基因表达-转录和翻译课件

1、 第五章 基因表达-转录和翻译 第一节 转录第二节 翻译转录（Transcription）：生物体以DNA为模板合成RNA的过程，遗传信息从DNA向RNA传递过程，也是基因表达的起始转录是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）转录产生初级转录物为RNA前体，它们必须经过加工过程变为成熟的RNA，才能表现其生物活性从DNA到蛋白质的基因信息传递分为两个过程：翻译（Translation）：基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质氨基酸序列的过程蛋白质分子由许多氨基酸组成，不同的蛋白质分子中氨基酸的特定排列顺序，是

2、由蛋白质编码基因中的DNA碱基序列决定的翻译过程需要200多种生物大分子参加，其中包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子第一节 转录转录的基本概念转录的酶学* 转录过程* 转录后加工与修饰* 转录：是一个酶学过程，在依赖DNA的RNA聚合酶的作用下进行；包括识别，起始（Promotion ），延长（Elongation）和终止（Termination）四个过程转录单位 （Transcriptional unit）：一段从启动子（Promoter）开始到终止子（Terminator）结束的DNA序列原核生物中的转录单位为多顺反子（Polycistron），操纵子（Operon）；真核生物

3、中的转录单位为单顺反子（Monocistron）,但无操纵子I.转录的基本概念转录的基本过程模板识别：RNA聚合酶与启动子（能活化RNA聚合酶使之与模板链结合的特定DNA序列）识别结合并使DNA解链的过程起始：产生第一个核苷酸键（到形成9bp短链）延伸：RNA聚合酶催化聚合反应终止：终止信号终止反应I.转录的基本概念转录的不对称性 RNA的合成时，DNA双链中仅有一条链作为转录模板，称为转录的不对称性RNARNARNA的转录合成只以双链DNA中的一条单链作为的模板进行（不对称转录）I.转录的基本概念模板链并非永远在同一条单链上转录方向5335模板链编码链编码链模板链转录方向编码链与模板链在DN

4、A双链中，与mRNA序列相同的那条DNA单链称为编码链，又叫有意义链；而另一条以碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为模板链，又叫无意义链I.转录的基本概念RNA聚合酶所催化的反应大肠杆菌RNA聚合酶因子真核生物RNA聚合酶II.转录的酶学1.RNA聚合酶所催化的反应II.转录的酶学全酶分子量达50多万，由五个亚基组成亚基（1）：辨认转录起始点，细胞内转录是在DNA特定的起始点上开始的亚基（1）：酶和核苷酸底物结合的部位，与转录全过程有关（催化）亚基（1）：酶与DNA模板结合的主要部位（开链），强碱性亚基亚基（2）：位于前端的因子使双链解链为单链；位于尾端的因子使单链重新聚合为双链去掉亚基

5、的部分称为核心酶，核心酶催化核苷酸间磷酸二酯键的形成 2.大肠杆菌RNA聚合酶II.转录的酶学作用：使全酶识别Sextama盒, 与模板链结合，极大地促进核心酶对启动子序列地结合。是核心酶的别构效应物作用机制：核心酶对DNA的识别位点过多，因子降低核心酶对一般DNA的结合常数，提高对启动子的结合常数一核多：同一核心酶搭配不同的因子故而可识别同一基因组上的不同启动子，表达不同的基因。例如枯草杆菌导致RNA链的延伸缓慢3.因子II.转录的酶学真核生物有四种RNA聚合酶，分别为RNA聚合酶、和线粒体RNA聚合酶，分子量大致都在500kD，它们专一性地转录不同的基因，转录产物也不同RNA聚合酶：位于核

6、仁中，负责rRNA转录，转录活性最强RNA聚合酶：位于核质中，负责核不均一RNA（hnRNA）的合成，而hnRNA是mRNA的前体RNA聚合酶：合成tRNA和许多小核内RNA4.真核生物RNA聚合酶II.转录的酶学III.转录过程转录起始位点识别* 转录起始与延伸转录终止 转录是从启动子（DNA分子的特定部位）开始的，同时也是RNA聚合酶全酶结合部位转录起始位点的识别：RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程为什么RNA聚合酶仅能在启动子处结合呢？显然启动子处的核苷酸序列具有特殊性1. 转录起始位点识别 III.转录过程一般来说，人们将在DNA上开始转录的第一个碱基定为+1，沿

7、转录方向顺流而下的核苷酸序列均用正值表示（Downstream）；逆流而上的核苷酸序列均用负值表示（Upstream）+1 -10 +10上游（Upstream）转录起始位点（Starting Point）下游（Downstream）启动子（Promoter）定义：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列III.转录过程对原核生物100多个启动子序列比较后发现；在RNA转录起始点上游大约-10bp和-35bp处有两个保守序列在-10bp附近，有一组TATAAT序列，因Pribnow首先发现而称为Pribnow盒（TATA盒），RNA聚合酶首先结合在此部位上-35bp附近，有一组

8、TTGACA序列（又称Sextama盒），已被证实与转录起始的辨认有关，是RNA聚合酶中的亚基识别并结合的位置。-35序列的重要性还在于在很大程度上决定了启动子的强度III.转录过程典型原核启动子结构TATA盒：酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开） TTGACA盒：提供了RNA聚合酶全酶识别的信号 由于RNA聚合酶分子很大，大约能覆盖70bp的DNA序列，因此酶分子上的一个适合部位就能占据从-35到-10序列区域启动子可分为识别、结合和起始三个区段 -35 -10 转录起点 +1 TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bpIII.转录过程真核生物启动子有其特殊性，其四种R

9、NA聚合酶都有自身的启动子及有关元件，与原核启动子不同真核生物启动子以RNA聚合酶启动子结构最为复杂，比较了上百个真核生物RNA聚合酶启动子核苷酸序列后发现核心启动子（Core Promoter）：在-25区有TATA盒，又称为Hogness盒。其一致序列为ATATAA，基本上都由A，T碱基所组成上游启动子元件（Upstream Promoter Element，UPE）：包括在-75区的CAAT盒，其一致序列为GGTCAATCT； 和GC盒（GGGCGG）等III.转录过程核心启动子定义：指保证RNA聚合酶转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA盒作

10、用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始离体转录实验表明，TATA盒决定了转录起点的选择，天然缺少TATA盒的基因可从一个以上的位点起始转录TATA常在-25bp左右，相当于原核的-10序列T85A97T93A85A63A83A50III.转录过程上游启动子元件包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等作用：控制转录起始频率实验表明CAAT盒与转录起始频率有关如缺失GG，兔子珠蛋白基因转录效率只有原来的12%CAAT：-70 - -80bpGGGCGG：-80 - -110bpIII.转录过程原核生物的转录起始和延伸真核生物的转录起始真核生物转录的延伸2.转录起始和延伸 III.转

11、录过程原核生物的转录起始和延伸 RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合转录起始反应和转录起始复合物RNA链的延伸III.转录过程原核生物中，RNA聚合酶亚基发现其识别位点时，全酶就与启动子的-35区序列结合形成封闭性启动子复合物因全酶分子较大，其另一端可到达-10区序列，在某种作用下，整个酶分子向-10区序列转移并与之牢固结合，在此处发生局部DNA12-17bp解链，形成全酶和启动子的开放性复合物RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合 III.转录过程RNA聚合酶全酶（2 ）与模板结合DNA双链解开，形成转录泡（Transcription Bubble）在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，产生RN

12、A链上第一个核甘酸键5pppG-OH + NTP 5pppGpN-OH + ppiRNA聚合酶-DNA-pppGpN-OH 起始复合物:转录起始反应和转录起始复合物III.转录过程 在开放性启动子复合物中，起始位点和延长位点被相应的核苷酸前体充满，在RNA聚合酶亚基催化下形成RNA的第一个磷酸二酯键RNA合成的第一个核苷酸总有GTP或ATP，以GTP常见，此时因子从全酶解离下来，核心酶在DNA链上向下游滑动，而脱落的因子与另一个核心酶结合成全酶循环使用初生RNA小片断（9bp以下）和DNA结合不稳定，易脱落使转录重新开始（流产）III.转录过程RNA链的延伸亚基脱落，RNA聚合酶核心酶变构，与

13、模板结合松弛，沿着DNA模板前移在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPiIII.转录过程 RNA链延长靠核心酶催化，在起始复合物上第一个GTP的核糖3-OH上与DNA模板能配对的第二个三磷酸核苷酸起反应形成磷酸二酯键聚合进去的核苷酸又有核糖3-OH游离，这样就可按模板DNA的指引，一个接一个地延长下去。因此RNA链的合成方向也是5-3由于DNA链与合成的RNA链具有反平行关系，所以RNA聚合酶是沿着DNA链3-5方向移动III.转录过程 整个转录过程是由同一个RNA聚合酶完成的一个连续不断的反应，转录本RNA生成后，暂时与DNA

14、模板链形成DNARNA杂交体，长度约为12个碱基对，形成一个转录泡转录速度大约是每秒钟30-50个核苷酸，但并不是以恒定速度进行的III.转录过程NusA蛋白（N utilization substance protein） 69 Kd，酸性蛋白RNApol 结合因子：起始开始之后，替代因子，和核心酶结合推动核心酶向终止位点移动，直到核心酶与Rho因子相遇III.转录过程真核生物的转录起始III.转录过程转录起始前的上游区段* 转录因子转录起始前复合物真核生物转录起始过程远比原核生物复杂转录起始上游区段比原核生物更多样化需多种转录因子协助，它们与RNA聚合酶形成转录起始复合物，共同参与转录起始

15、过程转录起始时，RNApol不直接结合模板III.转录过程转录因子 反式作用因子（Trans-acting Factors）： 直接或间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种转录因子（Transcriptional Factors, TF）：直接或间接结合RNA聚合酶的反式作用因子III.转录过程根据转录因子作用特点分为以下二类：普遍转录因子：与RNA聚合酶共同组成转录起始复合物，才能在正确位置上起始转录普遍转录因子由多种蛋白质分子组成，其中包括特异结合在TATA盒上的蛋白质，叫做TATA盒结合蛋白，还有形成一组复合物叫做转录因子DTFD再与RNA聚合酶结合形成转录起始复合物I

16、II.转录过程组织细胞特异性转录因子或叫可诱导转录因子：这类TF在特异组织细胞或受到类固醇激素，生长因子或其它刺激后，开始表达某些特异蛋白质分子时才需要的一类转录因子III.转录过程转录起始前复合物（Pre-initiation Complex, PIC）真核生物RNA聚合酶不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子 III.转录过程真核生物转录的延伸真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象RNA聚合酶前移处处都遇上核小体转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象III.转录过程转录在DNA模板转录终止位点停止，比较若干原核生物RNA转录终止位点附

17、近的DNA序列后发现DNA模板上的转录终止信号有两种情况：不依赖于Rho ()因子而实现的终止作用依赖Rho ()因子才能实现终止作用，因子又称释放因子3.转录终止 III.转录过程mRNA的加工修饰 rRNA转录后加工核酸酶tRNA转录后的加工修饰原核与真核mRNA特征比较复制和转录的异同点IV.转录后加工与修饰 原核生物中转录生成的mRNA为多顺反子，即几个结构基因，利用共同启动子和共同终止子经转录生成一条mRNA，所以此mRNA分子编码几种不同的蛋白质例如乳糖操纵子上的Z、Y及A基因，转录生成的mRNA可翻译生成三种酶，即半乳糖苷酶，透过酶和乙酰基转移酶原核生物中没有核模，所以转录与翻译

18、是连续进行的，往往转录尚未完成，翻译就已经开始，随着mRNA开始在DNA上合成，核蛋白体即附着在mRNA上并以其为模板进行蛋白质的合成，因此原核生物中转录生成的mRNA没有特殊的转录后加工修饰过程1.mRNA的加工修饰 多顺反子mRNA：编码多个蛋白质的mRNAIV.转录后加工与修饰 真核生物转录生成的mRNA为单顺反子真核生物mRNA的加工修饰，主要包括对5端和3端的修饰以及对中间部分进行剪接5端加帽3端加尾mRNA前体的剪接*RNA的编辑单顺反子mRNA：只编码一个蛋白质的mRNAIV.转录后加工与修饰成熟真核mRNA5端有一个m7GpppNmpNp甲基鸟苷的结构鸟苷通过5-5焦磷酸键与初

19、级转录物5端相连。一般而言，生物进化程度越高，其帽子结构越复杂5端的一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7Gppp）mRNA5端的这种结构称为帽子（cap）5端加帽IV.转录后加工与修饰是mRNA做为翻译起始必要的结构：为核糖体识别mRNA提供了信号，促使mRNA和核糖体结合m7Gppp结构能有效地封闭mRNA 5末端，以保护mRNA免受5核酸外切酶的降解，增强成熟mRNA的稳定性5端帽子结构的作用:IV.转录后加工与修饰3端加尾 大多数真核mRNA的3端都有一个大约为200bp的多聚（A)尾巴多聚（A)尾巴不是由DNA编码的，而是转录后在核内加上去的。受polyA合成酶催化，该酶能识别，m

20、RNA的游离3-OH端，并加上约200个A残基IV.转录后加工与修饰 原核生物的结构基因是连续编码序列，而真核生物基因往往是断裂基因，即编码一个蛋白质分子的核苷酸序列被多个插入片断（内含子）所隔开一个真核生物结构基因中内含子的数量，往往与这个基因的大小有关，例如胰岛素是一个很小的蛋白质，它结构基因只有两个内含子，而有些很大的蛋白质，它的结构基因中可以有几十个内含子mRNA前体（hnRNA）的剪接IV.转录后加工与修饰核酸内切酶剪切内含子连接酶连接各外显子，mRNA成熟hnRNA剪接作用的过程参与RNA剪接的有核内小分子RNA（snRNA）与snRNA结合的核蛋白（snRNP）IV.转录后加工与

21、修饰 真核mRNA前体在剪接过程中，还可以形成套索样的结构，在内含子序列中常有一个分支部位的腺苷酸残基，它的2-OH可以自动攻击内含子5端与外显子1连接的磷酸二酯键，切开了外显子1而腺苷酸原来已有3，5-磷酸二酯键相连的两个相邻的核苷酸残基，加上此3，5-磷酸二酯键连接后，在腺苷酸处出现了一个套索已被切下的外显子1的3-OH攻击内含子3末端与外显子2之间的3，5-磷酸二酯键，键断裂后，内含子以套索的形式被去除，此时外显子1和外显子2可以连接起来IV.转录后加工与修饰RNA的编辑编辑（Editing）:是指转录后的RNA在编码区发生碱基的突变、加入或丢失等现象尿苷酸的缺失和添加1986.R.Be

22、nne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象IV.转录后加工与修饰原核rRNA转录后加工，有以下几方面：rRNA前体被大肠杆菌RNase、RNaseE等剪切成一定链长的rRNA分子rRNA在修饰酶催化下进行碱基修饰rRNA与蛋白质结合形成核糖体的大、小亚基2.rRNA转录后加工 IV.转录后加工与修饰 真核生物rRNA前体比原核生物大，哺乳动物的初级转录产物为45S，低等真核生物的rRNA前体为38S，真核生物5SRNA前体独立于其他三种rRNA的基因转录IV.转录后加工与修饰 真核生物rRNA前体中含有插入顺

23、序，rRNA前体要形成成熟的rRNA，需要经过剪接反应例如，四膜虫rRNA前体的剪接是一种无酶催化的自动拼接过程这种rRNA自身剪接反应给人们一个提示：即RNA分子也有酶的催化活性这对酶的化学本质是蛋白质这一传统概念提出了挑战3. 核酸酶（Ribozyme）IV.转录后加工与修饰酶的最新概念几乎所有的生物都能合成自身所需要的酶，包括许多病毒酶参与所有生命活动过程，其在细胞内的分布、含量、活性等随生物生长、发育及外界条件的改变而改变Ribozyme：具有催化能力的RNA。酶不都是蛋白质定义：由活细胞产生，能在体外和体内起同样催化的一类具有特殊空间结构的生物大分子，包括蛋白质和核酸等IV.转录后加

24、工与修饰 这种有酶催化活性的RNA分子命名为核酸酶Cech和Altman各自分别发现RNA具有催化作用，这一发现对于了解生命进行过程有重要意义很可能在原始生命中，RNA所催化的断裂-连接反应是最早出现的催化过程为此，他们分享了1989年Nobel化学奖IV.转录后加工与修饰核酸酶的类型剪切型：催化自身或异体RNA分子剪去一段寡核苷酸剪接型：催化自身RNA分子剪去一段寡核苷酸，再将两断端相连IV.转录后加工与修饰原核和真核生物刚转录生成的tRNA前体一般无生物活性，需要进行剪切和拼接碱基修饰3-OH连接-ACC结构4.tRNA转录后的加工修饰 IV.转录后加工与修饰tRNA前体在tRNA剪切酶的

25、作用下，切成较小的tRNA分子大肠杆菌RNaseP可特异剪切tRNA前体的5旁顺序，因此，该酶被称为tRNA5端成熟酶除了RNaseP外，tRNA前体的剪切尚需要一个3-核酸内切酶，这可将tRNA前体3端的一段核苷酸序列切下来。RNaseD就是tRNA3端成熟酶剪切和拼接IV.转录后加工与修饰 最近发现，RNAaseP分子中的RNA部分在某些条件下，可以单独地催化tRNA前体的加工成熟这个发现和四膜虫rRNA能自我拼接被认为是近十年来生化领域内最令人鼓舞的发现之一，说明RNA分子的确具有酶的催化活性经过剪切后的tRNA分子还要在连接酶作用下，将成熟tRNA分子所需的片段拼起来IV.转录后加工与

26、修饰成熟tRNA有许多稀有碱基，因此tRNA在甲基转移酶催化下某些嘌呤生成甲基嘌呤如AmA,GmA有些尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶尿嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核苷某些腺苷酸脱氨基成为次黄嘌呤核苷酸（）碱基修饰IV.转录后加工与修饰3-OH连接-ACC结构3末端加上CCA：在核苷酸转移酶作用下，3-末端除去个别碱基后，换上tRNA分子统一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂结构IV.转录后加工与修饰5.原核与真核mRNA特征比较1) 原核mRNA特征半衰期短多顺反子形式存在5端无“帽子”结构， 3端没有或只有较短的poly（A）结构无断裂基因 IV.转录后加工与修饰2) 真核mRNA特征相对稳

27、定单顺反子形式存在5端具“帽子”结构， 3端有poly（A）结构,（组蛋白除外）断裂基因 IV.转录后加工与修饰 转录以DNA为模板合成RNA的过程,经过转录DNA分子中贮存的遗传信息传递到RNA分子中,再由mRNA做为模板合成蛋白质分子转录从DNA的一个特定位置(启动子)开始,以DNA分子中的一条链为模板,在RNA聚合酶作用下,以四种单核苷酸为原料,合成方向仍是53,完成RNA的合成小结 大肠杆菌RNA聚合酶由五个亚基构成，2构成核心酶，再加上因子是全酶RNA聚合酶识别并特异结合的DNA一段区域叫做启动子启动子序列中的-10区和-35区很保守，决定了启动子的强度，是转录正确起点的关键真核生物

28、中位于-25的TATA盒和-75区域的元件是控制真核生物RNA转录的关键 真核生物的RNA聚合酶有、和Mt四种，它们分别催化rRNA、mRNA、tRNA以及线粒体RNA的合成转录作用停止于DNA模板的终止信号，蛋白质因子可识别此信号，终止区常常转录出一段反向重复序列 转录生成的RNA分子为前体RNA，必须经过必要的加工修饰，才能成为有功能的RNA分子，但真核生物的RNA转录后加工修饰比原核生物复杂的多原核生物转录生成的mRNA属于多顺反子形式，由于原核生物没有核膜，转录与翻译的过程没有明显的屏障 而真核生物转录生成的mRNA为单顺反子，而且具有复杂的转录加工修饰，包括5端加帽，3端加尾，剪切内

29、含子，连接外显子等 人们在研究rRNA前体的加工过程中发现了具有催化作用的RNA分子，称为RNA酶，从而打破了酶的本质是蛋白质的传统观念 蛋白质分子由许多氨基酸组成，不同蛋白质分子中，氨基酸有着特定的排列顺序，这种特定的排列顺序是严格按照蛋白质编码基因中的碱基排列顺序决定的基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译 翻译：从mRNA核甘酸序列上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mRNAtRNA

30、20种氨基酸第二节 翻译 翻译的物质基础 翻译过程*翻译后加工与修饰翻译的物质基础合成原料mRNA：蛋白质翻译的模板遗传密码：信息的传递方式*tRNA：氨基酸的运载工具*核糖体：蛋白质的合成场所*起始因子延伸因子释放因子 自然界由mRNA编码的氨基酸共有20种，只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料某些蛋白质分子还含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、-羧基谷氨酸等，这些特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的1.合成原料 I.翻译的物质基础 每种原核mRNA分子以多顺反子形式，带有多个功能相关蛋白质的编码信息，在翻译过程中同时合成几种蛋白质而真核mRNA以单顺反子形式，只带有一种蛋白质编码信

31、息，mRNA以其核苷酸排列顺序携带从DNA转录而来的遗传信息，作为蛋白质生物合成的直接模板，决定了蛋白质分子中的氨基酸排列顺序 2.mRNA：蛋白质翻译的模板 I.翻译的物质基础 mRNA以53方向，从AUG开始每三个连续核苷酸组成一个密码子，mRNA中四种碱基可以组成64种密码子这些密码不仅代表了20种氨基酸，还决定了翻译过程的起始与终止位置。每种氨基酸至少有一种密码子，最多的有6种密码子从对遗传密码性质的推论到决定各个密码子的含义，进而在1966年就全部阐明遗传密码，它被誉为是科学上最杰出的成就之一 3.遗传密码：信息的传递方式I.翻译的物质基础遗传密码三联子三联子密码定义 mRNA链上每

32、三个核甘酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这三个核甘酸就称为密码子或三联子密码（triplet coden） mRNA 5 GCU AGU ACA AAA CCU 3I.翻译的物质基础遗传密码的特点 起始码终止码密码的连续性密码的简并性密码的摆动性密码的通用性I.翻译的物质基础 密码子AUG是起始密码，代表肽链合成的第一个氨基酸，位于mRNA5末端，也是蛋氨酸的密码子几乎所有的原核和真核生物多肽链合成的第一个氨基酸都是蛋氨酸少数细菌中也用GUG做为起始码真核生物偶尔也用CUG作起始蛋氨酸密码起始码 I.翻译的物质基础终止码 密码子UAA，UAG，UGA是肽链成的终止密码，不代表任何氨基酸它们

33、单独或共同存在于mRNA3末端因此翻译是沿着mRNA分子53方向进行的I.翻译的物质基础密码的连续性（Commaless）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，可能导致移码突变（Frameshift Mutation） I.翻译的物质基础两个密码子之间没有任何核苷酸隔开，从mRNA的5端起始密码子AUG开始，每三个碱基编码一个氨基酸，到3端终止密码子之间的核苷酸序列构成了一个连续不断的阅读框架，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）开放阅读框

34、架I.翻译的物质基础密码的简并性由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（Degeneracy），这种简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（Synonymous Codon）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个或多至6个三联体为其编码 简述密码的简并性和同义密码子武汉大学2003年试题I.翻译的物质基础密码的摆动性（Wobble）转运氨基酸的tRNA的反密码子需要通过碱基互补与mRNA上的密码子反向配对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则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动

35、”，这种现象称为密码子的摆动性这种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I.翻译的物质基础密码的通用性（Universal）除发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先I.翻译的物质基础 tRNA在蛋白质生物合成过程中起关键作用mRNA携带的遗传信息通过遗传密码被翻译成蛋白质一级结构，但是mRNA分子与氨基酸分子之间并无直接的对应关系。这就需要经过第三者“介绍”，而tRNA分子就充当这个角色4.tRNA氨基酸的运载工具 I.翻译的物质基础长度：小分子RNA，一般为76个碱基

36、，相对分子量约为2.5104。不同tRNA在74-95个核苷酸不等，其差异主要由其中两条手臂引起稀有碱基：含量丰富，约70余种。每个tRNA分子至少2个，最多达19个，多分布在非配对区，反密码子3端附近出现频率最高，且多为嘌呤；对维护反密码子环稳定性及密码子、反密码子之间配对非常重要受体臂（Acceptor Arm）：由链两端碱基配对形成的杆状结构和3端末配对的3-4个碱基组成，其3端的最后3个碱基序列永远是CCA，最后一个碱基的3或2自由羟基（OH）可以被氨酰化TC臂：根据3个核苷酸命名，：拟尿嘧啶反密码子臂：根据位于套索中央的三联反密码子命名D臂：根据它含有二氢尿嘧啶（dihydroura

37、cil）命名tRNA的结构I.翻译的物质基础tRNA有两个关键部位：受体臂：其3端的CCA序列接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。氨基酸分子通过共价键与A结合，故也叫氨基酸臂反密码子环：与mRNA上的密码子以碱基配互补形成氢键，达到相互识别的目的I.翻译的物质基础核糖体是细胞中的主要成分之一，在一个生长旺盛的细菌中大约有2万个核糖体，其中蛋白质占细胞总蛋白的10%，RNA占细胞总RNA的80%核糖体是由rRNA和几十种蛋白质组成的亚细胞颗粒，位于胞浆内，可分为两类，附着于粗面内质网，主要参与白蛋白、胰岛素等分泌性蛋白质的合成游离于胞浆，主要参与细胞固有蛋白质的合成5.核糖体:蛋白质的合成场所I.翻

38、译的物质基础核糖体包括至少5个活性中心，在蛋白质合成过程中各有专一的识别作用和功能mRNA结合位点：位于小亚基头部，由几种蛋白质构成一个结构域，负责序列特异的起始位点识别过程与mRNA的结合（16S rRNA3端与mRNA AUG之前的一段序列互补是这种结合必不可少的）密码子与反密码子的相互作用A位:叫氨基酰tRNA位或受位，大部分位于大亚基而小部分位于小亚基结合或接受氨基酰-tRNA部位P位:肽基转移部位，又叫肽酰基tRNA位或给位大部分位于小亚基，小部分位于大亚基是结合起始tRNA 并向A位给出氨基酸的位置核糖体的功能E位：排出位转肽酶中心:形成肽键的部位位于P位和A位的连接处-大亚基其他

39、结合位点：负责参与蛋白质合成的起始因子（IF）、肽链延伸的各种延长因子(EF)和终止因子或释放因子(RF)的结合位点I.翻译的物质基础 起始因子（Initiation Factor）：参与蛋白质生物合成起始的可溶性蛋白因子蛋白质合成的起始要生成核糖体-mRNA-起始tRNA三元复合物，也叫起始复合物复合物必须在起始因子帮助下才能形成目前已知原核生物有三种起始始因子，而真核生物大约有十种。6. 起始因子（IF） I.翻译的物质基础延伸因子（Elongation Factor）：参与翻译过程肽链延伸的蛋白因子。无论原核或真核生物，延伸因子可分为两类：帮助氨酰tRNA（延伸tRNA）进入核糖体与mR

40、NA结合，有EF-T（包括EF-Tu和EF-Ts，细菌）和EF-1（真核生物）使肽基tRNA从核糖体的A位向P位移动，如EF-G（细菌）和EF-2（真核生物）7. 延伸因子（EF）I.翻译的物质基础 在原核生物中，存在三种释放因子（Release Factor）：RF1、RF2和RF3而哺乳动物只有一种释放因子RF释放因子的作用是终止肽链合成并使肽链释放出核糖体8. 释放因子（RF）I.翻译的物质基础氨基酸的活化翻译的起始肽链的延长肽链的终止和释放II.翻译过程*氨基酸的活化氨基酸 + tRNA氨基酰tRNAATP AMPPPi氨基酰tRNA合成酶 氨基酸在合成多肽链前,须先活化,然后再与其特

41、异的tRNA结合,带到mRNA相应的位置上这个过程靠氨基酰tRNA合成酶催化,此酶催化特定的氨基酸与特异的tRNA相结合,生成各种氨基酰tRNAII.翻译过程氨基酰tRNA合成酶（Aminoacyl-tRNA Synthetase）对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性具校正活性（Proofreading Activity）具水解错配氨基酸的磷酸酯键活性氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMetII.翻译过程第一步反应氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi 在氨基酰tRNA合成酶催化下,利用ATP,在氨基酸羧基上进行活化,形成

42、氨基酰-AMP,再与氨基酰tRNA合成酶结合形成三联复合物II.翻译过程第二步反应此复合物再与特异的tRNA作用,将氨基酰转移到tRNA的氨基酸臂上氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMPEII.翻译过程原核生物中，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-tRNAMet原核细胞中起始氨基酸活化后，还要甲酰化，形成甲酰蛋氨酸tRNA（fMet-tRNAfMet），由N10甲酰四氢叶酸提供甲酰基而真核细胞没有此过程起始氨基酸的活化II.翻译过程核糖体与mRNA结合并与氨基酰-tRNA

43、生成起始复合物翻译的起始原核生物（细菌）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-3II.翻译过程原核生物翻译起始核糖体大小亚基分离mRNA在小亚基定位结合起始氨基酰-tRNA的结合核糖体大亚基结合II.翻译过程(翻译起始复合物形成)又可被分成4步：要求：需要特异的起始tRNA即Met-tRNAiMet，并且不需要N端甲酰化。已发现的真核起始因子有近10种（eIF）起始复合物形成于mRNA5端AUG上游的帽子结构（除某些病毒mRNA外）ATP水解为ADP供给mRNA结合所需要的能量 真核细胞蛋白质合

44、成的起始 II.翻译过程核蛋白体大小亚基分离：翻译起始是由eIF-3结合在40S小亚基上而促进80S核糖体解离出60S大亚基开始的起始氨基酰-tRNA结合：同时Met-tRNAiMet 在eIF-2作用下，与GTP结合，再通过eIF-3的作用，先结合到40S小亚基，然后再与mRNA结合mRNA在核蛋白体小亚基就位：mRNA结合到40S小亚基需要eIF-1e、 eIF-3、IF-4A、eIF-4B及eIF-4C并需ATP结合过程：a）通过帽结合蛋白与 mRNA的帽结合，转移至小亚基；b）mRNA在小亚基上向下游移动，使起始密码AUG在tRNAimet的反密码位置结合，开始翻译核蛋白体大亚基结合：

45、eIF-5帮助结合Met-tRNAiMet GTP及mRNA的40S小亚基与60S大亚基结合，形成80S复合物。eIF-5具GTP酶活性，水解GTP并促使其它起始因子从40S小亚基表面脱落，而有利于40S与60S两个亚基结合起来成为具有活性的80S-Met-tRNAiMet-mRNA起始复合物真核生物翻译起始复合物形成II.翻译过程核糖体沿mRNA5端向3端移动，导致从N端向C端的多肽合成。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 Factor, EF）： 原核生物：EF-T（EF-Tu, E

46、F-Ts)、 EF-G真核生物：EF-1 、EF-2 肽链的延长II.翻译过程进位：为密码子所特定的氨基酰tRNA结合到核蛋白体的A位，氨基酰tRNA在进位前需要有三种延长因子的作用，即热不稳定EF-Tu,热稳定EF-Ts及依赖GTP的转位因子EF-Tu首先与GTP结合，然后再与氨基酰tRNA结合成三元复合物（AA-tRNA-Tu-GTP）后才能进入A位此时GTP水解成GDP，EF-Tu和GDP与结合在A位上的氨基酰tRNA分离翻译延伸过程II.翻译过程转肽-肽键的形成：在70S起始复合物形成过程中，核糖核蛋白体的P位上已结合了起始型甲酰蛋氨酸tRNA进位后，P位和A位上各结合一个氨基酰tRN

47、A两个氨基酸之间在核糖体转肽酶（Transpeptidase）作用下，P位上的氨基酸提供-COOH基，与A位上的氨基酸的-NH2形成肽键，从而使P位上的氨基酸连接到A位氨基酸的氨基上，这就是转肽转肽后，在A位上形成一个二肽酰tRNA翻译延伸过程II.翻译过程移位（Translocation）：转肽作用发生后，氨基酸都位于A位P位上无负荷氨基酸的tRNA就此脱落，核蛋白体沿着mRNA向3端方向移动一组密码子，使得原来结合二肽酰tRNA的A位转变成了P位并使第一个tRNA从P位进入E位而A位空出，此时模板上的第三个密码子正好在A位上，可以接受下一个新的氨基酰tRNA进入移位过程需要EF-G（Tra

48、nslocase），GTP和Mg2+的参加翻译延伸过程II.翻译过程 然后，肽链上每增加一个氨基酸残基，即重复上述进位，转肽，移位的步骤，直至所需的长度实验证明mRNA上的信息阅读是从5端向3端进行，而肽链的延伸是从氨基端到羧基端。所以多肽链合成的方向是N端到C端II.翻译过程 无论原核生物还是真核生物都有三种终止密码子UAG，UAA和UGA没有一个tRNA能够与终止密码子作用，而是靠特殊的蛋白质因子促成终止作用。这类蛋白质因子叫做释放因子（Release Factor, RF）原核生物有三种释放因子：RF1，RF2和RF3。RF1识别UAA和UAG，RF2识别UAA和UGA。RF3具GTP酶

49、活性，刺激RF1和RF2活性，协助肽链的释放真核生物中只有一种释放因子eRF，它可以识别三种终止密码子肽链的终止和释放II.翻译过程当终止密码子进入核糖体A位点时，在释放因子RF1-3的作用下： 水解末端肽基tRNA释放新生肽和tRNA使70S核糖体从mRNA上解离成30S和50S两个亚基，准备新一轮合成反应 肽链合成终止：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、核蛋白体等分离的系列过程II.翻译过程 不管原核生物还是真核生物，释放因子都作用于A位点，使转肽酶活性变为水解酶活性，将肽链从结合在核糖体上的tRNA的CCA末端上水解下来、然后mRNA与核糖

50、体分离，最后一个tRNA脱落核糖体在IF-3作用下，解离出大、小亚基解离后的大小亚基又重新参加新的肽链合成，循环往复，所以多肽链在核糖体上的合成过程又称核糖体循环II.翻译过程 上述只是单个核糖体的翻译过程，事实上在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合，向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止 使蛋白质合成高速、高效进行II.翻译过程 多聚核糖体的核糖体个数，与模板mRNA的长度有关例如血红蛋

51、白的多肽链mNRA编码区有450个核苷酸组成，长约150nm 。上面串连有5-6个核糖核蛋白体形成多核糖体而肌凝蛋白的重链mRNA由5400个核苷酸组成，它由60多个核糖体构成多核糖体完成多肽链的合成II.翻译过程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天然构象的功能蛋白主要包括多肽链折叠为天然三维结构肽链一级结构的修饰高级结构修饰翻译后加工与修饰 多肽链折叠为天然三维结构 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

52、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III.翻译后加工与修饰几种有促进蛋白折叠功能的大分子分子伴侣（Molecular Chaperon）蛋白二硫键异构酶（Protein Disulfide Isomerase, PDI）肽-脯氨酰顺反异构酶 （Peptide Prolyl Cis-trans Isomerase, PPI）III.翻译后加工与修饰热休克蛋白（Heat Shock Protein, HSP）：HSP70、HSP40和GreE族 伴侣素（Chaperonins）： Gr

53、oEL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III.翻译后加工与修饰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 HSP40结合待折叠多肽片段 HSP70-ATP复合物 HSP40- HSP70-ADP-多肽复合物 ATP水解GrpE ATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠 III.翻译后加工与修饰伴侣素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 III.翻译后加工与修饰蛋白二硫键异构酶 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III.翻译后加工与修饰C. 肽-脯氨酰顺反异构酶 多肽链中肽酰-脯氨酸