第四章 生物信息的傳遞（下）-翻譯

第四章生物信息的傳遞〔下〕

—從mRNA到蛋白質(zhì)1翻譯：指將mRNA鏈上的核苷酸從一個特定的起始位點開始，按每三個核苷酸代表一個氨基酸的原那么，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23●遺傳密碼——三聯(lián)子

●tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類●核糖體的結(jié)構(gòu)與功能●蛋白質(zhì)合成的過程●蛋白質(zhì)的運轉(zhuǎn)機制Contents4一、遺傳密碼——三聯(lián)子〔一〕三聯(lián)子密碼定義mRNA鏈上每三個核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個氨基酸，這三個核苷酸就稱為密碼子或三聯(lián)子密碼(tripletcoden)。mRNA5’GCUAGUACAAAACCU3’5〔二〕三聯(lián)子密碼破譯mRNA5′

AUCGACCUGAGC3′420(×)mRNA5′

AUCGACCUGAGC3′42=1620(×)mRNA5′AUCGACCUGAGC3′43=6420(√)核苷酸序列氨基酸序列6●至1966年，20種氨基酸對應的61個密碼子和三個終止密碼子全部被查清。遺傳密碼的破譯，即確定代表每種氨基酸的具體密碼。7〔三〕遺傳密碼的性質(zhì)1、簡并性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〕，對應于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子〔synonymouscodon〕。89減少了變異對生物的影響10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11簡述密碼的簡并性〔degeneracy)和同義密碼子〔synonymouscodon)武漢大學2003年試題12〔三〕遺傳密碼的性質(zhì)2、普遍性與特殊性蛋白質(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，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。13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14〔三〕遺傳密碼的性質(zhì)3、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，密碼間既無間斷也無交叉。15基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致框移突變(frameshiftmutation)。16從mRNA5

端起始密碼子AUG到3

端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。

17〔三〕遺傳密碼的性質(zhì)4、擺動性轉(zhuǎn)運氨基酸的tRNA上的反密碼子需要通過堿基互補與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，前兩對嚴格遵守堿基配對原那么，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。18U擺動配對1920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,CUG21●遺傳密碼——三聯(lián)子

●tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類●核糖體的結(jié)構(gòu)與功能●蛋白質(zhì)合成的過程●蛋白質(zhì)的運轉(zhuǎn)機制Contents22二、tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類

〔一〕tRNA的結(jié)構(gòu)tRNA由73-93個核苷酸組成，含大量稀有堿基，如假尿嘧啶核苷(ψ)，各種甲基化的嘌呤和嘧啶，二氫尿嘧啶(hU或D)和(T)等。tRNA分子是單股RNA。二級結(jié)構(gòu)：三葉草形2324二、tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類

〔一〕tRNA的結(jié)構(gòu)2、三級結(jié)構(gòu)：“L〞形氫鍵252627〔二〕tRNA的功能1、解讀mRNA的遺傳信息2、運輸?shù)墓ぞ?，運載氨基酸t(yī)RNA有兩個關鍵部位：

●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283’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCGtRNA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。291、起始tRNA和延伸tRNA〔三〕tRNA的種類能特異地識別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〔P119〕。30P119、P120：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。原核生物：起始密碼子AUG所編碼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為fMet-tRNAfMet312、同工tRNA(cognateRNA)〔三〕tRNA的種類代表同一種氨基酸的tRNA稱為同工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〔P119〕。323、校正tRNA〔三〕tRNA的種類校正無義突變和錯義突變。33無義突變(nonsensemutation)：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。錯義突變(missensemutation)：由于結(jié)構(gòu)基因中某個核苷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。GGA〔甘氨酸〕AGA〔精氨酸〕34無義突變3536錯義抑制37●遺傳密碼——三聯(lián)子

●tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類●核糖體的結(jié)構(gòu)與功能●蛋白質(zhì)合成的過程●蛋白質(zhì)的運轉(zhuǎn)機制Contents38三、核糖體的結(jié)構(gòu)與功能〔一〕核糖體的結(jié)構(gòu)大小兩個亞基核糖體蛋白核糖體RNA39?占總RNA量的80%。?原核rRNA主要分為5S、16S、23S三種?真核rRNA主要分為5S、28S、5.8S、18SrRNA40核糖體的組成41

原核和真核生物核糖體的組成及功能核糖體亞基rRNAs蛋白RNA的特異順序和功能細菌70S50S23S=2904b31種(L1-L31〕含CGAAC和GTψCG互補2.5×106D5S=120b66%RNA30S16S=1542b21種(S1-S21)16SRNA(CCUCCU)和S-D順序(AGGAGG)互補哺乳動物80S60S28S=4718b49種有GAUC和tRNAfMat的TψCG互補4.2×106D5S=120b60%RNA5.8S=160b40S18S=1874b33種和Capm7G結(jié)合

424344三、核糖體的結(jié)構(gòu)與功能〔二〕核糖體的功能：合成蛋白質(zhì)45在單個核糖體上，可劃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。8個重要的功能域位點：●與mRNA結(jié)合部位——小亞基●結(jié)合或接受AA-tRNA部位A〔aminoacyl-tRNAsite〕——大亞基●在肽鏈延長過程中與肽鏈的結(jié)合位點P〔peptidesite〕——大亞基●空載tRNA離開核糖體的出口位點E(exitsite)——大亞基●形成肽鍵的部位〔轉(zhuǎn)肽酶中心〕——大亞基●延伸因子-氨基酰-tRNA-GTP復合體進入核糖體位點(EF-Tu-aa-tRNA-GTPsite)●肽鏈轉(zhuǎn)位因子結(jié)合位點(EF-Gsite)●核糖體大亞基與5sRNA結(jié)合位點(5sRNAsite)4647●遺傳密碼——三聯(lián)子

●tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類●核糖體的結(jié)構(gòu)與功能●蛋白質(zhì)翻譯的過程

●蛋白質(zhì)的運轉(zhuǎn)機制Contents48四、蛋白質(zhì)翻譯的過程P126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49(一)氨基酸的活化氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酸的活化：必須在氨基酰-tRNA合成酶〔AA—tRNA〕的作用下先生成活化的氨基酸。50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(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

51原核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：真核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：甲酰甲硫氨酸fMet-tRNAfMet甲硫氨酸Met-tRNAMet52第一步反響氨基酸的腺苷酰化氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋PPi

53第二步反響氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E54

tRNA與酶結(jié)合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP55(二)翻譯的起始56(二)翻譯的起始原核生物〔細菌〕為例：所需成分：30S小亞基、50S大亞基、模板mRNAfMet-tRNAfMet、GTP、Mg2+翻譯起始因子：IF-1、IF-2、IF-35758IF-3IF-1翻譯起始(翻譯起始復合物形成)又可被分成3步：〔P130〕1.核蛋白體大小亞基別離592、30S小亞基通過SD序列與mRNA模板相結(jié)合。AUG5'3'IF-3IF-160S-D序列61IF-3IF-1IF-2GTP3.在IF-2和GTP的幫助下，fMet-tRNAfMet進入小亞基的P位，tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配對。AUG5'3'62IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4、帶有tRNA、mRNA和3個翻譯起始因子的小亞基復合物與50S大亞基結(jié)合，GTP水解，釋放翻譯起始因子。AUG5'3'63IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi64真核生物翻譯起始的特點●核糖體較大,為80S；●起始因子比較多；●mRNA5′端具有m7Gppp帽子結(jié)構(gòu)●Met-tRNAMet●mRNA的5′端帽子結(jié)構(gòu)和3′端polyA都參與形成翻譯起始復合物；6566met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAMet-elF-2

-GTP真核生物翻譯起始復合物形成過程67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：AA-tRNA與核糖體結(jié)合、肽鍵的生成和移位。

(三)肽鏈的延伸延伸因子(elongationfactor,EF)：

原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G

真核生物：EF-1、EF-2681、后續(xù)AA-tRNA與核糖體A位點的結(jié)合需要消耗GTP，并需EF-Tu、EF-Ts兩種延伸因子6970通過延伸因子EF-Ts再生GTP,形成EF-Tu?GTP復合物

EF-Tu-GDP+EF-TsEF-Tu-Ts+GDP

EF-Tu-Ts+GTPEF-Tu-GTP+EF-Ts重新參與下一輪循環(huán)712、肽鍵形成

是由轉(zhuǎn)肽酶/肽基轉(zhuǎn)移酶催化723、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73延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶(translocase)活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3'側(cè)移動。74fMetAUG5'3'fMetTuGTP7576肽鏈的延長77原核肽鏈合成終止過程

〔四〕肽鏈的終止78原核肽鏈合成終止過程

79

RF1：識別終止密碼子UAA和UAG釋放因子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）真核生物釋放因子〔eRF1和eRF2〕80(五)蛋白質(zhì)前體的加工1、N端fMet或Met的切除原核生物的肽鏈，其N-端不保存fMet，大約半數(shù)蛋白由脫甲酰酶〔deformylase〕除去甲?；?，留下Met作為第一個氨基酸；在原核及真核細胞中fMet或者Met一般都要被除去，此是由氨肽酶〔aminopeptidase〕水解來完成的。水解的過程有時發(fā)生在肽鏈合成的過程中，有時在肽鏈從核糖體上釋放以后。至于脫甲酰還是除去fMet常與鄰接的氨基酸有關。如第二氨基酸是Arg，Asn，Asp，Glu，Ile或Lys以脫甲?；鶠橹?，如鄰接的氨基酸是Ala,Gly,Pro,Thr或Val那么常除去fMet。812、二硫鍵的形成兩個半胱氨酸-SH

-SH

-SH

二硫鍵氧化823、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834、切除新生肽鏈中非功能片段很多的前體蛋白要經(jīng)過剪切前方可成為成熟的蛋白。84前胰島素原蛋白翻譯后成熟過程示意圖85一些病毒中，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)86(六)蛋白質(zhì)合成抑制劑87●遺傳密碼——三聯(lián)子

●tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類●核糖體的結(jié)構(gòu)與功能●蛋白質(zhì)合成的過程●蛋白質(zhì)的運轉(zhuǎn)機制Contents88五、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運機制89蛋白性質(zhì)轉(zhuǎn)運機制主要類型分泌蛋白質(zhì)在結(jié)合核糖體上合成，并以翻譯-轉(zhuǎn)運同步機制運輸免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等細胞器發(fā)育蛋白質(zhì)在游離核糖體上合成，以翻譯后轉(zhuǎn)運機制運輸核、葉綠體、線粒體、乙醛酸循環(huán)體、過氧化物酶體等細胞器中的蛋白質(zhì)膜的形成兩種機制兼有質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、類囊體中的蛋白質(zhì)幾類主要蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運機制90

911、翻譯-轉(zhuǎn)運同步機制蛋白質(zhì)定位的信息存在于該蛋白自身結(jié)構(gòu)中，并通過與膜上特異受體的相互作用得以表達。信號肽假說：在蛋白質(zhì)合成過程中N端有15—36個氨基酸殘基的肽段---信號肽，它能引導蛋白質(zhì)的肽鏈到達并通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。然后被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的信號肽酶切除，成熟蛋白質(zhì)N端并無信號肽。●信號肽：常指新合成多肽鏈中用于指導蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移的N-末端氨基酸序列〔有時不一定在N端〕。92●信號序列特點：〔1〕一般帶有10-15個疏水氨基酸；〔2〕在靠近該序列N-端常常有1個或數(shù)個帶正電荷的氨基酸；〔3〕在其C-末端靠近蛋白酶切割位點處常常帶有數(shù)個極性氨基酸，離切割位點最近的那個氨基酸往往帶有很短的側(cè)鏈〔丙氨酸或甘氨酸〕。9394●信號肽假說內(nèi)容：1971年由布洛貝爾Blobel和薩巴蒂尼Sabatini提出的:

(1)分泌蛋白的結(jié)構(gòu)基因包含有獨一無二的、由高度疏水氨基酸殘基組成的編碼N末端的序列；

(2)新生鏈氨基末端信號序列的翻譯以及這段序列出現(xiàn)于核糖體外觸發(fā)核糖體結(jié)合到膜上，這是由信號肽序列的疏水性質(zhì)以及核糖體上有與膜結(jié)合的特殊位點的結(jié)果；

(3)膜結(jié)合的核糖體多肽鏈的延伸垂直進行，將新生鏈穿過膜釋放；

(4)信號序列在分泌中或分泌后由信號肽酶從多肽鏈上水解除去。95信號識別顆粒：在胞液中有一種信號識別顆?！睸RP〕，含有300個核苷酸的7S小分子RNA〔小胞漿scRNA〕及6種蛋白質(zhì)的核糖核蛋白，在信號肽出現(xiàn)后，能識別并結(jié)合信號肽及核糖體，使翻譯暫停，并與膜上的SRP受體蛋白〔?？康鞍住辰Y(jié)合，引導肽鏈跨膜轉(zhuǎn)運。9697圖4-31新生蛋白質(zhì)通過同步轉(zhuǎn)運途徑進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的主要過程P146982、翻譯后轉(zhuǎn)運機制99(1)線粒體蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運前導肽成熟蛋白前體蛋白100(2)葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運轉(zhuǎn)葉綠體多肽是胞質(zhì)中的游離核糖體上合成后脫離核糖體并折疊成具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子,多肽上某些特定位點結(jié)合于只有葉綠體膜上才有的特異受體位點.101〔3〕核定位蛋白的運轉(zhuǎn)機制102核轉(zhuǎn)運因子:α,βGTP酶:Ran103復習題〔D〕1042．tRNA