第四章_生物信息的傳遞(下)——翻譯

1、第四章 生物信息的傳遞（下） 從mRNA到蛋白質(zhì)DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制 翻譯：指將mRNA鏈上的核甘酸從一個特定的起始位點開始，按每三個核甘酸代表一個氨基酸的原則，依次合成一條多肽鏈的過程。蛋白質(zhì)合成的場所是蛋白質(zhì)合成的模板是模板與氨基酸之間的接合體是蛋白質(zhì)合成的原料是核糖體mRNAtRNA20種氨基酸 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過程蛋白質(zhì)合成的過程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制Contents一、遺傳密碼三聯(lián)子（一）密碼子triplet coden 為mRNA鏈上決定一個

2、特定氨基酸的三個連續(xù)核苷酸。遺傳密碼的破譯，即確定代表每種氨基酸的具體密碼。至1966年，20種氨基酸對應(yīng)的61個密碼子和三個終止密碼子（UAA、UAG、UGA）全部被查清。（二）遺傳密碼的性質(zhì)1.1.通用性與特殊性：通用性與特殊性：蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用；已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。生物密碼子線粒體DNA編碼的氨基酸核DNA編碼的氨基酸所有UGA色氨酸終止子酵母CUA蘇氨酸亮氨酸果蠅AGA絲氨酸精氨酸哺乳類AGA/G終止子精氨酸哺乳類AUA甲硫氨酸異亮氨酸線粒體與核DNA密碼子使用情況的比較： 2 2. .簡并性：簡并性：減少了變異對生物的

3、影響。 由一種以上密碼子編碼同一個氨基酸的現(xiàn)象稱為簡并（degeneracy），對應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子（synonymous codon）。編碼某一氨基酸的密碼子越多，該氨基酸在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的頻率就越高。Arg例外3 3. .連續(xù)性連續(xù)性: : 編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。無交叉。開放閱讀框架(open reading frame, ORF) 可以翻譯成蛋白質(zhì)的可以翻譯成蛋白質(zhì)的DNADNA區(qū)域，在細(xì)菌中即為一個基因，在真核生物中，區(qū)域，在細(xì)菌中即為一個基因，在真核生物中，編

4、碼區(qū)可以被內(nèi)含子隔斷。編碼區(qū)可以被內(nèi)含子隔斷?？蛞仆蛔?frameshift mutation) 基因損傷引起基因損傷引起mRNAmRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導(dǎo)致閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導(dǎo)致- -。閱讀方向：肽鏈由肽鏈由N N端向端向C C端延伸，密碼子閱讀方向是從端延伸，密碼子閱讀方向是從5 5端向端向3 3端進(jìn)行。端進(jìn)行。4.4.擺動性擺動性 轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA上的反密碼子需要通過堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼子反向配對結(jié)合，在密碼子與反密碼子的配對中，前兩對嚴(yán)格遵守堿基配對原則，第三對堿基有一定的自由度，可以“擺動”，這種現(xiàn)象稱為密碼子的擺動性。 擺動配對擺

5、動配對U UmRNA5A AU UU UA AU UC CA AU UA A3U UA AI II Il le e5U UA AI II Il le e5U UA AI II Il le e5tRNA333密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U, C, AA, GU, CUG氨基酸名稱氨基酸名稱 英文縮寫英文縮寫 簡簡 寫寫 氨基酸名稱氨基酸名稱 英文縮寫英文縮寫 簡簡 寫寫 甘氨酸GlyG絲氨酸SerS丙氨酸AlaA蘇氨酸ThrT纈氨酸ValV天冬酰胺AsnN異亮氨酸IleI谷酰胺GlnQ亮氨酸LeuL酪氨酸

6、TyrY苯丙氨酸PheF組氨酸HisH脯氨酸ProP天冬氨酸AspD甲硫氨酸MetM谷氨酸GluE色氨酸TrpW賴氨酸LysK半胱氨酸CysC精氨酸ArgR 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過程蛋白質(zhì)合成的過程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制Contents二、tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類（一） tRNA的結(jié)構(gòu)1.一級結(jié)構(gòu)：一定恒定性，含有大量的修飾性堿基。2.二級結(jié)構(gòu)：三葉草形。3.三級結(jié)構(gòu)： “L”形，主要通過氫鍵作用。三葉草二級結(jié)構(gòu)具有四個臂 L 型三 維結(jié)構(gòu)兩個雙螺旋區(qū)相互垂直3 TC 環(huán) 氨基酸莖

7、 3 5 氨基酸莖 5 D 環(huán)D 環(huán) TC 環(huán) 可變環(huán)可變環(huán)反密碼子環(huán) 反密碼子環(huán) 圖 14-15 tRNA 由三葉草型折疊成 L 型三維結(jié)構(gòu)（二） tRNA的功能1、解讀mRNA的遺傳信息2、運(yùn)輸?shù)墓ぞ撸\(yùn)載氨基酸。tRNA憑借自身的反密碼子與mRNA鏈上的密碼子相識別，把所帶氨基酸放到肽鏈的一定位置。tRNA有兩個關(guān)鍵部位： 3端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。 與mRNA結(jié)合部位-反密碼子部位1.起始tRNA和延伸tRNA 能特異地識別mRNA模板上起始密碼子的tRNA稱起始tRNA，其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA。起始密碼子AUG 、GUG。原核生物：起始密碼子AUG，所編碼的

8、氨基酸并不是 甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸，起始AA-tRNA為fMet-tRNAfMet真核生物：起始密碼子AUG 所編碼的氨基酸是Met，起始AA-tRNA為Met-tRNAMet。（三） tRNA的種類2、同工tRNA：代表同一種氨基酸的tRNA 同工tRNA既要有不同的反密碼子以識別該氨基酸的各種同義密碼，又要有某種結(jié)構(gòu)上的共同性，能被相同的氨基酰-tRNA合成酶識別。 3、校正tRNA 無義突變：在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因中，一個核苷酸的改變可能使代表某個氨基酸的密碼子變成終止密碼子（UAG、UGA、UAA），使蛋白質(zhì)合成提前終止，合成無功能的或無意義的多肽，這種突變就稱為無義突變無義突

9、變。校正tRNA只能識別由原來密碼變異而生的新密碼，仍不能識別正常的終止密碼。 錯義突變：由于結(jié)構(gòu)基因中某個核甘酸的變化使一種氨基酸的密碼子變?yōu)榱硪环N氨基酸的密碼子，這種基因突變叫錯義突變錯義突變。 GGA（甘氨酸） AGA（精氨酸）無義突變使 UUG 變?yōu)?UAG Tyr-tRNA 閱讀 UAG 密碼子AUG UUG UAA AUG UAG UAA AUG UAG UAA UACAAC AUC AUG 釋放因子 抑制突變 Leu Tyr Tyr圖 1417 帶有突變反密碼子的 tRNA 可抑制無義突變無義突變表14-6 由反密碼子突變而產(chǎn)生的無義抑制基因 野生型 抑制基因基因tRNA識別的密

10、碼子反密碼子反密碼子識別的密碼子SupD(su1)SerUCGCGACUAUAGSupE(su2)GlnCAGCUGCUAUAGSupF(su3)TyrUAC, UAUGUACUAUAGSupC(su4)TyrUAC/UAUGUAUUAUAA/UAGSupG(su5)LysAAA/AAGUUUUUAUAA/UAGSupU(su7)TrpUGGCCAUCAUGA/UGG錯義抑制錯義突變 錯義突變AUG AGA UAA AUG GGA UAA AUG AGA UAAUCU CCU UCU 抑制突變 Arg Gly Gly圖14-18 反密碼子發(fā)生突變可抑制錯義突變 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA

11、的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過程蛋白質(zhì)合成的過程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制Contents三、核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 （一）核糖體的結(jié)構(gòu) 核糖體又稱核蛋白體，由rRNA和核糖體蛋白質(zhì)組成。 原核和真核生物核糖體的組成及功能核糖體亞基 rRNAs 蛋白質(zhì)數(shù)目 RNA的特異順序和功能 細(xì)菌 70S 50S 23S=2904b 34 含CGAAC和GTCG互補(bǔ)2.5106D 5S=120b66%RNA 30S 16S=1542b 21 16SRNA(CCUCCU)和S-D 順序(AGGAGG)互補(bǔ) 真核 80S 60S 28S=4718

12、b 49 有GAUC和tRNAfMat的TCG互補(bǔ)4.2106D 5S=120b 60%RNA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 33 和Capm7G結(jié)合注：b或nt :核苷酸；S：沉降系數(shù) 在單個核糖體上，可化分多個功能活性中心，在蛋白質(zhì)合成過程中各有專一的識別作用和功能。小亞基氨基酰-RNA結(jié)合部點,A位點; 肽酰tRNA結(jié)合部點,P位點大亞基形成肽鍵的部位（轉(zhuǎn)肽酶中心）（二）核糖體的功能：合成蛋白質(zhì) 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過程蛋白質(zhì)合成的過程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制C

13、ontents四、蛋白質(zhì)合成的過程 氨基酸的活化 翻譯的起始 肽鏈的延伸 肽鏈的終止 蛋白質(zhì)前體的加工(一)氨基酸的活化氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ser-tRNASer Met-tRNAMet原核生物中，起始氨基酸是：甲酰甲硫氨酸 起始AA-tRNA是： fMet-tRNAfMet 真核生物中，起始氨基酸是：甲硫氨酸 起始AA-tRNA是： Met-

14、tRNAMet第一步反應(yīng)第一步反應(yīng)活化活化 需需MgMg2+2+和和MnMn2+2+，由由ATPATP供能，由合成酶催化，生成氨基酸供能，由合成酶催化，生成氨基酸- -AMP-AMP-酶復(fù)合物。酶復(fù)合物。第二步反應(yīng)第二步反應(yīng)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 在合成酶催化下將氨基酸從氨基酸在合成酶催化下將氨基酸從氨基酸AMPAMP酶復(fù)合物上轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的酶復(fù)合物上轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的tRNAtRNA上，形成氨酰上，形成氨酰- -tRNAtRNA。 tRNA與酶與酶結(jié)合的模型結(jié)合的模型tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP(二)翻譯的起始原核生物（細(xì)菌）為例：所需成分：30S小亞基、50S大亞基、模板mRNA、 fMet

15、-tRNAfMet、GTP、Mg2+翻譯起始因子：IF-1、IF-2、IF-3 翻譯起始(翻譯起始復(fù)合物形成)又可被分成4步： 1. 核蛋白體大小亞基分離2、30S小亞基通過SD序列與mRNA模板相結(jié)合。A U G53IF-3IF-1IF-3: 將30S亞基特異性結(jié)合到mRNA起始位置. IF-3-30S-mRNA三元復(fù)合物。SD序列：mRNA中用于結(jié)合原核生物核糖體的序列，位于 mRNA分子的起始碼上游8-13個核苷酸處。IF-1IF-2GTP3.3.在IF-2和GTP的幫助下，fMet-tRNAfMet進(jìn)入小亞基的P位，tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配對， IF-3脫離。形成

16、 IF-2-30S-mRNA- fMet-tRNAfMet復(fù)合物A U G53IF-2:通過形成IF-2GTPfMet-tRNAfMet三元復(fù)合物,使起始tRNA(fMet-tRNA)特異性地與30S亞基結(jié)合. IF-2有很強(qiáng)的GTP水解酶活性.IF-1:提高IF-2、IF-3活性.IF-2GTPGDPPi4 4、帶有tRNA、mRNA和3個翻譯起始因子的小亞基復(fù)合物與50S大亞基結(jié)合，GTP水解，釋放翻譯起始因子。30S-mRNA-50S- fMet-tRNAfMet復(fù)合物。A U G53 真核生物翻譯起始的特點真核生物翻譯起始的特點 核糖體較大,為；起始因子比較多； Met-tRNAMet

17、 mRNA 5端具有m7Gppp帽子結(jié)構(gòu) mRNA的5端帽子結(jié)構(gòu)和3端polyA都參與形成翻譯起始復(fù)合物. 真核生物翻譯起始復(fù)合物形成真核生物翻譯起始復(fù)合物形成(區(qū)別原核生物區(qū)別原核生物) 原核生物中30S小亞基首先與mRNA模板相結(jié)合，再與fMet-tRNAfMet結(jié)合，最后與50S大亞基結(jié)合。而在真核生物中，40S小亞基首先與Met-tRNAMet相結(jié)合，再與模板mRNA結(jié)合，最后與60S大亞基結(jié)合生成80SmRNAMet-tRNAMet起始復(fù)合物。mRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRN

18、AMet-elF-2 -GTP真核生物翻譯起始真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程復(fù)合物形成過程 肽鏈延伸由許多循環(huán)組成，每加一個氨基酸就是一個循環(huán)，每個循環(huán)包括：進(jìn)位、肽鍵的生成、脫落和移位。 延伸因子(elongation factor, EF) ： 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts ) 、EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2 (三)肽鏈的延伸1、進(jìn)位：AA-tRNA與核糖體A位點的結(jié)合。 需要消耗GTP，并需延伸因子EF-Tu。被GTP活化的延伸因子Tu-GTP與AA-tRNA結(jié)合，使AA-tRNA進(jìn)入空出來的A位點。2、肽鍵形成： 是由轉(zhuǎn)肽酶/肽基轉(zhuǎn)移酶催化（催化肽鍵形成和

19、肽酰-tRNA 的水解）。3、脫落：在50S亞基P位點上無負(fù)載的tRNA脫落下來。瞬時停留在E位點，又迅速從核糖體上脫落。4、移位：核糖體向mRNA3端方向移動一個密碼子。 需要消耗GTP，并需EF-G延伸因子有轉(zhuǎn)位酶( translocase )活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3側(cè)移動。 延長因子EF-G RF1：識別終止密碼子UAA和UAG 1.終止因子 RF2：識別終止密碼子UAA和UGA RF3：具GTP酶活性，刺激RF1和 RF2活性，協(xié)助肽鏈的釋放（原核生物）真核生物只有一個終止因子（eRF）（四）肽鏈的終止2.肽鏈合成終止時，終止因子進(jìn)人“A”位，識別出終

20、止密碼子，同時終止因子使肽基轉(zhuǎn)移酶的催化作用轉(zhuǎn)變?yōu)樗庾饔?。mRNA被釋放，使多肽鏈從核糖體上釋放下來解離成2個亞基，進(jìn)入新一輪蛋白質(zhì)合成。原核肽鏈合成終止過程原核肽鏈合成終止過程 (五)蛋白質(zhì)前體的加工1、N端fMet（甲酰甲硫氨酸）或Met的切除 在成熟的蛋白質(zhì)分子中，其N末端的氨基酸并不總是fMet或Met，有的是在合成過程去除，有的在合成后去除。2、特定氨基酸的修飾 磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羥基化和羧基化。如糖蛋白前體需要糖基化帶上糖鏈，促進(jìn)糖原分解的磷酸化酶b需磷酸化。新生蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶切后變成有功能的成熟蛋白質(zhì)3、二硫鍵的形成兩個半胱氨酸-SH-SH -SH-SH -SH-SH 二硫鍵氧化4、切除新生肽鏈中非功能片段前胰島素原蛋白翻譯后成熟過程示意圖