖体(合成细胞质蛋白)和内质网核糖体(合成分泌蛋白和细胞器蛋白)。不论原核细胞还是真核细胞一条mRNA可以被同时几个核糖体阅读把同时结合并翻译同一条mRNA的多个核糖体称为多核糖体。一、     核糖体的结构与组成核糖体是由核糖核酸(称为核糖体核酸,rRNA)和几十种蛋白质分子(核糖体蛋白)组成的一个巨大的复合体。不同类型生物中核糖体的结构高度保守尽管其rRNA和核糖体蛋白的一级结构有所不同但其三级结构却惊人的相似。核糖体的大亚基上有两个重要的位点:P位点是结合肽酰tRNA的肽酰基的位点A位点是结合氨酰tRNA的氨酰基的位点。每个核糖体是由大小两个亚基组成每个亚基都有自己不同的rRNA和蛋白质分子表P二、     rRNA与核糖体蛋白的结构与功能(一)、             rRNA的结构与功能结构:有大量的茎环(发夹)结构结构复杂可能是核糖体的钢筋骨架。功能:()蛋白质合成的施工平台(骨架)()催化肽键形成的转移酶活性存在于SrRNA上有人小心的去掉细菌核糖体的蛋白质组分保持rRNA的相对完整性发现蛋白质的合成仍可进行。()参与tRNA与mRNA的结合可能的情况是:mRNA先识别rRNA的特定序列并结合固定下来,然后tRNA再识别并固定到rRNA特定的部位其反密码子才与mRNA密码子配对。已经知道SrRNA上有一段序列与原核mRNA上的SD序列相结合。()在大小亚基的聚合中起重要作用()在翻译的校正和翻译的调控方面有重要功能(如可结合调控因子)总的来说RNA分子似乎是整个核糖体的活跃的活性中心。(二)、             核糖体蛋白的结构与功能结构:大多数核糖体蛋白呈纤维状(可能起骨架作用)少数呈球状(可能起生物功能)。功能:()维持核糖体的结构()新发现:一些核糖体蛋白具有DNA结(HeilixturnHeilix模块)还有些真核核糖体蛋白具有DNA修复功能问题:既然蛋白质是在核糖体中合成的那么第一个核糖体中的蛋白组分又是怎样合成的?第一个核糖体又是怎样出现的?先有DNA还是先有蛋白质?大多数科学家越来越支持RNA起源论既然核糖体中既有蛋白质又有RNA那么彻底搞清楚核糖体的结构与功能及其起源也许会弄清生命的起源和演化。RNA起源论:第一个生活细胞里出现的是RNA分子他同时具有信息储藏和生物演化的双重特性也就是说既可以在一定程度上复制自己又可以催化一些最初的生化反应后来随着活细胞的进化DNA逐渐出现并成为更为稳定的遗传信息储存分子。第四节              蛋白质合成的机理真核生物和原核生物在蛋白质合成方面有许多共同之处因此我们先学习蛋白质合成的一般过程然后分别看一下原核和真核蛋白质合成的具体过程。游离氨基酸在掺入肽链以前必须活化以获得额外的能量每一种游离氨基酸首须在专一的氨酰tRNA合成酶的帮助下与专一的tRNA相连(有人称装载LOAD)然后由tRNA负责将它带到核糖体上的特定位点(A位点上)并添加到正在合成的肽链C末端这种从游离氨基酸到形成氨酰tRNA的过程既是氨基酸的活化过程也是肽链每合成一步或延伸一步的必经准备阶段。下边我们先看一下这个过程是怎样完成的?一、     氨酰tRNA合成酶:氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白质生物合成的第一步由氨酰tRNA合成酶催化。氨酰tRNA合成酶既能识别氨基酸又能识别tRNA。(一)、             活化在Mg的存在下氨酰tRNA合成酶首先识别并结合专一的配体氨基酸然后氨基酸的羧基与细胞环境中的ATP发生反应形成一个酸酐型的高能复合物(氨酰AMP中间复合物)。该中间复合物暂时结合在酶上。 酶Mg氨基酸ATP氨酰AMP酶PPI(二)、             连接由于氨酰tRNA合成酶上还存在专一的tRNA识别位点因此特定的游离tRNA就会识别并结合到氨酰AMP酶复合物的活性部位此时氨基酸就会被转移到tRNA的端其羧基与tRNA端的自由OH形成氨酰酯键从而形成氨酰tRNA这也是一个高能化合物其能量足以形成肽键。由于氨酰tRNA能量低于氨酰AMP所以这一过程是可以自发的。tRNA 氨酰AMP酶氨酰tRNAAMP酶 氨基酸一旦与tRNA形成氨酰tRNA后进一步的去向就由tRNA来决定了tRNA凭借自身的反密码子与mRNA上的密码子相识别从而把所携带的氨基酸送到肽链的一定位置上。每一个密码子对应的肽链位置上都能掺入正确的氨基酸。结论:()氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白质生物合成的第一步每一种氨基酸在被掺入肽链之前都首先被活化和连接在专一tRNA上活化和连接都发生在氨基酸的羧基上。()载体tRNA凭借自身的反密码子与mRNA上的密码子相识别而把所携带的氨基酸送到肽链的一定位置上()遗传信息是通过mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子间碱基配对作用翻译出来的。氨酰tRNA合成酶:每一种氨基酸都有至少一种专一的氨酰tRNA合成酶它即能识别氨基酸又能识别tRNA从而把特定的氨基酸连到对应的tRNA上有人也把氨酰tRNA合成酶的双向识别功能称为第二遗传密码。不同的氨酰tRNA合成酶在分子量、氨基酸序列、亚基组成上差异较大。它是如何识别氨基酸的呢?仍不甚清楚。一些氨基酸由于结构上的显著特征容易识别如大小不同(Trp与Gly)带正负电荷(lys,asp)而一些氨基酸结构极其相似如Ile与Val仅差一个甲基。尽管如此tRNAIle合成酶也能正确识别但有时也能错误的形成Val–tRNAIle但是每一种氨酰tRNA合成酶都有一个校正位点由于大小原因只有Val–tRNAIle才能结合到校正位点然后合成酶将Val又从tRNAIle上将其水解下来。氨酰tRNA合成酶还能正确的识别和结合tRNA对于一些酶来说tRNA上的反密码子是其识别特征此外tRNA上的受体茎环(acceptorstem)也是识别特征。tRNA分子的突变与校正基因可以说tRNA是一个万能接头:()对氨酰tRNA合成酶的识别位点(接头合成酶)()端CCA上的氨基酸运载位点(接头氨基酸装载)()对核糖体的识别位点(将氨基酸运送到目的地)()反密码子位点(接头MRNA验货并卸载)同复突变:突变型生物有时重所获得其原有的性状这是通过突变型遗传物质的化学变化而发生的。这种变化使遗传物质恢复到有功能的状态重所获得原有的表型这种过程称为回复被回复的生物称为回复子。回复突变的原因很多其中有一种回复突变是由其在基因上发生一个突变引起的这称为基因校正突变。大多数较正突变发生在tRNA基因上。举例:基因间校正突变图当有某种tRNA突变分子出现时必定还有可以识别正常密码子的该种tRNA存在。二、     蛋白质合成的一般过程蛋白质合成的一般过程如图可以分为三个阶段:起始、延伸、终止分别由不同的起始因子、延伸因子和终止因子(释放因子)参与。(一)、             翻译起始()小亚基与mRNA结合()起始氨酰tRNA进入P位点它的反密码子与mRNA上的起始密码子AUG碱基配对。()大亚基与小亚基结合形成起始复合物。(二)、             延伸方向:mRNA新生肽:NC()就位:第二个氨酰tRNA通过密码子反密码子的配对作用进入核糖体的A位点(氨基位点)。()转肽:在大亚基上肽酰转移酶(peptidyltransferase)的作用下A位点氨基酸的A氨基亲核攻击P位点氨基酸的羧基基团并形成肽键结果两个氨基酸均连到了A位点的tRNA上该过程称为转肽作用(transpeptidation)此时P位点上卸载的tRNA从核糖体上离开。()移位(translocation也可称转位):核糖体沿着mRNA移动个密码子位置携带肽链的tRNA转位到P位点A位点空出以便接纳下一个氨基酸。(三)、             终止由于终止密码子不能结合任何氨酰tRNA于是肽链合成的终止因子(又称释放因子)识别并结合到终止密码子上接着肽转移酶的酯化酶功能转变成水解功能将肽链从P位点tRNA上水解掉核糖体释放掉mRNA并解体成大小亚基翻译结束。在翻译过程中除了核糖体大小亚基、mRNA和氨酰tRNA外还需要GTP和许多蛋白辅助因子。这些辅助因子有的起催化作用有的起改变和稳定构象作用。(四)、             翻译后加工不论原核生物还是真核生物翻译完成后一些肽链能直接折叠成最终的活性形式不需要加工修饰然而经常的情况是新生肽链需要加工修饰(称为翻译后加工或修饰)包括:()切除部分肽段(蛋白酶)、()在特定氨基酸残基的侧链上添加一些基团(共价修饰)、()插入辅因子还有些单肽要聚合成多亚基蛋白。翻译后加工有两方面目的:()功能需要()定向转运的需要(这在真核生物中尤为复杂合成的蛋白要定向运输到细胞质、质膜、各种细胞器如叶绿体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体等)。尽管原核生物与真核生物在蛋白质合成方面有许多相似之处但也存在差异这些差异正是一些抗生素治疗和研究应用的基础。见表 表蛋白质合成的选择性抗生素抑制剂抗生素作用氯霉素与S亚基结合抑制原核肽转移酶cycloheximide抑制真核肽转移酶活性Erythromycin抑制原核肽链延伸链霉素、卡那霉素结合到原核S亚基上引起读妈错误导致合成的多肽连一级结构改变Tetracycline与S亚基结合干扰氨酰tRNA的结合三、     原核生物的蛋白质合成原核生物(大肠杆菌)每秒钟可翻译个氨基酸比真核生物快得多而真核生物每分钟才大约个氨基酸。(一)、 翻译起始(图)翻译是从形成起始复合物开始的在原核生物中该过程需要三个起始因子参与:IFIF和IF。(IF的功能尚不清楚)。()IF首先结合在S亚基上防止它过早地与S亚基结合。()mRNA结合到S亚基上。原核mRNA上在距起始密码子上游约bp处有一段很短的(约bp)富含嘌呤的区域称为SD序列它能与S亚基上的SrRNA端的一段互补序列(不妨称反SD序列)配对结合mRNA正是通过其SD序列与SrRNA的配对结合而使它处于核糖体上的恰当的位置并使起始密码子AUG处于P位点。SD序列与SrRNA的配对还为识别起始密码子和Met密码子提供了一种机制。原核多顺反子mRNA上的每一个基因都有自己的SD序列、起始密码子和终止密码子每一个基因的翻译都是相对独立的。()IF、fMettRNAfmet结合到S亚基上IF是一个GTP结合蛋白它先与S亚基结合并促使起始氨酰tRNA的密码子与mRNA上的AUG结合(P位点)。原核生物的起始氨酰tRNA是N甲酰甲硫氨酰tRNA(fMettRNAfmet)。()S大亚基结合到S小亚基上形成起始复合物。GTP水解成GDP释放的能量引起S亚基构象变化S亚基结合到S亚基上同时IF和IF释放。因此原核生物肽链合成的起始复合体由mRNA、S核糖体、fMettRNAfMet组成。()IF首先结合在S亚基上防止它过早地与S亚基结合。()mRNA结合到S亚基上。()IF、fMettRNAfmet结合到S亚基上()S大亚基结合到S小亚基上形成起始复合物。(二)、             延伸肽链延伸分三步进行:()新的氨酰tRNA进入核糖体的A位点()肽键形成(转肽)()核糖体移位(转位)。这三步构成了肽链延伸的一个循环。、          新氨酰tRNA入位图首先在进入A位点之前新氨酰tRNA必须与延伸因子EFTUGTP结合。延伸因子EFTU是一个GTP结合蛋白参与氨酰RNA的就位。氨酰RNA就位后EFTUGTP水解EFTUGDP从核糖体上释放下来在第二个延伸因子EFTs帮助下EFTuGDP释放掉GDP并重新结合一分子GTP再生成EFTuGTP。、          肽键形成(转肽)肽键是在肽酰转移酶催化下形成的现在认为肽酰转移酶活性存在于S亚基SrRNA上。驱动肽键形成的能量由P位点上的氨基酸与它的tRNA的高能肽酰酯键提供。新肽键形成后P位点卸载的tRNA就离开核糖体。嘌呤霉素抑制肽键形成、          核糖体移位。移位需要另一个GTP结合蛋白EFG(延伸因子G又叫移位酶)的参与。现在认为GTP水解成GDP时释放出的能量促使核糖体构象发生变化驱动肽酰tRNA从A位点移动到P位点。空下的A位点等待接纳下一个氨酰tRNA。EFTu:机动蛋白(motorprotein)多亚基的复合体(如核糖体)就象一个生化机器。它由几个相互作用的工作部件组成。机械性的工作是力与距离的产物。每一个生化机器的设计都能非常准确地保证所施用的力的量、所产生运动的量与方向最后完成一项特定的工作。其中的力通常由核苷酸结合蛋白提供称为NTPae实质上是机动蛋白(motorprotein或称机械化学转换器mechanochemicaltransducers)因为NTP(ATP和GTP)的水解所造成的它自身构象的变化驱动了相连分子的构象向所需的方向转变。这种NTP水解驱动的构象变化主要定位于一个固定化的结构单元(称为开关)。EFTu就是一个广泛研究的GTP结合机动蛋白。EFTu有三个结构域(domain)域1含有一个GTP结合位点和二个开关区域2通过一个柔软的肽段与域1相连。在结合GTP的活性状态下(EFTuGTP)EFTU有一个aatRNA结合位点。aa–tRNA与EFTuGTP结合后的整个结构称为三元复合体。EFTu的三个域都参与tRNA的结合。域3的几个氨基酸残基与tRNA的TφC环相互作用。aatRNA的反密码子从三元复合物上突出来以便与mRNA的密码子相互作用。在蛋白质合成时EFTuGDP(非活性状态)与EFTs相互作用释放出GDP随后域1的GTP结合位点结合一分子GTP并改变域1的两个开关区的构象结果使域1与域2靠近形成1个aa-tRNA结合缝(bindingcleft)。一旦一个aa–tRNA结合到该裂缝中三元复合物就进入核糖体aatRNA的反密码子与A位点上mRNAD的密码子可逆结合核糖体构象的变化触发EFTu的GTP结合位点的构象变化随后GTP水解使域1与域2分开aa–tRNA被释放下来EFTUGDP离开核糖体。(三)、             终止当终止密码子(UAA,UAG,UGA)进入A位点时肽链合成就进入终止期。原核生物有三个释放因子(RF,RF,RF)参与终止。RF识别UAA和UAGRF识别UAA与UGA,RF作用尚不清楚可能促进RF与RF结合。这种识别过程需要GTP并改变了核糖体的构象肽酰转移酶的功能发生瞬时变化转变成酯酶功能将连接肽链与P位点tRNA的肽酰酯键水解开肽链从核糖体上释放mRNA与tRNA解离核糖体解体。原核生物蛋白质合成中的能量计算(合成一个二肽) ATPA(GTP)高能键甲酰甲硫氨酰tRNA合成ATPAMP起始(IF)GTPGDP第二个aatRNA合成ATPAMP第二个aatRNA进入核糖体(EFTU)GTPGDP核糖体移位(EFG)GTPGDP终止(?)GTPGDP合成二肽(形成一个肽链)需个高能键其后每加一个aa需个高能键。例:合成个aa残基的多肽×=n=×=(真核:起始多个ATP和个GTP)(四)、             原核生物的翻译后加工一些新生肽链从核糖体上释放下来后就直接折叠成最终的三维结构。但多数情况下是新生肽要经过一系列的加工修饰才具有功能。有关翻译后加工修饰的许多信息都来自真核生物中的研究但是原核细胞中的多肽也要经过几种类型的共价修饰。、          切除加工包括去掉N端的甲酰甲硫氨酸和信号肽序列。信号肽(Signalpeptide)也叫引导肽(leaderpeptide)是决定多肽最终去向的一段序列通常较短典型情况下位于N端。在细菌中的一个例子就是多肽要插入细胞质膜必须借助信号肽序列。、          糖基化尽管在原核生物中绝大多数的复合糖是糖酯但是也有少量的糖蛋白的报道例如Halobacterium细胞表面的糖蛋白有关原核生物糖基化的机制及其功能都还不知道。、          甲基化甲基转移酶利用硫酰苷甲硫氨酸对特定蛋白进行甲基化修饰。在大肠杆菌和有关细菌中发现的一种甲基转移酶能甲基化膜结合的化学受体蛋白的谷氨酸残基。这种甲基转移酶和另外一种甲基酯酶催化的甲基化去甲基化过程在细菌趋化性的信号转导中起重要作用。、          磷酸化近年来已经发现由蛋白激酶和蛋白磷酸化酶催化的蛋白质磷酸化去磷酸化在原核生物中十分普遍。磷酸化去磷酸化的意义还不太清楚。目前只知在细菌趋化性和氮代谢调空中有瞬间的磷酸化作用。(五)、             原核生物的翻译调控蛋白质的合成是一个非常耗能的过程。每形成一个肽键要消耗个高能磷酸键(tRNA装载个aatRNA入位个移位个)。在大肠杆菌中用于合成的能量都给了蛋白质合成。因此其合成必然要受到严格的调控。在原核生物中蛋白质合成的调控多在转录的水平上(操纵子模型)有如下几个原因:()转录与翻译直接偶联转录后不久就开始翻译图()原核生物mRNA的半衰期很短大约~分钟随着环境条件的改变细胞内产生的mRNA种类会迅速改变。大多数mRNA被两种核酸外切酶降解:RNAaseII和多核苷酸磷酸化酶。除了转录调控机制外mRNA翻译速率也是调控位点。这种翻译速率的调控大多是由于SD序列的差异造成翻译起始效率的不同。因为SD帮助识别AUG和启动翻译的起始因此SD序列的变化能影响翻译的起始效率从而调控了mRNA的翻译速率。乳糖操纵子的基因产物有个:β半乳糖苷酶半乳糖透过酶半乳糖苷转甲基酶各个顺反子(即基因之间)常有一段非编码的间隔区。不同间隔区的长度变化可以在个之间甚至可以重叠。但是它们的翻译量是不等的硫代半乳糖苷转甲基酶的量只有β半乳糖苷酶的(硫代半乳糖苷酶的功能不清楚。乳糖发酵通常都是在不能产生它的突变细胞中进行的)。  乳糖将纵子产物Z基因产物:半乳糖苷酶Y基因产物:半乳糖透性粉A基因产物:半乳糖乙酰化酶 除了SD序列的差异外原核生物还有一种调控机制:相对过剩的蛋白质翻译产物对自身多顺贩子mRNA翻译的负调控。也就是说多顺贩子mRNA的其中一个产物相对过剩时能抑制整个多顺贩子mRNA的翻译。图原核核糖体的种蛋白质由个操纵子编码。细菌的良好生长要求这些蛋白质的合成之间及其与rRNA的合成之间协调起来。例如PL操纵子编码核糖体蛋白L和L如果L相对过剩就会占用了可利用的SrRNA结果抑制PLmRNA的翻译。在SrRNA缺乏的情况下L蛋白也会结合在PLmRNA的’端抑制自身操纵子的翻译。结论:()原核生物蛋白质的合成相对较快它需要起始因子IF、IF、I延伸因子EFTU、EFTS、EFG释放因子RF、RF、RF的参与。()尽管原核生物基因的表达多在转录水平上进行调控但翻译水平上的调控也时有发生包括SD序列对翻译起始的调控和相对过剩的翻译产物对自身多顺反子mRNA翻译的负调控。四、     真核生物的蛋白质合成蛋白质合成的研究最早是在哺乳动物细胞内进行的(入氨酰tRNA合成酶和tRNA的发现)但到年代后注意力却集中到了细菌。原因很简单细菌细胞易于培养细菌基因的表达较简单也易于操作。进入年代后真核细胞的蛋白质合成又变成了研究的热点。真核细胞的蛋白质翻译需要大量的蛋白因子翻译后加工和定向输送比原核复杂得多。(一)、             翻译起始真核的翻译起始比原核尤为复杂原因如下:()真核mRNA的二级结构更为多样和复杂()真核mRNA是经过多重加工的它被转录后首先要经过各种加工才能从细胞核进入细胞质中并形成各种各样的二级结构。一些mRNA与几种类型的蛋白质结合在一起形成一种复杂的颗粒状有时称核糖核蛋白粒(ribonucleoproteinparticle),在翻译之前它的二级结构必须改变其中的蛋白质必须被去掉。()核糖体需要扫描mRNA以寻找翻译起始位点真核mRNA没有SD序列来帮助识别翻译起点因此核糖体要扫描每一个mRNA。核糖体结合到mRNA的’端的帽子结构并向’端移动一寻找起始位点。这种扫描过程很复杂知之甚少真核的翻译起始用到的起始因子(eIF)至少有种多数的功能仍需进步研究。翻译起始物的形成过程如下:图 ()S小亚基(eIF)结合到(eIFGTP)MettRNAi复合物上形成S前起始复合物(Spreinitiationcomplex)这里eIFGTP介导了起始tRNA与S小亚基的结合然后eIFGDP通过eIFB(鸟苷酸释放蛋白)再生。此时由于eIF和S小亚基相结合eIF和S大亚基相结合所以小亚基暂时还不能与大亚基相结合。()mRNA结合到S前起始复合物上形成S起始复合物。该过程需要ATP另外还需要一些起始因子(eIFA、eIFB、eIFF、eIF)。eIFF结合在mRNA’端的帽子结构上eIFA(一种ATPase)和eIFB(一种helicase)改变mRNA的二级结构。对真核起始因子的鉴定发现一些起始因子是更大因子的组成亚基如eIFE(也称cap结合蛋白或CBPⅠ)就是由几个eIFF亚基组成。(eIFF常称为CBPⅡ)()S起始复合物扫描mRNA寻找适当的起始密码子(通常是’端附近的AUG)。()S复合物与S大亚基结合形成S起始复合物。该过程另需个GTP。此时S大亚基上的eIF已经被释放。在形成复合物过程中在eIF参与下eIFGTP水解成eIFGDP。eIFeIFeIFAeIFBeIFFeIF从起始复合物上释放。 因此真核生物肽链合成起始复合物由mRNA、S核糖体和MettRNAiMet组成。与原核相比真核起始多消耗了个ATP(形成S起始复合物)、个GTP(形成S起始复合物)。()S小亚基(eIF)结合到(eIFGTP)MettRNAi复合物上形成S前起始复合物(Spreinitiationcomplex)()mRNA结合到S前起始复合物上形成S起始复合物。()S起始复合物扫描mRNA寻找适当的起始密码子(通常是’端附近的AUG)。()S复合物与S大亚基结合形成S起始复合物。(二)、             延伸图与原核类似也可分为aatRNA的入位、转肽、移位三步反应。、          入位kD的延伸因子eEFαGTP与aatRNA结合引导aatRNA进入A位点aatRNA的反密码子如果与mRNA的密码子正确配对后eEFαGTP水解掉一个P随后eEFαGDP离开核糖体留下aatRNA。在eEFβ、eEFγ的帮助下eEFαGDP再生为eEFαGTP。在真菌(如酵母)中需要另一个延伸因子eEF与eEFα共同引导aatRNA的入位。、          肽键形成(转肽)核糖体大亚基的肽酰转移酶活性催化A位点α氨基亲核攻击P位点的aa的羧基在A位点形成一个新的肽键。P位点上卸载的tRNA从核糖体上离开、          移位移位需要一个kD的延伸因子eEFGTP。eEFGTP结合在核糖体未知的位置上GTP水解成释放的能量使核糖体沿mRNA移动一个密码子的位置然后eEFGDP离开核糖体。(三)、             终止真核细胞中有两个释放因子eRF和eRF(GTP结合蛋白)介导终止。当GTP结合到eRF后它的GTPase活性就被激活eRF和eRFGTP形成一个复合物当UAGUGAUAA进入A位点时该复合物就结合到A位点上接着GTP水解促使释放因子离开核糖体mRNA被释放核糖体解体成大小亚基新生肽在肽酰转移酶催化下被释放。真核生物蛋白质合成中的能量计算(合成一个二肽)ATPA(GTP)高能键甲硫氨酰tRNA合成ATPAMP起始(IF)GTPGDPATPADP第二个aatRNA合成ATPAMP第二个aatRNA进入核糖体(eEFαGTP)GTPGDP核糖体移位(eEFGTP)GTPGDP终止(eRFGTP)GTPGDP合成二肽(形成一个肽链)需个高能键其后每加一个aa需个高能键。例:合成个aa残基的多肽×=(n)=×=(四)、             真核生物的翻译后加工许多新生肽要经过一种或几种共价键修饰这种修饰可以在正延伸着的肽链中进行。一般情况下翻译后修饰一是为了功能上的需要另一种情况是折叠成天然构象的需要。包括:、          切除加工典型的情况包括切除N端甲硫氨酸、信号肽序列和切除部分肽段将无活性的前体转变成活性形式。我们知道一些酶的前体(称为前体酶proenzyme或酶原zymegen)只有切除特定的肽段后才能从无活性形式转变成活性形式。无活性的多肽前体称为前体蛋白(proprotein)图是胰岛素的翻译后加工包含信号肽的胰岛素前体称为前胰岛素原(preproinsulin)去掉信号肽的胰岛素的前体称为胰岛素原(proinsulin),进一步切除称为C链的肽段后才能形成活性形式的胰岛素(insulin)  蛋白质内含子年代初发现了两类新的内含子。一类是蛋白质内含子其DNA序列与外显子一起转录和翻译产生一条多肽链然后从肽链中切除与内含子对应的aa序列再把与外显子对应的氨基酸序列连接起来成为有功能的蛋白质。另一类是翻译内含子mRNA中存在与内含子对应的核苷酸序列在翻译过程中这一序列被“跳跃”过去因此产生的多肽链不含有内含子对应的氨基酸序列。、          糖基化真核生物中糖基化修饰很普遍但是糖基基团的功能还不是十分清楚。通常情况下分泌蛋白的寡糖链较复杂而内质网膜蛋白含有较高的甘露糖。图是N糖苷键型核心寡糖链的合成,它是在磷酸多萜醇上组装成的(多萜醇存在于所有细胞的细胞膜上磷酸化多萜醇主要存在于内质网膜)。、          羟基化在结缔组织的胶原蛋白和弹性蛋白中pro和lys是经过羟基化的。此外在乙酰胆碱酯酶(降解神经递质乙酰胆碱)和补体系统(参与免疫反应的一系列血清蛋白)都发现有羟辅氨酸。位于粗糙内质网(RER)上的三种氧化酶(脯氨酰羟化酶prolylhydroxylase脯氨酰羟化酶和赖氨酰羟化酶lysylhydroxylase)负责特定脯氨酸和赖氨酸残基的羟化。脯氨酰羟化酶只羟化Glyxpro脯氨酰羟化酶羟化GlyproHyp(Hyp:hydroxyproline)赖氨酸羟化酶只作用于GlyXlys胶原蛋的脯氨酸残基和赖氨酸残基羟化需要Vc饮食中Vc不足时就易患坏血症(血管脆弱伤口难愈)原因就是胶原纤维的结构不力(weakcollagenfiberstructure)。、          磷酸化蛋白磷酸化参与代谢调控和信号转导以及蛋白与蛋白之间的相互作用。例如PDGF受体的酪氨酸残基经过自身磷酸化后才与细胞质定位蛋白质结合。、          亲脂修饰蛋白质亲脂修饰后可以改变膜结合能力和特定的蛋白与蛋白之间的相互作用。最常见的亲脂修饰是酰化和异戊二烯化。尽管豆蔻酸在真核细胞中很罕见但是豆蔻酰化却是最常见的酰化形式之一。N豆蔻酰化(豆蔻酸以酰酰氨键形式共价连在肽链N端的残基上)能增加特定G蛋白的α亚基对膜结合的β、γ亚基的亲和力。、          甲基化通过甲基转移酶进行。天冬氨酸的甲基化能促进已破坏蛋白的修复或降解在二磷酸核酮糖羧化酶(rihilose,biosphosphatecarboxylase)、钙调蛋白(calmodulin)、组氨酸(histone)、某些核糖体蛋白和细胞色素C中都有甲基化的赖氨酸残基。其它可甲基化的氨基酸残基还有His(如组蛋白、视紫红质、eEF)、Arg(如休克蛋白、核糖体蛋白)。、          二硫键形成二硫键通常只发现于分泌蛋白(如胰岛素)和某些膜蛋白中在细胞质中由于有各种还原性物质(如谷胱甘肽glutathione和硫氧还蛋白thioredoxin)所以细胞质蛋白没有二硫键。因为内质网腔是一个非还原性环境所以粗糙内质网上的新生肽只暂时形成二硫键。当新生肽进入内质网腔时一些肽链可能会按氨基酸次序依次暂时形成二硫键但最终会通过交换二硫键位置的形式形成正确的结构内质网中可能还有一种二硫键异构酶(disulfideisomerase)催化该过程。(五)、             真核生物的翻译调控真核的翻译调控非常复杂总结起来有以下几个方面:、          mRNA向细胞质的运输核膜创造的转录与翻译的隔离为基因的表达提供了一个重要的调控机会。mRNA的加工(内含子切除)、mRNA向细胞质的运输都是调控位点mRNA向细胞质的运输是一个受到严格控制的过程并且它至少需要mRNA’端的帽子和’端的polyA尾巴。、          mRNA的稳定性mRNA的半衰期从分钟到小时。在mRNA上有一些去稳定序列(destablizationsequence),它们的二级结构是核酸酶的底物也有些稳定序列(stablizationsequence)。特定蛋白与mRNA上特定序列的结合能影响它的稳定性’端的腺苷化核去腺苷化会影响它的稳定性核翻译活性。在核中mRNA被加工后运输到细胞质时含有~个polyA尾巴当polyA缩减到个以下时整个mRNA就会被降解。在特定条件下polyA能被选择型地延长或缩短。、          翻译的负调控一些阻遏蛋白能结合在特定mRNA的’端阻止翻译的进行如铁蛋白的合成。铁蛋白是储铁的蛋白主要发现于肝细胞中。铁蛋白mRNA上有铁应答元件(IRE)阻遏蛋白可以结合在上边当细胞中铁浓度高时那么大量的铁原子就结合到阻遏蛋白上使它从IRE上解离铁蛋白mRNA就可以被翻译。、          起始因子磷酸化。当遭遇热休克、病毒感染、生长因子缺乏等逆境时真核细胞eIF就发生磷酸化大部分蛋白质的合成降低而一些hsp核其它蛋白的翻译增强以应付热休克和其他胁迫条件但其机理还不清楚。、          translationalframeshifting一些mRNA似乎含有结构信息在阅读框内可以从或出开始阅读结果翻译出两条或多条多肽。这种情况常见于被反转录病毒翻然的细胞内。()真核生物双功能mRNA极少数真核mRNA上可能从两个不同AUG起始合成蛋白质。若两个AUG属于同一阅读框则形成两个长短不同的蛋白质其中有部分多肽完全相同。若两个AUG处于不同的阅读框中则合成两个序列完全不同的蛋白质。一条mRNA可合成两种蛋白质称双功能mRNA。()只有最后一个终止密码子的多基因mRNA的翻译真核生物的泛素蛋白基因。酵母有个泛素基因重复组成基因簇。人类有个。每个基因编码个aa的泛素。泛素羧端水解酶可识别泛素的空间构象当翻译进行到一个单位出来后泛素的控间构象形成这种酶可切下泛素单位。、蛋白质的选择性降解五、     蛋白质合成后的定向转运由于真核细胞的结构和功能很复杂所以蛋白质合成后的定向转运(targeting,translocation)的机制也很复杂转运的研究是从分泌蛋白开始的。现在比较清楚的有两种机制:转录本的区隔化(transcriptlocalization)和信号肽机制。★转录本的区隔化细胞质中蛋白质的分布是不对称的如果蝇卵中的bicoid(对果蝇发育中的基因表达起调控作用)果蝇头部的正常发育(如头节)需要卵头部(anterior)高浓度的bicoid卵尾部低浓度的bicoid促进果蝇尾部的发育。将第一个卵的尾部细胞质取出并替掉第二个卵的头部那么由受体卵发育出的幼虫就有两个尾部。现在认为细胞质中蛋白质的梯度是由转录本的取隔化造成的。所谓转录本的区隔化就是特定mRNA与细胞质中特定位点的受体结合。bicoidmRNA是从附近的nurse细胞进入正发育的卵母细胞中一旦进入卵母细胞bicoidmRNA通过其’端与顶部细胞骨架的特定组分结合。当成熟的卵发育时bicoidmRNA的翻译(与bicoid蛋白的扩散偶连)就造成了bicoid蛋白的浓度梯度。现在看来多肽的转运有两种机制:()翻译转运同步机制(共转译cotranslationaltransfer)。分泌蛋白、质膜蛋白、溶酶体蛋白、内质网和高尔基体滞留蛋白首先在游离核糖体上合成含信号肽的部分肽段后就结合到内质网上然后边合成边进入内质网腔经初步加工和修饰后部分多肽以芽泡形式被运往高尔基体再经进一步的加工和修饰后被运往质膜、溶酶体或被分泌到胞外。()翻译后转运机制(posttranslationaltranslocation)。叶绿体蛋白和线粒体蛋白是在细胞质游离核糖体上被完全合成后通过新生肽的信号序列(引导肽Leaderpeptide)直接运往目的地并被加工。(一)、 信号肽:翻译转运同步机制信号肽是GunterBlobel年提出的用以解释多肽向内质网的跨膜转运。含信号肽的多肽进入内质网的过程:当包含信号肽的多肽被合成一部分时信号肽识别体(SRP)就识别信号肽并结合到核糖体上翻译暂时停止SRP与内质网膜上的受体(停泊蛋白dockingprotein)结合核糖体与内质网结合SRP离开延伸的肽链通过内质网上的肽移位装置(translocon)进入内质网信号肽被切除。新生肽的命运就取决于信号肽和其他的信号序列。对于分泌蛋白来说跨膜转运后要切除N端信号肽多肽进入内质网腔此后还要在高尔基体进行下一步的修饰加工。跨膜蛋白转运的起始阶段与分泌蛋白类似N端的信号肽作为起始信号结合在膜上多肽链的其余部分线形穿过膜。单跨膜蛋白(singlepassmembraneprotein)有一个终止转运信号(stoptransfersignal),它阻止后续肽段的继续穿膜(图B)多跨膜蛋白有一系列交替出现的起始和终止信号(图C)。被转运到内质网中的多肽多数还要运往它处。经过初步的翻译后修饰可溶性蛋白和膜结合蛋白被运输到高尔基体这种运输是经过运输泡进行的(图)滞留内质网中的蛋白有滞留信号在许多脊椎动物中它是C端的四肽:LysAspGluLeu(简称KDEL)。在高尔基体中多肽进一步被修饰如N糖苷键型寡糖链进一步被处理特定Ser和Thr残基进行O糖苷键型糖基化修饰。溶酶体蛋白添加一个磷酸甘露糖残基后被运往溶酶体。现在还不清楚下一步有什么信号指导分泌蛋白运往细胞表面(经过胞外分泌exocytosis)什么信号指导质膜蛋白的运输有人提出一种默认机制(缺省机制defaultmechanism):在缺失指导信号的情况下的一个特定的顺序事件。信号肽:P信号识别体:P(二)、翻译后转运机制(posttranslationaltranslocation)线粒体和叶绿体蛋白是在细胞质游离核糖体上完全合成后运输来的同样这种运输也需要信号序列。图是细胞色素C向线粒体的运输。细胞色素C合成要被转运到线粒体的内膜空间(它是ETC复合物Ⅲ的一个组分)细胞色素C的转运需要两个序列(N端)第一个指导它运往线粒体基后质被切除第二个指导它运往内膜空间后被切除细胞色素C肽链折叠并结合一个血红素辅基后与内膜上的复合物Ⅲ结合。Uptakeofproteinsintothemitochondrialmatrix★问题:质体蓝素(plastocyanin)是一种在叶绿体光合作用中作为电子传递体的含铜蛋白定位于类囊体腔和类囊体膜的内表面相连它的转运需要N端的两段转运信号假设其转运与线粒体相似那么它是如何被转运

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