第四章翻译精要.ppt

第四章生物信息的传递（下）从mrna到蛋白质,翻译：指将mrna链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每三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。,蛋白质合成的场所是蛋白质合成的模板是模板与氨基酸之间的接合体是蛋白质合成的原料是,核糖体,mrna,trna,20种氨基酸,原核生物转录翻译同步,遗传密码三联子trna的结构、功能与种类核糖体的结构与功能原核生物蛋白质合成的过程真核生物蛋白质合成的过程蛋白质的运转机制,contents,一、遗传密码三联子,（一）三联子密码定义mrna链上每三个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为密码子或三联子密码(tripletcodon)。,（二）三联子密码破译,核苷酸序列,氨基酸序列,至1966年，20种氨基酸对应的61个密码子和三个终止密码子全部被查清。,遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。,（三）遗传密码的性质,1、简并性,由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymouscodon）。,减少了变异对生物的影响,编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率就越高。arg例外,（三）遗传密码的性质,2、通用性与特殊性,从原核生物到人类，从染色体到质粒，蛋白质生物合成的整套密码都是通用的。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体密码子和植物细胞的叶绿体密码子。,线粒体与核dna密码子使用情况的比较,（三）遗传密码的性质,3、连续性,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。起始密码子决定了所有后续密码子的位置。,基因损伤引起mrna阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)。,从mrna5端起始密码子aug到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(openreadingframe,orf)。,（三）遗传密码的性质,4、摆动性,转运氨基酸的trna上的反密码子需要通过碱基互补与mrna上的遗传密码子反向配对结合，在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动”(即碱基配对要求不严格)，这种现象称为密码子的摆动性。,摆动配对,u,密码子、反密码子配对的摆动现象,遗传密码三联子trna的结构、功能与种类核糖体的结构与功能原核生物蛋白质合成的过程真核生物蛋白质合成的过程蛋白质的运转机制,contents,二、trna的结构、功能与种类,（一）trna的结构,1、二级结构：三叶草形,二、trna的结构、功能与种类,（一）trna的结构,2、三级结构：“l”形,氢键,（二）trna的功能,1、解读mrna的遗传信息2、运输的工具，运载氨基酸,trna有两个关键部位：3端cca：接受氨基酸，形成氨酰-trna。与mrna结合部位反密码子部位,1、起始trna和延伸trna,（三）trna的种类,能特异地识别mrna模板上起始密码子的trna称起始trna，其他trna统称为延伸trna。,真核生物：起始密码子aug所编码的氨基酸是met，起始aa-trna为met-trnamet。原核生物：起始密码子aug所编码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为fmet-trnafmet,2、同工trna,（三）trna的种类,代表同一种氨基酸的trna称为同工trna。同工trna既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同性，能被相同的氨基酰-trna合成酶识别。,3、校正trna用于矫正两种突变：无义突变和错义突变,（三）trna的种类,无义突变：在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子（uag、uga、uaa），使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变就称为无义突变。,无义突变,错义突变：由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码子变为另一种氨基酸的密码子，这种基因突变叫错义突变。gga（甘氨酸）aga（精氨酸）,错义抑制,校正trna在校正过程中，必须与正常trna竞争结合密码子。校正trna的校正效率一般小于50%。,遗传密码三联子trna的结构、功能与种类核糖体的结构与功能原核生物蛋白质合成的过程真核生物蛋白质合成的过程蛋白质的运转机制,contents,三、核糖体的结构与功能,（一）核糖体的结构,核糖体的组成,表14-7原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基rrnas蛋白rna的特异顺序和功能细菌50s23s=2904b36种(rpl1-rpl36)70s(1)gcgccgaaugguagu2.5106d5s=120b(2)含cgaac和gtcg互补66%rna30s16s=1542b21种(rps1-rps21)16srna(accuccuua)和s-d顺序(aggagg)互补哺乳动物80s60s28s=4718b49种4.2106d5s=120b60%rna5.8s=160b有cgaac和trnafmat的tcg互补40s18s=1874b33种和capm7g结合,三、核糖体的结构与功能,（二）核糖体的功能：,合成蛋白质,在单个核糖体上，可化分多个功能活性中心，在蛋白质合成过程中各有专一的识别作用和功能。mrna结合部位小亚基结合或接受aa-trna部位（a位）大亚基结合或接受肽酰trna的部位（p位）大亚基空载trna移出部位（e位）大亚基形成肽键的部位（转肽酶中心）大亚基,遗传密码三联子trna的结构、功能与种类核糖体的结构与功能原核生物蛋白质合成的过程真核生物蛋白质合成的过程蛋白质的运转机制,contents,四、原核生物蛋白质合成的过程,氨基酸的活化翻译的起始肽链的延伸肽链的终止蛋白质前体的加工,(一)氨基酸的活化,第一步反应,氨基酸atp-e氨基酰-amp-eampppi,目录,第二步反应,氨基酰-amp-etrna氨基酰-trnaampe,目录,氨基酰-trna合成酶对底物氨基酸和trna都有高度特异性。氨基酰-trna合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。氨基酰-trna的表示方法：ala-trnaalaser-trnasermet-trnamet,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-trnamet,trna与酶结合的模型,trna,氨基酰-trna合成酶,atp,(二)翻译的起始,原核生物（细菌）为例：所需成分：30s小亚基、50s大亚基、模板mrna、fmet-trnafmet、gtp、mg2+翻译起始因子：if-1、if-2、if-3、,if-3,if-1,翻译起始(翻译起始复合物形成)又可被分成4步：1.核蛋白体大小亚基分离,2、30s小亚基通过sd序列与mrna模板相结合。,if-3,if-1,if-3,if-1,3.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。,if-3,if-1,if-2,gtp,gdp,pi,4、带有trna、mrna和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。,if-3,if-1,if-2,-gtp,gdp,pi,shine-dalgarnosequence(s-d序列),原核生物mrna起始密码子aug上游有一段保守的5aggaggu3序列，这个富嘌呤区命名为sd序列，也称为核糖体结合位点。,肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，每个循环包括：aa-trna与核糖体结合、肽键的生成和移位。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-2,(三)肽链的延伸,1、aa-trna与核糖体a位点的结合,需要消耗gtp，并需ef-tu、ef-ts两种延伸因子,通过延伸因子ef-ts再生gtp,形成ef-tugtp复合物,ef-tu-gdp+ef-tsef-tu-ts+gdpef-tu-ts+gtpef-tu-gtp+ef-ts,重新参与下一轮循环,2、肽键形成是由肽基转移酶催化,3、移位,核糖体向mrna3端方向移动一个密码子。需要消耗gtp，并需ef-g延伸因子,延长因子ef-g有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子gtp，促进核蛋白体向mrna的3侧移动。,fmet,fmet,目录,原核肽链合成终止过程,（四）肽链的终止,rf1和rf2属于i类终止因子，识别终止密码子，催化新和成多肽链从p位点的trna中水解释放出来。rf1识别终止密码子uaa和uag；rf2识别终止密码子uaa和uga。rf3属于ii类释放因子，具gtp酶活性，刺激rf1和rf2从核糖体中解离。,释放因子（releasefactor,rf）,真核生物与原核生物蛋白合成方面的区别,核糖体较大,为；起始因子比较多，表示为eif。mrna5端具有m7gppp帽子结构met-trnametmrna的5端帽子结构和3端polya都参与形成翻译起始复合物；,真核生物蛋白质合成材料特点,真核生物翻译起始复合物形成(区别原核生物),原核生物中30s小亚基首先与mrna模板相结合，再与fmet-trnafmet结合，最后与50s大亚基结合。而在真核生物中，40s小亚基首先与met-trnamet相结合，再与模板mrna结合，最后与60s大亚基结合生成80smrnamet-trnamet起始复合物。,五、真核生物蛋白质合成的过程,氨基酸的活化翻译的起始肽链的延伸肽链的终止蛋白质前体的加工,(一)氨基酸的活化,第一步反应,氨基酸atp-e氨基酰-amp-eampppi,目录,第二步反应,目录,真核生物蛋白质合成的过程与原核生物相同，也包括起始、延伸和终止三个阶段。和原核生物相比，真核生物的核糖体结构更复杂，蛋白质合成过程有更多的蛋白质因子参与，对翻译过程的调控更加精细。,真核生物中，起始氨基酸是：起始aa-trna是：,甲硫氨酸met-trnaimet,(二)翻译的起始,所需成分：40s小亚基、60s大亚基、模板mrna、met-trnaimet、gtp、mg2+翻译起始因子：eifs,真核生物的mrna没有shine-dalgarno序列。但大部分的真核生物mrna具有5帽子结构，指导起始因子搜索起始密码子与之结合。真核生物蛋白质合成用于起始和延伸过程的met-trnas的唯一区别在trna部分。起始trnaimet具有独特的三级结构，而且其64位碱基g的核糖2位置上是磷酸化的。这两个特征使met-trnaimet与延伸过程中的met-trnamet相区别。真核生物蛋白质生物合成起始的过程：,1、80s核糖体的解离。2、三元复合物和43s前起始复合物的形成。3、43s前起始复合物与mrna的结合。4、起始密码子aug的选择。5、48s复合物与60s亚基的结合。,真核生物80s核糖体由60s大亚基和40s小亚基结合而成，三者之间存在一动态平衡。起始因子eif-3可与40s亚基结合，形成43s亚基；eif-3与40s亚基的结合，还可以干扰40s亚基与60s亚基的结合。eif-1a对43s亚基有稳定作用。eif-3a可以与60s亚基结合，以阻止游离的60s和40s亚基的再结合(reassociation)。eif6也可以和60s亚基结合，阻止60s亚基与40s亚基的过早结合（prematurebinding）。,1、80s核糖体的解离,eif-2结合gtp形成eif-2-gtp二元复合物。此二元复合物不稳定，与met-trnai结合后形成稳定的三元复合物eif-2-gtp-met-trnai。稳定的三元复合物与43s亚基结合形成43s前起始复合物，该过程还需要eif-1a和eif-3的参与。起始过程结束以后，eif-2-gdp复合物释放。eif-2b具有gtp酶的活性可以通过催化gdp和gtp之间的交换反应调节eif-2的活性。,2、三元复合物和43s前起始复合物的形成,eif4是一个5帽子结合蛋白，可以使43s前起始复合物与mrna的5末端结合，形成48s前起始复合物。在结合mrna前，三种起始因子eif-4f、eif-4b和eif-4a共同作用，消除mrna5非翻译区（5-utr）的分子内二级结构。,3、43s前起始复合物与mrna的结合,48s前起始复合物与mrna的结合并不能使met-trnai正好与aug结合，aug一般位于帽子结构下游的50100核苷酸的位置。kozak（1978）提出一种识别aug的机制（scanningmodelofinitiation）。43s前起始复合物沿5-utr移动，直至第一个aug处。43s前起始复合物可以识别aug前后的保守序列ccc（a/g）ccaugg。eif-2在aug的正确选择上发挥重要作用。,4、起始密码子的选择,48s前起始复合物在aug处定位之后，在eif-5的作用下，eif-2-gtp水解为eif-2-gdp，从而导致eif-2-gdp和其他的eifs由40s亚基上解离下来。与60s亚基结合的eif-3a和eif6也释放。40s亚基和60s亚基结合成80s复合物。,5、48s前起始复合物与60s亚基的结合,（三）肽链的延伸,肽链的延伸是将mrna的核苷酸序列翻译为多肽链氨基酸顺序的过程。翻译的准确性是肽链延伸过程的关键。在真核生物中普遍存在着延伸因子1（elongationfactor-1）和2（elongationfactor-2）。真菌中还有延伸因子3（elongationfactor-3）。,延伸因子-1。eef-1是一种多亚基蛋白质，由、和4种亚基组成。eef-1主要负责将氨基酰-trna转运至核糖体。亚基负责与氨基酰-trna结合，并需要gtp的参与。gtp可能是亚基的变构激活剂。亚基具有核苷酸交换活性，类似于原核生物的ef-ts。延伸因子-2。eef-2是单体蛋白质分子，能与gtp结合，gtp为其发挥功能所必需的。eef-2对核糖体的亲和性有两种状态，高亲和性出现在移位前，低亲和性出现在移位后。eef-2与原核生物的ef-g类似，与移位过程相关。eef-2的活性还受糖基化和磷酸化等共价修饰的调节。3.延伸因子-3。eef-3只在真菌中发现。由一条多肽链组成，具有结合和水解atp和gtp的能力，两种活性位于同一活性位点。eef-3对每一轮延伸都是必需的，可能起到保证翻译准确性的作用。,延伸循环：真核生物肽链合成的延伸循环也可分为三个阶段，进位、转肽和移位。氨基酰-trna是以eef-1-gtp-aa-trna三元复合物的形式进入a位的，并需要gtp的水解。肽键形成是由核糖体大亚基的肽酰转移酶中心的催化下完成的，在形成肽键时核糖体的构象要发生扭曲。移位需要eef-2的参与。移位后可使eef-2的构象发生变化，从而水解gtp，对核糖体的亲和力下降并解离下来。,（四）肽链合成的终止,真核生物蛋白质合成终止是在终止因子的作用下，肽链停止延伸，以及核糖体与mrna分离的过程。终止因子：真核生物i类和ii类释放因子（eukaryoticreleasingfactor，erf）分别只有一种释放因子。erf1：识别终止密码子uaa、uag和uga，催化多肽链从p位点的trna中水解释放出来。erf3：具gtp酶活性，刺激erf1从核糖体中解离。erf不能终止细菌核糖体的延伸反应，说明真核生物和原核生物在终止的机制上存在差异。,终止密码子：体外实验证明，真核生物的erf需要识别4个核苷酸才能终止翻译，终止密码子的下游核苷酸倾向于g。翻译的终止机制：核糖体移动到终止密码子处时，由于没有氨基酰-trna能对其识别，核糖体在终止密码子处暂停。erf1通过与终止密码子之间类似于碱基配对的相互作用，识别第一个进入到a位的终止密码子，并导致肽酰-trna的水解，新生肽链释放，核糖体与mrna解离，60s大亚基和40s小亚基解离。解离后的大小亚基可以参与下一次循环。,(五)蛋白质前体的加工,1、n端fmet或met的切除,新生蛋白质经蛋白酶切后变成有功能的成熟蛋白质,2、二硫键的形成两个半胱氨酸-sh-sh-sh二硫键,氧化,3、特定氨基酸的修饰磷酸化、糖基化、甲基化、乙酰化、泛素化、羟基化和羧基化等。,4、切除新生肽链中非功能片段,前胰岛素原蛋白翻译后成熟过程示意图,(六)蛋白质合成抑制剂,遗传密码三联子trna的结构、功能与种类核糖体的结构与功能蛋白质合成的过程蛋白质的运转机制,contents,五、蛋白质的运转机制,1、翻译-运转同步机制,信号肽假说：蛋白质跨膜运转信号是由mrna编码的。信号肽：常指新合成多肽链中用于指导蛋白质跨膜转移的氨基酸序列（多数情况下在n-末端，但有时不一定在n端）。,信号序列特点：,（1）一般带有10-15个疏水氨基酸；（2）在靠近该序列n-端常常有1个或数个带正电荷的氨基酸；（3）在其c-末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链（丙氨酸或甘氨酸）。,信号肽假说内容：,新生蛋白质通过同步转运途径进入内质网内腔的主要过程,2、翻译后运转机制,(1)线粒体蛋白质跨膜运转,(2)叶绿体蛋白质的跨膜运转,（3）核定位蛋白的运转机制,真核核定位蛋白的运转机制,复习体,1多数氨基酸都有两个以上密码子，下列哪组氨基酸只有