遺傳信息傳遞

遺傳信息傳遞蛋白質生物合成研究的重要進展:1、蛋白質合成場所的確定(rRNA)

20世紀五十年代，PaulZamecnik

等給小白鼠注射帶放射性標記的氨基酸，然后在不同時間取小白鼠的肝臟，經勻漿、離心、檢測發(fā)現(xiàn)注射的氨基酸幾分鐘后出現(xiàn)在核糖核蛋白體顆粒上，幾小時或幾天后所有的亞細胞成分都含有放射性標記。這證明蛋白質的合成是在核糖體上進行的。

第2頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2、mRNA（信使RNA）概念的提出

蛋白質的合成是在核糖體上進行的，而遺傳信息載體DNA存在于核中，必然有一種中間物來傳遞DNA上的信息。推測這種中間物極不穩(wěn)定，在蛋白質合成時產生，合成結束后又分解，半壽期很短。1961年Jacob和MonodJ預言：（1）信使是一種多核苷酸；（2）信使的堿基組成與相應DNA的堿基組成一致；（3）信使的長度各有不同，因為它所編碼的多肽鏈的長短不一；（4）在多肽合成中，信使應與核糖體短暫結合；（5）信使的半壽期很短，其合成速度應該是很快的。第3頁,共83頁，2024年2月25日，星期天蛋白質合成的信息來自于DNA，合成的模板是mRNA第4頁,共83頁，2024年2月25日，星期天3、tRNA是聯(lián)系mRNA和蛋白質的中介翻譯需要一個聯(lián)系mRNA和蛋白質的雙功能適配器分子第5頁,共83頁，2024年2月25日，星期天蛋白質的生物合成過程，就是將DNA傳遞給mRNA的遺傳信息，再具體轉譯為蛋白質中氨基酸排列順序的過程，這一過程被稱為翻譯（translation）第6頁,共83頁，2024年2月25日，星期天第一部分DNA的生物合成第二部分

RNA的生物合成第三部分蛋白質的生物合成第7頁,共83頁，2024年2月25日，星期天第三部分蛋白質的生物合成1蛋白質的生物合成體系2蛋白質生物合成的分子機制3真核生物與原核生物蛋白質合成的差異第8頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1蛋白質的生物合成體系

原料：20種氨基酸模板：mRNA

場所：核糖體（rRNA）氨基酸的“搬運工具”：tRNA

酶與蛋白質因子：啟動、延長、終止因子能量：ATP、GTP

無機離子合成方向：N→C端第9頁,共83頁，2024年2月25日，星期天mRNA是翻譯的直接模板。遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子（cistron）。原核細胞中數(shù)個結構基因常串聯(lián)為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質，為多順反子（polycistron）。真核mRNA只編碼一種蛋白質，為單順反子（singlecistron）。

1.1.1mRNA與遺傳信息的傳遞1.1mRNA和遺傳密碼第10頁,共83頁，2024年2月25日，星期天多順反子與單順反子第11頁,共83頁，2024年2月25日，星期天從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多肽鏈，稱為開放閱讀框（openreadingframe,ORF）。

AUGUAAORF第12頁,共83頁，2024年2月25日，星期天mRNA是遺傳信息的攜帶者。DNA和mRNA都是由4種核苷酸構成，而組成多肽的氨基酸有20種,DNA如何得以包含蛋白質中氨基酸排列的遺傳信息呢？

第13頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.1.2遺傳密碼的破譯1954年,物理學家Gamouv首先對遺傳密碼進行探討。他認為核酸分子中只有四種堿基，顯然堿基與氨基酸的關系不是一對一的關系。若兩個堿基決定一個氨基酸只能編碼16種氨基酸，也是不夠的；而三個堿基對一個氨基酸，四個堿基可產生64個密碼，足以編碼20種氨基酸，所以編碼氨基酸的最低堿基數(shù)是3，即密碼子可能是三聯(lián)體。

1961年，CrickFHC等人用遺傳學的方法證明了三聯(lián)密碼子的學說是正確的。1961年，Nirenberg等人用大腸桿菌的無細胞體系在各種RNA的人工模板下合成多肽，從而推斷出各氨基酸的密碼子。第14頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.1.3遺傳密碼的概念及證明mRNA上的核苷酸順序(堿基順序)與蛋白質中的氨基酸之間的對應關系稱為遺傳密碼。mRNA分子中所存儲的蛋白質合成信息，是由組成它的四種堿基（A、G、C和U）以特定順序排列成三個一組的三聯(lián)體代表的，即mRNA上每三個堿基

(每三個連續(xù)核苷酸)對應一個氨基酸，這三個堿基就稱為一個密碼子，或三聯(lián)體密碼（tripletcodons）。三個不同的實驗證明了遺傳密碼是mRNA上3個連續(xù)的核苷酸殘基構成的，下面給出了三個證明遺傳密碼是三聯(lián)體密碼的著名實驗的示意圖。

第15頁,共83頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共83頁，2024年2月25日，星期天第一個實驗是1961年由美國的M.Nirenberg等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一條由相同核苷酸組成的多核苷酸鏈，用它作模板，利用大腸桿菌蛋白提取液和GTP在體外合成蛋白質。多聚（U）編碼多聚Phe；多聚（A）編碼多聚Lys；多聚（C）編碼多聚Pro。第17頁,共83頁，2024年2月25日，星期天第二個實驗是1964年也是由美國的M.Nirenberg等人完成的。他們首先合成一個已知序列的核苷酸三聚體，然后與大腸桿菌核糖體和氨酰tRNA一起溫育。由此確定與已知核苷酸三聚體結合的tRNA上連接的是那一種氨基酸。該實驗對于幾種密碼編碼同一個氨基酸提供了直接的、最好的證據(jù)。第18頁,共83頁，2024年2月25日，星期天第三個實驗是由Jones，Khorana等人完成的。他們利用有機化學和酶法制備了已知的核苷酸重復序列，以此多聚核苷酸作模板，在體外進行蛋白質合成，發(fā)現(xiàn)可生成三種重復的多肽鏈。

若從A翻譯，則合成出多聚Ile，即AUC對應Ile；若從U翻譯，則合成出多聚Ser，即UCA對應Ser；若從C翻譯，則合成出多聚His，即CAU對應His。這是因為體外合成是無調控的合成，可以隨機地從A、或U、或C翻譯，所以有三種重復的多肽鏈生成。第19頁,共83頁，2024年2月25日，星期天Nirenberg和Khorana于1966年全部密碼都被破譯，兩位科學家獲得了諾貝爾獎。第20頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.1.4遺傳密碼與氨基酸的關系mRNA的每一個密碼子代表一個氨基酸。20種基本氨基酸的三聯(lián)體密碼子都已經確定。此外，還有一個密碼子是肽鏈合成起始密碼子，三個是終止密碼子，以保證蛋白質合成能夠有序地進行。第21頁,共83頁，2024年2月25日，星期天密碼子的閱讀方向5ˊ→3ˊ第22頁,共83頁，2024年2月25日，星期天遺傳密碼共有64種，其中：起始密碼（initiationcodon）:AUG終止密碼（terminationcodon）:

UAA，UAG，UGA

1.1.5遺傳密碼的基本特性遺傳密碼閱讀方向是5’→3’密碼為不重疊、無標點的三聯(lián)體密碼翻譯須從起始密碼AUG確定閱讀框第23頁,共83頁，2024年2月25日，星期天遺傳密碼的特點①

連續(xù)性②

簡并性③

通用性④

方向性⑤

擺動性第24頁,共83頁，2024年2月25日，星期天①

連續(xù)性(commaless)：指編碼蛋白質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。第25頁,共83頁，2024年2月25日，星期天基因損傷引起mRNA開放閱讀框內的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致框移突變（frameshiftmutation）。第26頁,共83頁，2024年2月25日，星期天②

簡并性(degeneracy)：遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯(lián)體為其編碼。同一氨基酸存在多個不同的遺傳密碼的現(xiàn)象稱為遺傳密碼的簡并性。遺傳密碼的簡并性在保持遺傳穩(wěn)定性上具有重要意義。第27頁,共83頁，2024年2月25日，星期天遺傳密碼的簡并性第28頁,共83頁，2024年2月25日，星期天③

通用性(universal)：蛋白質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、植物細胞的葉綠體等。密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。第29頁,共83頁，2024年2月25日，星期天④

方向性(direction)：指閱讀mRNA模板上的三聯(lián)體密碼時，只能沿5’→3’方向進行。⑤

擺動性(wobble)：轉運氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反平行配對結合，但反密碼與密碼之間常常不嚴格遵守堿基配對規(guī)律，稱為擺動配對。第30頁,共83頁，2024年2月25日，星期天U擺動配對現(xiàn)象示意圖第31頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.2.1tRNA是氨基酸的搬運工具1.運載氨基酸2.同義tRNA在蛋白質合成中，tRNA起著運載氨基酸的作用，按照mRNA鏈上的密碼子所決定的氨基酸順序將氨基酸轉運到核糖體的特定部位。tRNA結合氨基酸需要ATP供能,氨基酸結合在tRNA3’-CCA的位置。

一種氨基酸可以有一種以上tRNA作為運載工具。通常把攜帶相同氨基酸而反密碼子不同的一組tRNA稱為同義tRNA或同工tRNA。1.2tRNA的功能第32頁,共83頁，2024年2月25日，星期天tRNA分子上三個特定的堿基組成一個反密碼子，位于反密碼子環(huán)上,這是tRNA與mRNA的識別部位。每種tRNA的反密碼子，決定了所帶氨基酸能準確的在mRNA上對號入座。反密碼子與mRNA的第三個核苷酸配對時，不嚴格遵從堿基配對原則。3.反密碼子第33頁,共83頁，2024年2月25日，星期天4.tRNA分子上與蛋白質合成有關的位點（2）識別氨酰-tRNA合成酶的位點。（3）核糖體識別位點，使延長中的肽鏈附著于核糖體上。（4）反密碼子位點。識別氨酰-tRNA合成酶攜帶氨基酸識別核糖體反密碼環(huán)（1）3′端-CCA-OH上的氨基酸接受位點。第34頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

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的“接頭作用”tRNA與mRNA的結合部位：反密碼子3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG

密碼子與反密碼子的閱讀方向均為5‘

3’，兩者反向平行配對。1.2.2密碼子與反密碼子的識別第35頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.3.1核糖體的結構與組成核糖體是由核糖核酸（稱為核糖體核酸,rRNA）和幾十種蛋白質分子（核糖體蛋白）組成的一個巨大的復合體。不同類型生物中核糖體的結構高度保守，盡管其rRNA和核糖體蛋白的一級結構有所不同，但其三級結構卻驚人的相似。每個核糖體是由大小兩個亞基組成，每個亞基都有自己不同的rRNA和蛋白質分子。1.3

核糖體第36頁,共83頁，2024年2月25日，星期天核糖體的組成第37頁,共83頁，2024年2月25日，星期天⑴A位：又稱受位或氨?；?，可與新進入的氨基酰tRNA結合；由大、小亞基成分構成。⑵P位：又稱給位或肽酰基位，可與延伸中的肽?；鵷RNA結合；由大、小亞基成分構成。⑶E位：又稱排出位，空載tRNA脫離核蛋白體前的結合位點；主要由大亞基成分構成。1.3.2核糖體三個tRNA的結合位點第38頁,共83頁，2024年2月25日，星期天原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式A位：氨酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)第39頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2蛋白質生物合成的分子機制2.1氨基酸活化2.2肽鏈起始2.3肽鏈延長2.4肽鏈的終止和釋放2.5翻譯后修飾2.6蛋白質生物合成所需的能量以及活性肽合成的特征第40頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2.1氨基酸的激活即氨基酰-tRNA合成酶催化tRNA與特定氨基酸結合。氨基酰-tRNA合成酶既催化氨基酸與ATP的作用,也催化氨基?；D移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。參與的組分：氨基酸、tRNA、氨酰-tRNA合成酶、Mg2+氨基酸+tRNA氨酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨酰-tRNA合成酶Mg+第41頁,共83頁，2024年2月25日，星期天氨基酸的活化EEAAtRNAAAtRNA氨基酸ATP+EAMP第二步氨酰腺苷酸E-AMPPPi第一步氨酰-tRNA第42頁,共83頁，2024年2月25日，星期天tRNA與酶結合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP第43頁,共83頁，2024年2月25日，星期天具有倒L型的三級結構才能攜帶氨基酰第44頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2.2肽鏈起始E.coli蛋白質合成需要30S亞基、50S亞基、mRNA、甲酰甲硫氨?！猼RNA（fMet-tRNAifMet）、三個起始因子(IF-1，IF-2和IF-3）、GTP、Mg2+參與。與起始復合物形成有關的所有蛋白質因子統(tǒng)稱為起始因子。肽鏈起始分成3個步驟進行。第45頁,共83頁，2024年2月25日，星期天起始密碼子對作為氨基末端的甲硫氨酸殘基專一，雖然甲硫氨酸(Met)只有一個密碼子，但生物中有2個甲硫氨酸t(yī)RNA，一個用于作為蛋白質合成的起始密碼子，一個作為多肽中間的甲硫氨酸密碼子。起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸(fMet)，其轉運RNA也有所不同，稱為tRNAifMet,與甲硫氨酸結合后被甲?；敢约柞Ｋ臍淙~酸甲?；?，生成甲酰甲硫氨?！猼RNA(fMet-tRNAifMet）。甲酰甲硫氨?！猼RNA第46頁,共83頁，2024年2月25日，星期天N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet的形成tRNAMettRNAifMetN10-甲酰FH4FH4轉甲酰酶

+H2N-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-CHO-HN-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-第47頁,共83頁，2024年2月25日，星期天IF-1、IF-3首先結合在30S亞基上，防止它過早地與50S亞基結合。然后mRNA結合到30S亞基上。核糖體小亞基上的16SrRNA和mRNA的SD序列結合，引導起始（5’）AUG到它的正確位置。第一步：第48頁,共83頁，2024年2月25日，星期天起始密碼子的上游約10個核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列稱SD序列（Shine-Dalgarno序列），它與核糖體16srRNA3′端的核苷酸序列互補，可促使核糖體與mRNA的結合。第49頁,共83頁，2024年2月25日，星期天IF2-GTP、甲酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNAifmet）結合到30S亞基復合物上。fMet-tRNAifmet的反密碼子與mRNA的起始密碼子正確配對。fMet-tRNAifmet是唯一的第一個結合到P位點上的氨酰tRNA。第二步：第50頁,共83頁，2024年2月25日，星期天50S大亞基結合到30S小亞基復合物上，同時與IF-2結合的GTP水解成GDP和Pi，釋放出來，3個起始因子都離開了核糖體，形成具有起始功能的70S核糖體，稱為起始復合物。原核生物肽鏈合成的起始復合體由mRNA、70S核糖體、tRNAifMet組成。第三步：第51頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2.3肽鏈延長需要70S核糖體、mRNA的密碼、氨?！猼RNA、延長因子(EF-Tu、EF-Ts和EF-G

）、GTP參與。（1）進位

(2)轉肽

(3)移位第52頁,共83頁，2024年2月25日，星期天（1）進位即與mRNA下一個密碼相對應的氨基酰tRNA進入核糖體的A位。此步驟需GTP，Mg2+，和EF-Tu參與。第53頁,共83頁，2024年2月25日，星期天（2）轉肽轉肽是由轉肽酶（transpeptidase）催化的肽鍵形成過程。在轉肽酶的催化下，將P位上的tRNA所攜帶的甲酰甲硫氨?；螂孽；D移到A位上的氨基酰tRNA上，與其

-氨基縮合形成肽鍵。此步驟需Mg2+，K+。第54頁,共83頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共83頁，2024年2月25日，星期天肽鍵生成第56頁,共83頁，2024年2月25日，星期天（3）移位核糖體從mRNA的5′向3′方向移動一個三聯(lián)體的距離，于是攜帶著肽?；膖RNA連同mRNA從核糖體的A位移到P位,這個過程稱為移位。由移位酶EF-G（或稱G因子）催化，并須有供能的GTP參與。G因子具有GTP酶活力，能催化GTP分解放出能量,促使核糖體構象發(fā)生變化，驅動肽酰tRNA從Ａ位點移動到Ｐ位點。第57頁,共83頁，2024年2月25日，星期天由于核糖體的移動，原來在A位上的肽基-tRNA已經移到P位，A位點空出以便接納下一個氨酰tRNA進入，并使脫?；膖RNA從P位移動到E位。第58頁,共83頁，2024年2月25日，星期天進位移位轉肽核糖體循環(huán)的反應過程第59頁,共83頁，2024年2月25日，星期天核糖體沿mRNA鏈滑動，不斷使多肽鏈延長，直到終止信號進入A位。(1)識別：RF識別終止密碼，進入核糖體的A位。

(2)水解：RF使轉肽酶變?yōu)轷ッ?，多肽鏈與tRNA之間的酯鍵被水解，多肽鏈釋放。(3)脫離：模板mRNA、RF以及空載tRNA與核糖體脫離。

此過程需要GTP的參與。2.4肽鏈的終止和釋放第60頁,共83頁，2024年2月25日，星期天釋放因子：R1、R2、R3、RR

RF1：識別UAA、UAGRF2：識別UAA、UGARF3：協(xié)助肽鏈釋放RR：協(xié)助tRNA的脫落第61頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2.4.1mRNA上識別終止密碼以3個終止密碼子（UAA、UAG、UGA）的出現(xiàn)為信號，一旦終止密碼子占據(jù)核糖體的A位，由于終止密碼子不能結合任何氨酰tRNA，于是肽鏈合成的終止因子（又稱釋放因子）RF識別并結合到終止密碼子上發(fā)揮作用第62頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1）釋放因子使肽基轉移酶水解肽酰-tRNA的末端鍵2）從P位釋放游離的多肽和最后的tRNA3）70S核糖體分解為30S與50S亞基，準備開始一個新的多肽合成循環(huán)2.4.2肽鏈釋放第63頁,共83頁，2024年2月25日，星期天多肽鏈合成終止演示UAG5'3'RFCOO-第64頁,共83頁，2024年2月25日，星期天原核生物蛋白質合成中的能量（合成一個二肽）為8個ATP

ATP（GTP）高能鍵甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成ATP-AMP2起始（IF-2）GTP-GDP1第二個氨酰tRNA合成ATP-AMP2第二個氨酰tRNA進入核糖體（EF-TU）GTP-GDP1核糖體移位（EF-G）GTP-GDP1終止GTP-GDP1蛋白質生物合成所需的能量第65頁,共83頁，2024年2月25日，星期天多聚核糖體——使蛋白質合成高速、高效進行。第66頁,共83頁，2024年2月25日，星期天電鏡下的多聚核蛋白體現(xiàn)象第67頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2.5翻譯后修飾（posttranslationalmodifications）新生多肽鏈不具備蛋白質的生物學活性，必須經過復雜的加工過程才能轉變?yōu)榫哂刑烊粯嬒氲墓δ艿鞍踪|，這一加工過程稱為翻譯后修飾。翻譯后修飾包括：多肽鏈折疊為天然的三維構象；對肽鏈一級結構的修飾；空間結構的修飾等。第68頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2.5.1多肽鏈折疊為天然構象的蛋白質新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈N-端在核糖體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始。隨著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產生正確的二級結構、模序（motif）、結構域（domain）到形成完整的空間構象。多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質折疊的信息，即一級結構是空間構象的基礎。細胞中大多數(shù)天然蛋白質折疊都不是自動完成的，而是需要其他酶和蛋白質的輔助。第69頁,共83頁，2024年2月25日，星期天幾種能促進蛋白質折疊的輔助分子：分子伴侶（molecularchaperon）蛋白質二硫鍵異構酶（proteindisulfideisomerase，PDI）肽-脯氨酰順反異構酶（peptideprolyl-cis-transisomerase，PPI）第70頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.分子伴侶（molecularchaperon）是細胞內一類可識別肽鏈的非天然構象、促進各功能域和整體蛋白質的正確折疊的保守蛋白質。

包括：⑴熱休克蛋白（heatshockprotein,HSP）：HSP70、HSP40和GreE族⑵伴侶素（chaperonins）：GroEL和GroES家族第71頁,共83頁，2024年2月25日，星期天分子伴侶的功能：封閉待折疊蛋白質的暴露的疏水區(qū)段；創(chuàng)建一個隔離的環(huán)境，可以使蛋白質的折疊互不干擾；促進蛋白質折疊和去聚集；遇到應激刺激，使已折疊的蛋白質去折疊。Lasky于1978年首先提出分子伴侶（mulecularchaperone）的概念，這是一類在細胞內能幫助新生肽鏈正確折疊與裝配組裝成為成熟蛋白質，但其本身并不構成被介導的蛋白質組成部分的一類蛋白因子。第72頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2.蛋白二硫鍵異構酶多肽鏈內或肽鏈之間二硫鍵的正確形成對穩(wěn)定分泌蛋白、膜蛋白等的天然構象十分重要，這一過程主要在細胞內質網(wǎng)進行。二硫鍵異構酶在內質網(wǎng)腔中活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質形成熱力學最穩(wěn)定的天然構象。第73頁,共83頁，2024年2月25日，星期天3.肽酰-脯氨酰順反異構酶多肽鏈中肽酰-脯氨酸間形成的肽鍵有順反兩種異構體，空間構象明顯差別。肽酰-脯氨酰順反異構酶可促進上述順反兩種異構體之間的轉換。肽酰-脯氨酰順反異構酶是蛋白質三維構象形成的限速酶，在肽鏈合成需形成順式構型時，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準確折疊。第74頁,共83頁，2024年2月25日，星期天2.5.2蛋白質一級結構修飾肽鏈末端的修飾：去除N-甲?；?、N-甲酰甲硫氨酸、甲硫氨酸、信號肽個別氨基酸的共價修飾糖基化羥基化甲基化羥基