大学分子生物学经典课件第四章 生物信息的传递(下) 从mRNA到蛋白质.ppt

1、2020/8/3,1,第四章 生物信息的传递（下）从mRNA到蛋白质,2020/8/3,2,(1) 翻译的起始 核糖体与mRNA结合并与氨酰-tRNA生成起始复合物。,蛋白质的生物合成步骤：,(2) 肽链的延伸 由于核糖体沿mRNA 5端向3端移动，开始了从N端向C端的多肽合成，这是蛋白质合成过程中速度最快的阶段。,(3) 肽链的终止及释放 核糖体从mRNA上解离，准备新一轮合成反应。,2020/8/3,3,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(transfer RNA，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

2、。,2020/8/3,4,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。,2020/8/3,5,蛋白质的合成,第一节 遗传密码 第二节 tRNA 第三节 核糖体 第四节 蛋白质合成的生物学机制 第五节 蛋白质转运机制,2020/8/3,6,第一节 遗传密码,密码（codon）：也叫三联子密码，mRNA上代表一个氨基酸或蛋白质合成及终止信号的核苷酸三联体。,2020/8/3,7,可译框架（open reading frame，ORF）：又叫可读框，指由起始密码子开始，到终止密码子结束的核苷酸序列。,2020/8/3,8,1

3、954，Gamov 提出遗传密码的问题, 43 = 64 ; 1961，Brenner & Crick：加入或减少1个或2个核苷酸即可导致形成不正常的蛋白质；但加入或减少3个常常对蛋白质活性影响不大。,一、遗传密码（genetic code）的破译,2020/8/3,9,1961，Nirenberg：人工合成多聚尿嘧啶核苷酸指导合成的多肽只含一种氨基酸-苯丙氨酸； 1964，Nirenberg：tRNA 结合法。特异的氨酰-tRNA可与核糖体-mRNA结合。mRNA可短至3个碱基。,2020/8/3,10,半胱氨酸,2020/8/3,11,合成简单重复的核苷酸链,人工合成poly(GT)多核苷

4、酸链,转录生成mRNA,合成蛋白质,2020/8/3,12,1、密码的连续性 从mRNA的5端起始密码子开始，一个密码子接一个密码子连续地阅读直到3终止密码子，密码子间无间断也无重复，因此密码子具有连续性。,二、遗传密码的特点,2020/8/3,13,2、密码的简并性 一个氨基酸由多个密码子编码的现象，称为简并； 在密码子第三位碱基中，C-U、A-G往往可以相互替换；,2020/8/3,14,除色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外，其它18 种氨基酸都有一个以上的密码子。,2020/8/3,15,同义密码子：对应同一个氨基酸的密码子称为同义密码子。 密码子的种类与相应氨基酸在蛋白质中的频率有一定的

5、相关性。只有精氨酸例外。(Pg 113，图4-3),2020/8/3,16,3、密码的通用性与特殊性,遗传密码无论在体内还是体外，也无论是对病毒、细菌、动物还是植物而言都是适用的，所以密码子具有通用性。,又因为在支原体中，终止密码子UGA用来编码色氨酸，在嗜热四膜虫中，终止密码子UAA用来编码谷氨酰胺。所以密码子具有特殊性。,2020/8/3,17,1）mRNA 上密码子第一、二碱基与tRNA上反密码子相应碱基形成强配对；密码专一性主要是由于这两个碱基的作用；,4、密码子与反密码子的相互作用 (摇摆假说),2020/8/3,18,2）反密码子的第一个碱基决定一个tRNA 能够解读密码子的数目；

6、,2020/8/3,19,3）当一种氨基酸的几个密码子中，有头2个碱基中任一个是不同的，则必须有不同的tRNA。 原核生物中大约有3045种tRNA，真核细胞中可能存在50种tRNA。,2020/8/3,20,密码子AUG与N-甲酰甲硫氨酸-tRNA（tRNAfMet）结合，在原核生物中启动蛋白质结合，因此AUG被称为起始密码子（initiation codon）； AUG也是甲硫氨酸的密码子。 E. coli中，其它一些密码子（GUG、UUG、CUG）也可偶尔与tRNAfMet结合，启动蛋白质合成。,三、起始密码子与终止密码子,2020/8/3,21,终止密码子（termination co

7、don）：UAA、UAG、UGA；终止密码子不编码任何氨基酸，也称为无义密码子（nonsense codon）。,2020/8/3,22,小 结,一、遗传密码（genetic code）的破译 二、遗传密码的特点 三、起始密码子与终止密码子,2020/8/3,23,第二节 tRNA,tRNA的共同特征： 1、存在经过修饰的特殊碱基 2、3 端均为CCA-OH,一、tRNA的结构,二级结构：三叶草形,2020/8/3,24,tRNA上的手臂： （1）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34个碱基；3端的CCA，最后一个碱基2自由羟基可被氨酰化。 （2）TC 臂（环）其中表示拟

8、尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。 （3）反密码臂（环）位于套索中央有三联反密码子。 （4）D 臂（环）含有二氢尿嘧啶。 （5）多余臂（环）,5,2020/8/3,25,一般tRNA有76个碱基，大小在7495 bp之间，主要由于D臂和多余臂的变化引起。,2020/8/3,26,tRNA 序列包含许多稀有碱基，主要通过四种标准碱基修饰而来。,2020/8/3,27,tRNA 折叠为L 形，与氨基酸结合的受体臂与反密码环相互远离，分别位于两端； 不同的tRNA形状大体相同又有所差异。,tRNA三级结构,2020/8/3,28,2020/8/3,29,二、tRNA的功能,tRNA在蛋白质

9、合成中为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体，为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体，它又被称为第二遗传密码。,2020/8/3,30,每个tRNA与一特定的氨基酸特异共价结合生成有蛋白质合成活性的AA- tRNA ； 含有一个三核苷酸序列的反密码子，与 mRNA 上代表该氨基酸的密码子相互识别并配对。,2020/8/3,31,密码子的识别仅决定于反密码子，而与氨基酸无关。,通过还原脱硫反应，使Cys-tRNA （半胱氨酸）转变为Ala-tRNACys（丙氨酸）； 这一转变没有影响密码子-反密码子之间的特异性结合，使Ala掺入到蛋白中原本是Cys的位置。,2020/8/3,32

10、,三、 tRNA的种类,起始 tRNA 和延伸 tRNA：特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其它tRNA统称为延伸tRNA。,校正tRNA：通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到多肽链上的tRNA 。,同工tRNA：代表相同氨基酸的不同tRNA。,2020/8/3,33,无义突变：指某个核苷酸的改变使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子，使蛋白质的合成提前终止，合成无功能或无意义的多肽，这种突变称为无义突变。 错义突变：指某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码，这种突变称为错义突变。,2020/8/3,34,四、氨酰tRNA合成酶,氨酰-tRNA合成

11、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: 第一步是氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。 AA+ATP+酶(E) EAAAMP+PPi 第二步是氨酰基转移到tRNA3末端腺苷残基的2或3羟基上。 EAAAMP+tRNAAAtRNA+E+AMP,2020/8/3,35,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AAtRNA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。,2020/8/3,36,小 结,一、tRNA的结构 二、 tRNA的功

12、能 三、tRNA的种类 四、氨酰tRNA合成酶,2020/8/3,37,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。,第三节 核糖体（ribosome）,2020/8/3,38,核糖体是由几十种蛋白质和几种核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA)组成的亚细胞颗粒。 一个细菌细胞内约有20 000个核糖体，真核细胞内可达106个。,最适条件下，合成一条含400个氨基酸残基的多肽（40 kD）约需10 秒。,2020/8/3,39,真、原核生物中均由大、小两个亚基组成，二亚基各含一个主要RNA，称为核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）和多

13、种蛋白质。,一、核糖体的结构,1、核糖体由大小两个亚基组成,2020/8/3,40,大亚基和小亚基的三维结构,2020/8/3,41,2020/8/3,42,多核糖体（polysome）电镜照片,2020/8/3,43,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。,2020/8/3,44,2、核糖体蛋白(ribosomal protein, r-蛋白） 核糖体上有多个活性中心，每个中心都由一组特殊的核糖体蛋白质构成。核糖体是一个许多酶的集合体，单个酶或蛋白只有在这个总体结构内才拥有催化性质，它们在这一结构中共同承担了蛋白质生物合成的任务

14、。 大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成；大亚基由36种蛋白质组成。真核细胞核糖体大亚基含有49种蛋白质；小亚基有33种蛋白质。,2020/8/3,45,3、核糖体RNA,(1) 5S rRNA 细菌5S rRNA含有120或116个核苷酸。5S rRNA有两个高度保守的区域。 保守序列CGAAC，与tRNA分子TC环上的GTCG序列互补。 保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，与23S rRNA中的一段序列互补，这是5S rRNA与50S核糖体大亚基相互作用的位点。,2020/8/3,46,（2）、16S rRNA,其长度在1475-1544个核苷酸之间，含有少量修饰碱基。该分子全部压缩

15、在30S小亚基内。 16S rRNA的结构十分保守，其中3端一段ACCUCCUUA的保守序列，与mRNA5端翻译起始区富含嘌呤的序列互补。 在16S rRNA靠近3端处还有一段与23S rRNA互补的序列，在30S与50S亚基的结合中起作用。,2020/8/3,47,（3）、23S rRNA,23S rRNA包括2904个核苷酸。 在大肠杆菌23S rRNA第19842001核苷酸之间，存在一段能与tRNAMet序列互补的片段。 在23S rRNA靠近5端(143-157位核苷酸之间)有一段12个核苷酸的序列与5S rRNA上第72-83位核苷酸互补。,2020/8/3,48,（4）、 5.8

16、 S rRNA,5.8 S rRNA是真核生物核糖体大亚基特有的rRNA，长度为160个核苷酸，含有与原核生物5S rRNA中保守序列相同的序列，与5S rRNA具有相似的功能。,2020/8/3,49,（5）、18S rRNA 酵母18S rRNA由1789个核苷酸组成，它的3端与大肠杆菌16S rRNA有广泛的同源性。其中酵母18S rRNA、大肠杆菌16S rRNA和人线粒体12S rRNA在3端有50个核苷酸序列相同。 （6）、28S rRNA 长度约在38904500bp左右。,2020/8/3,50,16S rRNA 3 端与 mRNA 直接相互作用； 5S rRNA与 tRNA

17、TC 环上 GTCG 序列作用； 16S rRNA 直接与 A、P 位点的 tRNA 反密码子作用； 23S rRNA 则与 A、P 位点的肽酰-tRNA 的 CCA 末端作用； 16S、23S 均参与亚基间的相互作用。,rRNA与tRNA、mRNA之间以及rRNA之间存在的联系,2020/8/3,51,4、核糖体有3个tRNA结合位点,A位点：氨酰tRNA结合位点 P位点：肽酰tRNA结合位点 E位点：延伸过程中多肽链转移到肽酰tRNA上释放tRNA的位点。,2020/8/3,52,二、核糖体的功能,核糖体包括多个活性中心，即mRNA结合部位、接受AA-tRNA部位(A位)、结合肽酰tRNA

18、的部位(P位) 、肽基转移部位及形成肽键的部位(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。,2020/8/3,53,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及tRNA的功能，包括肽键的形成、AA-tRNA与肽酰-tRNA的结合等。,2020/8/3,54,小 结,一、核糖体的结构,二、核糖体上的活性位点,2020/8/3,55,第四节 蛋白质合成的生物学机制,蛋白质的合成,氨基酸活化 翻译的起始 肽链的延伸 肽链的终止 新合成多肽链的折叠和加工,2020/8/3,5

19、6,2020/8/3,57,一、氨基酸的活化,氨基酸与tRNA结合形成氨酰-tRNA，反应在细胞质进行。 tRNA末端最后一个碱基五碳糖3自由羟基（-OH）被氨酰化。,至少有20种氨酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase）,2020/8/3,58,二、蛋白质合成的起始,N-甲酰甲硫氨酸 所有细菌蛋白质合成的第一个氨基酸都是N-甲酰甲硫氨酸（fMet）。 两种tRNAMet：tRNAfMet，tRNAMet；只有tRNAfMet上的氨基酸可以甲酰化；,1、原核生物蛋白质合成的起始,2020/8/3,59,所有tRNA受体臂最后一对碱基中，只有tRNAfMet 的没

20、有配对；可使Met-tRNAf 上的Met甲酰化；如tRNAfMet 的最后一对碱基配对，tRNAfMet 可参与延长，不能起始； tRNAfMet 反密码臂上有一系列G-C 对，可使fMet-tRNAf 直接插入P 位点。,2020/8/3,60,蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基、起始tRNA和几十个蛋白因子。在mRNA编码区5端形成核糖体-mRNA-起始tRNA复合物并将甲硫氨酸放入核糖体P位点。 起始复合物的生成需要GTP提供能量，需要Mg2、NH4及3个起始因子(IF-l、IF-2、IF-3)的参与。,2020/8/3,61,起始因子,蛋白质合成的启动必须有起始因子参加，形成核糖体-

21、 mRNA- tRNA三元复合物。,起始因子：蛋白质合成起始阶段特异地与小亚基结合的蛋白质。,2020/8/3,62,IF-3 为30S特异地结合在mRNA起始位点所需； IF-2 结合于起始tRNA，控制其进入核糖体； IF-1 作为起始复合体一稳定因子，没有专一功能，只能促进IF-2 及 IF-3 的活性，有些原核生物无IF-I。,2020/8/3,63,起始密码子AUG上游约10 bp处有一段 5 . A G G A G G U. 3序列，称为Shine-Dalgarno序列（SD序列），与16S RNA 3端的 3 . UCCUCCACUAG . 5 互补。,起始密码子的正确选读,20

22、20/8/3,64,翻译的起始： 第一步，30S小亚基首先与翻译起始因子IF-l，IF-3结合，通过SD序列与mRNA 模板相结合。 第二步，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。 第三步，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，GTP水解，释放翻译起始因子。,2020/8/3,65,多基因mRNA中，核糖体可分别结合在各基因起点以起始合成。,2020/8/3,66,2、真核生物蛋白质合成的起始,真核生物翻译起始机制与原核生物基本相同，其差异是核糖体较大、起始因子较多、mRNA

23、有m7GpppNp帽子、Met-tRNAMet不甲酰化，mRNA 5端的帽子和3端的多聚A都参与形成翻译起始复合物。,2020/8/3,67,首先，MettRNAiMet与40S小亚基相结合；接着核糖体上专一位点识别mRNA的帽子，使mRNA与核糖体结合。 帽子在mRNA与40S亚基结合过程中起稳定作用。带帽子的mRNA 5端与18S rRNA的3端序列之间存在碱基配对型相互作用。,2020/8/3,68,除了识别帽子结构以外，40S小亚基还能识别mRNA上的起始密码子AUG。 40S小亚基识别起始密码子的“扫描模型”：40S小亚基先结合在mRNA 5端的任何序列上，然后沿mRNA移动直至遇到

24、AUG发生较为稳定的相互作用，最后与60S亚基一道生成80S起始复合物。,2020/8/3,69,2020/8/3,70,三、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AA-tRNA与核糖体结合、肽键的生成和移位。,2020/8/3,71,1、后续AA-tRNA与核糖体结合,起始复合物形成以后，第二个AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNAEF-TuGTP复合物，然后结合到核糖体的A位上。,2020/8/3,72,EF-Tu-GTP将氨酰-tRNA带入A

25、位点，然后以EF-Tu-GDP离开； EF-Tu唯一不能识别的fMet-tRNAfMet,2020/8/3,73,2、肽键的形成,肽基转移酶（peptidyl transferase）是50S 亚基的一种活性，催化形成新的肽键，同时使与 P 位点 tRNA 连接的肽链转移到与A位点的tRNA。,2020/8/3,74,2020/8/3,75,3、核糖体的移位（translocation）,核糖体沿 mRNA 前进三个核苷酸。肽基tRNA，从A位进入P位，去氨酰-tRNA被挤入E位，空出 A 位点。,核糖体移位的杂合状态模型,2020/8/3,76,EF-G是移位所必需的蛋白因子。,2020/8

26、/3,77,EF-G：含量高，数量基本与核糖体相同；,EF-G与EF-Tu 不能同时和核糖体结合； 二者在核糖体接受新氨酰-tRNA、生成肽键和核糖体移位的循环中交替占据A位点。,二者都是 GTP 结合蛋白，结合 GTP 时可与核糖体结合，结合 GDP 时则不能与核糖体结合。,2020/8/3,78,是指在蛋白质合成中，每向肽链中加入一个氨基酸时，与核糖体周期性结合的蛋白质分子。 EF-Tu：帮助氨酰-tRNA进入A位点； EF-Ts：使 EF-Tu 恢复活性； EF-G： 参与核糖体移位。,延伸因子,2020/8/3,79,四、肽链的终止,肽链在延伸过程中，当终止密码子出现在核糖体的A位时，

27、释放因子能识别终止密码子并与之结合，水解P位上多肽链与tRNA之间的酯键。新生的肽链和tRNA从核糖体上释放，核糖体解体，蛋白质合成结束。,2020/8/3,80,释放因子有两类： 类，识别终止密码子，并能催化新合成的多肽链从P位点的tRNA中水解释放； 类，在多肽链释放后刺激类释放因子从核糖体中解离。,2020/8/3,81,细菌细胞内存在3种不同的释放因子： RFl、RF2、RF3。 RFl 识别UAG和UAA； RF2 识别UGA和UAA。 RF3 与核糖体的解体有关。 真核细胞的类和类释放因子分别只有一种（eRF1和eRF3)。,2020/8/3,82,五、蛋白质前体的加工,1N端fM

28、et或Met的切除：细菌蛋白质N端的甲酰基能被脱甲酰化酶水解，原核生物和真核生物N端的甲硫氨酸在多肽链合成完毕之前被切除。 2二硫键的形成 二硫键是蛋白质合成后通过两个半胱氨酸的氧化作用生成的。,2020/8/3,83,3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)和羧基化等。,2020/8/3,84,4、切除新生链中非功能片段,2020/8/3,85,六、蛋白质的折叠,蛋白质的折叠是指从多肽氨基酸序列形成具有正确三维空间结构的蛋白质。 分子伴侣是介导新生肽链正确组装，成为成熟蛋

29、白质，而本身却不是最终功能蛋白组成成分之一的蛋白质分子。,2020/8/3,86,分子伴侣家族主要有: 热休克蛋白（heat shock protein）：是一类应激反应性蛋白，包括HSP70、HSP40和GrpE家族，广泛存在于原核和真核细胞中。三者协同作用，促使某些能自发折叠的蛋白折叠成天然构象。 伴侣素（chaperonin）：包括HSP60和HSP10，主要为非自发性折叠蛋白提供能折叠成天然构象的环境。,2020/8/3,87,七、蛋白质合成的抑制剂,蛋白质合成的抑制剂大多是一些抗生素和毒素。,抑制途径,阻止 mRNA 与核糖体结合（氯霉素）,阻止 AA-tRNA 与核糖体结合（四环素

30、）,干扰 AA-tRNA 与核糖体产生错读（链霉素）,作为竞争性抑制剂抑制蛋白质合成（白喉毒素与EF2 结合，抑制肽链的移位）,2020/8/3,88,小 结,一、氨基酸活化,二、蛋白质合成的起始,原核生物,真核生物,后续AA-tRNA与核糖体结合,肽键的形成,核糖体的移位,三、肽链的延伸,2020/8/3,89,五、新合成多肽链的折叠和加工,四、肽链的终止及释放,六、蛋白质合成的抑制剂,2020/8/3,90,什么是核糖体? ( ) A. 一种大分子，两亚基的复合物含有50多种不同的蛋白质和一些rRNA； B. 一种有内含子的核蛋白复合物； C. 一种包含 rDNA的细胞器； D. 一种含

31、DNA的分子.,2020/8/3,91,下列叙述不正确的是: ( ) A. 共有20个不同的密码子代表遗传密码； B. 每个核苷酸三联体编码一个氨基酸； C. 不同的密码子可能编码同一个氨基酸； D. 密码子的第三位具有可变性.,2020/8/3,92,反密码子中哪个碱基对参与了密码子的简并性(摇摆)。( ) A. 第一个； B. 第二个； C. 第三个； D. 第一个与第二个.,2020/8/3,93,氨酰tRNA合成酶的功能是什么？ 简述真核与原核细胞中翻译起始的主要区别。 Shine-Dalgarno 序列? 简并性和同义密码子? tRNA的反密码子为UGC,它识别的密码子为_ 简述密码

32、子的特点？,2020/8/3,94,已知一种突变的噬菌体蛋白是由于单个核苷酸插入引起的移码突变的，将正常的蛋白质和突变体蛋白质用胰蛋白酶消化后进行指纹图分析。结果发现只有一个肽段的差异，测得其氨基酸顺序如下：正常肽段 Met-Val-Cys-Val-Arg突变体肽段 Met-Ala-Met-Arg（1）什么样的突变（什么核苷酸插入到什么地方）导致了氨基酸顺序的改变？（2）推导出编码正常肽段和突变体肽段的核苷酸序列。提示：有关氨基酸的简并码Val GUU GUC GUA GUGCys UGU UGCArg CGU CGC CGA CGG AGA AGGAla GCU GCC GCA GCG,20

33、20/8/3,95,第五节 蛋白质的转运机制,蛋白转运（protein translocation）：指蛋白插入或穿过膜的过程。 翻译后转运机制（post-translational translocation）：若蛋白质是在胞质中的核糖体上合成、释放后再过膜转移，这种蛋白质过膜方式称为翻译后转运。 翻译-转运同步机制（co-translational translocation）：若在与内质网结合的核糖体上合成的蛋白质前体，其合成和过膜转移是同时发生的，这种蛋白质的过膜方式称为翻译-转运同步机制。,2020/8/3,96,2020/8/3,97,一、翻译-运转同步机制,由内质网结合的核糖体合成，核糖体与