1、第四章 蛋白质的生 物合成 Protein Biosynthesis 蛋白 质的 生物 合成 即翻译(Translation) ,就是将mRNA 分子携带的 遗传信息(即mRNA 分子中核苷酸 排 列序 列 ) , 通 过遗传密 码破译的 方式解读 为蛋白质 分子中氨 基 酸排列顺 序的过程 。 蛋白质 的合成 反应: 第一节 参与蛋白质合成的主要物质 第一节 参与蛋白质合成的主要物质 模板:mRNA 原料:20种氨基酸 氨 基 酸搬运 工具:tRNA 合成场 所:核糖 体 其它物 质:酶 及蛋白 质因子 能源(ATP 、GTP ) 离子(Mg 2+ 、K + 等) 一、mRNA 是合成蛋白质
2、的直接模板 原 核生物多 顺反子mRNA ( 具 有多个编 码区): 真核生物单顺 反 子mRNA (只有一个 编码 区 ): mRNA一级结构:由编码区和非 翻 译区 构 成。 (1 )5 非翻译区 (5-UTR ) (2)编码区 (coding region) (3 )3 非翻译区 (3-UTR ) 一、mRNA 是合成蛋白质的直接模板 原核生物多顺 反 子mRNA : 真核生物单顺 反 子mRNA : mRNA分 子 的编 码区 , 从5 3 方向, 每3 个 相 邻的核苷酸 为 一组 , 构成一个遗传密码 , 称为 密 码子(coden) 或 三 联体 密码(triplet coden
3、) 。 AUG: 甲硫氨酸;起 始密 码 子(initiation coden) 。 UAA,UAG,UGA : 终 止密 码子(termination coden ) 无义密码子( nonsense code ) mRNA 分子有4 种 核苷酸 碱基:A 、G 、C 、U,可 组合成64个 密码子 ,其中61 个分 别代表20 种不 同氨 基 酸。 其他61个:有义密 码子(sense coden ) 遗 传 密 码 表 密码子的特点 阅 读 的方向 性(5 3 ) mRNA : 5端起始密码子AUG到 3 端终 止密码 子 蛋白质多肽 链:N 端 C 端 。 阅 读 的连续 性(comma
4、less ) 插 入或缺失 一个碱基 均可致蛋 白质突变 : 沿 5 3 方向 连续阅 读密码 子,既 无间隔 也无重 叠。 阅读框(reading frame ) mRNA 分子上从一个起始密码 子到其下 游第一 个终 止 密码子所 界定的一 段序列。 一个mRNA 分子中可能有多个 阅读 框 ,但 只 有一 个 阅 读框真正 编码蛋白 质多肽链 ,称为开 放阅读框 (open reading frame ,ORF )。 遗 传 密码的 简并性 (degeneracy) 指一 种氨基酸 具有2 个或2 个以 上密码子 的现象。 编码同一种氨 基酸 的 不同 密 码子 称为 : 简并密码子(d
5、egenerate codon) 或 同 义密 码子(synonymous codon ) 遗 传 密码的 简并性 (degeneracy) 遗 传 密码的 通用性(universal) 从 原 核 生 物 到人类 都共用 同一套 遗传密 码的现 象。 已发现的少数例外: 线粒体(动物细胞)、叶绿体(植物细胞)。 二、tRNA 的作用 tRNA是氨基酸与密码子之 间 的“ 特 异接 头 ”。 作为运 输工具 氨基酸的负 载(“ 活化” ) 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) 氨基酸 + tRNA 氨基酰- tRNA ATP AMP PPi 氨基酰-tR
6、NA合成酶 氨基酸的- 羧 基与tRNA 的3-CCA-OH以 酯键相 连形成氨基酰-tRNA 。 氨基酰-tRNA表示法 氨基酰-tRNA的表示方法 : Ala-tRNA AlaSer-tRNA SerMet-tRNA Met 起始肽链合成 的 氨基 酰-tRNA : 真核生物: Met-tRNA i Met 原核生物: fMet-tRNA i f Met 作 为 译码器 密码子 与反密码 子的识 别 (存在 摆动性 ) 摆动配对: mRNA 密码子的 第3个碱基与tRNA 反密码子 中的 第1 个碱基在识 别时不 严格遵 守A=U 、 GC配对 原则 。 自由度大小由tRNA 反 密 码子
7、 第一位 碱基的 种类决 定: 一种标准氨基酸可能有几种tRNA,称为同工tRNA。 tRNA反密码子 第1位碱基 I U G A C mRNA 密码子 第3位碱基 U, C, A A, G U, C U G 三、核糖体是蛋白质的合成机器 核糖体 的主要 功能部 位 A 位 : 氨酰位 (aminoacyl site ) P 位 :肽酰位 (peptidyl site ) E 位 :出口位 (exit site ) 肽基转移酶( 转 肽酶 ) 活性 中 心(位于 大亚基 ) mRNA 结合部位 蛋白因子 (IF ,EF ,RF ) 结合部位 Shine-Dalgarno序列(S-D序列 ) 核
8、糖体结合位点 (ribosomal binding site, RBS ) 原核生 物翻译 过程中 核糖体 结构模 式 第二节 蛋白质生物合成的过程(原核) “ 火车”核 糖体 “ 铁轨”mRNA “ 乘客”氨 基酸 “ 专车”tRNA “ 车厢” A 位:氨酰位(aminoacyl site) P 位:肽酰位(peptidyl site) E 位:出口位(exit site) 前 门进 后 门出 整个翻 译过程 可分为 三个阶 段 : 起始(initiation ) 延伸(elongation) 终止(termination ) IF-3 IF-1 A U G 5 3 IF-2 Pi GTP
9、 GDP 1. 翻译起 始 (翻译 起始复 合物形 成) 2. 翻译延伸 在mRNA 编码区的指导下, 核糖体以20 种氨基酸 为原料、 依据密码子的顺序合成肽链( 方向:N 端 C 端 ) 。 这一阶段包括 三个 步 骤的 反 复循 环 : 进位( 或注册 ): 特定的氨基酰-tRNA进入核糖 体A位 。 成肽: P 位的肽酰-tRNA ( 或甲酰甲硫氨酰-tRNA ) 与A位的氨基酰-tRNA形成肽键。 转位( 或移位 ): 核糖体沿mRNA 5 3 方向移动一个 密码 子 。 进 位 成肽 转 位 3. 翻译终 止 当终止密码子UAA、UAG或UGA出现在核糖 体的A位时,没有 相 应的
10、 氨 基酰-tRNA 能与之 结合,RF 识 别 终止 密码子 而进入A位。 RF 的结合触发核 糖体 构 象改 , 将转肽酶 活性 转变为酯酶活性, 水解肽 酰tRNA 酯键, 释放 出合成的肽, 促 使mRNA 、tRNA 、RF 从核糖 体 脱离。 多核糖体 (polysome ) 在蛋白质生物 合成过程中, 一条mRNA同 时与多个核糖 体结合所形成 的念珠状聚合 物。 意义: 使 蛋白质合 成高速、 高效进行 。 第五节 蛋白质的翻译后修饰 与靶向输送 Posttranslational Modification and Targeting Transfer of Protein 一
11、 、肽链 合成后 的加工 新生多肽链不具备蛋白质生物活性,须经过翻译后加工才 转变为天然构象的功能蛋白。 主要包括: 折叠成正确的生理构象(需分子伴侣); 蛋白酶水解,去除某些肽段,形成活性蛋白或功能肽; 肽链中氨基酸残基的修饰(磷酸化、糖基化、羟基化、 甲基化、乙酰化、硒化等),及二硫键的形成; 亚基聚合开成功能性蛋白质复合物。 蛋 白质合 成后的 靶向输 送 蛋白质在胞质加工合成后 , 定向输送到其执 行 功能的场 所。 有的蛋白质分子需穿过膜性结构, 才能到达 特 定的地点 。 靶向输送的蛋白质N 末端( 有的在C 端或内部) 特 异氨基酸序列可引导蛋白质转移到适当靶部位, 这一序列 称
12、为信号 序列或信 号肽(signal peptide )。 泛 素(Ub)的结 构与组 成 泛素广泛存在于真核生物 ( 目前尚未发现泛素存在于原 核生物中) 的一类调节蛋白, 含有76 个氨基酸残基 , 高度保 守。 泛素基因主要编码两种泛素 前体蛋白质:一种是多聚泛素, 另一种是 泛素 融合蛋白 。 催化泛 素 与 底物 结合所 需的第 一个酶 。 分子量110-130kDa ,由1100 个左 右氨基 酸残基 组 成, 对靶蛋 白的识别 几乎没有 特异性。 E1活性很高,低浓 度 即可 激 活泛 素 。 E1(泛素活化酶, ubqiuitin-activating enzyme ) E2
13、有一个由150个氨基酸残基(分子量14-16kDa )组 成的保守区域,含有半胱氨酸残基,接受从E1- 泛素复 合物转移过来的活化的泛素分子,形成E2- 泛素复合 物; 在E3 的协同作用下,E2-Ub 复合物把活化的泛素分子 转移到底物蛋白上,形成单泛素化蛋白或者多聚泛素 化蛋白。 E2 ( 泛 素结合酶, ubqiuitin-conjugating enzyme ) E3 分子量较大,约100-300 kDa 。 E3 是泛素蛋白酶体途径中种类最多的一种酶,是在底物 的特异性选择降解过程中作用最为关键成员。 主要功能:(1)识别泛素结合酶E2 ;(2)识别应该被 泛素化的靶蛋白,然后使活化
14、的泛素接近特异靶蛋白的 Lys ,从而将泛素连接到靶蛋白上。 E3 ( 泛 素 连接酶, Ubqiuitin ligase ) E1:泛素活化酶 E2:泛素结合酶 E3:泛素连接酶(底 物识别蛋白) ubiquitin-proteasome system(UPS) SUMO (small ubiquitin-related modifier)、NEDD8 (neural precursor cell-expressed developmentally downregulated 8) 、Atg8(autophagy gene 8) 和Atg12 等 各 种类泛 素蛋白 SUMO是一类在物种进化
15、过程中高度保守的小蛋白。 1. SUMO 在哺乳动物中,目前已发现四种SUMO 基因,分别为 SUMO-1,-2,-3 和-4。人的SUMO-1 与泛素的氨基酸 序列只有18% 的相似性(其N 端有一个21 个氨基酸的 延伸,在泛素中由不存在),但是它们的三级结构却 非常的相似。此外,SUMO 蛋白表面的电荷分布与泛 素也明显不同。 组织分布:SUMO-1、-2 和-3 在大部分组织中表达, 而SUMO-4主要在肾脏、淋巴结和脾脏中表达。 (1)SUMO 的分布 细胞分布:SUMO-1 主要分布在细胞核核膜和有丝分 裂的纺锤体上,而SUMO-2/3 主要聚集在着丝粒和染 色质中。 SUMO-1
16、 主要是以与底物蛋白质结合的形式存在; SUMO-2/3 则主要是以游离的形式存在。当机体受到 外界的刺激后,游离的SUMO-2/3 便会结合到底物蛋 白上;当刺激消除后,SUMO-2/3 又会从底物蛋白上 解离下来,从而保证了机体能够对外界刺激作出快速 应答。 (2)SUMO 的作用方式 SUMO特异性蛋白酶(sentrin/SUMO-specific protease, SENP):SUMO前体在该酶的作用下切除C 端数个 氨基酸,从而暴露出双甘氨酸残基, 成为成熟的 SUMO。 (3)SUMO 化修饰相关的酶 E1 激活酶(SUMO-activating enzyme) :是一种异源二
17、聚体(人SAE1/SAE2 )。成熟SUMO 的C 末端甘氨酸 通过硫脂键与E1 激活酶的半胱氨酸残基相连,此激 活过程需要ATP 的参与。 SUMO-GGXXXX SUMO-GG SENP SUMO-GG SAE1 SAE2 SUMO-GG-S-C- SAE1 SAE2 E2 结合酶(SUMO-conjugating enzyme) :目前仅发现一 种E2 结合酶,即Ubc9 。SUMO被转移到Ubc9 的半胱 氨酸残基上。 Ubc9 可以直接识别底物,从而最终将 SUMO通过异肽键偶联到底物蛋白的赖氨酸残基上。 (3)SUMO 化修饰相关的酶 SAE1 SAE2 SUMO-GG-S-C-
18、SAE1 SAE2 Ubc9 SUMO-GG-S-C- Ubc9 连接酶(SUMO-ligating enzyme) :主要包括三类: PIAS(protein inhibitor of activated STAT)家族成员、 RanBP2 和Pc2 。 E3 连接酶可以增强Ubc9 转移 SUMO 到底物蛋白的效 率及特异性。可能是由于E3 连接酶能够活化 Ubc9 或拉近Ubc9 与底物蛋白的距离。 (3)SUMO 化修饰相关的酶 SUMO-GG-S-C- Ubc9 底物 E3 Ubc9 SUMO-GG- 底物 去SUMO化酶:即SENP可将SUMO分子从底物蛋白 上解离下来,重新进入S
19、UMO化循环。因此,SUMO 化修饰是一个可逆的动态过程。 (3)SUMO 化修饰相关的酶 SUMO-GG SENP Ubc9 SUMO-GG- 底物 SUMO-GGXXXX SUMO-GG SENP SAE1 SAE2 SAE1 SAE2 SUMO-GG-S-C- Ubc9 SAE1 SAE2 SUMO-GG-S-C- Ubc9 底物 Ubc9 SUMO-GG- 底物 SENP 底物 E3 SUMO化修饰在细胞内具有多种生物学功能,例如维 持基因组稳定性、介导蛋白质之间的相互作用、调节 蛋白质在细胞内的定位、调控转录因子活性、参与信 号转导以及DNA 损伤修复等。 (4)SUMO 化修饰与疾
20、病 SUMO化修饰不仅在正常生理活动中发挥重要作用, 而且修饰异常与许多人类重大疾病直接或间接相关 (如神经退行性疾病、心脏疾病、癌症、白血病等)。 NEDD8 (neural precursor cell-expressed developmentally downregulated 8) 分子 是一类结构上与泛素相似的分子, 参与蛋白质翻译后修饰。 2. NEDD8 Neddylation 的发生机制与泛素化相似,需要E1 、E2 、 E3 介导的一系列酶促反应。 NEDD8 特异性地与底物蛋白相结合的修饰过程称为 Neddylation。 未活化的 NEDD8 NEDD8 NEDD8 C
21、端水解酶 APPBP1 UBA3 APPBP1 UBA3 NEDD8-S-C- UBC12 APPBP1 UBA3 NEDD8-S-C- UBC12 底物 UBC12 NEDD8- 底物 底物 活化 NEDD8激活酶 NEDD8结合酶 Neddylation 去Neddylation NEDD8连接酶 虽然Neddylation 修饰与泛素化过程相似,但是与泛素 化不同,Neddylation 修饰的蛋白质不像泛素化的蛋白 质那样能被蛋白质酶体降解影响底物蛋白的稳定性, 而是仅作为一种活化信号。 NEDD8的生物学功能 Neddylation 修饰的功能主要体现调节蛋白质之间的相 互作用、调节
22、转录因子的活性以及拮抗泛素化等。 Neddylation 异常可以导致人类的神经退行性疾病、癌 症等。 蛋白质 折叠问 题是当 代生命 科学领 域中的 研究热 点。 蛋 白质的 体外折 叠与体 内折叠 蛋白质 一级结 构相同 ,空间 结构折 叠错误 引发 疾病( 构象病 ) conversion 正常蛋白PrPc 阮病毒蛋白PrPsc Ellis,1987,Nature 一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质,它们在细 胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装,而且在组装完 毕后与之分离,不构成这些蛋白质结构执行功能时的组分。 分子伴侣 (molecular chaperone) 分 子伴
23、侣的 作用 方式 : 1. 协 助新生肽 链正确折 叠; 2. 协 助错误折 叠(misfolding )的 蛋白质 解折叠 (unfolding ) 、重 折叠(refolding) ; 3. 协 助多亚基 蛋白正确 组装; 4. 协 助组装错 误的多亚 基蛋白解 离以重新 组装。 5. 其 他:有些 分子伴侣 还协助蛋 白质跨膜 转运或降 解 等。 热休克蛋白(Heat Shock Proteins, Hsps) 1962年意大利遗传学家Ritossa在果蝇(Drosophila)体内 发现的,是机体在某些应激(高温、病毒感染、缺氧、 重金属、饥饿、创伤及紫外线照射等)状态下,诱导 合成的
24、一组高度表达的保守蛋白质,称为应激蛋白。 广泛存在于原核和真核生物中,多以分子伴侣的形式 参与相关蛋白的折叠、装配、细胞内运输及蛋白质降 解等过程。 Hsps 有 高度的保守性,在不同的菌株中同 族的 Hsps有很高的序列同源性,而不同族的Hsps之间 却无明显的同源性,如Hsp60s 和Hsp70s 。 热 休克 蛋白不仅在应激条件下有高效表 达 ,而 且在 正 常的生理条侏下, 许多热休克蛋 白也有 组成 型 表达。它们参与一些重要的细胞 生理活 动, 如 蛋白质转位、拆叠和装配,因此 又被称 为“ 分 子伴侣”。 热休克蛋白的一般作用 分子伴侣的作用 抗氧化作用 协同免疫作用(肿瘤、癌症
25、等 ) 抗细胞凋亡作用 分子伴侣与疾病 分子伴侣是双刃剑 分子伴侣的免疫保护作用 分子伴侣的致病作用 Hsp70复合体 Hsp70作为一种重要的 内源性保 护因子 ,可提 高肺 组织对各种损伤的耐受性。肺组 织中Hsp70表 达的 增加可减轻肺水肿及炎性反应 , 减少肺 组织 细胞凋 亡,从而改善氧合功能,降低病 死率。 增加心脏组织中Hsp70基因的表达 ,可 使心脏 具有 抵抗缺血或内毒素损伤 的作用 Hsp70的功能 应激蛋白90家族(Stress-90 family ) 即热休克蛋白90家族(Hsp90 family),Hsp90是一种 ATP 依赖的 伴侣蛋白,当ATP 结合 后,H
26、sp90 构象改变, 形成二聚体。Hsp90多以- 和- 同源二聚体存在。 Hsp90是细胞内最活跃的分子伴侣之一,广泛参与细胞 的信号转导、激素应答及转录调控过程,对细胞在生理、 病理及应激条件下的生存发挥了重要作用。 近 年来,Hsp90及其 抑制剂已 经成为抗 肿瘤研究 的 新靶点。 格尔德霉 素是第1 个Hsp90抑 制剂, 是 一种分离 自链霉素 吸水菌素 的天然产 物 另 外也是白 血病治疗 的分子靶 点。 抑制 四 、抗生 素对翻 译的抑 制作用 霉素以及放线菌酮等。四环素族可 抑制起始氨基酰-tRNA与核糖体小 亚基的结合,对原核细胞的翻译起 抑制作用;氯霉素能与核糖体大亚 基
27、结合,通过抑制转肽酶活性而阻 断翻译的延长过程;链霉素与卡那 霉素能与原核生物的核糖体小亚基 结合,使其构象改变,引起读码错 误;嘌呤霉素的结构与酪氨酰- tRNA的结构相似,可取代其进入核 糖体A位,造成肽链合成异常终止; 放线菌酮具有抑制真核生物核糖体 转肽酶的作用。 蛋白质的合成过程可受多种抗生素的抑制,主要包括四环素族、 氯霉素、链霉素与卡那霉素、嘌呤 抑制 动画 氯霉素 链霉素与 卡那霉素 放线菌酮 四环素 嘌呤霉素 四 、抗生 素对翻 译的抑 制作用 霉素以及放线菌酮等。四环素族可 抑制起始氨基酰-tRNA与核糖体小 亚基的结合,对原核细胞的翻译起 抑制作用;氯霉素能与核糖体大亚 基结合,通过抑制转肽酶活性而阻 断翻译的延长过程;链霉素与卡那 霉素能与原核生物的核糖体小亚基 结合,使其构象改变,引起读码错 误;嘌呤霉素的结构与酪氨酰- tRNA的结构相似,可取代其进入核 糖体A位,造成肽链合成异常终止; 放线菌酮具有抑制真核生物核糖体 转肽酶的作用。 蛋白质的合成过程可受多种抗生素的抑制,主要包括四环素族、 氯霉素、链霉素与卡那霉素、嘌呤