十三章蛋白质的生物合成.ppt

PPT课件名称：十三章蛋白质的生物合成.ppt 时间：2022-09-09 i d：6326 大小：1.65 MB 贡献者：lychun21nd@126 格式：.rar 点击下载

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　　标题：蛋白质的生物合成(翻译)Protein Biosynthesis，Translation

　　十三章

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　　将mRNA分子中 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序过程，称为蛋白质的生物合成或翻译(translation)。

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　　正文：参与蛋白质生物合成的物质翻译模板mRNA及遗传密码核蛋白体是多肽链合成的装置 tRNA和氨基酸的活化蛋白质的生物合成过程蛋白质合成后加工和输送蛋白质生物合成的干扰与抑制

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　　标题：第一节

　　蛋白质生物合成体系 Protein Biosynthesis System

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　　标题：参与蛋白质合成的物质

　　正文：原料：20种氨基酸模板：mRNA 运载体：tRNA 场所：核蛋白体(rRNA与蛋白质构成) 蛋白质因子：起始因子(initiation factor, IF) 延长因子(elongation factor，EF) 释放因子(release factor，RF) 其他：酶类、ATP、GTP、无机离子等

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　　标题：一、翻译模板mRNA及遗传密码

　　正文： mRNA是遗传信息的携带者

　　遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron) 。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。

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　　原核生物的多顺反子

　　真核生物的单顺反子

　　(Gp:) 非编码序列

　　(Gp:) 核蛋白体结合位点

　　(Gp:) 起始密码子

　　(Gp:) 终止密码子

　　(Gp:) 编码序列

　　(Gp:) PPP

　　(Gp:) 5?

　　(Gp:) 3?

　　(Gp:) 蛋白质

　　(Gp:) PPP

　　(Gp:) mG -

　　(Gp:) 5?

　　(Gp:) 3?

　　(Gp:) 蛋白质

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　　mRNA上存在遗传密码

　　mRNA分子上从5?至3?方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。

　　起始密码(initiation coden): AUG

　　终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA

　　数量：64(43)

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　　标题：遗传密码表

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　　正文：从mRNA 5?端起始密码子AUG到3?端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。

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　　标题： 1. 连续性(commaless)

　　遗传密码的特点

　　编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。

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　　基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。

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　　标题： 2. 简并性(degeneracy)

　　遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个，甚至多至6个三联体为其编码。

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　　标题：遗传密码的简并性

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　　标题： 3. 通用性(universal)

　　正文：蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

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　　标题： 4. 摆动性(wobble)

　　转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。

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　　摆动配对

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　　标题：密码子、反密码子配对的摆动现象

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　　标题：二、核蛋白体是多肽链合成的装置

　　正文：核蛋白体的组成

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　　标题：核蛋白体的组成

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　　原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式

　　A位：氨基酰位 (aminoacyl site)

　　P位：肽酰位 (peptidyl site)

　　E位：排出位 (exit site)

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　　标题：三、tRNA与氨基酸的活化

　　正文： tRNA —— 运载活化型氨基酸

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　　tRNA反密码子与mRNA上的密码子配对

　　A U C

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　　标题：氨基酸的活化

　　正文：催化氨基酸与tRNA结合生成氨基酰-tRNA 具有绝对专一性：对氨基酸及tRNA都能高度特异识别具有校正活性(proofreading activity)

　　一、氨基酰-tRNA合成酶

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　　氨基酰-tRNA合成酶

　　(Gp:) ATP

　　(Gp:) PPi

　　(Gp:) Mg2+

　　(Gp:) -O~AMP·酶

　　(Gp:) tRNA-OH

　　(Gp:) AMP+酶

　　(Gp:) tRNA-O-C-CH-NH2

　　(Gp:) =

　　(Gp:) O

　　(Gp:) R

　　(Gp:) 氨基酰-tRNA

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　　标题：氨基酰-tRNA的表示方法

　　arg-tRNAarg

　　(Gp:) 已结合的氨基酸残基

　　(Gp:) tRNA结合的特异性

　　一种tRNA只能结合一种氨基酸，一种氨基酸可结合多种tRNA(称为同功tRNA)

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　　标题：二、起始肽链合成的氨基酰-tRNA

　　正文： tRNAiMet：起始者tRNA(initiator-tRNA) tRNAeMet：肽链延长中携带Met的tRNA tRNAifMet：起始者tRNA携带N-甲酰甲硫氨酸(fMet)

　　真核生物：Met-tRNAiMet 原核生物：fMet-tRNAifMet

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　　标题：第二节

　　蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis

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　　正文：氨基酰-tRNA的合成肽链合成起始阶段( initiation ) 延长阶段(elongation) 终止阶段(termination )

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　　标题：一、肽链合成起始

　　正文：指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。有多种蛋白质因子参与这一过程，称为起始因子(initiation factor，IF)

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　　标题：原核、真核生物各种起始因子的生物功能

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　　正文： 1. 核蛋白体大小亚基分离(IF3，IF1) 2. mRNA在小亚基上定位结合 3. fMet-tRNAifMet的结合(IF2，GTP) 4. 核蛋白体大亚基结合

　　(一)原核翻译起始复合物形成

　　fmet-tRNA fMet -mRNA-核蛋白体

　　需要三种起始因子(IF)及GTP的参与

　　起始复合物

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　　1. 核蛋白体大小亚基分离

　　IF-3

　　IF-1

　　34张

　　IF-3

　　IF-1

　　2. mRNA在小亚基定位结合

　　(Gp:) A

　　(Gp:) U

　　(Gp:) G

　　(Gp:) 5'

　　(Gp:) 3'

　　(Gp:) mRNA

　　mRNA与小亚基的结合依赖于：

　　SD序列与16S rRNA 3’端部分序列的互补 rps-1与mRNA上SD序列后的一段序列识别结合

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　　标题： S-D序列 (Shine-Dalgarno sequence )

　　mRNA起始密码AUG上游约8~13个核苷酸处，有4~9个核苷酸组成的富含嘌呤的一致序列，以…AGGA…为核心，也叫做核蛋白体结合位点(ribosomal binding site, RBS)

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　　(Gp:) IF-2

　　(Gp:) GTP

　　3. fMet-tRNAifmet 结合到小亚基

　　IF-3

　　IF-1

　　(Gp:) A

　　(Gp:) U

　　(Gp:) G

　　(Gp:) 5'

　　(Gp:) 3'

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　　4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成

　　(Gp:) 50S

　　IF-3

　　IF-1

　　(Gp:) A

　　(Gp:) U

　　(Gp:) G

　　(Gp:) 5'

　　(Gp:) 3'

　　IF-2

　　GTP

　　(Gp:) IF-3

　　(Gp:) IF-1

　　(Gp:) A

　　(Gp:) U

　　(Gp:) G

　　(Gp:) 5'

　　(Gp:) 3'

　　(Gp:) GDP+Pi

　　(Gp:) IF-2

　　(Gp:) mRNA

　　(Gp:) 50S

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　　IF-1

　　IF-3

　　(Gp:) 50S

　　(Gp:) A

　　(Gp:) U

　　(Gp:) G

　　(Gp:) 5'

　　(Gp:) 3'

　　(Gp:) mRNA

　　(Gp:) IF-2

　　(Gp:) GTP

　　(Gp:) IF-3

　　(Gp:) IF-1

　　(Gp:) A

　　(Gp:) U

　　(Gp:) G

　　(Gp:) 5'

　　(Gp:) 3'

　　(Gp:) GDP+Pi

　　(Gp:) IF-2

　　(Gp:) mRNA

　　(Gp:) 50S

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　　标题： (二)真核生物翻译起始复合物形成

　　正文：核蛋白体大小亚基分离; Met-tRNAiMet结合; mRNA在核蛋白体小亚基就位; 核蛋白体大亚基结合。

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　　(Gp:) Met

　　40S

　　(Gp:) 60S

　　(Gp:) Met

　　(Gp:) 40S

　　(Gp:) 60S

　　(Gp:) mRNA

　　(Gp:) eIF-2B、eIF-3、 eIF-6

　　(Gp:) ①

　　(Gp:) elF-3

　　(Gp:) ②

　　(Gp:) GDP+Pi

　　(Gp:) 各种elF释放

　　(Gp:) elF-5

　　(Gp:) ④

　　(Gp:) ATP

　　(Gp:) ADP+Pi

　　(Gp:) elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB

　　(Gp:) ③

　　(Gp:) Met

　　(Gp:) Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP

　　真核生物翻译起始复合物形成过程

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　　标题：真核生物翻译起始特点

　　正文：核蛋白体为80S(40S+60S) 起始tRNA携带的甲硫氨酸不需要甲酰化 mRNA5`端帽子结构与其在核蛋白体上就位有关，需要帽子结合蛋白复合物(eIF-4F)参与 eIF2与Met-tRNAiMet和GTP结合构成复合体后先与40S小亚基结合，然后才与mRNA结合

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　　标题：二、肽链的延长

　　正文：指根据mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。

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　　正文：肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)或注册(registration) 成肽(peptide bond formation) 转位(translocation) 需要延长因子(elongationfactor， EF )和GTP的参与

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　　标题：肽链合成的延长因子

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　　(一)进位

　　指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

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　　延长因子EF-T催化进位 (原核生物)

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　　(Gp:) Tu

　　(Gp:) GTP

　　(Gp:) A

　　(Gp:) U

　　(Gp:) G

　　(Gp:) 5'

　　(Gp:) 3'

　　(Gp:) Tu

　　(Gp:) GTP

　　(Gp:) GDP

　　(Gp:) Tu

　　(Gp:) Ts

　　(Gp:) Tu

　　(Gp:) GTP

　　GDP

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　　标题： (二)成肽

　　P位上fMet-tRNAifMet(或延长中的肽酰-tRNA)由转肽酶(transpeptidase)催化，将氨基酰基(或延长中的肽酰基)从tRNA转移，与A位下一氨基酰-tRNA的?-氨基形成肽键连接。成肽后，(N)肽酰-tRNA 将暂留A位，P位有卸载的tRNA。

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　　肽链合成延长阶段的肽键形成过程

　　成肽

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　　标题： (三)转位

　　正文：延长因子EF-G有转位酶( translocase )活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3`侧移动。使肽酰-tRNA-mRNA相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA则移入E位，A位留空并对应下一组三联体密码，准备适当的氨基酰-tRNA进位而开始下一轮核蛋白体循环。

　　51张

　　转位

　　52张

　　(Gp:) 进位

　　(Gp:) 转位

　　(Gp:) 成肽

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　　标题：核蛋白体循环

　　正文：从5`AUG开始直至终止密码子核蛋白体从5`→3`方向阅读mRNA遗传密码肽链的合成是从N端到C末端每进行一次核蛋白体循环，肽链延长一个氨基酸

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　　真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。

　　(四)真核生物延长过程

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　　标题：三、肽链合成的终止

　　当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。

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　　终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF)

　　一、识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG;而RF-2可识别UAA、UGA。二、诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核蛋白体上释放。

　　释放因子的功能

　　原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF

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　　正文：终止密码的辨认：RF 肽链从肽酰-tRNA水解出：RF诱导转肽酶 mRNA、卸载tRNA及RF从核蛋白体脱离大小亚基解聚：IF-1、IF-3 解聚后的大、小亚基可再次结合，重新进入肽链合成过程

　　标题：原核生物肽链合成终止过程

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　　原核肽链合成终止过程

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　　标题：多聚核蛋白体(polysome)

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　　标题：第三节

　　蛋白质合成后加工和输送Post-translational Processing & Protein Transportation

　　62张

　　正文：从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为具有天然构象的功能蛋白。

　　标题：主要包括

　　多肽链折叠为天然的三维结构肽链一级结构的修饰高级结构修饰

　　在胞液核蛋白体合成的各种蛋白质，还需要靶向输送到特定细胞部位发挥生物作用。

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　　标题：一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质

　　正文：新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。

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　　标题：几种有促进蛋白折叠功能的大分子

　　正文： 1. 分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)

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　　1. 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侣素(chaperonins) GroEL和GroES家族

　　分子伴侣

　　分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。

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　　热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用—— 结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。

　　(Gp:) HSP40结合待折叠多肽片段

　　(Gp:) HSP70-ATP复合物

　　(Gp:) HSP40- HSP70-ADP-多肽复合物

　　(Gp:) ATP水解

　　(Gp:) GrpE

　　(Gp:) ATP

　　(Gp:) ADP

　　(Gp:) 复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠

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　　伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程

　　伴侣素的主要作用—— 为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。

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　　蛋白二硫键异构酶

　　多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。

　　二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。

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　　肽-脯氨酰顺反异构酶

　　多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。

　　肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。

　　肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。

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　　标题：二、一级结构的修饰

　　正文： (一)肽链N端的修饰 (二)个别氨基酸的修饰 (三)多肽链的水解修饰

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　　标题：鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰

　　(Gp:) N

　　(Gp:) C

　　(Gp:) 信号肽

　　(Gp:) PMOC

　　(Gp:) KR

　　(Gp:) 103肽 ( ?)

　　(Gp:) ACTH

　　(Gp:) ?-LT

　　(Gp:) ?-MSH

　　(Gp:) Endophin

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　　胰岛素原(86肽)

　　(Gp:) A肽(21)

　　(Gp:) B肽(30)

　　(Gp:) C肽(35)

　　(Gp:) S

　　(Gp:) 胰岛素(51肽)

　　胰岛素的翻译后加工

　　73张

　　标题：三、高级结构的修饰

　　正文： (一)亚基聚合 (二)辅基连接 (三)疏水脂链的共价连接

　　74张

　　正文：蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。

　　标题：四、蛋白质合成后的靶向输送

　　? 蛋白质的靶向输送(protein targeting)

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　　正文：所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。

　　? 信号序列(signal sequence)

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　　靶向输送蛋白的信号序列或成分

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　　(一)分泌蛋白的靶向输送

　　真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。

　　信号肽(signal peptide)

　　各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。

　　78张

　　标题：信号肽的一级结构

　　79张

　　正文： 13~36个氨基酸残基组成碱性N端：带正电荷的碱性氨基酸疏水核心区：疏水中性氨基酸为主 C端加工区：极性小分子氨基酸

　　标题：信号肽的特点：

　　80张

　　信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网

　　81张

　　标题： (二)线粒体蛋白的靶向输送

　　82张

　　标题： (三)细胞核蛋白的靶向输送

　　所有靶向输送的胞核蛋白多肽链内含有特异信号序列，称为核定位序列(nuclear localization sequence。NLS)。 NLS为4~8个氨基酸残基组成的短序列，富含带正电的赖氨酸、精氨酸及脯氨酸。不同NLS间未发现共有序列。NLS可位于肽链不同部位，且在蛋白质进核定位后不被切除。新合成胞核蛋白靶向输送涉及几种蛋白质成分，包括核输入因子(nuclear importin)?和?，以及一种小GTP酶Ran蛋白。

　　83张

　　84张

　　标题：蛋白质生物合成的干扰与抑制Interference & Inhibition of Protein Biosynthesis

　　第四节

　　85张

　　正文：蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。

　　86张

　　抗生素(antibiotics) 是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。

　　抗代谢药物指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如：6-MP。

　　某些毒素也作用于基因信息传递过程。

　　87张

　　标题：一、抗生素类

　　正文：四环素(tetracyclin)族：与原核生物小亚基结合，抑制氨基酰-tRNA进位氯霉素(chloromycrtin)：与原核生物大亚基结合，阻断翻译延长过程，高浓度时对真核生物也有作用链霉素(streptomycin)卡那霉素(karamycin)：与原核生物小亚基结合，引起读码错误，抑制起始

　　88张

　　正文：嘌呤霉素(puromycin)：结构与酪氨酰-tRNA相似，取代氨基酰-tRNA进入A位，使肽链延长终止放线菌酮(cycloheximide)：特异抑制真核生物核蛋白体转肽酶红霉素：与原核生物大亚基结合，阻止核蛋白体在mRNA上移动

　　89张

　　抗生素抑制蛋白质生物合成的原理

　　90张

　　标题：嘌呤霉素作用示意图

　　91张

　　(Gp:) 四环素族

　　(Gp:) 氯霉素

　　(Gp:) 链霉素和卡那霉素

　　(Gp:) 嘌呤霉素

　　(Gp:) 放线菌酮