生物信息传递下mRNA蛋白质

南京农业大学生命科学学院分子生物学第四章生物信息的传递（下）——从mRNA到蛋白质

本章将介绍生物信息的传递的下半部分，即翻译——从mRNA到蛋白质。2024/2/52南京农业大学生命科学学院第三章生物信息的传递（下）

蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活细胞在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。因此，活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运转和降解反应。

翻译是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每3个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。2024/2/53南京农业大学生命科学学院第三章生物信息的传递（下）在翻译过程中：核糖体是蛋白质合成的场所。mRNA是蛋白质合成的模板。转移RNA(transferRNA，tRNA)是模板与氨基酸之间的接合体。在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与。2024/2/54南京农业大学生命科学学院第三章生物信息的传递（下）翻译过程的特点：蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化合物的参与。细胞用来进行合成代谢的总能量的90%消耗在蛋白质合成过程中。在真核生物细胞核内合成的mRNA，要运送到细胞质，才能翻译生成蛋白质。蛋白质合成速度很高。大肠杆菌只需要5s就能合成一条由100个氨基酸组成的多肽。2024/2/55南京农业大学生命科学学院第三章生物信息的传递（下）第一节遗传密码第二节tRNA第三节核糖体第四节蛋白质合成机制第五节蛋白质转运机制2024/2/56南京农业大学生命科学学院第一节遗传密码贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上。mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸称为密码，也叫三联子密码。翻译时从起始密码子AUG开始，沿着mRNA5’→3’的方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链――蛋白质。2024/2/5南京农业大学生命科学学院7第一节遗传密码1.三联子密码及其破译构想：以3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有43＝64种密码，可以满足编码20种氨基酸的需要。证明：在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全部氨基酸序列。若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样，后续密码子序列就不会变化，翻译得到的后续的蛋白质序列就保持不变。如果同时删去3个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序列不发生变化。2024/2/5南京农业大学生命科学学院8第一节遗传密码1.三联子密码及其破译密码破译方法在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的polyＵ混合共聚物实验aa-tRNA与确定的三核苷酸序列结合用重复共聚物2024/2/5南京农业大学生命科学学院9第一节遗传密码2.遗传密码的性质密码的连续性。起始密码子决定所有后续密码子的位置。2024/2/5南京农业大学生命科学学院10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，对应于同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子。2024/2/5南京农业大学生命科学学院112.遗传密码的性质密码的简并性。同义密码子第一、二第位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变不一定影响所编码的氨基酸。一般说来，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也越高（精氨酸是个例外）。2024/2/5南京农业大学生命科学学院12密码子通用编码线粒体编码哺乳动物酵母菌果蝇植物UGA

终止码色氨酸色氨酸色氨酸终止码AUA

异亮氨酸蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸异亮氨酸CUA

亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸AGA

精氨酸终止码精氨酸丝氨酸精氨酸密码的普遍性与特殊性。密码子表是具有普遍性的，适用于一切生物，但也有些特殊情况。2024/2/5南京农业大学生命科学学院132.遗传密码的性质密码子与反密码子的相互作用。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"，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。第二节tRNAtRNA在蛋白质合成中处于关键地位。2024/2/5南京农业大学生命科学学院14tRNA不仅为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体，它又被称为第二遗传密码。特点：存在经过特殊修饰的碱基，3’端都以CCA-OH结束，这是其氨基酸结合位点。2024/2/5南京农业大学生命科学学院15tRNA上碱基的修饰tRNA产生第二节tRNA1.tRNA的结构二级结构由于小片段碱基互补配对，形成三叶草形的二级结构。三叶草形tRNA分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手臂：受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；3’端有未配对的3～4个碱基；3’端的CCA，最后一个碱基2'烃基可被氨酰化。TψC臂：其中ψ表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。反密码子臂：位于套索中央有三联反密码子。D臂：含有二氢尿嘧啶。2024/2/5南京农业大学生命科学学院162024/2/5南京农业大学生命科学学院17tRNA二级结构2024/2/5南京农业大学生命科学学院181.tRNA的结构二级结构最常见tRNA有76个碱基。所有tRNA含74～95个核苷酸。tRNA长度的不同主要是由其中的两条手臂引起。在D臂中存在多至3个可变核苷酸位点。tRNA分子中最大的变化发生多余臂上。一类是只含有一条仅为3～5个核苷酸的多余臂的tRNA，占所有tRNA的75%；一类是有较大多余臂的tRNA，包括杆状结构上的5个核苷酸和套索结构上的3～11个核苷酸。2024/2/5南京农业大学生命科学学院191.tRNA的结构三级结构tRNA三级结构都呈L形折叠式tRNA的三级结构与氨酰-tRNA合成酶对tRNA的识别有关。第二节tRNA2.tRNA的功能翻译阶段遗传信息从mRNA转移到结构极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联密码子形式存在的，这里起作用的是tRNA的解码机制。氨基酸在合成蛋白质之前先通过AA－tRNA合成酶活化，在消耗ATP的情况下结合到tRNA上，生成有蛋白质合成活性的AA－tRNA，由AA－tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子相互识别并配对，将AA带到mRNA-核糖体复合物上，插入到正在合成的多肽链的适当位置上。2024/2/5南京农业大学生命科学学院20第二节tRNA3.tRNA的种类起始tRNA和延伸tRNA。一类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA（原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸）。其他tRNA统称为延伸tRNA。同工tRNA。几个代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。校正tRNA。分两类：无义突变的校正tRNA和错义突变的校正tRNA。均通过改变其反密码子区校正突变而依然合成原氨基酸。2024/2/5南京农业大学生命科学学院212024/2/5南京农业大学生命科学学院22无义突变和错义突变的校正第二节tRNA4.氨酰-tRNA合成氨酰-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶。其反应包括两步:氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。AA+ATP+酶(E)→E－AA－AMP+PPi氨酰基转移到tRNA3’末端腺苷残基的2’或3’－羟基上E－AA－AMP+tRNA→AA－tRNA+E+AMP2024/2/5南京农业大学生命科学学院23第二节tRNA4.氨酰-tRNA合成蛋白质合成的真实性主要决定于tRNA能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置上，而这一步主要决定于AA－tRNA合成酶是否使氨基酸与对应的tRNA相结合。AA-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又要能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性。2024/2/5南京农业大学生命科学学院24第三节核糖体生物细胞内，核糖体像一个能沿mRNA模板移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。2024/2/5南京农业大学生命科学学院25核糖体是由几十种蛋白质和几种核糖体组成的亚细胞颗粒。一个细菌细胞内约有20000个核糖体，而真核细胞内可达106个。第三节核糖体1.核糖体的结构核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大小两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的二倍。每个亚基都含有一个分子质量较大的rRNA和许多蛋白质分子。这些大分子rRNA能在特定位点与蛋白质结合，从而完成核糖体不同亚基的组装。原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。真核生物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。2024/2/5南京农业大学生命科学学院26第三节核糖体1.核糖体的结构原核生物、真核生物细胞质及细胞器中的核糖体存在着很大差异。如下图：2024/2/5南京农业大学生命科学学院27核糖体来源大亚基小亚基沉降系数RNA沉降系数RNA80S脊椎动物60S20～29S40S18S5S5.8S80S无脊椎动物植物60S25S40S16～18S5S5.8S70S原核生物50S23S30S16S55S脊椎动物线粒体40S16～17S30S10～13S2024/2/5南京农业大学生命科学学院28大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成，分别用S1……S21表示，大亚基由36种蛋白质组成，分别用L1……L36表示。真核生物细胞核糖体蛋白质中，大亚基含有49种蛋白质，小亚基有33种蛋白质，它们的相对分子质量在8×103～4.0×104之间。2024/2/5南京农业大学生命科学学院29

在高倍电镜下得到的原核生物70S核糖体大、小亚基相结合的模型，核糖体分子可容纳两个tRNA和约40bp长的mRNA。2024/2/5南京农业大学生命科学学院301.核糖体的结构核糖体由三个tRNA结合位点，位于大小亚基交界面2024/2/5南京农业大学生命科学学院312.核糖体的功能核糖体存在于每个细胞中进行蛋白质的合成。尽管在不同生物体内其大小有别，但组织结构基本相同，而且执行的功能完全相同。核糖体包括5个以上活性中心，即：mRNA结合部位、接受AA-tRNA部位(A位)、结合肽基－tRNA的部位、肽基转移部位(P位)形成肽键的部位(转肽酶中心)。此外，还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。2024/2/5南京农业大学生命科学学院322.核糖体的功能核糖体小亚基负责对模板mRNA进行序列特异性识别，如起始部分的识别、密码子与反密码子的相互作用等，mRNA的结合位点也在小亚基上。大亚基负责携带AA-tRNA、肽键的形成、AA-tRNA与肽链的结合、A位、P位、转肽酶中心等在大亚基上。2024/2/5南京农业大学生命科学学院332.核糖体的功能核糖体在体内及体外都可解离为亚基或结合成70S/80S的颗粒。在翻译的起始阶段需要游离的亚基，随后才结合成70S/80S颗粒，开始翻译进程。肽链释放后，核糖体脱离mRNA解聚成亚基，直接参与另一轮蛋白质的合成。第四节蛋白质合成机制蛋白质合成是一个需能反应。真核生物中可能有近300种生物大分子参与蛋白质的生物合成，这些组分约占细胞干重的35%。细胞用来进行合成代谢总能量的90%消耗在蛋白质合成过程中。蛋白质的生物合成包括：氨基酸活化肽链的起始、延伸、终止新合成多肽链的折叠和加工2024/2/5南京农业大学生命科学学院34第四节蛋白质合成机制1.氨基酸活化氨基酸是生物合成蛋白质的原料，氨基酸在氨酰-tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸——AA-tRNA才能被准确地运送到核糖体中，参与多肽链的起始或延伸。氨基酸活化反应包括两步:氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。AA+ATP+酶(E)→E－AA－AMP+PPi氨酰基转移到tRNA3’末端腺苷残基的2’或3’－羟基上E－AA－AMP+tRNA→AA－tRNA+E+AMP2024/2/5南京农业大学生命科学学院352024/2/5南京农业大学生命科学学院3620中氨基酸的结构第四节蛋白质合成机制1.氨基酸活化tRNA与相应氨基酸的结合是蛋白质合成中的关键步骤，只有tRNA携带了正确的氨基酸，多肽合成的准确性才有保障。

在细菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸；所以，与核糖体小亚基相结合的是N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet，可以与延伸中的Met-tRNAMet区分开。真核生物中，多肽合成是从生成甲硫氨酰－tRNAiMet开始的，体内存在两种tRNAMet。只有甲硫氨酰－tRNAiMet能与40S小亚基相结合，起始肽链合成，普通tRNAMet携带的甲硫氨酸只能被掺入正在延伸的肽链中。2024/2/5南京农业大学生命科学学院37第四节蛋白质合成机制2.翻译的起始细菌中翻译的起始需要如下7种成分:30S小亚基，模板mRNA，fMet-tRNAfMet，3个翻译起始因子（IF-l、IF-2和IF-3），GTP，50S大亚基，Mg2＋。2024/2/5南京农业大学生命科学学院382024/2/5南京农业大学生命科学学院39翻译起始又可被分成3步：30S小亚基与翻译起始因子IF-l，IF-3的作用下通过mRNA的SD序列与之相结合在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带有tRNA、mRNA及3个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合；然后，释放翻译起始因子。2024/2/5南京农业大学生命科学学院402024/2/5南京农业大学生命科学学院4130S亚基具有专一性的识别和选择mRNA起始位点的性质，而IF-3能协助该亚基完成这种选择。30S亚基通过其16SrRNA的3'端与mRNA5’端起始密码子上游碱基配对结合。2024/2/5南京农业大学生命科学学院42所有原核生物mRNA上都有一个5’-AGGAGGU-3'序列，这个富嘌呤区与30S亚基上16SrRNA3’端的富嘧啶区序列5'-GAUCACCUCCUUA-3'相互补。2024/2/5南京农业大学生命科学学院43细菌核糖体上一般存在3个与氨酰－tRNA结合的位点，即A位点（aminoacylsite），P位点（Peptidylsite）和E位点（exitsite）。只有fMet-tRNAfMet能与第一个P位点相结合，其他所有tRNA都必须通过A位点到达P位点，再由E位点离开核糖体。2024/2/5南京农业大学生命科学学院44真核生物翻译的起始机制与原核生物基本相同。其差异是：核糖体较大有较多的起始因子mRNA具有5’端帽子结构

Met-tRNAMet不甲酰化mRNA分子5’端的“帽子”和3’端的多聚A都参与形成翻译起始复合物第四节蛋白质合成机制3.肽链的延伸当第一个氨基酸与核糖体结合以后，按照mRNA模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。每加一个AA是一个循环，每个循环包括：后续AA-tRNA与核糖体结合肽键的生成移位。2024/2/5南京农业大学生命科学学院45后续AA-tRNA与核糖体结合2024/2/5南京农业大学生命科学学院46起始复合物形成后，第二个AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNA·EF-Tu·GTP复合物，然后结合到核糖体

的A位上。由于EF-Tu不能与fMet－tRNA起反应，所以起始tRNA不会被结合到A位上，这就是mRNA内部的AUG不会被起始tRNA读出，肽链中间不会出现fMet的原因。肽键的生成经过上一步反应后，在核糖体·mRNA·AA－tRNA复合物中，AA-tRNA占据A位，fMet-tRNAfMet占据P位。在肽基转移酶的催化下，A位上的AA-tRNA转移到P位，与fMet-tRNAfMet上的氨基酸生成肽键。A位点腾空准备接受新的AA-tRNA，进行下一轮合成反应。起始tRNA则离开了核糖体P位点。2024/2/5南京农业大学生命科学学院47移位肽键延伸过程中最后一步，核糖体向mRNA3’端方向移动一个密码子。此时，仍与第二个密码子相结合的二肽基tRNA，从A位进入P位，去氨酰-tRNA被挤入E位，mRNA上的第三位密码子则对应于A位。2024/2/5南京农业大学生命科学学院48第四节蛋白质合成机制4.肽链的终止当终止密码子UAA、UAG或UGA出现在核糖体的A位时，没有相应的AA-tRNA能与之结合，而释放因子能识别这些密码子并与之结合，水解P位上多肽链与tRNA之间的二酯键，释放新生的肽链和tRNA，核糖体大、小亚基解体，蛋白质合成结束。2024/2/5南京农业大学生命科学学院492024/2/5南京农业大学生命科学学院504.肽链的终止释放因子RF具有GTP酶活性，它催化GTP水解，使肽链与核糖体解离。细菌细胞内存在三种终止因子（或称释放因子，RF1，RF2，RF3）。一旦RF与终止密码相结合，它们就能诱导肽基转移酶把一个水分子而不是氨基酸加到延伸中的肽链上。RF1能识别UAG和UAA，RF2识别UGA和UAA，RF3可能与核糖体的解体有关。真核细胞只有一个（RF）终止因子。第四节蛋白质合成机制5.蛋白质前体的加工新生多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工修饰才能转变为有活性的蛋白质。N端fMet或Met的切除二硫键的形成特定氨基酸的修饰。氨基酸侧链的修饰包括：磷酸化（如核糖体蛋白质）、糖基化（如各种糖蛋白）、甲基化（如组蛋白、肌肉蛋白质）、乙基化（如组蛋白）、羟基化（如胶原蛋白）和竣基化等。切除新生链中非功能片段2024/2/5南京农业大学生命科学学院51第四节蛋白质合成机制6.蛋白质的折叠新生多肽链必须经过正确的折叠，才能形成动力学和热力学稳定的三维构象，从而表现出生物学活性或功能。多肽链的折叠式一个复杂的过程，新生肽链一般首先折叠成二级结构，再进一步折叠盘绕成三级结构。对于寡居蛋白质，一般还需要组装成更为复杂的四级结构。分子伴侣是能在细胞内辅助新生肽链正确折叠的一类蛋白质。它是一类在序列上没有相关性但有共同功能的保守性蛋白质。分为两类：伴侣素热休克蛋白2024/2/5南京农业大学生命科学学院52第四节蛋白质合成机制6.蛋白质合成的抑制剂主要是抗生素、核糖体灭活蛋白等。是治疗细菌感染的重要药物。抗菌素对蛋白质合成的作用：阻止mRNA与核糖体结合；阻止AA-tRNA与核糖体结合；干扰AA-tRNA与核糖体结合而产生错读；作为竞争性抑制剂抑制蛋白质合成。如链霉素能干扰fMet-tRNA与核糖体的结合，而阻止蛋白质合成的正确起始，也会导致mRNA的错读。2024/2/5南京农业大学生命科学学院53第五节蛋白质转运机制由于细胞各部分都有特定的蛋白质组分，蛋白质的合成位点与功能位点常常被细胞内的膜所隔开，因此合成的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。蛋白质运转可分为两大类:翻译运转同步机制：蛋白质的合成和运转同时发生。分泌蛋白质大多是以同步机制运输的。翻译后运转机制：蛋白质从核糖体上释放后才发生运转。在细胞器发育过程中，由细胞质进入细胞器的蛋白质大多是以翻译后运转机制运输的。2024/2/5南京农业大学生命科学学院54第五节蛋白质转运机制1.翻译运转同步机制机制过程：分泌蛋白的生物合成开始于核糖体，翻译到大约50个氨基酸残基，信号肽开始从核糖体的大亚基露出，被内质网膜上的受体识别并与之结合。信号肽过膜后被内质网腔的信号肽酶水解，新生肽随之通过蛋白孔道穿越疏水的双层磷脂。当核糖体移到mRNA的“终止”密码子，蛋白质合成即告完成，翻译体系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖体重新处于自由状态。2024/2/5南京农业大学生命科学学院55第五节蛋白质转运机制1.翻译运转同步机制蛋白质定位的信息存在于该蛋白质自身结构中，并且通过与膜上特殊受体的相互作用得以表达。信号肽紧接在起始密码之后，大部分是疏水氨基酸。信号肽的长度在13～36个残基。信号肽的特点：10～15个疏水氨基酸；N端有带正电荷的氨基酸；C端接近切割点处代数个

极性氨基酸；C端氨基酸侧链短。2024/2/5南京农业大学生命科学学院562024/2/5南京农业大学生命科学学院57蛋白合成-定位内质网2024/2/5南京农业大学生命科学学院582024/2/5南京农业大学生命科学学院59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第五节蛋白质转运机制2.翻译后运转机制叶绿体和线粒体中有许多蛋白质和酶是由细胞质提供的，其中绝大多数以翻译后运转机制进入细胞器内。2024/2/5南京农业大学生命科学学院602.翻译后运转机制线粒体蛋白质跨膜特征:通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以前体形式存在，它由成熟蛋白质和位于N端的一段前导肽（leaderpeptide）共同组成，前导肽约含20～80个氨基酸残基，当前体蛋白过膜时，前导肽被多肽酶所水解，释放成熟蛋白质。蛋白质通过线粒体膜运转是一种需要能量的过程。蛋白质通过线粒体膜