第四章_生物信息传递(下)——翻译

1、第四章 生物信息的传递（下） 从mRNA到蛋白质DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制 翻译：指将mRNA链上的核甘酸从一个特定的起始位点开始，按每三个核甘酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。蛋白质合成的场所是蛋白质合成的模板是模板与氨基酸之间的接合体是蛋白质合成的原料是核糖体mRNAtRNA20种氨基酸 遗传密码三联子 tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、功能与种类 核糖体的结构与功能核糖体的结构与功能 蛋白质合成的过程蛋白质合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制Contents一、遗传密码三联子（一）三联子密码定义 mRNA链上每三个核甘酸翻译成蛋白质多肽

2、链上的一个氨基酸，这三个核甘酸就称为密码子或三联子密码(triplet coden) 。mRNA 5 AUG AGU ACA AAA CCU、 3（二）三联子密码破译mRNA5 AUCGACCUGAGC3420 ()mRNA5 AUCGACCUGAGC342=1620 ()mRNA5AUCGACCUGAGC343=6420 ()核甘酸序列氨基酸序列（1 1）19541954年年GamowGamow首先对遗传密码进行了探讨；首先对遗传密码进行了探讨； （2 2）19611961年年Crick Crick 证明三联体密码子是正确的；证明三联体密码子是正确的；（3 3）19611961年，年，Nir

3、enbergNirenberg以以均聚物、随机共聚物、均聚物、随机共聚物、特定序列的共聚物特定序列的共聚物作模板合成多肽，破译遗作模板合成多肽，破译遗传密码；传密码；（4 4）19641964年年Nirenberg Nirenberg 用用核糖体结合技术核糖体结合技术研究遗研究遗传密码，传密码，直接测出三联体对应的氨基酸直接测出三联体对应的氨基酸；（5 5）到）到19661966年，遗传密码全部破译。年，遗传密码全部破译。遗传密码破译简史遗传密码破译简史核糖体结合技术核糖体结合技术保温 分析留在滤膜上的-AA-tRNA 确定与核糖体结合的AA特定特定+ + + 20 + 20 种种AA-tRN

4、AAA-tRNA遗传密码字典遗传密码字典（三）遗传密码的性质1、 连续性翻译由翻译由mRNAmRNA的的55端的起始密码子开端的起始密码子开始，一个密码子接下个密码子连续地阅读直始，一个密码子接下个密码子连续地阅读直到到33终止密码，密码间既终止密码，密码间既无间断也无重叠，无间断也无重叠，即起始密码子决定了所有后续密码子的位置，即起始密码子决定了所有后续密码子的位置，说明三联子密码是连续的。说明三联子密码是连续的。 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)。 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

5、，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)。 （三）遗传密码的性质20AA61种密码子？由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymous codon）。2、 简并性简并性同义密码子一般不是随机分布的，因为其第一、第二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变并不一定影响所编码的氨基酸，这种安排减少了变异对生物的影响。编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率就越高。Arg例外，CG双联子出现的频率较低。（三）遗传密码的性质3、通

6、用性与特殊性 蛋白质生物合成的整套密码，无论是在体内还是体外，也无论是对病毒、细菌、动物还是植物而言都是通用的。遗传密码子的通用性有助于我们研究生物的进化，在遗传工程中也得到充分运用。 已发现少数例外，如支原体、动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。P114生物密码子线粒体DNA编码的氨基酸核DNA编码的氨基酸所有UGA色氨酸终止子酵母CUA苏氨酸亮氨酸果蝇AGA丝氨酸精氨酸哺乳类AGA/G终止子精氨酸哺乳类AUA甲硫氨酸异亮氨酸线粒体与核DNA密码子使用情况的比较（三）遗传密码的性质4、摆动性转运氨基酸的转运氨基酸的tRNA上上的反密码子需要通过的反密码子需要通过碱基碱基互补互补与与mRNA上

7、的遗传密码子上的遗传密码子反向配对反向配对结合，在密码结合，在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，则，第三对碱基有一定的自由度第三对碱基有一定的自由度，可以，可以“摆动摆动”，这，这种现象称为密码子的摆动性。种现象称为密码子的摆动性。 U摆动配对摆动配对mRNA5AUUAUUAUCAUCAUAAUA3UAIUAIIleIle5UAIUAIIleIle5UAIUAIIleIle5tRNA333I: 次黄嘌呤次黄嘌呤密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基

8、U, C, AA, GU, CUG1、由Francis Crick提出的密码子与反密码子配对的摆动假说是指（）A 反密码子的5端碱基允许互补碱基有摆动B 反密码子的3端碱基允许互补碱基有摆动C 密码子的3端碱基允许互补碱基有摆动D 密码子的5端碱基允许互补碱基有摆动2、反密码子中哪个碱基对参与了密码子的简并性（摇摆）？（）第一个 B. 第二个 C. 第三个 D. 第一个与第三个3、反密码子IGC可以识别的密码子是( )A . GCG B. GCA C. ACG D. ICG4、与tRNA中的反义密码子为GCU反向配对的mRNA中的密码子是（ ）UGA B. CGA C. AGU D. AGI5

9、、( )的密码子可以作为起始密码子.酪氨酸 B. 甲硫氨酸 C. 色氨酸 D. 苏氨酸6、只有一个密码子的氨基酸是（ ）亮氨酸和丝氨酸 B. 色氨酸和苏氨酸甲硫氨酸和色氨酸 D. 甘氨酸和色氨酸A. 7、终止密码子包括（）（）（） 遗传密码三联子 tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、功能与种类 核糖体的结构与功能核糖体的结构与功能 蛋白质合成的过程蛋白质合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制Contents二、tRNA的结构、功能与种类（一） tRNA的结构 1、二级结构：三叶草形P116二、tRNA的结构、功能与种类（一） tRNA的结构 2、三级结构： “L”形 P117氢键三

10、叶草二级结构具有四个臂 L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直3 TC 环 氨基酸茎 3 5 氨基酸茎 5 D 环D 环 TC 环 可变环可变环反密码子环 反密码子环 图 14-15 tRNA 由三叶草型折叠成 L 型三维结构（二） tRNA的功能1、解读mRNA的遗传信息2、运输的工具，运载氨基酸tRNA有两个关键部位： 3端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。 与mRNA结合部位反密码子部位tRNA is an adaptor35ICCA-OH53CCA-OHG G CC C GtRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。tRNA特异性特异性只

11、取决于只取决于反密码子反密码子,与携带的氨基酸无关与携带的氨基酸无关 P1191、起始tRNA和延伸tRNA（三） tRNA的种类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA称起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA（P119）。P119：真核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸是Met，起始AA-tRNA为Met-tRNAMet。原核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸并不是 甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸（fMet），起始AA-tRNA为fMet-tRNAfMet2、同工tRNA（三） tRNA的种类 代表同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA。 同工tRNA既要有不同的反密码

12、子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同性，能被相同的氨基酰-tRNA合成酶识别（P119）。3、校正tRNA（三） tRNA的种类 无义突变：在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子（UAG、UGA、UAA），使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变就称为无义突变。 错义突变：由于结构基因中某个核甘酸的变化使一种氨基酸的密码子变为另一种氨基酸的密码子，这种基因突变叫错义突变。 GGA（甘氨酸） AGA（精氨酸） 校正tRNA在进行校正过程中必须与正常的tRNA竞争结合密码子 一般校正效率不会超过50%(四)氨酰tRNA合

13、成酶 氨酰氨酰tRNA合成酶是一类催化氨基酸与合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶，其反应式如下：结合的特异性酶，其反应式如下： AA+tRNA+ATP AA-tRNA+AMP+PPi 分两步进行：（分两步进行：（P120） 蛋白质合成的真实性主要取决于蛋白质合成的真实性主要取决于tRNA能否把能否把正确的正确的AA放到新生多肽链的正确位置上，而放到新生多肽链的正确位置上，而这主要取决于这主要取决于AA-tRNA合成酶合成酶是否能使是否能使AA与与其对应的其对应的tRNA相结合。相结合。 酶对酶对AA和和tRNA都具有都具有高度的专一性高度的专一性。 遗传密码三联子 tRNAtRNA

14、的结构、功能与种类的结构、功能与种类 核糖体的结构与功能核糖体的结构与功能 蛋白质合成的过程蛋白质合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制Contents三、核糖体的结构与功能 （一）核糖体的结构P121:几十种蛋白质+几种rRNA/80S/40S/60SSize comparisons show that the ribosome is large enough to bind tRNAs and mRNA.Ribosomes are large ribonucleoprotein particles that contain more RNA than protein and diss

15、ociate into large and small subunits. 细胞器核糖体：细胞器核糖体：与胞质中的存在明显差异，与胞质中的存在明显差异，并具不同形式。有时与细菌核糖体大小相当并具不同形式。有时与细菌核糖体大小相当（70% rRNA70% rRNA），），有时仅有时仅60 S60 S（ 30% rRNA 30% rRNA） 核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽然在不同生物内其虽然在不同生物内其大小有别大小有别，但，但组织结构基本组织结构基本相同相同，而且执行的，而且执行的功能也完全相同功能也完全相同。NOTE： 表14-7 原核和真核

16、生物核糖体的组成及功能P123-126核糖体亚基 rRNAs 蛋白 RNA的特异顺序和功能 细菌 70S 50S 23S=2904b 31种(L1-L31）含CGAAC和GTCG互补2.5106D 5S=120b66%RNA 30S 16S=1542b 21种(S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)和S-D 顺序(AGGAGG)互补 哺乳动物 80S 60S 28S=4718b 49种 有GAUC和tRNAfMat的TCG互补4.2106D 5S=120b 60%RNA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 33种 和Capm7G结合 三、核糖体的结构与功能 （二）核糖体的功能

17、：合成蛋白质 mRNA结合部位；结合部位； 结合结合AA-tRNA部位（部位（A位）；位）； 结合肽基结合肽基 tRNA部位（部位（P位）；位）； 空载空载tRNA移出部位（移出部位（E位）；位）； 形成肽键的部位。形成肽键的部位。 此外，还有用于起始和延伸的各种蛋白质此外，还有用于起始和延伸的各种蛋白质因子结合部位。因子结合部位。 大小亚基的生物学功能大小亚基的生物学功能小亚基：小亚基： 通过密码子与反密码子的配对，识别并结合通过密码子与反密码子的配对，识别并结合模板模板mRNAmRNA，蛋白质合成中，蛋白质合成中A A位、位、P P位、位、E E位的一部分等。位的一部分等。大亚基：大亚基：

18、 结合结合多肽链多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中，催化肽键形成、蛋白质合成中A A位、位、P P位、位、E E位的一部分等。位的一部分等。 遗传密码三联子 tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、功能与种类 核糖体的结构与功能核糖体的结构与功能 蛋白质合成的过程蛋白质合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制Contents四、蛋白质合成的过程 氨基酸的活化 翻译的起始 肽链的延伸 肽链的终止 蛋白质前体的加工(一)氨基酸的活化氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异

19、性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 原核生物中，起始氨基酸是： 起始AA-tRNA是：真核生物中，起始氨基酸是： 起始AA-tRNA是：甲酰甲硫氨酸fMet-tRNAfMet甲硫氨酸Met-tRNAiMet第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E AMP PPi目目 录录第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E目目 录录 tRNA与酶与酶结合的模型结合的模型tRN

20、A氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP(二)翻译的起始原核生物（细菌）为例：所需成分：30S小亚基、 50S大亚基、模板mRNA、 fMet-tRNAfMet、GTP、Mg2+翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3、IF-3IF-1翻译起始(翻译起始复合物形成)又可被分成3步： （P130）1. 核蛋白体大小亚基分离2、30S小亚基通过SD序列与mRNA模板相结合。A U G53IF-3IF-1S-D序列序列 IF-3IF-1IF-2GTP3.3.在IF-2和GTP的帮助下， fMet-tRNAfMet进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。A U G53I

21、F-3IF-1IF-2GTPGDPPi4 4、带有tRNA、mRNA和3个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放翻译起始因子。A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi真核生物翻译起始的特点真核生物翻译起始的特点核糖体较大,为；起始因子比较多； mRNA 5端具有m7Gppp帽子结构 Met-tRNAiMet mRNA的5端帽子结构和3端polyA都参与形成翻译起始复合物； 真核生物翻译起始复合物形成真核生物翻译起始复合物形成(区别原核生物区别原核生物) 原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与fMet-tRNAfM

22、et结合，最后与50S大亚基结合。而在真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80SmRNAMet-tRNAMet起始复合物（P131）。mRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物形成过程复合物形成过程 肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，每个循环包括：AA-tRNA与核糖体结合、 肽键的生成 和 移位。 延伸因子(elongation fact

23、or, EF) ： 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2 (三)肽链的延伸1、AA-tRNA与核糖体A位点的结合需要消耗GTP，并需EF-Tu、EF-Ts两种延伸因子通过延伸因子通过延伸因子EF-Ts再生再生GTP,形成形成EF-TuGTP复合物复合物EF-Tu-GDP+ EF-Ts EF-Tu-Ts + GDP EF-Tu-Ts + GTP EF-Tu-GTP + EF-Ts重新参与下一轮循环2、肽键形成是由转肽酶/肽基转移酶催化3、移位核糖体向mRNA3端方向移动一个密码子。需要消耗GTP，并需EF-G延伸因子延长因子EF-G有转位酶(

24、 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 。fMetA U G53fMetTuGTP目目 录录原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 （四）肽链的终止 RF1：识别终止密码子UAG和UAA 释放因子 RF2：识别终止密码子UGA和UAA RF3：具GTP酶活性，刺激RF1和 RF2活性，协助肽链的释放（原核生物）真核生物的I、II类只有一种释放因子（eRF1，3）(五)蛋白质前体的加工1、N端fMet或Met的切除新生蛋白质经蛋白酶切后变成有功能的成熟蛋白质2、二硫键的形成（对稳定蛋白质的天然构象具有重要作用）两个半胱氨酸-SH-SH -S

25、H-SH -SH-SH 二硫键氧化3、特定氨基酸的修饰（P137） 磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羟基化和羧基化等4、切除新生肽链中非功能片段前胰岛素原蛋白翻译后成熟过程示意图5、蛋白质的折叠分子伴侣：辅助新生肽链正确折叠的蛋白质。序列上无相关性但有共同功能的保守性蛋白质。包括： 热休克蛋白 伴侣素6、蛋白质合成的抑制剂 遗传密码三联子 tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、功能与种类 核糖体的结构与功能核糖体的结构与功能 蛋白质合成的过程蛋白质合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制Contents五、蛋白质的运转机制蛋白性质 运转机制 主要类型 分泌 蛋白质在结合核糖体上合成，并

26、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 几类主要蛋白质的转送机制 1、翻译-运转同步机制信号肽假说信号肽：常指新合成多肽链中用于指导蛋白质跨膜转移的N-末端氨基酸序列（有时不一定在N端）。能启动蛋白质转运的任何一段多肽。信号序列特点：（1 1）一般带有）一般带有10-1510-15个个疏水疏水氨基酸；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个或数个带个或数个带正电正电荷的氨基酸；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数个极性极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基氨基酸，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）。信号肽假说内容：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 P1462、翻译后运转机制叶绿体线粒体(1)(1)线粒体蛋白质跨膜运转线粒体蛋白质跨膜运转(2)(2)叶绿体蛋白质的跨膜运转叶绿体蛋白质的跨膜运转（3 3）核定位蛋白的运转机制）核定位蛋白的运