第四章 生物信息的传递(下)1

1、n遗传密码 (genetic code): DNA（或mRNA）中核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系。n密码子(codon)： mRNA上每3个核苷酸破译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为三联子密码。n翻译从起始密码子AUG开始，沿着53方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止。n若以3个核苷酸代表一个氨基酸，有43=64种密码子，满足了编码20种氨基酸的需要。（1）1954年Gamow首先对遗传密码进行了探讨； （2）1961年Crick 证明三联体密码子是正确的；（3）1961年，Nirenberg以均聚物、随机共聚物、特定序列的共聚物作模板合成多肽，破译遗传密码；（

2、4）1964年Nirenberg 用核糖体结合技术研究遗传密码，直接测出三联体对应的氨基酸；（5）到1966年，遗传密码全部破译。1.制备E.coli无细胞合成体系，以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物模板指导多肽的合成。 2.核糖体结合技术遗传密码的破译核糖体结合技术保温 分析留在滤膜上的-AA-tRNAAA-tRNA 确定与核糖体结合的AAAA和模板特定特定+ + + 20 + 20 种种AA-tRNAAA-tRNA(其中一种AA-tRNAAA-tRNA的氨基酸被1414C C标记）遗传密码的连续性遗传密码的连续性从从mRNA 5 端起始密码子端起始密码子AUG到到3 端终端终止密码子之

3、间的核苷酸序列，各个三联体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，称密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为为大多数氨基酸都存在几个密码，由大多数氨基酸都存在几个密码，由一种以上一种以上密码子编码密码子编码同一个氨基酸同一个氨基酸的现象称为密码子的的现象称为密码子的简并性（简并性（degeneracydegeneracy）。）。密码子碱基数确密码子碱基数确定和对应性（定和对应性（6464个密码子对个密码子对2020种氨基酸）种氨基酸）确定同一个氨基酸的不同密码称为同义密码确定同一个氨基酸的不同密码称为同义密码（synonymous codonssynonymous

4、codons）。）。n密码的简并性可以减少碱基突变造成的有密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。害效应。n在标准遗传密码表中，只有一个密码子的在标准遗传密码表中，只有一个密码子的氨基酸是氨基酸是Trp和和Met。遗传密码的简并性遗传密码的简并性A U C在密码子第三位碱基在密码子第三位碱基与反密码子第一位碱与反密码子第一位碱基之间，碱基配对的基之间，碱基配对的摆动允许形成摆动允许形成G-U配配对。对。G-U pairs form at the third codon base 。mRNA：蛋白质的：蛋白质的DNA序列信息的中间体。序列信息的中间体。tRNA：运送特定氨基酸到核糖体上合成：

5、运送特定氨基酸到核糖体上合成蛋白质。蛋白质。rRNA：核糖体的组成元件。：核糖体的组成元件。概概 述述Protein synthesis uses three types of RNA53mRNA原核生物原核生物mRNA与真核生物与真核生物mRNA结构比较结构比较 核糖体可以不从核糖体可以不从mRNAmRNA上解离连续合成三个蛋白质上解离连续合成三个蛋白质Eukaryotic mRNAProkaryotic mRNA2.1.2 原核生物原核生物mRNA与真核生物与真核生物mRNA生命周期比较生命周期比较 2) The life cycle of Eukaryotic mRNA messenge

6、r RNA: expression of mRNA in animal cells requires transcription, modification, processing, nucleo-cytoplasmic transport, and translation.Eukaryotic mRNA is modified and exported二级结构：三叶草型二级结构：三叶草型三级结构：倒三级结构：倒L L型型稀有核苷含量多稀有核苷含量多tRNA折叠折叠为紧凑的为紧凑的L型三级结构。型三级结构。在蛋白质合成中，起着运载氨基酸的作用，在蛋白质合成中，起着运载氨基酸的作用，按照按照mR

7、NAmRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。3端端CCAOH上的氨基酸接受臂上的氨基酸接受臂识别氨酰识别氨酰tRNA合成酶的位点合成酶的位点核糖体识别位点核糖体识别位点反密码子位点反密码子位点tRNA特异性只取决于反密码子特异性只取决于反密码子,与携带的氨基酸无关与携带的氨基酸无关一类特异地一类特异地识别识别mRNAmRNA模板上模板上起始密码子起始密码子的的tRNAtRNA叫起始叫起始tRNAtRNA，其他其他tRNAtRNA为延伸为延伸tRNA.tRNA.原核起始原核起始tRNAtRNA携带携带fM

8、etfMet真核起始真核起始tRNAtRNA携带携带MetMet携带相同氨基酸而反密码子不同的携带相同氨基酸而反密码子不同的一组一组tRNA称为称为原因原因：tRNA tRNA 的数目（的数目（2020余种）大于氨基酸数目余种）大于氨基酸数目大肠杆菌无义突变的校正大肠杆菌无义突变的校正tRNA 氨基酸 tRNAtRNA氨基酰ATPAMP + PPi*tRNA氨基酰*合成酶绝对专一性校正活性氨基酰氨基酰tRNA合成酶催化的反应：合成酶催化的反应：氨基酸氨基酸 ATP+E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP EAla-tRNAAla

9、Ser-tRNASerMet-tRNAMet原核生物翻译过程中核糖体结构模式原核生物翻译过程中核糖体结构模式A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)活性中心：活性中心：mRNA结合部位结合部位结合或接受结合或接受AA-tRNA部位部位结合或接受肽基结合或接受肽基tRNA的部位的部位肽基转移部位肽基转移部位形成肽键的部位（转肽酶的中心）形成肽键的部位（转肽酶的中心）负责肽链合成的各种因子的结合位点负责肽链合成的各种因子的结合位点AP肽基转移肽基转移酶位点酶位点肽酰结合位肽酰结合位点（

10、点（P位）位）氨酰接受位氨酰接受位点点 （A位）位）mRNA结结合位点合位点小亚基小亚基大亚基大亚基UAC氨酰氨酰-tRNA肽酰肽酰-tRNAAAC功能位点功能位点E氨基酸的活化氨基酸的活化肽链合成的起始肽链合成的起始肽链的延长肽链的延长肽链合成的终止和释放肽链合成的终止和释放新合成多肽链的折叠和加工处理新合成多肽链的折叠和加工处理氨基酰氨基酰tRNA合成酶催化的反应：合成酶催化的反应：氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E tRNA与与酶结合的酶结合的模型模型tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶A

11、TPAla-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMetMet + tRNA +ATP Met-tRNAfMet +AMP +PPi甲酰基转移酶甲酰基转移酶四氢叶酸四氢叶酸fMet-tRNAfMet IF-1和和IF-3与小亚基结合，促进核糖体大、小亚与小亚基结合，促进核糖体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。基拆离，为新一轮合成作准备。IF-3IF-1A U G53IF-3IF-1SD sequenceAUG10basesUAAGGAGGU:complementary with 5The site for ribosome binding 3 3） 起始氨酰起始氨酰tRNA(

12、 fMet-tRNAtRNA( fMet-tRNAfMetfMet ) )结合到小亚基结合到小亚基 起始起始 fMet-tRNAfMet在在IF2-GTP帮助下，进入小帮助下，进入小亚基亚基P位，并对应模板位，并对应模板mRNA的的起始密码起始密码AUG。IF-2GTPIF-3IF-1A U G53IF2结合的结合的GTP被被水解水解，三种，三种IF脱离脱离，50S大亚大亚基与基与30S小亚基、模板小亚基、模板mRNA以及起始以及起始fMet-tRNAfMet构成起始复合体。构成起始复合体。IF-3IF-1IF-2-GTP-GDPPiA U G53n真核生物翻译起始复合体的形成过程与真核生物翻

13、译起始复合体的形成过程与原核生物类似，但原核生物类似，但参与的蛋白因子参与的蛋白因子更多。更多。n核糖体大小亚基分离；核糖体大小亚基分离；n起始氨基酰起始氨基酰-tRNA结合；结合；nmRNA在核糖体小亚基就位；在核糖体小亚基就位；核糖体大亚基结合。核糖体大亚基结合。mRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合体形成过程复合体形成过程原核和真核生物中各种起始因子的生物功能原核和真核生物中各种起始因子的生物功能.即与即与mRNA下一

14、个密下一个密码相对应的氨基酰码相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的进入核糖体的A位。此步骤需位。此步骤需GTP，Mg2+，和和EF-T参与。参与。是由是由肽基转移酶肽基转移酶(peptidyl transferase)催化催化的肽键形成过程。的肽键形成过程。在肽基转移酶的催化下，将给位上的在肽基转移酶的催化下，将给位上的tRNA所所携带的携带的fMet基或肽酰基转移到受位上的氨基酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其上，与其 -氨基缩合形成肽键。氨基缩合形成肽键。转肽反应过程转肽反应过程多肽链合成的延长因子多肽链合成的延长因子 多肽链合成的终止过程多肽链合成的终止过程 U A G53C

15、OO-原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1RF-1，RF-2RF-2，RF-3RF-3 真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF eRF nRFRF的生物学功能主要有：的生物学功能主要有：n识别终止密码，如识别终止密码，如RF-1RF-1特异识别特异识别UAAUAA、UAGUAG；而；而RF-2RF-2可识别可识别UAAUAA、UGAUGA。诱导转肽酶改变为酯酶活性，酯键被水解，诱导转肽酶改变为酯酶活性，酯键被水解，相当于催化肽酰基转移到水分子相当于催化肽酰基转移到水分子-OH-OH上，使上，使肽链从核蛋白体上释放。肽链从核蛋白体上释放。 多聚核糖体多聚核糖体(polysome)使蛋

16、白质使蛋白质合成高速、高合成高速、高效进行。效进行。n由若干核蛋白体结合在一条由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为构称为多聚核蛋白体（多聚核蛋白体（polysome）。 多聚核糖体多聚核糖体电镜下的多聚核蛋白体现象电镜下的多聚核蛋白体现象脱甲酰基酶或氨基肽酶脱甲酰基酶或氨基肽酶 去甲酰化：去甲酰化：脱甲酰化酶脱甲酰化酶甲酰蛋氨酸甲酰蛋氨酸-肽肽甲酸甲酸 + 蛋氨酸蛋氨酸-肽肽 去蛋氨酰基：去蛋氨酰基：蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酰蛋氨酰-肽肽蛋氨酸蛋氨酸 + 肽肽 -OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-C

17、H-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3羟脯氨酸羟脯氨酸, ,羟赖氨酸的羟化羟赖氨酸的羟化; ; 含含- -OHOH的丝氨酸的丝氨酸, ,苏氨酸苏氨酸, ,酪氨酸的磷酸化酪氨酸的磷酸化; ; 组蛋白的乙基或甲基化组蛋白的乙基或甲基化磷酸化磷酸化 由多种蛋白激酶催化由多种蛋白激酶催化n糖基化糖基化 糖基一般连接在糖基一般连接在4种氨基酸上，种氨基酸上，分为

18、分为2种：种： O连接的糖基化连接的糖基化 与与Ser、Thr和和Hyp的的-OH连接，连连接，连接的糖类为半乳糖或接的糖类为半乳糖或N-乙酰半乳糖乙酰半乳糖. 在高尔基体上进行在高尔基体上进行O连接的糖基化连接的糖基化. N连接的糖基化连接的糖基化 与与Asn的的NH2连接连接 在内质网上进行的为在内质网上进行的为N-连接的糖基化连接的糖基化甲基化甲基化 由由N-甲基转移酶催化甲基转移酶催化 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。 酶原激活（前体酶原激活（前体功能蛋白质）功能蛋白质） 多肽类激素和酶的前体要经过加工才能变为多肽类激素和酶的前体要经过加工才

19、能变为活性分子。如胰蛋白酶原，前胰岛素原，血活性分子。如胰蛋白酶原，前胰岛素原，血纤维蛋白原等，还有蜂毒素。纤维蛋白原等，还有蜂毒素。胰岛素蛋白的翻译成熟过程胰岛素蛋白的翻译成熟过程具有四级结构的蛋白质由两条以上的多肽链通具有四级结构的蛋白质由两条以上的多肽链通过非共价键聚合形成寡聚体。过非共价键聚合形成寡聚体。结合蛋白合成后需要结合相应的辅基才能成为结合蛋白合成后需要结合相应的辅基才能成为具有天然活性的蛋白质。具有天然活性的蛋白质。 新生肽链必须通过正确的折叠才能形成动力学和热新生肽链必须通过正确的折叠才能形成动力学和热力学稳定的三维结构，从而表现出生物学活性或功力学稳定的三维结构，从而表现

20、出生物学活性或功能。能。 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折一般认为，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。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。需要其他酶、蛋白辅助。 n分子伴侣（分子伴侣（molecular chaperone） 能够在细胞内辅助新生肽链正确折叠的蛋白质。是能够在细胞内辅助新生肽链正确折叠的蛋白质。是一类序列上没有相关性但有共同功能的保守性蛋白一类序列上没有相关性但有共同功能的保守性蛋白质。质。 按是否自发性折叠分为：热

21、休克蛋白和伴侣素。按是否自发性折叠分为：热休克蛋白和伴侣素。抗生素抗生素干扰素干扰素 (一一) )抗生素抗生素53PA位位氯氯霉霉素素链链霉霉素素和和卡卡那那霉霉素素嘌嘌呤呤霉霉素素四四环环素素放线菌酮 嘌呤霉素嘌呤霉素作用示意图作用示意图(二二) )干扰蛋白质生物合成的生物活性物质干扰蛋白质生物合成的生物活性物质1 1、翻译、翻译- -运转同步机制运转同步机制2、翻译后运转机制、翻译后运转机制(1)线粒体蛋白质跨膜运转线粒体蛋白质跨膜运转(2)叶绿体蛋白质的跨膜运转叶绿体蛋白质的跨膜运转3、核定位蛋白的运转机制、核定位蛋白的运转机制4、蛋白质的降解、蛋白质的降解过氧化物酶体蛋白质的合成位点与

22、功能位点常常被细胞内的膜所隔开，蛋白质需要运转。核糖体是真核生物细胞内合成蛋白质的场所，任何时候都有许多蛋白质被输送到细胞质、细胞核、线粒体和内质网等各个部分，补充和更新细胞功能。细胞各部分都有特定的蛋白质组分，蛋白质必须准确无误地定向运送才能保证生命活动的正常进行。 细胞中蛋白质的合成：细胞中蛋白质的合成：绝大多数在细胞质中绝大多数在细胞质中合成；一小部分在细胞器（叶绿体和线粒体）中合成；一小部分在细胞器（叶绿体和线粒体）中合成。合成。 定位于细胞器内的大部分蛋白质在细胞质中定位于细胞器内的大部分蛋白质在细胞质中合成，细胞器内合成的留在细胞器内。合成，细胞器内合成的留在细胞器内。 蛋白质插入

23、或穿过生物膜的过程称为蛋白质插入或穿过生物膜的过程称为蛋白质蛋白质运转运转（protein translocation）。蛋白质运转的两种方式蛋白质运转的两种方式翻译翻译- -运转同步运转同步（co-translational translocationco-translational translocation） 是是即将进入内质网的蛋白质即将进入内质网的蛋白质的易位方式；的易位方式； 蛋白质正合成的时候就可与运转装置结合；蛋白质正合成的时候就可与运转装置结合； 蛋白质蛋白质合成时，核糖体定位于内质网表面，称合成时，核糖体定位于内质网表面，称膜结合核糖体膜结合核糖体(membrane-bou

24、nd ribosome）。 分泌蛋白质分泌蛋白质大多是以同步机制运输的大多是以同步机制运输的蛋白质翻译完成后从核糖体上释放，然后扩散蛋白质翻译完成后从核糖体上释放，然后扩散至合适的靶膜并与运转装置结合。至合适的靶膜并与运转装置结合。蛋白质合成时，其核糖体不与任何细胞器相连，蛋白质合成时，其核糖体不与任何细胞器相连，称称游离核糖体游离核糖体(free ribosome)(free ribosome)在细胞器发育过程中，在细胞器发育过程中，由细胞质进入细胞器的由细胞质进入细胞器的蛋白质蛋白质大多是以翻译后运转机制运输的。大多是以翻译后运转机制运输的。参与生物膜形成的蛋白质参与生物膜形成的蛋白质，依

25、赖于上述两种不，依赖于上述两种不同的运转机制镶入膜内。同的运转机制镶入膜内。翻译后运转翻译后运转（post-translational translocationpost-translational translocation）蛋白性质 运转机制 主要类型 分泌 蛋白质在结合核糖体上合成，并以翻译-运转同步机制运输免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等细胞器发育 蛋白质在游离核糖体上合成，以翻译后运转机制运输 核、叶绿体、线粒体、乙醛酸循环体、过氧化物酶体等细胞器中的蛋白质 膜的形成 两种机制兼有 质膜、内质网、类囊体中的蛋白质 溶酶体分泌小泡质膜各种新生分泌蛋白的各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨

26、端有保守的氨基酸序列称信号肽。基酸序列称信号肽。 信号序列特点：（1 1）一般带有）一般带有10-1510-15个疏水氨基酸；个疏水氨基酸；（2 2）在靠近该序列）在靠近该序列N-N-端常常有端常常有1 1个或数个带正电个或数个带正电荷的氨基酸；荷的氨基酸；（3 3）在其）在其C-C-末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基数个极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链（丙氨酸或甘氨酸）。酸往往带有很短的侧链（丙氨酸或甘氨酸）。靶向输送蛋白信号序列或成分内质网腔蛋白信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO

27、-(KDEL序列)N端靶向序列（2035氨基酸残基）（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40 T抗原）过氧化体蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶体蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）信号肽假说内容：（1）蛋白质合成起始首先合成信号肽）蛋白质合成起始首先合成信号肽（2）SRP（信号识别蛋白）与信号肽结合，翻（信号识别蛋白）与信号肽结合，翻译暂停译暂停（3）SRP与与SRP受体受体结合，核糖体与膜结合，结合，核糖体与膜结合，翻译重新开始翻译重新开始（4）信号肽进入膜结构）信号肽进入膜结构（5）蛋白质过膜，信号肽被切除，翻译继续进）蛋白质过膜，信

28、号肽被切除，翻译继续进行行（6）蛋白质完全过膜，核糖体解离）蛋白质完全过膜，核糖体解离信号肽与蛋白质转运的关系信号肽与蛋白质转运的关系（1 1）完整信号肽是保证蛋白质转运的必要条件；）完整信号肽是保证蛋白质转运的必要条件；（2 2）仅有信号肽不足以保证蛋白质转运发生；）仅有信号肽不足以保证蛋白质转运发生；（3 3）信号序列切除并不是转运所必需；）信号序列切除并不是转运所必需；（4 4）并非所有运转蛋白质都有可降解的信号肽。）并非所有运转蛋白质都有可降解的信号肽。新生蛋白质通过同步转运途径进入内质网内腔的主要过程 叶绿体和线粒体叶绿体和线粒体中有中有许多蛋白质蛋白质和酶是由细胞质和酶是由细胞质提

29、供的，其中绝提供的，其中绝大多数以翻译后大多数以翻译后运转机制进入细运转机制进入细胞器内。胞器内。前导肽及其特性前导肽及其特性:? 翻译后跨膜易位的蛋翻译后跨膜易位的蛋白质，前体一般含白质，前体一般含前导前导肽肽(leader peptide)，前，前导肽在跨膜运转中起重导肽在跨膜运转中起重要作用。要作用。? 过膜后，前导肽过膜后，前导肽水解水解，蛋白质变为有功能的蛋蛋白质变为有功能的蛋白质。白质。P146（3 3）核定位蛋白的运转机制）核定位蛋白的运转机制蛋白质一般通过核孔进入细胞核。核糖体蛋白首先在细胞质中合成，运转到细胞核内，在核仁中被装配成40S和60S核糖体亚基，然后运转回到细胞质中

30、去合成蛋白质。 RNA、DNA聚合酶、组蛋聚合酶、组蛋白、拓扑异构酶及大量转白、拓扑异构酶及大量转录、复制调控因子都必须录、复制调控因子都必须从细胞质进入细胞核才能从细胞质进入细胞核才能正常发挥功能。正常发挥功能。概概 述述生物体内蛋白质的降解过程是一个有序的过程。生物体内蛋白质的降解过程是一个有序的过程。 当细胞中出现错误的蛋白质或半衰期很短的蛋白质时，当细胞中出现错误的蛋白质或半衰期很短的蛋白质时，蛋白酶被激活。蛋白酶被激活。蛋白质的半衰期大约从蛋白质的半衰期大约从3030s s到许多天不等。到许多天不等。 像血红蛋白这样少数蛋白的半衰期与细胞周期同样长像血红蛋白这样少数蛋白的半衰期与细胞周期同样长( (成成红细胞红细