《蛋白質(zhì)生物合成》課件

蛋白質(zhì)生物合成蛋白質(zhì)生物合成是生命活動(dòng)中最重要的過程之一，是生物體構(gòu)建和修復(fù)組織的關(guān)鍵。它涉及從DNA中讀取遺傳信息，并將其翻譯成蛋白質(zhì)。作者：課程簡(jiǎn)介1蛋白質(zhì)生物合成蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的重要組成部分，參與了幾乎所有生物過程。2生命活動(dòng)蛋白質(zhì)合成是指細(xì)胞利用遺傳信息合成蛋白質(zhì)的過程，是生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。3學(xué)習(xí)內(nèi)容本課程將介紹蛋白質(zhì)生物合成的基本原理、過程、調(diào)控機(jī)制和相關(guān)疾病。4課程目標(biāo)通過學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解蛋白質(zhì)合成的機(jī)制，并掌握相關(guān)知識(shí)和技能。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)具有獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)，決定了其功能。四級(jí)結(jié)構(gòu)多個(gè)亞基通過非共價(jià)鍵相互作用形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。二級(jí)結(jié)構(gòu)多肽鏈局部折疊形成的α螺旋和β折疊。一級(jí)結(jié)構(gòu)氨基酸序列，決定蛋白質(zhì)的折疊方式。氨基酸的結(jié)構(gòu)氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位。每個(gè)氨基酸都包含一個(gè)氨基(-NH2)和一個(gè)羧基(-COOH)，它們連接到同一個(gè)碳原子上，稱為α碳原子。此外，α碳原子還連接著一個(gè)氫原子和一個(gè)側(cè)鏈基團(tuán)(R基團(tuán))。不同的氨基酸由不同的R基團(tuán)決定。R基團(tuán)的性質(zhì)，包括大小、形狀、電荷和極性，決定了氨基酸的化學(xué)性質(zhì)和功能。氨基酸的分類極性氨基酸側(cè)鏈帶電荷或極性，可形成氫鍵。非極性氨基酸側(cè)鏈?zhǔn)杷?，主要由碳?xì)滏I組成。芳香族氨基酸側(cè)鏈含苯環(huán)，可吸收紫外光。氨基酸的性質(zhì)溶解性多數(shù)氨基酸可溶于水，這是因?yàn)樗鼈兒袠O性基團(tuán)。酸堿性氨基酸具有酸性和堿性，由于羧基和氨基的存在，在不同的環(huán)境中可以表現(xiàn)出不同的電離狀態(tài)。光學(xué)異構(gòu)體除甘氨酸外，大多數(shù)氨基酸都存在L型和D型兩種光學(xué)異構(gòu)體。反應(yīng)活性氨基酸可以參與各種化學(xué)反應(yīng)，例如肽鍵的形成、蛋白質(zhì)的修飾等。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中氨基酸的線性排列順序，由肽鍵連接而成。它決定了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和功能，是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中局部區(qū)域的穩(wěn)定構(gòu)象。這些構(gòu)象主要由肽鍵之間形成的氫鍵維持。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)主要有α-螺旋和β-折疊兩種。α-螺旋是多肽鏈沿一個(gè)軸線盤旋而形成的螺旋結(jié)構(gòu)。β-折疊則是多肽鏈以平行或反平行的方式排列形成的折疊結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步折疊形成的三維空間結(jié)構(gòu)。三級(jí)結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的功能，并為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)主要由氫鍵、疏水作用力、離子鍵、范德華力和二硫鍵等非共價(jià)鍵維持，這些相互作用力在多肽鏈折疊過程中起著重要的作用。蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)亞基組合多個(gè)多肽鏈通過非共價(jià)鍵相互作用，形成穩(wěn)定的蛋白質(zhì)復(fù)合體。空間結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)決定其功能，并賦予其獨(dú)特的功能特性。功能協(xié)同亞基之間協(xié)同作用，共同完成復(fù)雜的功能，例如酶催化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等。蛋白質(zhì)合成的意義生命活動(dòng)的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)含量最多的有機(jī)物，參與了幾乎所有的生命活動(dòng)，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)和功能的多樣性蛋白質(zhì)的多樣性來自于氨基酸序列的不同，不同的氨基酸序列決定了不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能。蛋白質(zhì)合成的總過程1轉(zhuǎn)錄DNA復(fù)制成mRNA。2RNA加工mRNA添加帽子和尾巴。3翻譯mRNA翻譯成蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)合成是一個(gè)復(fù)雜的、高度調(diào)控的過程，從DNA中獲取遺傳信息到合成蛋白質(zhì)。整個(gè)過程包括轉(zhuǎn)錄、RNA加工和翻譯三個(gè)主要步驟。轉(zhuǎn)錄過程1DNA解旋DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解開，形成兩個(gè)單鏈模板。2RNA聚合酶結(jié)合RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合到DNA模板鏈的啟動(dòng)子區(qū)域。3RNA合成RNA聚合酶沿著DNA模板鏈移動(dòng)，以堿基互補(bǔ)配對(duì)原則合成RNA分子。RNA的轉(zhuǎn)錄過程啟動(dòng)RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合到DNA模板上的啟動(dòng)子區(qū)域，打開DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。延伸RNA聚合酶沿著DNA模板移動(dòng)，并根據(jù)堿基配對(duì)原則，將核糖核苷酸添加到RNA鏈上，形成一條新的RNA鏈。終止RNA聚合酶遇到終止信號(hào)，停止轉(zhuǎn)錄過程，釋放新合成的RNA分子和DNA模板。RNA的加工加帽在轉(zhuǎn)錄過程中，RNA的5'端會(huì)添加一個(gè)7-甲基鳥苷帽，這可以保護(hù)RNA免受降解，并幫助其與核糖體結(jié)合，從而啟動(dòng)翻譯。加尾在轉(zhuǎn)錄結(jié)束后，RNA的3'端會(huì)添加一個(gè)多聚腺苷酸尾巴，這可以增加RNA的穩(wěn)定性，并幫助其從細(xì)胞核運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)。剪接在真核生物中，RNA中包含非編碼的內(nèi)含子，需要通過剪接過程將其移除，最終生成成熟的mRNA。翻譯過程1mRNA結(jié)合mRNA與核糖體小亞基結(jié)合2起始密碼子核糖體識(shí)別AUG起始密碼子3tRNA結(jié)合起始tRNA攜帶甲硫氨酸結(jié)合4肽鏈合成核糖體沿mRNA移動(dòng)，肽鏈延長(zhǎng)翻譯過程是指以信使RNA（mRNA）為模板，按照遺傳密碼子將氨基酸連接成多肽鏈的過程，由核糖體完成。核糖體的結(jié)構(gòu)和功能核糖體結(jié)構(gòu)核糖體由兩個(gè)亞基組成：大亞基和小亞基，它們?cè)诘鞍踪|(zhì)合成過程中會(huì)結(jié)合在一起。mRNA結(jié)合核糖體通過結(jié)合信使RNA(mRNA)，讀取遺傳密碼，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。tRNA結(jié)合核糖體還結(jié)合轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)，將相應(yīng)的氨基酸運(yùn)送到蛋白質(zhì)合成位點(diǎn)。蛋白質(zhì)合成核糖體通過連接氨基酸形成多肽鏈，最終合成蛋白質(zhì)。氨基酸的活化氨基酸與tRNA結(jié)合首先，氨基酸需要與特定的tRNA結(jié)合，形成氨基酰-tRNA。酶催化反應(yīng)這個(gè)過程需要氨基酰-tRNA合成酶的催化，該酶能識(shí)別特定的氨基酸和tRNA。能量消耗氨基酸活化是一個(gè)需要能量的過程，消耗ATP，將氨基酸的羧基與tRNA的3'端連接。活化后的氨基酸活化的氨基酸被帶到核糖體，準(zhǔn)備參與多肽鏈的合成。多肽鏈的合成1起始起始密碼子AUG2延伸肽鏈逐個(gè)氨基酸延伸3終止終止密碼子UAA、UAG、UGA多肽鏈的合成是蛋白質(zhì)合成的核心步驟，由核糖體在mRNA的指導(dǎo)下進(jìn)行。這個(gè)過程分為三個(gè)階段：起始、延伸和終止。起始階段，核糖體識(shí)別mRNA的起始密碼子AUG，并結(jié)合起始tRNA。延伸階段，核糖體沿著mRNA移動(dòng)，讀取密碼子，并結(jié)合相應(yīng)的tRNA，將氨基酸添加到肽鏈的末端。終止階段，核糖體遇到終止密碼子UAA、UAG或UGA，釋放肽鏈，完成蛋白質(zhì)的合成。蛋白質(zhì)的后翻譯修飾11.磷酸化磷酸基團(tuán)添加到蛋白質(zhì)的氨基酸殘基上，可以改變蛋白質(zhì)的活性或與其他蛋白質(zhì)的相互作用。22.糖基化糖類添加到蛋白質(zhì)的氨基酸殘基上，可以改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、溶解度或與其他蛋白質(zhì)的相互作用。33.乙?；阴；砑拥降鞍踪|(zhì)的氨基酸殘基上，可以改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、溶解度或與其他蛋白質(zhì)的相互作用。44.甲基化甲基添加到蛋白質(zhì)的氨基酸殘基上，可以改變蛋白質(zhì)的活性或與其他蛋白質(zhì)的相互作用。蛋白質(zhì)的折疊蛋白質(zhì)折疊是指多肽鏈從無規(guī)則線團(tuán)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟ㄈS結(jié)構(gòu)的過程，這是蛋白質(zhì)發(fā)揮生物學(xué)功能的關(guān)鍵步驟。1一級(jí)結(jié)構(gòu)氨基酸序列2二級(jí)結(jié)構(gòu)α螺旋和β折疊3三級(jí)結(jié)構(gòu)單個(gè)多肽鏈的三維結(jié)構(gòu)4四級(jí)結(jié)構(gòu)多個(gè)多肽鏈的組合蛋白質(zhì)折疊是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到許多因素的影響，包括氨基酸序列、環(huán)境條件以及伴侶蛋白的幫助。蛋白質(zhì)的靶向和運(yùn)輸細(xì)胞器靶向蛋白質(zhì)被運(yùn)送到特定的細(xì)胞器，如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，執(zhí)行不同的功能。信號(hào)肽蛋白質(zhì)上的信號(hào)肽充當(dāng)?shù)刂窐?biāo)簽，指引蛋白質(zhì)到達(dá)目的地。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白幫助蛋白質(zhì)穿過細(xì)胞膜，進(jìn)入特定的細(xì)胞器。運(yùn)輸機(jī)制蛋白質(zhì)通過囊泡運(yùn)輸，或通過膜上的通道進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。蛋白質(zhì)的降解泛素-蛋白酶體系統(tǒng)主要降解途徑，通過泛素標(biāo)記目標(biāo)蛋白，將其送往蛋白酶體進(jìn)行降解。泛素是一種小蛋白，通過連接到目標(biāo)蛋白上形成多聚泛素鏈，標(biāo)記需要降解的蛋白。溶酶體降解降解一些大型結(jié)構(gòu)蛋白、錯(cuò)誤折疊的蛋白和外源性蛋白。溶酶體是細(xì)胞內(nèi)的“垃圾處理廠”，含有多種水解酶，可以分解各種生物大分子。蛋白質(zhì)合成的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄，影響mRNA的合成，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的合成。翻譯水平翻譯起始因子和延長(zhǎng)因子可以調(diào)控翻譯的效率，影響蛋白質(zhì)的合成速度。蛋白質(zhì)降解蛋白質(zhì)降解可以通過泛素化途徑進(jìn)行，影響細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的含量。細(xì)胞中蛋白質(zhì)含量的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控通過調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄效率，影響mRNA的合成量，進(jìn)而控制蛋白質(zhì)的合成速率。例如，一些轉(zhuǎn)錄因子可以結(jié)合到基因啟動(dòng)子上，促進(jìn)或抑制基因的轉(zhuǎn)錄。翻譯水平調(diào)控通過調(diào)節(jié)mRNA的翻譯效率，影響蛋白質(zhì)的合成速率。例如，一些微小RNA（miRNA）可以結(jié)合到mRNA上，抑制其翻譯過程。蛋白質(zhì)降解調(diào)控通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的降解速率，控制細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的含量。例如，一些蛋白酶可以降解蛋白質(zhì)，從而減少其在細(xì)胞內(nèi)的濃度。蛋白質(zhì)合成過程中的錯(cuò)誤1密碼子錯(cuò)配核糖體可能錯(cuò)誤地識(shí)別密碼子，導(dǎo)致氨基酸序列發(fā)生改變。2核糖體移碼核糖體在mRNA上的移動(dòng)發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成提前終止或延長(zhǎng)。3mRNA降解mRNA可能在翻譯過程中降解，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成中斷。4蛋白質(zhì)折疊錯(cuò)誤新生肽鏈可能折疊成錯(cuò)誤的構(gòu)象，影響蛋白質(zhì)功能。蛋白質(zhì)合成過程中的校正機(jī)制核糖體校對(duì)核糖體具有校對(duì)功能，可以識(shí)別并糾正錯(cuò)誤的氨基酸，確保蛋白質(zhì)合成的準(zhǔn)確性。tRNA校對(duì)tRNA的結(jié)構(gòu)可以識(shí)別并結(jié)合正確的氨基酸，防止錯(cuò)誤的氨基酸被摻入多肽鏈。遺傳密碼校對(duì)遺傳密碼是高度保守的，即使發(fā)生突變，也可能不會(huì)改變蛋白質(zhì)的功能。蛋白質(zhì)合成異常與疾病遺傳性疾病基因突變會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成過程中的錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生功能異常的蛋白質(zhì)，導(dǎo)致遺傳性疾病。感染性疾病病毒和細(xì)菌等病原體可以干擾宿主細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成過程，導(dǎo)致疾病的發(fā)生。癌癥某些癌癥與蛋白質(zhì)合成過程中的調(diào)控失衡有關(guān)，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的異常增殖和擴(kuò)散。神經(jīng)退行性疾病蛋白質(zhì)合成過程中的錯(cuò)誤或失衡，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤折疊蛋白的積累，引發(fā)神經(jīng)退行性疾病。蛋白質(zhì)合成過程中的藥物干預(yù)抗生素抗生素通過抑制細(xì)菌的蛋白質(zhì)合成來發(fā)揮抗菌作用，例如鏈霉素、四環(huán)素等。抗病毒藥物部分抗病毒藥物可以阻斷病毒RNA或DNA的復(fù)制，從而抑制病毒蛋白質(zhì)合成?？拱┧幬锬承┛拱┧幬锬芤种颇[瘤細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成，從而抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和擴(kuò)散。總結(jié)與思考11.生物合成過程蛋白質(zhì)生物合成是生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，在各種生命過程中發(fā)揮著重要作用。22.精妙的調(diào)控蛋白質(zhì)合成過程受到嚴(yán)格的調(diào)控，確保蛋白質(zhì)的合成效率和質(zhì)量。33