第五章protein的翻译

Protein翻译

ProteintranslationChapter5

从DNA转录到RNA可以利用碱基互补配对，但mRNA与的碱基序列与蛋白质的氨基酸序列却没有直接的对应关系，他们之间也没有直接的作用力，那么在这两种完全不同的遗传语言之间是如何沟通、如何传递信息的呢？信息的传递者就是tRNA，准确的来说，应该是氨酰基tRNA，它利用反密码子与mRNA配对，通过氨酰tRNA合成酶、利用副密码子来选择特异的氨基酸。生命的中心法则5.1基本元件

tRNAmRNArRNA与核糖体5.1.1tRNA最小的RNA，4S，70~80个base;1964年，Holly.R.鉴定出tRNAphe的二级结构为三叶草形（77个NT）;三叶草结构包括5个臂、4个环氨基酸接受臂tRNA的5’与3’-末端碱基配对形成3’端永远为不配对的CCA序列最后的A的3’或2’-OH可以被氨酰化D臂、反密码子臂、TψC臂、附加臂；DHU环、反密码子环、TψC环、附加环tRNA真实的空间构型“L”形三级结构“L”结构域的功能aaacceptarm位于“L”一端，契合于核糖体的肽基；anti-codonarm位于”L”另一端，与结合在核糖体小亚基上的codonofmRNA配对；TΨCloop&DHUloop位于“L”两臂的交界处，利于“L”结构的稳定；“L”结构中碱基堆积力大，使其拓扑结构趋于稳定；wobblebase位于“L”结构末端，堆积力小、自由度大、使碱基配对摇摆。tRNA的种类附加臂的大小Ⅰ类tRNA：3-5bp(75%)ⅡtRNA:13-21bp(25%)起始tRNAProk中，携带甲酰甲硫氨酸（fMet）Euk中，携带甲硫氨酸（Met）同工tRNA携带AA相同而反密码子不同的一组tRNA

结构上能被AA–tRNA合成酶识别的共性副密码子与氨酰基tRNA的合成氨酰基tRNA的合成执行着双重功能为肽建的合成提供能量执行遗传信息的解读模板mRNA只能识别特异的tRNA而不是AAAA–tRNA合成酶（AARS）需要三种底物:AA、tRNA、ATP因此有三个位点：aabindingsite、tRNAbindingsite、ATPsiteProk中AARS有20种，对AA专一按反应机制AARS分为两类TypeⅠ类酶先将氨酰基转移到tRNA3’端A的2’-OH然后通过转酯反应转移到3’–OH上TypeⅡ类酶直接将氨酰基转移至3’–OH上Paracodon(副密码子)tRNA中决定负载特定氨基酸的空间密码，为同一种AARS所识别的一组同功受体具有相同的副密码子AARS对paracodon的识别与结合是通过氨基酸与碱基之间的连接实现的副密码子将AARS分为两类typeI：Val,Arg,Gln,Glu,Ile,Leu,Met,Trp,Tyr，paracodon

大多位于反密码子臂typeII：paracodon

大多位于氨基酸接受臂，个别还同时在附加臂上有相应碱基tRNAAla(GGC)tRNAAla(UGC)具有G3：U70

paracodon两类酶与tRNA反应时－－接近模式不同5.1.2mRNA单顺反子mRNA（monocistronicmRNA）编码一个蛋白质的…..部分Prok所有Euk的mRNA

多顺反子mRNA（polycistronicmRNA）:部分原核mRNAmRNA分子的组成：编码区起始AUG到终止密码子前导序列AUG之前的5’端非编码区（5’UTR）尾巴终止密码子之后，不翻译的3’端原核生物mRNA的特征大部分为多顺反子spacer:各顺反子之间（基因之间）的非编码区长度变化很大，从重叠到100个碱基不等；因此，多顺反子的mRNA翻译有两种情况：spacer较长时，下一个基因的产物合成起始是独立的spacer长度较短时,两个顺反子使用相同的核糖体或小亚基(相当…………，有S-D序列的特征）Prok中多顺反子mRNA中各基因的产物数量不一定相等比如乳糖操纵元中，Z：Y：A=1：0.5：0.2Spacer较长Spacer较短其他特征5’端有300个左右NT的leader（A/G－－－－AUG）AUG作为起始密码子（GUG、UUG）AUG前有S–D序列S–D序列（Shine-Dalgarnosequence）：位于AUG上游4~13个NT处的富含嘌呤的3~9个NT的共同序列，其一致序列为AGGAGG；与核糖体小亚基内16SrRNA的3’端富含嘧啶的序列3’------UCCUCC-----5’互补，使tRNA正确定位于起始codon。Prok.mRNA转录、翻译和降解周期

真核生物mRNA的特征一般为单顺反子5’端的帽子对翻译有增强作用，且5’帽子和3’polyA尾对翻译效率的调节有协同作用“第一AUG规律”即-----绝大部分以AUG作为起始codon起始AUG有如下特点CCACCAUGG；－3位的A和＋4位的G…..对于准确翻译至关重要5.1.3核糖体及rRNA的结构是翻译进行的场所，含大小亚基Ptein约占细胞的10％，rRNA占总RNA的80％，Euk中相对比例小些；细菌中常以多聚核糖体的形式；Euk中大多与细胞骨架和内质网膜结合在一起核糖体的结构ProkE.coli小亚基16SRNA21种proteinsS1-------S21大亚基23SRNA5SRNA34种proteinsL1----L34Euk大亚基28SRNA5SRNA5.8SRNA49种protein小亚基18SRNA33种proteins

核糖体蛋白质＋rRNA－－按一定的顺序形成完整的核糖体核糖体的活性位点

30S小亚基头部、基底部、中间有一豁口

50S大亚基三个突起

两者之间形成一个mRNA通道mRNA结合位点位于30S亚基的头部S1可防止mRNA链内碱基对的形成S1、S18、S21负责核糖体与mRNA、起始tRNA的结合，起始因子IF3也结合于此16SrRNA3’端是mRNA与小亚基初始结合不可缺少的P位点：肽酰－tRNA位点大部分在小亚基内，小部分在大亚基内，16SrRNA的3’末端、涉及L2等蛋白能够与起始tRNA（fMet--tRNAf）相结合，且P位点会影响A位点的活性A位点：氨酰基tRNA位点主要在大亚基上位点内mRNA表面只对特定的aa—tRNA表现出特异性，且A位点结合aa—tRNA要求在P位点上必须有肽酰tRNA存在肽基转移酶活性位点活性中心在大亚基上，位于P位点和A位点的连接处靠近tRNA的接受臂5srRNA位点：与tRNA进入有关EF—Tu位点：位于大亚基内，与氨酰基tRNA的结合有关EF—G转位因子结合位点：大亚基靠近小亚基的界面处E位点E1为脱酰基tRNA离开核糖体提供出口E2为多肽离开核糖体提供出口（占核糖体1／3）

5.2遗传密码1954年G.Gamov对破译密码首先提出了设想若一种碱基对应与一种氨基酸，那么只可能产生4种氨基酸;若2个碱基编码一种氨基酸的话，4种碱基共有42=16种不同的排列组合;3个碱基编码一种氨基酸，经排列组合可产生43=64种不同形式若是四联密码，就会产生44=256种排列组合。5.1.1密码子的破译人工合成多种三核苷酸（UUU、UCU、UGU等）为模板与含核糖体、20种AA—tRNA和适当离子强度的反应液保温使反应液通过硝酸纤维素滤膜，其中只有核糖体或结合AA—tRNA的核糖体能留在滤膜上分析留在滤膜上的核糖体中的AA—tRNA和其相应的模板5.1.2密码子的简并现象61个密码子编码20种氨基酸，一种AA受两个以上密码子编码的遗传现象称为密码子的简并现象，如丝氨酸由6个密码子编码（codon的简并可把突变对生物体的影响降到最小）同义密码子：编码一个AA的几个个密码子那么61个密码子是否需要61种tRNA识别呢？不需要，同一种tRNA可以识别几种不同的密码子这是由于密码子与tRNA上的反密码子的配对具有摇摆性同功tRNA：转运同一种AA的tRNA摇摆假说（Wobblehypothesis）codon的前两位碱基和反密码子配对时遵循Watson—Crick原则，而第三位碱基有一定的灵活性

mRNA5’…CGU...CGC...CGA…CGG…AGA…AGG…3’摆动tRNAGCG3’→5’GCU5’UCU5’

即：codon的3rd-Nt与anti-codon的1st-Nt（Nt34）编码ARG的密码子及tRNA摇摆碱基的摇摆配对原则摇摆碱基－－－anti-codon的1st-Nt摇摆假说：使用通用密码子至少得32种tRNA摇摆碱基摇摆配对的机理

由tRNA反密码子环的空间结构所决定摇摆位点34th-Nt处于堆积碱基的末端，所受堆积力较小，有较大的自由度来进行选择配对anti-codon的1st-Nt(摇摆位点)被修饰的频率很高，导致配对范围增大5.1.3

tRNA丰度和密码子的使用频率生物GC％不等→各种codon出现的频率不等识别同一AA的不同tRNA－同工tRNA量不等不生物间同一tRNA的量不等tRNA的丰度和codon的使用频率是进化过程中形成的基因表达调控机制之一tRNA丰度与codon的使用频率正相关需要量多的蛋白质，有关密码子的使用频率高，相应的tRNA量多需要量少的蛋白质，有关密码子的使用频率低，相应的tRNA量少codon的使用频率与codon与anti-codon间的作用强度有关适中的作用强度有利于翻译的进行弱配对作用形成的aa—tRNAaa需要较长的时间进入A位点强配对作用形成的aa—tRNAaa需要较长的时间从核糖体的P位点卸载因此，进化过程中自然选择codon／anti-codon间结强度适度的codon以保证最佳的protein合成速率5.1.3线粒体密码的特殊性

UGA不是终止密码子AGA、AGG不是精氨酸的密码子起始密码子为AUN，内部甲硫氨酸AUG、AUACUA不是亮氨酸的密码子，而是苏氨酸的密码子总的说来，线粒体的密码子排列整齐，各种氨基酸的密码子以及起始和终止密码子的数目是2、或是4、6线粒体中只有22种tRNA识别四个一组的密码子家族的tRNA的anti-codon的摇摆碱基均为U（U-------U、A、C、G）两个一组的密码子，其相应tRNA的anti-codon的摇摆碱基配对情况分别为：G→C/U（Py）；U＊（经过修饰）→G/A（Pu）5.2肽链的合成合成过程起始阶段：核糖体结合于mRNA，并与第一个氨酰基tRNA形成起始复合物延伸阶段：包括第一个肽键形成到最后一个肽键形成终止：肽链完成与核糖体解离合成速度Prok.15AAs／S（37℃

）Euk.低些（血红蛋白……..2AA／S）合成方向……..N端→C端5.2.1起始tRNA与起始密码子的识别原核tRNAMetf能识别起始AUG、GUGtRNAMetm识别内部AUG，内部GUG由tRNAVal识别并且在Met的NH2上甲酰化，封闭NH2真核tRNAMeti（起始），tRNAMetm（内部）均不甲酰化线粒体中与原核相似，起始tRNAMetf的NH2甲酰化，但线粒体识别NUG5.2.2起始复合物与70S核糖体的形成起始复合物mRNAtRNAMetf30S小亚基50S大亚基起始因子IF3：促使30S亚基结合于mRNA起始部位，阻止30S亚基与50S亚基的结合，或者说促进70S核糖体的解离IF2：促使tRNAMetf选择性的结合在30S亚基上

IF1：加强IF2、IF3的酶活起始复合物的形成步骤IF3、30S亚基与mRNA的结合mRNA上起始密码子前4-13个碱基位置存在SD序列，一致序列为AGGAGG，能与30S亚基中的16SrRNA的3’末端富含嘧啶的序列结合，30S亚基在mRNA上的位置正好使其P位对准AUG起始密码子。IF2与起始tRNA结合，再与30S亚基结合，使得tRNA进入30S亚基的P位当IF2、起始tRNA、30S亚基结合后，GTP立即与30S亚基结合50S大亚基结合上来，GTP水解，能量促进70S的形成，同时释放IF2、IF3此时，核糖体的P位和A位都已经准备好，起始复合物形成5.2.2真核生物蛋白质合成的起始真核生物的mRNA没有SD序列，核糖体的识别信号为m7GpppNp帽子40S的小亚基与60S的大亚基结合，形成80S的核糖体起始因子非常多，超过了13种eIF2eIF4F等起始复合物的形成步骤GTP与eIF2结合，这一结合增加了与起始tRNA的亲和力，然后三者形成一个三元复合物；三元复合物在eIF4F的帮助下与mRNA结合，需水解一分子ATP提供能量；起始复合物沿着链滑动，直到找到起始密码子的“上下文”，然后大亚基在此处结合上来；翻译开始5.2.2肽链的延伸三类重要的延伸因子EF-Tu：帮助氨酰tRNA进入A位点EF-Ts：将EF-Tu--GDP恢复为EF-Tu--GTPEF-G：转位因子，促进肽健的形成EF-Ts循环EF-Tu--GDP+EF-TsEF-Tu--EF-Ts+GDPEF-Tu--EF-Ts+GTPEF-Tu--GTP+EF-Ts延伸的过程EF-Tu与GTP及氨酰tRNA形成三元复合物，只有这样氨酰基tRNA才能进入A位点；一旦进入A位点，GTP立即水解成GDP，EF-Tu与GDP形成的二元复合物与氨酰基tRNA解离而释放出来，肽基转移酶将P位的甲酰甲硫氨酰基转移到A位的氨酰tRNA的氨基上来，形成肽键；EF-Tu--GDP解离下来以后，EF-G与GTP便结合到核糖体上来，GTP水解供能，A位的肽基tRNA转移到P位上来，同时将原来P位上的空载tRNA排挤出核糖体；EF-G—GDP离开核糖体后，EF-Tu又结合上来。因此，EF-Tu与EF-G交替作用，完成肽链的延伸。5.3多肽链合成的终止肽链终止所需条件终止信号Prok和Euk都是：UAA、UAG、UGA释放因子Prok中，RF1----识别UAA和UAG；RF2----识别UAA和UGA；RF3----刺激RF1和RF2的活性Euk中，只有eRF-----识别三种终止密码子RRf（ribosomereleasingfactor），核糖体释放因子终止机制RF作用于A位点（需要P位被肽酰tRNA

所占据）体外实验证实，RF与终止密码子之间特异的相互作用，类似于反密码子和密码子之间的碱基配对的相作用；RF的某种作用改变肽基转移酶的肽基转移特性将P位上的肽基转移到水分子上而并不形成新的肽键，导致肽基–tRNA的水解RF3与GTP结合为肽基转移及随后的核糖体释放提供能量；RRF使核糖体与mRNA和脱酰基RNA与终止因子分离。5.4蛋白质前体的加工与转运机制蛋白质前体剪接蛋白质的体内折叠原核蛋白的转运真核蛋白的转运5.4.1前胰岛素原的加工5.4.2蛋白质的体内折叠参与蛋白质折叠的两类蛋白质－－助折叠蛋白酶：如蛋白质二硫键异构酶---加速正确二硫键的生成分子伴侣（molecularchaperone）：指一类在细胞内帮助新生肽链正确组装成为成熟蛋白质，而本身却不是最终功能蛋白质分子的组成成分的分子。分子伴侣的功能和种类功能同一个分子伴侣可促进多种多肽链的折叠（无专一性）或者阻止多肽的错误折叠如防止初始翻译的疏水端的错误折叠研究最多的两个蛋