第五章蛋白质翻译

第五章蛋白质翻译第一页，共七十四页，编辑于2023年，星期五一、转录水平的调控机制：原核生物的转录表达操纵子调控的综合实例（λ噬菌体发育）与基因重排二、转录后水平的调控机制三、翻译水平的调控机制四、翻译后水平的调控五、真核生物基因的表达调控

理论及实验课复习4课时4课时4课时4课时4课时第二页，共七十四页，编辑于2023年，星期五本次课程内容第一部分：真核生物蛋白质翻译保证蛋白质翻译准确起始的机制第二部分：转录水平基因表达调控基因表达调控的基因概念与原理原核生物4种调控模型（重点）第1节第2节第3-4节第三页，共七十四页，编辑于2023年，星期五真核生物的蛋白质合成第四页，共七十四页，编辑于2023年，星期五一、真核生物蛋白质合成的装备（与原核生物的不同点1）mRNA：(1)原核生物：多顺反子（转录单位）真核生物：单顺反子第五页，共七十四页，编辑于2023年，星期五一、真核生物蛋白质合成的装备mRNA：(2)真核mRNA无SD序列，但有5’帽子结构，翻译起始复合物形成于5’帽子结构。（3）真核生物mRNA3’有ployA结构（提高翻译效率），而原核生物没有。第六页，共七十四页，编辑于2023年，星期五一、真核生物蛋白质合成的装备tRNA: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，起始AA-tRNA为fMet-tRNAfMet第七页，共七十四页，编辑于2023年，星期五核糖体tRNA的Tloop环结合位点SD序列结合位点与5’帽子结构结合第八页，共七十四页，编辑于2023年，星期五第九页，共七十四页，编辑于2023年，星期五二、不同点2真核生物转录和翻译不偶联；原核生物转录和翻译相偶联，一边转录，一边就进行翻译。第十页，共七十四页，编辑于2023年，星期五三、不同点3翻译起始的过程不同：原核生物：核糖体小亚基先与mRNA结合，再结合tRNA；真核生物：核糖体小亚基先与tRNA结合，在结合mRNA。第十一页，共七十四页，编辑于2023年，星期五（一）真核生物蛋白质翻译起始（1）40S核糖体小亚基与起始因子eIF-1和eIF-3结合，使核糖体大小亚基分离；第十二页，共七十四页，编辑于2023年，星期五（2）形成eIF-2-Met-tRNAMet-GTP三联体复合物；它们与40S小亚基（包括eIF-1和eIF-3）结合，形成43S前起始复合物。第十三页，共七十四页，编辑于2023年，星期五（3）在帽子结合复合物起始因子eIF-4F的帮助下，前起始复合物与mRNA的5’端结合，形成起始复合物。

eIF-4F复合物包括：eIF-4E（结合到mRNA的5’帽子结构上)、eIF-4A(解旋酶活性)和eIF-4G（连接eIF-4E与eIF-3）。第十四页，共七十四页，编辑于2023年，星期五（4）eIF-4B与eIF-4F复合物结合，激活eIF-4A解旋酶活性，去除mRNA5’端的二级结构。第十五页，共七十四页，编辑于2023年，星期五（5）起始复合物向mRNA3’扫描移动，并识别起始密码子AUG第十六页，共七十四页，编辑于2023年，星期五（5）起始因子离开起始复合物，大小亚基相结合。形成包括40S、60S和起始tRNA的成熟翻译起始复合物。第十七页，共七十四页，编辑于2023年，星期五翻译起始：40S与eIF1和eIF3结合，大小亚基分离；形成eIF-2-Met-tRNAMet-GTP三联体复合物；它们与40S小亚基、eIF-1和eIF-3结合，形成43S前起始复合物。在帽子结合复合物起始因子eIF-4F的帮助下，前起始复合物与mRNA的5’端结合，形成起始复合物。

eIF-4B与eIF-4F复合物结合，激活eIF-4A解旋酶活性，去除mRNA5’端的二级结构。起始因子离开起始复合物，大小亚基相结合，形成包括40S、60S和起始tRNA的成熟翻译起始复合物。第十八页，共七十四页，编辑于2023年，星期五第十九页，共七十四页，编辑于2023年，星期五不同点4：第二十页，共七十四页，编辑于2023年，星期五不同点5：第二十一页，共七十四页，编辑于2023年，星期五四、保证蛋白质翻译准确起始的机制第二十二页，共七十四页，编辑于2023年，星期五tRNA对氨基酸的专一性负载tRNA对密码子的准确识读核糖体对进入A位的aa-tRNA-EF-Tu-GTP复合体在成肽键前的最后校对。第二十三页，共七十四页，编辑于2023年，星期五1.tRNA对氨基酸的

专一性负载a.氨酰tRNA合成酶（AARS）有三个结合位点：氨基酸结合位点、tRNA结合位点、ATP结合位点。其中前两个位点是专一性的。第二十四页，共七十四页，编辑于2023年，星期五b.对tRNA的选择：一种AARS只能识别装载同一种氨基酸的一组同工受体tRNA。AARS可以与tRNA的Dloop环结合（非特异性）副密码子：tRNA中与AARS发生特异性分子契合的一种空间密码。是位于tRNA各种环上的特定碱基；它们可以与AARS中的特定氨基酸结合。第二十五页，共七十四页，编辑于2023年，星期五c.对氨基酸的选择(双筛效应)：AARS的氨基酸结合位点上有结合位点和水解位点两个功能域，由此形成对相似氨基酸的严格筛选，降解错误装载的氨基酸。第二十六页，共七十四页，编辑于2023年，星期五2.反密码子对密码子的准确识读核糖体控制着tRNA和mRNA之间相互作用时的空间构象，确保只有正确的反密码子和密码子的配对。第二十七页，共七十四页，编辑于2023年，星期五3.核糖体对进入A位的aa-tRNA-EF-Tu-GTP复合体在成肽键前的最后校对。翻译调控因子（延伸因子）的作用确保只有负载正确的氨酰-tRNA才能进入核糖体的A位，形成稳定的结合。原核生物：EF-Tu（G-蛋白）真核生物：eEF-1第二十八页，共七十四页，编辑于2023年，星期五基因表达调控机制第二十九页，共七十四页，编辑于2023年，星期五不同水平的调控机制：转录水平转录后水平翻译水平翻译后水平第三十页，共七十四页，编辑于2023年，星期五转录水平基因表达调控第三十一页，共七十四页，编辑于2023年，星期五

基本概念与原理第三十二页，共七十四页，编辑于2023年，星期五一、基因表达的概念贮存在DNA序列中的遗传信息，经过一序列步骤表型出其生物学功能的整个生物过程。包括基因转录、翻译、蛋白质加工、组装等产生具有生物学功能的蛋白质分子的过程。*基因表达(geneexpression)第三十三页，共七十四页，编辑于2023年，星期五维持细胞的基本代谢过程所必需的、在不同的细胞类型和细胞生长时期组成型表达的基因。管家基因（housekeepinggene）：细胞分化、生物发育及生物适应环境所需要的基因。这类基因的表达表现出明显的时空特异性。奢侈基因(luxurygene)：第三十四页，共七十四页，编辑于2023年，星期五时间特异性表达：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)。空间特异性（组织特异性）表达：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。基因表达的时空特异性(temporalandspatialspecificity）：第三十五页，共七十四页，编辑于2023年，星期五操纵子（operon）：一组连续排列、协调表达、功能相关的基因称为操纵子。操纵子是原核生物基因表达调控的重要组织形式。大肠杆菌乳糖操纵子：调节基因启动子操纵基因结构基因1结构基因2结构基因3第三十六页，共七十四页，编辑于2023年，星期五是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列，决定着转录活性大小。RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列启动子：第三十七页，共七十四页，编辑于2023年，星期五操纵基因：能被调控蛋白（调控基因的产物）特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠。调控基因：编码能与操纵基因结合的调控蛋白的基因。第三十八页，共七十四页，编辑于2023年，星期五在某些情况下，调控基因编码的调控蛋白（阻遏蛋白）与操纵基因结合，阻止RNA聚合酶与启动子的结合或移动，影响由调控基因控制的下游基因的转录。阻遏蛋白Pol第三十九页，共七十四页，编辑于2023年，星期五调控基因的正调控和负调控：负调控：调控基因编码的蛋白与操纵基因结合后能减弱或阻止结构基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白，其介导的调控方式称为负调控。正调控：与操纵基因或位于启动子上游的控制因子结合后能增强或启动结构基因转录的调控蛋白称为激活蛋白，其所介导的调控方式称为正调控。第四十页，共七十四页，编辑于2023年，星期五效应物（诱导物和辅助阻遏物）效应物：操纵子的开启与关闭受到环境因子的诱导，这种因子能与调控蛋白结合，改变调控蛋白的空间构象，从而改变其对基因转录的影响。这种因子称为效应物。凡能诱导操纵子开启的效应物，称为诱导物（比如乳糖）；凡能导致操纵子关闭，阻碍转录过程发生的效应物称为辅助阻碍物（比如色氨酸）。第四十一页，共七十四页，编辑于2023年，星期五原核生物操纵子的调控方式（p218）：负控制的诱导模型（乳糖操纵子）负控制的阻遏模型（色氨酸操纵子）正控制的诱导模型（组氨酸操纵子）正控制的阻遏模型（CAP蛋白的激活调控）第四十二页，共七十四页，编辑于2023年，星期五第四十三页，共七十四页，编辑于2023年，星期五乳糖操纵子的负控制诱导模型（经典的乳糖操纵子模型）第四十四页，共七十四页，编辑于2023年，星期五大肠杆菌在具有葡萄糖和乳糖两种糖原的培养基上“二度生长”现象

Growth026消耗葡萄糖消耗乳糖10h48第四十五页，共七十四页，编辑于2023年，星期五上述实验结论：大肠杆菌可以利用葡萄糖和乳糖作为碳源。在同时存在葡萄糖和乳糖时，大肠杆菌首先利用葡萄糖，乳糖操纵子的基因表达被抑制。在消耗完了葡萄糖这一优先碳源后，乳糖操纵子（编码3个结构基因：透性酶、β-半乳糖苷酶、半乳糖苷转乙酰酶）被激活表达，从而利用乳糖作为碳源。第四十六页，共七十四页，编辑于2023年，星期五乳糖操纵子模型OPLacILacZLacYLacALacImRNA结构基因的表达被关闭！阻遏物LacI葡糖糖存在时：RNApolymerase第四十七页，共七十四页，编辑于2023年，星期五乳糖操纵子模型OPLacILacZLacYLacALacImRNA结构基因开始表达！阻遏物LacI葡糖糖消耗完，开始利用乳糖：RNApolymerase分解乳糖异构乳糖第四十八页，共七十四页，编辑于2023年，星期五色氨酸合成酶操纵子的负控制阻遏模型第四十九页，共七十四页，编辑于2023年，星期五色氨酸的生物合成需要5种酶来催化，编码这5种酶的基因分别：trpE、trpD、trpC、trpB、trpA。调节区结构基因trpREDCBAaLOP前导区第五十页，共七十四页，编辑于2023年，星期五trpREDCBAaLOP细胞中存在色氨酸时：Trp有活性的阻遏物

RNA聚合酶第五十一页，共七十四页，编辑于2023年，星期五trpREDCBAaLOP细胞中缺乏色氨酸时：无活性的阻遏物

RNA聚合酶色氨酸合成的5种酶基因得以转录表达第五十二页，共七十四页，编辑于2023年，星期五正控制阻遏模型第五十三页，共七十四页，编辑于2023年，星期五在乳糖操纵子模型中有这样一个问题：葡糖糖消耗完，开始利用乳糖，是因为乳糖同阻遏物结合，使得RNA酶能正常结合到启动子部位。但在葡萄糖消耗完之前，培养基里同样有大量的乳糖存在，乳糖应该与阻遏物结合，这时结构基因应该可以正常转录？？另外一种机制是什么呢？？第五十四页，共七十四页，编辑于2023年，星期五乳糖操纵子模型OPLacILacZLacYLacALacImRNA结构基因不表达！阻遏物LacI葡糖糖消耗完之前，培养基已存在大量乳糖，但结构基因的表达仍然受抑制。原因？？RNApolymerase分解乳糖异构乳糖第五十五页，共七十四页，编辑于2023年，星期五乳糖操纵子模型（正控制系统）葡糖糖存在+半乳糖存在时，细菌优先利用葡糖糖的机制：当葡糖糖浓度较高时，腺苷酸环化酶（cAMPase）被抑制，使得cAMP水平下降，cAMP与CAP蛋白不能形成复合物，使CAP蛋白不能结合到启动子的CAP位点上。这时尽管半乳糖可以与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白从启动子部位解离下来，但RNA聚合酶由于没有CAP蛋白的帮助，仍然不能正常转录结构基因。第五十六页，共七十四页，编辑于2023年，星期五++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第五十七页，共七十四页，编辑于2023年，星期五正控制诱导模型第五十八页，共七十四页，编辑于2023年，星期五

组氨酸操纵子负控制：C基因编码阻遏蛋白，在没有组氨酸时阻遏转录；正控制：当组氨酸存在时，组氨酸被H基因的编码产物降解产生尿苷酸，尿苷酸作为诱导物结合到阻遏蛋白上并改变其构象，激活转录。阻遏蛋白尿苷酸组氨酸第五十九页，共七十四页，编辑于2023年，星期五转录衰减第六十页，共七十四页，编辑于2023年，星期五色氨酸操纵子模型：当色氨酸不存在时，阻遏物无活性，不能结合到启动子部位，转录可以正常进行。当色氨酸存在时，色氨酸与阻遏物结合，使阻遏物能结合到启动子部位，转录被关闭。更精细的调控情况：色氨基酸大量存在，总体转录被关闭，但存在少量RNA聚合酶的渗漏转录。（细胞希望关闭该色氨酸合成酶相关基因的转录过程。）这种情况下，RNA转录过程已经被启动，但此时如何关闭转录？这种更精细的调控过程如何实现呢？？第六十一页，共七十四页，编辑于2023年，星期五衰减子的发现1968，Imamato发现：在色氨酸操纵子的调控中，当胞内色氨酸少且不足以作为辅阻遏物时（相当于无阻遏物），转录可以正常启动。但是大量的转录过程仅进行到第一个结构基因前，基因转录提前终止。这种当转录从起始位点启动后，RNAA聚合酶在未到达结构基因编码区之前提前终止的现象称为衰减作用（Attenuation）。在色氨酸操纵子中，行使衰减作用的顺式作用元件是前导区（Leader）中的衰减子（Attenuator）。调节区结构基因trpRaDCBAEPOL前导区衰减子第六十二页，共七十四页，编辑于2023年，星期五构成不依赖于ρ因子的终止子第六十三页，共七十四页，编辑于2023年，星期五UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1

trp密码子

UUUU……第六十四页，共七十四页，编辑于2023年，星期五UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止第六十五页，共七十四页，编辑于2023年，星期五trpREDCBAaLOP细胞中缺乏色氨酸时：无活性的阻遏物

RNA聚合酶RNA聚合酶可以结合到启动子部位，使转录得以起动。第六十六页，共七十四页，编辑于2023年，星期五存在少量色氨酸，但不足以与阻遏物结合，转录可以正常起动。但是，此时衰减子部位是否还会形成发卡结构，使转录提前终止呢？第六十七页，共七十四页，编辑于2023年，星期五UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构第六十八页，共七十四页，编辑于2023年，星期五色氨酸操纵子基因表达衰减作用的几个要点从色氨酸操纵子的前导区的结构特征：它们的一级结构具有4段可两两配对形成茎环结构的序列；具有一段可编码14Aa短肽的ORF；该短肽的ORF的第10、11个密码子为连续排列的两个Trp密码色氨酸不是衰减作用的直接信号；空载的tRNATrp作为直接信号调控了前导肽合成中核糖体的移动速度，从而控制了操纵子mRNA合成的长度和效率。衰减机制发挥作用的前提是基因转录已经起动。衰减机制是原核生物对基因表达进行精细调控的一种方式。第六十九页，共七十四页，编辑于2023年，星期五色氨酸操纵子的调控机制：负控制：trpR基因编码非活性阻遏蛋白；当胞内色氨酸过量时，色氨酸作为辅阻遏物与非活性的阻遏蛋白结合而阻遏基因表达，减少色氨酸的合成。衰减作用：当胞内色氨酸含量较低时：色氨酸不足以与阻遏蛋白结合，转录被正常起动；此时，如果色氨酸的供应可以满足操纵子蛋白翻译的需要，核糖体顺利通过引导区的区段1和区段2，但区段3和区段4由于：a.具有高GC含量;b.可以形成发卡结构；c.连接有一段富含U的序列，从而形成终止子结构，使转录在此提前终止。如果色氨酸的供应不能满足操纵子蛋白翻译的需要，当翻译通过连续排列的两个Trp密码子位点时，核糖体内存在大量空载