导图社区 蛋白质生物合成
《生物化学》17章蛋白质生物合成,讲述了遗传密码、蛋白质合成体系、蛋白质合成过程、多肽链的折叠修饰与转运等。
编辑于2022-04-03 20:26:01蛋白质的生物合成
遗传密码
密码的解读
64个密码子中,61个编码密码子。3个(UAA、UAG和UGA)为终止信号,称终止密码子。 AUG除编码甲硫氨酸外,还作为起始密码子;某些生物中为GUG,编码缬氨酸
基本性质
①通用性:所有生物可共用一套密码。为进化论提供了强有力的支持,充分说明生物有共同起源
②连续性:在mRNA链上,从起始信号到终止信号,密码子的排列是连续的,之间既没有重叠也没有间隔,无标点。翻译时正确选择阅读起点,依次翻译,由起始密码子到终止密码子组成的区域叫阅读框架(阅读框)。 若阅读框中缺少或跳跃,即会移码,产生错误蛋白。
③简并性:几种密码子编码同一种氨基酸的现象。编码同种氨基酸的的一组密码子互称同义密码子。 甲硫氨酸和色氨酸只有一个密码子。专一性主要取决于前两位碱基。不同物种使用通用密码存在偏好。 增加了密码子中碱基改变仍然编码原来氨基酸的可能性,减少了因碱基变化造成的可能伤害,利于遗传与进化的统一。
④变偶性:mRNA和tRNA进行碱基配对,前两对严格遵守原则,第三对可以有一定的变动。反密码子5'端碱基和密码子3'端碱基被定义为变偶碱基。tRNA中常为修饰碱基,次黄嘌呤出现频率高。 由于变偶性,理论上32种tRNA就可以识别61个编码密码子。
蛋白质合成体系
mRNA是合成蛋白质的模板
起始密码子上端为核糖体结合位点。5′端存在一段富含嘌呤的核苷酸序列(SD序列), 与核糖体小亚基16SrRNA3′端互补,促使蛋白质合成起始复合物的组装
tRNA是转运氨基酸的工具
①tRNA与氨基酸以酯键相连。 在3′端有氨基酸接受位点CCA。氨基酸α-羧基与ATP的α磷酸基团形成酯键,生成氨酰腺苷酸;tRNACCA末端的3′-OH的氧亲核攻击氨酰腺苷酸的羰基碳,代换掉AMP,与氨基酸形成氨酰-tRNA。(氨基酸的活化,消耗2个高能键,由氨酰-tRNA合成酶催化)
②胺酰-tRNA合成酶
多数生物含有20多种,某些细菌缺乏谷氨酰胺的氨酰-tRNA合成酶,需要先由谷氨酸转化形成。
对tRNA有高度专一性。只保留氨基酸接受臂,也能识别。大大提高氨基酸负载的准确性,被称“第二遗传密码”
对氨基酸有高度专一性。可区分氨基酸的化学基团、大小、形状,还有校对活性。氨基酸负载完成后,氨酰-tRNA从酶活性位点进入校对位点,若负载正确,才能继续。
核糖体是蛋白质合成场所
核糖体的组成与结构
分为大小两个亚基。 大肠杆菌核糖体为70S;其中小亚基为30S,包括16SrRNA和21种蛋白质;大亚基为50S,包括23S、5SrRNA和31种蛋白质。 真核生物核糖体为80S;小亚基40S,大亚基60S;RNA包括28S,18S,5.8S和5S。
在蛋白质活跃的细胞中,含串联10~100个核糖体的RNA,叫多聚核糖体。一个mRNA同时被多个核糖体翻译。 转录和翻译同时进行,离mRNA5'端近的RNA翻译开始较晚,合成链较短。
核糖体功能位点
大小亚基之间有一个裂缝,附近含多个活性位点。(其他部位还存在mRNA结合位点与蛋白质辅助因子结合位点)
①氨酰-tRNA位点(A位点),专门结合新掺入的氨酰-tRNA
②肽酰-tRNA位点(P位点),起始tRNA的结合位点,也能结合延伸中的肽酰-tRNA
③空载tRNA离去位点(E位点)
翻译辅助因子
包括起始因子,延伸因子和终止因子。GTP、ATP、镁离子等也参与翻译
蛋白质合成过程
可观看b站 BV1E64y197i9
原核生物多肽链合成起始: mRNA、核糖体和第一个氨酰-tRNA 三者互相识别并结为复合物的过程
起始氨基酸
一般为fMet(N-甲酰甲硫氨酸)。α-甲基被甲酰基封闭,不能参与延伸,只做起始氨基酸。 先形成Met-tRNA,再被甲酰化。所以甲硫氨酸对应有两种tRNA, 一种携带fMet,识别起始密码子,另一种携带Met,参与肽链延伸。
起始复合物的组装
需要30S小亚基、50S大亚基、mRNA、fMer--tRNA、3个起始因子、GTP和镁离子等
①小亚基:IF3与E位结合,防止大小亚基无效结合;IF2结合IF1与GTP,进入A位; mRNA的SD序列与小亚基16SrRNA结合;fMet-tRNA进入P位,并与IF2识别结合;密码子与反密码子识别结合。
②大亚基:30S起始复合物形成后,IF3释放,大小亚基结合,形成70S复合物;IF2水解GTP,产生IF2·GDP,脱离核糖体,IF1也脱离。
真核生物起始密码子不被甲酰化,仅考起始tRNA和内部tRNA区分起始密码子与阅读框内密码子。 真核生物起始因子有10个 真核生物mRNA没有SD序列,核糖体结合位点在起始密码子附近,常见的为GCCAGCCAUGG。
多肽链的延伸
进位
指新的氨酰-tRNA进入核糖体复合物的A位点。需要延伸因子EF-Tu和GTP
EF-Tu-GTP形成,再与氨酰-tRNA的3′端结合形成三元复合物,进入大亚基A位点附近的“因子结合中心”,氨酰-tRNA进入A位点,密码子与反密码子配对结合。EF-Tu催化GTP水解,EF-Tu-GDP脱落。
EF-Ts在细胞质中专门帮助EF-Tu-GDP转化为EF-Tu-GTP,称为GTP交换因子
转肽
新加入氨基酸的α-氨基亲核进攻P位点上肽基-tRNA的羰基碳,形成肽键。 P位点上的氨基酸转移到A位点氨基酸的氨基上
肽基转移酶由核糖体大亚基23SrRNA提供活性,属于核酶。肽链从N到C延伸
移位
EF-G-GTP复合物形成,与大亚基A位点结合,同“因子结合中心”互作,使GTP水解。能量促使EF-G-GDP进入小亚基A位点,迫使A位点的tRNA进入P点。EF-G-GDP释放,原P位点上的tRNA进入E位,并脱离核糖体
掺入一个氨基酸消耗两个GTP,37℃下,大肠杆菌每秒掺入17个氨基酸。 真核生物没有E位点,tRNA之间从P点脱落。
多肽链合成的终止
没有tRNA能识别终止密码子,他们由终止因子识别。大肠杆菌有三个释放因子:RF-1、RF-2和RF-3 RF-1、2分别识别UAG和UGA,也都能识别UAA,RF-3参与RF-1、2的释放。
RF-1、2上存在保守序列,可识别mRNA终止密码子,称为“肽反密码子”。GGQ基序也是重要保守序列
RF-1或RF-2与核糖体结合后,GGQ靠近P位点肽基-tRNA3′端,使肽基转移到水分子上,合成终止。 RF-3-GDP与核糖体结合,在RF-1(2)刺激下发生GDP-GTP交换,使RF-3结合更紧密,RF-1(2)脱落。 RF-3-GTP进入核糖体因子结合中心,RF-3催化GTP水解,RF-GDP脱离核糖体
真核生物中有两类释放因子,eRF1识别3个终止密码子,eRF3是DTP酶,与1互作,增强1
核糖体的重新利用
由核糖体循环因子RRF、EF-G以及IF-3完成。
RRF结合到A位点,募集EF-G-GTP,水解GTP,使E、P位点上的tRNA脱离,同时RRF进入P位点,和EF-G-GDP脱落。IF3进入小亚基,使大小亚基解聚。
蛋白质合成的忠实性
高能耗利于提高忠实性。四个高能键水解产生的能量,绝大部分用于熵减过程, 利于mRNA的信息正确转译为蛋白质氨基酸序列。
氨酰-tRNA合成酶的贡献 识别氨基酸、tRNA、校对活性
核糖体提供更多保障机制
核糖体小亚基16SrRNA促进正确氨酰-tRNA与核糖体结合 其上有两个相邻的腺嘌呤碱基,若密码子与反密码子配对正确,则与密码子前段两个碱基紧密互作,反之松散
核糖体大亚基“因子结合中心”的作用 若配对错误,氨酰-tRNA虽然进入A位点,但无法与“因子结合中心”靠近,GTP不水解, EF-Tu-GTP和氨酰-tRNA一起离开,A位点又空出
核糖体构象变化促使氨酰胺-tRNA旋转 只有正确配对时,A位点的氨酰基才能旋转,使氨基酸进入肽基转移酶的肽键形成位点。
蛋白合成抑制剂
四环素抑制原核生物氨酰-tRNA与核糖体A位点的结合;链霉素导致mRNA的错读,抑制肽链合成的起始; 氯霉素抑制原核生物核糖体大亚基肽基转移酶活性;嘌呤霉素是酪氨酰-tRNA类似物,使肽链合成终止; 白喉毒素催化真核细胞eEF2与ADP-核糖连接,促使延长因子失活 蓖麻蛋白使60S亚基失活(对癌细胞毒性更大,用作癌症治疗)
多肽链的折叠修饰与转运
折叠
先合成的一段常含有较多疏水氨基酸残基,自发内折;延长后不断形成各种次级键,折叠成成熟构象。
有的较大蛋白质不能自发折叠,需特殊因子辅助。 一类属于酶(蛋白质二硫键异构酶) 一类称为分子伴侣
修饰
水解切除、氨基酸共价修饰、二硫键形成、辅基加入等
共价修饰不仅发生在特定位置,且具有倾向性。如丝氨酸常做磷酸化位点。 同一种氨基酸共价修饰对不同蛋白质作用不同,有的引发癌变。
转运
需要被转运的蛋白质都含有一段特殊序列,称为信号肽。 真核细胞边翻译边转运,称为共翻译转运
信号识别颗粒(SRP)是一个核蛋白,含四个亚基和一个RNA。 信号肽出现,SRP立刻结合,翻译暂停;SRP带领核糖体到内质网转运装置,SRP与受体结合。 随即翻译继续,SRP借助GTP水解脱离核糖体。核糖体靠近信号肽酶,使信号肽断裂,进入内质网腔 多肽链不断合成,不断导入内质网中,进行修饰折叠转运。
当众多核糖体进行上述反应时,滑面内质网变为粗面内质网。
膜蛋白C端的氨基酸使核糖体受体和孔道解聚,锚定在内质网上。
原核细胞还存在翻译后转运,结构和过程有很大区别
DNA中的碱基排列决定多肽链中氨基酸代谢顺序的对应关系叫遗传密码