第四章 生物信息的传递(下)——翻译.ppt

第四章生物信息的传递 下 从mRNA到蛋白质 翻译 指将mRNA链上的核甘酸从一个特定的起始位点开始 按每三个核甘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 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 一 遗传密码 三联子 一 三联子密码定义mRNA链上每三个核甘酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸 这三个核甘酸就称为密码子或三联子密码 tripletcoden mRNA5 AUGAGUACAAAACCU 3 二 三联子密码破译 核甘酸序列 氨基酸序列 1 1954年Gamow首先对遗传密码进行了探讨 2 1961年Crick证明三联体密码子是正确的 3 1961年 Nirenberg以均聚物 随机共聚物 特定序列的共聚物作模板合成多肽 破译遗传密码 4 1964年Nirenberg用核糖体结合技术研究遗传密码 直接测出三联体对应的氨基酸 5 到1966年 遗传密码全部破译 遗传密码破译简史 核糖体结合技术 保温 硝酸纤维滤膜过滤 分析留在滤膜上的核糖体 AA tRNA 确定与核糖体结合的AA 特定三核苷酸为模板 核糖体 20种AA tRNA 遗传密码字典 三 遗传密码的性质 1 连续性 翻译由mRNA的5 端的起始密码子开始 一个密码子接下个密码子连续地阅读直到3 终止密码 密码间既无间断也无重叠 即起始密码子决定了所有后续密码子的位置 说明三联子密码是连续的 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 20AA 61种密码子 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 2 简并性 同义密码子一般不是随机分布的 因为其第一 第二位核苷酸往往是相同的 而第三位核苷酸的改变并不一定影响所编码的氨基酸 这种安排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 CG双联子出现的频率较低 三 遗传密码的性质 3 通用性与特殊性 蛋白质生物合成的整套密码 无论是在体内还是体外 也无论是对病毒 细菌 动物还是植物而言都是通用的 遗传密码子的通用性有助于我们研究生物的进化 在遗传工程中也得到充分运用 已发现少数例外 如支原体 动物细胞的线粒体 植物细胞的叶绿体 P114 线粒体与核DNA密码子使用情况的比较 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 这种现象称为密码子的摆动性 U 摆动配对 I 次黄嘌呤 密码子 反密码子配对的摆动现象 1 由FrancisCrick提出的密码子与反密码子配对的摆动假说是指 A反密码子的5 端碱基允许互补碱基有摆动B反密码子的3 端碱基允许互补碱基有摆动C密码子的3 端碱基允许互补碱基有摆动D密码子的5 端碱基允许互补碱基有摆动2 反密码子中哪个碱基对参与了密码子的简并性 摇摆 第一个B 第二个C 第三个D 第一个与第三个3 反密码子IGC可以识别的密码子是 A GCGB GCAC ACGD ICG 4 与tRNA中的反义密码子为GCU反向配对的mRNA中的密码子是 UGAB CGAC AGUD AGI5 的密码子可以作为起始密码子 酪氨酸B 甲硫氨酸C 色氨酸D 苏氨酸6 只有一个密码子的氨基酸是 亮氨酸和丝氨酸B 色氨酸和苏氨酸甲硫氨酸和色氨酸D 甘氨酸和色氨酸7 终止密码子包括 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 二 tRNA的结构 功能与种类 一 tRNA的结构 1 二级结构 三叶草形P116 二 tRNA的结构 功能与种类 一 tRNA的结构 2 三级结构 L 形P117 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 tRNAisanadaptor tRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识别 把所带氨基酸放到肽链的一定位置 tRNA特异性只取决于反密码子 与携带的氨基酸无关P119 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 P119 P119 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 fMet 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 P119 3 校正tRNA 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 错义突变 由于结构基因中某个核甘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 校正tRNA在进行校正过程中必须与正常的tRNA竞争结合密码子一般校正效率不会超过50 四 氨酰 tRNA合成酶 氨酰 tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶 其反应式如下 AA tRNA ATPAA tRNA AMP PPi分两步进行 P120 蛋白质合成的真实性主要取决于tRNA能否把正确的AA放到新生多肽链的正确位置上 而这主要取决于AA tRNA合成酶是否能使AA与其对应的tRNA相结合 酶对AA和tRNA都具有高度的专一性 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 三 核糖体的结构与功能 一 核糖体的结构 P121 几十种蛋白质 几种rRNA 80S 40S 60S SizecomparisonsshowthattheribosomeislargeenoughtobindtRNAsandmRNA Ribosomesarelargeribo nucleoproteinparticlesthatcontainmoreRNAthanproteinanddissociateintolargeandsmallsubunits 细胞器核糖体 与胞质中的存在明显差异 并具不同形式 有时与细菌核糖体大小相当 70 rRNA 有时仅60S 30 rRNA 核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中 虽然在不同生物内其大小有别 但组织结构基本相同 而且执行的功能也完全相同 NOTE 表14 7原核和真核生物核糖体的组成及功能P123 126核糖体亚基rRNAs蛋白RNA的特异顺序和功能细菌70S50S23S 2904b31种 L1 L31 含CGAAC和GT CG互补2 5 106D5S 120b66 RNA30S16S 1542b21种 S1 S21 16SRNA CCUCCU 和S D顺序 AGGAGG 互补哺乳动物80S60S28S 4718b49种有GAUC和tRNAfMat的T CG互补4 2 106D5S 120b60 RNA5 8S 160b40S18S 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 mRNA结合部位 结合AA tRNA部位 A位 结合肽基tRNA部位 P位 空载tRNA移出部位 E位 形成肽键的部位 此外 还有用于起始和延伸的各种蛋白质因子结合部位 核糖体发挥生物学功能的5个基本部位 大小亚基的生物学功能 小亚基 通过密码子与反密码子的配对 识别并结合模板mRNA 蛋白质合成中A位 P位 E位的一部分等 大亚基 结合多肽链 催化肽键形成 蛋白质合成中A位 P位 E位的一部分等 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 四 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 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 tRNAiMet 第一步反应 氨基酸 ATP E 氨基酰 AMP E AMP PPi 目录 第二步反应 氨基酰 AMP E tRNA 氨基酰 tRNA AMP E 目录 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3步 P130 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 S D序列 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 真核生物翻译起始的特点 核糖体较大 为 起始因子比较多 mRNA5 端具有m7Gppp帽子结构 Met tRNAiMet mRNA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80S mRNA Met tRNAMet起始复合物 P131 真核生物翻译起始复合物形成过程 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 Tu GTP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 肽键形成是由转肽酶 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 真核生物的I II类只有一种释放因子 eRF1 3 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 对稳定蛋白质的天然构象具有重要作用 两个半胱氨酸 SH SH SH二硫键 氧化 3 特定氨基酸的修饰 P137 磷酸化 糖基化 甲基化 乙基化 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 5 蛋白质的折叠 分子伴侣 辅助新生肽链正确折叠的蛋白质 序列上无相关性但有共同功能的保守性蛋白质 包括 热休克蛋白伴侣素 6 蛋白质合成的抑制剂 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 几类主要蛋白质的转送机制 1 翻译 运转同步机制 信号肽假说 信号肽 常指新合成多肽链中用于指导蛋白质跨膜转移的N 末端氨基酸序列 有时不一定在N端 能启动蛋白质转运的任何一段多肽 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P146 2 翻译后运转机制 叶绿体线粒体 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 4 蛋白质的降解 大肠杆菌 Lon蛋白酶真核生物 泛蛋白 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一个密码子 A 苏氨酸 甘氨酸B 脯氨酸 精氨酸C 丝氨酸 亮氨酸D 色氨酸 甲硫氨酸E 天冬氨酸和天冬酰胺 D 2 tRNA分子上结合氨基酸的序列是A CAA 3 B CCA 3 C AAC 3 D ACA 3 E AAC 3 B 3 遗传密码A 20种氨基酸共有64个密码子B 碱基缺失 插入可致框移突