RNA的生物合成转录-2.ppt

本章内容 第一节 转录的酶和模板 第二节 转录过程 第三节 真核生物的转录后修饰 转录 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 转 录 RNADNA 复制和转录的区别 参与转录的物质 原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子 第一节 模板和酶 转录:以DNA为模板，在依赖于DNA的RNA 多聚酶催化下合成与模板互补的mRNA链的 过程。转录是基因实现表达的第一步。 一、转录模板 转录的不对称性就是指以双链DNA中的一条 链作为模板进行转录，从而将遗传信息由 DNA传递给RNA。 能转录出RNA的DNA区段称为结构基因。 能够转录RNA的那条DNA链称为模板链， 也称作有意义链。 与模板链互补的另一条DNA链称为编码链， 也称为反义链。 5 5 3 3 5 模板链 编码链 5 5 3 3 5 模板链编码链 编码链模板链 结构基因 转录方向 转录方向 5GCAGTACATGTC 3 3 c g t g a t g t a c a g 5 5GCAGUACAUGUC 3 NAla Val His Val C 编码链 模板链 mRNA 蛋白质 转录 翻译 模板链、编码链与转录及翻译的关系 转录的连续性：RNA转录合成时，以 DNA作为模板，在RNA聚合酶的催化 下，连续合成一段RNA链，各条RNA 链之间无需再进行连接。 转录的单向性：RNA转录合成时，只能 向一个方向进行聚合，所依赖的模板 DNA链的方向为35，而RNA链的合 成方向为53。 二、参与转录合成的酶和蛋白因子 参与RNA转录合成的物质 原料：NTP （ATP, UTP, GTP, CTP） 。 模板：单链DNA。 酶：RNA聚合酶（DDRP，RNA-pol） 。 其他蛋白质因子：如转录因子、终止因 子等。 RNA聚合酶（DDRP） 这是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA 聚合酶（DDRP）。 该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存 在的条件下，不需要引物，即可从53聚 合RNA。 原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构 成，即2。 亚基与转录起始点的识别有关，在转录合 成开始后被释放；余下的部分（2）被 称为核心酶，与RNA链的聚合有关。 真核细胞的RNA聚合酶有三种：分别是 RNA聚合酶、RNA聚合酶和RNA 聚合酶。 RNA聚合酶、RNA聚合酶分别负 责合成rRNA和mRNA， RNA聚合酶 则催化转录生成5srRNA和tRNA。 第二节 转录过程 RNA的转录过程大体可分为起始、延长和终 止三个阶段。转录全过程均需RNA聚合酶催 化，原核生物转录起始需要核心酶加上因 子即全酶参与。延长过程是核心酶催化下的 核苷酸聚合。（Rho）因子参与转录的终 止。 一起始阶段 首先由RNA聚合酶的 因子辨认DNA的启动子部位，并带动 RNA聚合酶的全酶与启动子结合，形成 复合物，同时使DNA分子的局部构象 改变，结构松驰，解开一段RNA双链（ 约10几个碱基对），暴露出DNA模板 链。在DNA模板链转录起点碱基的引 导下，第一个核糖核苷酸进入相应的位 置，配对结合。转录起点的碱基多为T 或C，因此第一个结合的NTP多为ATP 或GTP。 二延长阶段 RNA链的延长是由核心酶催化的。 当第一个核糖核苷酸结合后，因子便从全酶中脱 落下来。并与另一个核心酶结合成RNA聚合酶全 酶，起始另一次转录。脱落的因子可以反复使用 。失去因子的核心酶发生构象改变，与DNA模 板的结合变得较为松驰，可以沿DNA模板链的下 游方向（即35的方向）滑动。在核心酶的 催化下，4种核糖核苷酸（NTP）按照模板链碱基 排列顺序的指引依次进入，按照U-A,A-T,C-G的碱 基配对原则逐个地加到前一个核糖核苷酸的3- OH上，并形成磷酸二酯键。随着核心酶不断沿模 板链方向滑动，DNA双螺旋逐渐解开暴露模板链 ，RNA链沿53方向逐渐延长。此时，已合 成的RNA链从5-端逐渐与模板链分离，而模板链 与编码链重新结合形成双螺旋(图)。 三终止阶段 当核心酶滑行到DNA模板链的终止 部位即停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转 录复合物上脱落下来，就是转录终止。原核生物转 录终止有两种类型：一种是依赖因子终止的转录 ，因子能与转录产物RNA结合，使RNA聚合酶 停顿。因子还有ATP酶活性和解螺旋酶活性，它 能利用ATP水解释放的能量，使RNA链从模板 DNA链上拆开，并从转录复合物中释放出来。另 一种是不依赖因子终止的转录。在DNA模板链 上靠近终止处有些特殊碱基序列，即较丰富的A-T 配对区或G-C配对区，是转录终止信号。当核心酶 遇到终止信号后，RNA转录产物就形成特殊的发 夹样结构，阻止核心酶的滑动，RNA链的延长便 终止。 转录终止后，核心酶也从DNA模板链上脱落下来 ，与因子重新结合为全酶进行下一次的转录。这 样合成的RNA是初级转录物，即RNA前体。 如前所述，某些抗生素如利福霉素和利福平能抑制 细菌RNA聚合酶，因而能抑制细菌RNA的合成。 第三节 转录后的加工和修饰 真核细胞中转录生成的RNA是初级转录产物 ，均需经过一定程度的加工才具有活性。原 核细胞由于没有细胞核，其结构基因是连续 的核苷酸序列，转录后产生的RNA很少需要 加工处理（tRNA例外）就转运到核蛋白体 上参与蛋白质的合成。新生的无活性的RNA 转变为有活性的RNA的过程，称为RNA的成 熟（转录后的加工），包括链的断裂、拼接 和化学修饰等。 一、mRNA的转录后加工 真核生物mRNA转录后，需进行5-端和 3-端的修饰以及对hnRNA进行剪接。 （一）首尾修饰 指在mRNA的5-端加“ 帽”，3-端加“尾”。5-端加“帽”是 在核内进行的，在hnRNA的5-末端加上一 个m7GpppG“帽”结构，其功能与蛋白质 生物合成的起始有关。mRNA3-末端接上 一段约30200个polyA,该结构称为“尾” ，其功能是引导mRNA由细胞核向细胞质转 移。 （二）mRNA的剪接 真核细胞的mRNA前体称核内不均一 RNA(hnRNA)，它是由断裂基因转录的，包 含有内含子和外显子的区段，所以其分子量 比成熟的mRNA大几倍，甚至数十倍。剪接 就是把hnRNA中的内含子除去，把外显子拚 接起来，成为具有翻译功能的模板mRNA 。 二、tRNA的转录后加工 1、切除多余的核苷酸. 2、剪切内含子：核酸内切酶切除内含 子,连接酶进行连接。 3、修饰与3末端加-CCA: 修饰包括甲基 化,脱氨基,还原反应等，在核苷酸基转移酶 催化下完成3末端添加CCA。 第九章第九章 蛋白质的生物合成（翻译）蛋白质的生物合成（翻译） 【目的与要求目的与要求】 1、掌握翻译及蛋白质合成体系中的基 本概念，如密码子、简并性等。 2、掌握蛋白质合成体系的组成及 mRNA、tRNA和核蛋白体的作用原理。 3、复述蛋白质合成的过程。 4、解释分子病的概念，并举例说 明。 蛋白质的生物合成过程，就是将DNA 传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋 白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被 称为翻译。 第一节 参与蛋白质生物合成的物质 一、合成原料：蛋白质生物合成的原料是氨 基酸。氨基酸在mRNA的指引下逐一聚合。 聚合过程中，氨基酸需由tRNA携带。蛋白 质合成的全过程是在由rRNA和蛋白质所组 成的核蛋白体大分子上进行的。也就是说， 蛋白质的生物合成，是需要mRNA为模板、 tRNA为运载体、核蛋白体为装配场所共同 协调完成的。此外，翻译过程还需众多的蛋 白质因子和酶的参与。 二、RNA （一）mRNA mRNA是翻译的直接模板。在mRNA分子中 ，核苷酸的排列顺序包含有多肽链中氨基酸 的排列顺序。mRNA通过其模板作用传递 DNA的遗传信息，即引导蛋白质多肽链的合 成。 作为指导蛋白质生物合成的模板，mRNA中 每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个 氨基酸的信息，此三联体就称为密码。 遗传密码共有64种，其中： 起始密码: AUG 终止密码: UAA，UAG，UGA 密码子的第二位 密 码码 子 的 第 一 位 (5 端 UCAG密 码码 子 的 第 三 位 (3） 端 U UUUUUU UUC UUC 苯丙苯丙 UUA UUA UUG UUG 亮亮 UCU UCU UCC UCC UCA UCA UCG UCG 丝丝丝丝 UAU UAU UAC UAC 酪酪 UAAUAA StoSto UAGUAG opop UGU UGU UGC UGC 半半 UGA UGA Stop Stop UGG UGG 色色 U C A G C CUU CUU CUC CUC CUA CUA CUGCUG亮亮 CCU CCU CCC CCC CCA CCA CCG CCG 脯脯 CAU CAU CACCAC组组组组 CAA CAA CAGCAG谷谷 CGU CGU CGC CGC CGA CGA CGGCGG精精 U C A G A AUU AUU AUC AUC AUAAUA异异 AUGAUG蛋蛋 ACU ACU ACCACC ACA ACA ACG ACG 苏苏苏苏 AAU AAU AACAAC天天 AAA AAA AAGAAG赖赖赖赖 AGU AGU AGCAGC丝丝丝丝 AGA AGA AGGAGG精精 U C A G G GUU GUU GUCGUC GUA GUA GUG GUG 缬缬缬缬 GCU GCU GCCGCC GCA GCA GCG GCG 丙丙 GAU GAU GACGAC天天 GAA GAA GAGGAG谷谷 GGU GGU GGCGGC GGA GGA GGG GGG 甘甘 U C A G 遗传密码具有以下特点： 1. 通用性 蛋白质生物合成的整套密码，从原 核生物到人类都通用。密码的通用性进一步 证明各种生物进化自同一祖先。 2.连续性 指编码蛋白质氨基酸序列的各个三 联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交 叉。 3. 简并性同一氨基酸存在多个不同的遗传密 码的现象称为遗传密码的简并性。 遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有 重要意义。 4. 摆动性：转运氨基酸的tRNA的反密码需 要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反平 行配对结合，但反密码与密码之间常常不严 格遵守碱基配对规律，称为摆动配对。 （二） tRNA ：tRNA是转运氨基酸的工具 所有tRNA的二级结构均是三叶草形，其氨 基酸臂的3-CCA-OH是氨基酸的结合位点 ，反密码环顶端的反密码子与mRNA上的密 码子配对结合。tRNA携带的氨基酸，是由 mRNA上三联体密码决定的，因此，tRNA 可将氨基酸准确地带到指定的位置。 氨基酸臂 反密码环 tRNA （三）rRNA与蛋白质构成核蛋白体是蛋白 质合成的场所 rRNA是一类分子量不等的非 均一性RNA，它们与多种蛋白质互相镶嵌， 结合成为显微镜下可见的核蛋白体颗粒，是 氨基酸聚合成肽链的场所。核蛋白体由大、 小亚基构成。大亚基有转肽酶活性和两个 tRNA结合部位，一个是结合肽酰-tRNA的部 位（P位），另一个是结合氨基酰-tRNA的 部位（A位）。小亚基有结合模板mRNA的 功能，在大小亚基之间有容纳mRNA的部位 ，核蛋白体能沿着mRNA53方向阅读 遗传密码。 三个与tRNA结合的位点： A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入 的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构 成。 P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的 肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成 。 E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白 体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。 核蛋白体大、小亚基的功能 原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式 A位：氨基酰位 P位：肽酰位 E位：排出位 三、酶类和蛋白因子三、酶类和蛋白因子 （一）氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸的活 化与携带反应由氨基酰tRNA合成酶催 化。特定的tRNA与相应的氨基酸结合 ，生成氨基酰tRNA，从而由tRNA携带 活化的氨基酸参与蛋白质的生物合成。 每种氨基酸都有其特异的氨基酰-tRNA 合成酶；该酶具有绝对专一性，对其 tRNA和氨基酸两种底物能进行高度特 异性地识别。 （二）转肽酶 该酶实际上是核蛋白体大亚基上的 蛋白质，能催化大亚基P位上的肽酰-tRNA的肽酰 基转移到A位上氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与 氨基结合形成肽键，延长肽链。 （三）其它因子和供能物质 1.蛋白因子起始因子（IF）与多肽链合成起始有 关的蛋白因子称为起始因子。 作用主要是促进核蛋白体小亚基与起始tRNA及模 板mRNA结合。 延长因子（EF）与多肽链合成的延伸过程 有关的蛋白因子称为延长因子。 EF的作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白 的受体，并可促进移位过程。 释放因子（RF）与多肽链合成终止并使 之从核蛋白体上释放相关的蛋白因子称为释 放因子。 RF的生物学功能主要有： n识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、 UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 n诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催 化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链 从核蛋白体上释放。 多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物 质，并需Mg2+、K+参与。 氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键， 肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键， 故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子 高能磷酸键。 2.供能物质和无机离子 第二节 蛋白质生物合成的过程 蛋白质生物合成过程包括三大步骤： 氨基酸的活化与搬运； 活化氨基酸在核蛋白体上的缩合； 多肽链合成后的加工修饰。 本节主要介绍活化氨基酸在核蛋白体上的缩 合过程，这一过程包括多肽链合成的起始、 延长和终止三个阶段。 一一、氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运 在蛋白质分子中，氨基酸借其氨基与羧基互在蛋白质分子中，氨基酸借其氨基与羧基互 相连接，形成肽键。但氨基与羧基的反应性相连接，形成肽键。但氨基与羧基的反应性 不强，必须经过活化才能彼此相连。如前所不强，必须经过活化才能彼此相连。如前所 述，在氨基酰述，在氨基酰- -tRNAtRNA合成酶的催化下，氨基合成酶的催化下，氨基 酸与酸与tRNAtRNA结合成为氨基酰结合成为氨基酰- -tRNAtRNA的过程叫做的过程叫做 氨基酸的活化。以氨基酰氨基酸的活化。以氨基酰- -tRNAtRNA形式存在的形式存在的 活化氨基酸即可投入氨基酸缩合成肽的过程活化氨基酸即可投入氨基酸缩合成肽的过程 。 氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰-tRNA合成酶 二、肽链的合成二、肽链的合成 （一）肽链合成的起始（一）肽链合成的起始. . 1. 1. 核蛋白体大、小亚基分离：核蛋白体大、小亚基分离： IF-1IF-1和和IF-3IF-3与小亚基结合，促进核蛋白体大、与小亚基结合，促进核蛋白体大、 小亚基拆离，为新一轮合成作准备。小亚基拆离，为新一轮合成作准备。 2 2mRNAmRNA与核蛋白体的小亚基结合与核蛋白体的小亚基结合 原核原核mRNAmRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特的起始部位由一段富含嘌呤的特 殊核苷酸顺序组成，称为殊核苷酸顺序组成，称为S-DS-D序列序列（核蛋白（核蛋白 体结合位点，体结合位点，RBSRBS）。）。 而原核而原核16S 16S rRNArRNA存在一段富含嘧啶的序列，存在一段富含嘧啶的序列， 二者之间可通过碱基配对，使二者之间可通过碱基配对，使mRNAmRNA与核蛋与核蛋 白体白体小亚基结合。 IF-3 IF-1 A U G53 IF-2 GTP 3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基 IF-3 IF-1 A U G53 起始 fMet-tRNAimet以及IF2-GTP一起，识别结合 小亚基P位，并对应模板mRNA的起始密码AUG 。 IF-3 IF-1 IF-2-GTP-GDP Pi 4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合体形成： A U G53 IF2结合的GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚 基与30S小亚基、模板mRNA以及起始fMet- tRNAifMet构成起始复合体。 （二）肽链的延长（二）肽链的延长 起始复合物形成后，随即对起始复合物形成后，随即对mRNAmRNA上的遗传上的遗传 密码进行连续地翻译，即各种氨基酰密码进行连续地翻译，即各种氨基酰- -tRNAtRNA 按照按照mRNAmRNA上三联体密码子的顺序依次进入上三联体密码子的顺序依次进入 核蛋白体上，使肽链延长。核蛋白体上，使肽链延长。翻译过程的肽链翻译过程的肽链 延长也称为核蛋白体循环，每次循环可分为延长也称为核蛋白体循环，每次循环可分为 进位（注册）、成肽和转位三个步骤进位（注册）、成肽和转位三个步骤。每循。每循 环一次，肽链延长一个氨基酸，如此不断重环一次，肽链延长一个氨基酸，如此不断重 复，直到肽链合成终止。这一过程需要肽链复，直到肽链合成终止。这一过程需要肽链 延长因子（延长因子（EFEF）、）、GTPGTP、Mg2Mg2和和K K的参的参 与。与。 1. 1. 进位：进位： 又称又称注册注册，指根据指根据mRNAmRNA上上 遗传密码的指引，进入核蛋遗传密码的指引，进入核蛋 白体大亚基的白体大亚基的A A位。在起始位。在起始 复合物中，大亚基上对应于复合物中，大亚基上对应于 mRNAmRNA的第二位密码子的的第二位密码子的A A 位是空着的。起始复合物形位是空着的。起始复合物形 成后，由成后，由mRNAmRNA上的第二位上的第二位 密码子决定的氨基酰密码子决定的氨基酰- -tRNAtRNA 进入进入A A位，并通过其反密码位，并通过其反密码 子与密码子互补结合。此步子与密码子互补结合。此步 骤需骤需GTPGTP，MgMg2+ 2+，和 ，和EF-TEF-T 参与。参与。 2 2转肽转肽 在大亚在大亚 基上的转肽酶的基上的转肽酶的 催化下，催化下，P P位上的位上的 fmet-tRNAfmetfmet-tRNAfmet 中甲酰甲硫氨酸中甲酰甲硫氨酸 的酰基转移到的酰基转移到A A 位，与位，与A A位上的位上的 氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA的的 氨基结合成第一氨基结合成第一 个肽键，这样就个肽键，这样就 在在A A位上形成一位上形成一 个二肽酰个二肽酰- -tRNAtRNA ，P P位上的位上的tRNAtRNA 随之从大亚基上随之从大亚基上 脱落下来。此时脱落下来。此时P P 位成为空位。成位成为空位。成 肽过程需要肽过程需要Mg2Mg2 和和K K的参与的参与 。 3 3转位转位 上述二肽形成之后，在转位酶催化下，上述二肽形成之后，在转位酶催化下， 并在并在EF-GEF-G和和Mg2Mg2的共同参与以及的共同参与以及GTPGTP供能的情况供能的情况 下，核蛋白体向下，核蛋白体向mRNAmRNA的的33端方向移动相当于一端方向移动相当于一 个密码子的距离，此时个密码子的距离，此时A A位上的二肽酰位上的二肽酰- -tRNAtRNA移至移至P P 位，位，A A位留空，而位留空，而mRNAmRNA上的第三个密码子与空着上的第三个密码子与空着 的的A A位相对应。至此，第一循环完成，又回复到循位相对应。至此，第一循环完成，又回复到循 环开始时的状态，所不同的是，此时环开始时的状态，所不同的是，此时P P位上由循环位上由循环 开始时的开始时的fmet-tRNAfmetfmet-tRNAfmet变成了二肽酰变成了二肽酰- -tRNAtRNA。接。接 着，第三号氨基酸就按第三个密码子的指引进入着，第三号氨基酸就按第三个密码子的指引进入A A 位注册，开始下一轮位注册，开始下一轮 循环，形成三肽酰循环，形成三肽酰- -tRNAtRNA 。同样地，按进位。同样地，按进位- -成肽成肽- -转位循环一次，就在肽链转位循环一次，就在肽链 上增加一个氨基酸残基。可见，核蛋白体阅读上增加一个氨基酸残基。可见，核蛋白体阅读 mRNAmRNA密码子是从密码子是从55向向33方向进行的，而肽链方向进行的，而肽链 的合成是从的合成是从N-N-端向端向C-C-端方向进行的。蛋白质多肽端方向进行的。蛋白质多肽 链合成的速度很快，据估算，每秒钟可翻译约链合成的速度很快，据估算，每秒钟可翻译约4040 个密码子，即每秒钟可以使肽链延长个密码子，即每秒钟可以使肽链延长4040个左右氨个左右氨 基酸残基。基酸残基。 进 位 转 位 成肽 核蛋白体循环的反应过程 （三）翻译的终止（三）翻译的终止 翻译的终止包括：终止密码的辨认，肽链从翻译的终止包括：终止密码的辨认，肽链从 tRNAtRNA上水解释出，上水解释出，mRNAmRNA脱离核蛋白体，脱离核蛋白体， 大小亚基解聚。当肽链延长直到大小亚基解聚。当肽链延长直到A A位出现终位出现终 止密码（止密码（UAAUAA、UAGUAG、UGAUGA），无氨基酰），无氨基酰- - tRNAtRNA与之对应，此时，释放因子（与之对应，此时，释放因子（RFRF）能）能 识别终止密码，进入识别终止密码，进入A A位。位。RFRF与大亚基的结与大亚基的结 合，可诱导转肽酶变构，激活转肽酶，使合，可诱导转肽酶变构，激活转肽酶，使P P