生物信息的传递（下）从mrna到蛋白质

2020 3 3 1 第四章生物信息的传递 下 从mRNA到蛋白质 2020 3 3 2 本章重点 1 遗传密码的特点 2 tRNA 核糖体的功能及结构 3 蛋白质生物合成的机制 2020 3 3 3 1 翻译的起始核糖体与mRNA结合并与氨酰 tRNA生成起始复合物 蛋白质的生物合成步骤 2 肽链的延伸由于核糖体沿mRNA5 端向3 端移动 开始了从N端向C端的多肽合成 这是蛋白质合成过程中速度最快的阶段 3 肽链的终止及释放核糖体从mRNA上解离 准备新一轮合成反应 2020 3 3 4 核糖体是蛋白质合成的场所 mRNA是蛋白质合成的模板 转移RNA transferRNA tRNA 是模板与氨基酸之间的接合体 在合成的各个阶段有许多蛋白质 酶和其他生物大分子参与 2020 3 3 5 翻译 是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始 按每3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 2020 3 3 6 蛋白质的合成 第一节遗传密码第二节tRNA第三节核糖体第四节蛋白质合成的生物学机制 2020 3 3 9 开放阅读框架 openreadingframe ORF 又叫可读框 指由起始密码子开始 到终止密码子结束的核苷酸序列 2020 3 3 10 1954 Gamov提出遗传密码的问题 43 64 1961 Brenner Crick 加入或减少1个或2个核苷酸即可导致形成不正常的蛋白质 但加入或减少3个核苷酸常常对蛋白质活性影响不大 一 遗传密码 geneticcode 的破译 2020 3 3 11 1961 Nirenberg 人工合成多聚尿嘧啶核苷酸指导合成的多肽只含一种氨基酸 苯丙氨酸 1964 Nirenberg tRNA结合法 特异的氨酰 tRNA可与核糖体 mRNA结合 mRNA可短至3个碱基 2020 3 3 12 1 密码的连续性从mRNA的5 端起始密码子开始 一个密码子接一个密码子连续地阅读直到3 终止密码子 密码子间无间断也无重复 因此密码子具有连续性 二 遗传密码的特点 2020 3 3 13 遗传密码的连续性 2020 3 3 14 2 密码的简并性一个氨基酸由多个密码子编码的现象 称为简并 在密码子第三位碱基中 C U A G往往可以相互替换 2020 3 3 15 除色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外 其它18种氨基酸都有一个以上的密码子 2020 3 3 16 同义密码子 对应同一个氨基酸的密码子称为同义密码子 密码子的种类与相应氨基酸在蛋白质中的频率有一定的相关性 只有精氨酸例外 P121 图4 3 2020 3 3 17 3 密码的通用性与特殊性 遗传密码无论在体内还是体外 也无论是对病毒 细菌 动物还是植物而言都是适用的 所以密码子具有通用性 又因为在支原体中 终止密码子UGA用来编码色氨酸 在嗜热四膜虫中 终止密码子UAA用来编码谷氨酰胺 所以密码子具有特殊性 2020 3 3 18 1 mRNA上密码子第一 二碱基与tRNA上反密码子相应碱基形成强配对 密码专一性主要是由于这两个碱基的作用 4 密码子与反密码子的相互作用 摇摆假说 2020 3 3 19 2 反密码子的第一个碱基决定一个tRNA能够解读密码子的数目 2020 3 3 20 3 当一种氨基酸的几个密码子中 有头2个碱基中任一个是不同的 则必须有不同的tRNA 原核生物中大约有30 45种tRNA 真核细胞中可能存在50种tRNA 2020 3 3 21 5 方向性 direction 指阅读mRNA模板上的三联体密码时 只能沿5 3 方向进行 2020 3 3 22 密码子AUG与N 甲酰甲硫氨酸 tRNA tRNAfMet 结合 在原核生物中启动蛋白质结合 因此AUG被称为起始密码子 initiationcodon AUG也是甲硫氨酸的密码子 E coli中 其它一些密码子 GUG UUG CUG 也可偶尔与tRNAfMet结合 启动蛋白质合成 三 起始密码子与终止密码子 2020 3 3 23 终止密码子 terminationcodon UAA UAG UGA 终止密码子不编码任何氨基酸 也称为无义密码子 nonsensecodon 2020 3 3 24 第二节tRNA tRNA的共同特征 1 存在经过修饰的特殊碱基2 3 端均为CCA OH 一 tRNA的结构 二级结构 三叶草形 2020 3 3 25 tRNA上的手臂 1 受体臂 链两端碱基序列互补形成的杆状结构 3 端有未配对的3 4个碱基 3 端的CCA 最后一个碱基2 自由羟基可被氨酰化 2 T C臂 环 其中 表示拟尿嘧啶 是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸 3 反密码臂 环 位于套索中央有三联反密码子 4 D臂 环 含有二氢尿嘧啶 5 多余臂 环 5 2020 3 3 26 一般tRNA有76个碱基 大小在74 95bp之间 主要由于D臂和多余臂的变化引起 2020 3 3 27 tRNA序列包含许多稀有碱基 主要通过四种标准碱基修饰而来 2020 3 3 28 tRNA折叠为倒L形 与氨基酸结合的受体臂与反密码环相互远离 分别位于两端 不同的tRNA形状大体相同又有所差异 tRNA三级结构 2020 3 3 29 2020 3 3 30 二 tRNA的功能 tRNA在蛋白质合成中为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体 为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体 它又被称为第二遗传密码 2020 3 3 31 每个tRNA与一特定的氨基酸特异共价结合生成有蛋白质合成活性的AA tRNA 含有一个三核苷酸序列的反密码子 与mRNA上代表该氨基酸的密码子相互识别并配对 密码子的识别仅决定于反密码子 而与氨基酸无关 2020 3 3 32 三 tRNA的种类 起始tRNA和延伸tRNA 特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA 其它tRNA统称为延伸tRNA 校正tRNA 通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到多肽链上的tRNA 同工tRNA 代表相同氨基酸的不同tRNA 2020 3 3 33 无义突变 指某个核苷酸的改变使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子 使蛋白质的合成提前终止 合成无功能或无意义的多肽 这种突变称为无义突变 错义突变 指某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码 这种突变称为错义突变 2020 3 3 34 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 其反应包括两步 第一步是氨基酸活化生成酶 氨酰腺苷酸复合物 AA ATP 酶 E E AA AMP PPi第二步是氨酰基转移到tRNA3 末端腺苷残基的2 或3 羟基上 E AA AMP tRNA AA tRNA E AMP 2020 3 3 35 蛋白质合成的真实性主要决定于tRNA能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置上 而这一步主要决定于AA tRNA合成酶是否使氨基酸与对应的tRNA相结合 AA tRNA合成酶既要能识别tRNA 又要能识别氨基酸 它对两者都具有高度的专一性 2020 3 3 36 生物细胞内 核糖体像一个能沿mRNA模板移动的工厂 执行着蛋白质合成的功能 第三节核糖体 ribosome 2020 3 3 37 核糖体是由几十种蛋白质和几种核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 组成的亚细胞颗粒 一个细菌细胞内约有20000个核糖体 真核细胞内可达106个 最适条件下 合成一条含400个氨基酸残基的多肽 40kD 约需10秒 2020 3 3 38 真 原核生物中均由大 小两个亚基组成 二亚基各含一个主要RNA 称为核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 和多种蛋白质 一 核糖体的结构 1 核糖体由大小两个亚基组成 36 2020 3 3 39 36 2020 3 3 40 2020 3 3 41 多核糖体 polysome 电镜照片 2020 3 3 42 原核生物核糖体由约2 3的RNA及1 3的蛋白质组成 真核生物核糖体中RNA占3 5 蛋白质占2 5 2020 3 3 43 2 核糖体蛋白 ribosomalprotein r 蛋白 核糖体上有多个活性中心 每个中心都由一组特殊的核糖体蛋白质构成 核糖体是一个许多酶的集合体 单个酶或蛋白只有在这个总体结构内才拥有催化性质 它们在这一结构中共同承担了蛋白质生物合成的任务 大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成 大亚基由36种蛋白质组成 真核细胞核糖体大亚基含有49种蛋白质 小亚基有33种蛋白质 2020 3 3 44 3 核糖体RNA 1 5SrRNA细菌5SrRNA含有120或116个核苷酸 5SrRNA有两个高度保守的区域 保守序列CGAAC 与tRNA分子T C环上的GT CG序列互补 保守序列GCGCCGAAUGGUAGU 与23SrRNA中的一段序列互补 这是5SrRNA与50S核糖体大亚基相互作用的位点 2020 3 3 45 2 16SrRNA 其长度在1475 1544个核苷酸之间 含有少量修饰碱基 该分子全部压缩在30S小亚基内 16SrRNA的结构十分保守 其中3 端一段ACCUCCUUA的保守序列 与mRNA5 端翻译起始区富含嘌呤的序列互补 在16SrRNA靠近3 端处还有一段与23SrRNA互补的序列 在30S与50S亚基的结合中起作用 2020 3 3 46 3 23SrRNA 23SrRNA包括2904个核苷酸 在大肠杆菌23SrRNA第1984 2001核苷酸之间 存在一段能与tRNAMet序列互补的片段 在23SrRNA靠近5 端 143 157位核苷酸之间 有一段12个核苷酸的序列与5SrRNA上第72 83位核苷酸互补 2020 3 3 47 4 5 8SrRNA 5 8SrRNA是真核生物核糖体大亚基特有的rRNA 长度为160个核苷酸 含有与原核生物5SrRNA中保守序列相同的序列 与5SrRNA具有相似的功能 2020 3 3 48 5 18SrRNA酵母18SrRNA由1789个核苷酸组成 它的3 端与大肠杆菌16SrRNA有广泛的同源性 其中酵母18SrRNA 大肠杆菌16SrRNA和人线粒体12SrRNA在3 端有50个核苷酸序列相同 6 28SrRNA长度约在3890 4500bp左右 2020 3 3 49 16SrRNA3 端与mRNA直接相互作用 5SrRNA与tRNAT C环上GT CG序列作用 16SrRNA直接与A P位点的tRNA反密码子作用 23SrRNA则与A P位点的肽酰 tRNA的CCA末端作用 16S 23S均参与亚基间的相互作用 rRNA与tRNA mRNA之间以及rRNA之间存在的联系 2020 3 3 50 4 核糖体有3个tRNA结合位点 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 2020 3 3 51 原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式 A位 氨基酰位 aminoacylsite P位 肽酰位 peptidylsite E位 排出位 exitsite 2020 3 3 52 5 核糖体的酶活性 1 转肽酶活性 将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA 形成肽键 由大亚基成分构成 2 GTPase活性 水解GTP 获得能量 分别由大 小亚基成分构成 3 起动因子 延长因子及释放因子的结合位点 分别由大 小亚基成分构成 2020 3 3 53 二 核糖体的功能 核糖体包括多个活性中心 即mRNA结合部位 接受AA tRNA部位 A位 结合肽酰 tRNA的部位 P位 肽基转移部位及形成肽键的部位 转肽酶中心 此外 还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点 2020 3 3 54 核糖体小亚基负责对模板mRNA进行序列特异性识别 如起始部分的识别 密码子与反密码子的相互作用等 mRNA的结合位点也在小亚基上 大亚基负责携带AA及tRNA的功能 包括肽键的形成 AA tRNA与肽酰 tRNA的结合等 2020 3 3 55 第四节蛋白质合成的生物学机制 蛋白质的合成 氨基酸活化翻译的起始肽链的延伸肽链的终止新合成多肽链的折叠和加工 2020 3 3 56 2020 3 3 57 一 氨基酸的活化 氨基酸与tRNA结合形成氨酰 tRNA 反应在细胞质进行 tRNA末端最后一个碱基五碳糖3 自由羟基 OH 被氨酰化 至少有20种氨酰 tRNA合成酶 aminoacyl tRNAsynthetase 2020 3 3 58 氨基酸的活化与携带反应由氨基酰tRNA合成酶催化 该酶具有较高的专一性 即能识别特定的氨基酸 又能识别与此氨基酸对应的tRNA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 氨基酰 tRNA合成酶 2020 3 3 59 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的表示方法 Ala tRNAAlaSer tRNASerMet tRNAMet 2020 3 3 60 能够识别mRNA中5 端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA 称为起始tRNA 在原核生物中 起始tRNA是一种携带甲酰甲硫氨酸的tRNA 即fMet tRNAifmet 而在真核生物中 起始tRNA是一种携带甲硫氨酸的tRNA 即Met tRNAimet 在原核生物和真核生物中 均存在另一种携带甲硫氨酸的tRNA 识别非起动部位的甲硫氨酸密码AUG 起始tRNA 2020 3 3 61 识别mRNA上的密码子 2020 3 3 62 二 蛋白质合成的起始 N 甲酰甲硫氨酸所有细菌蛋白质合成的第一个氨基酸都是N 甲酰甲硫氨酸 fMet 两种tRNAMet tRNAiMet tRNAMet 只有tRNAiMet上的氨基酸可以甲酰化 1 原核生物蛋白质合成的起始 2020 3 3 63 蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基 起始tRNA和几十个蛋白因子 在mRNA编码区5 端形成核糖体 mRNA 起始tRNA复合物并将甲硫氨酸放入核糖体P位点 起始复合物的生成需要GTP提供能量 需要Mg2 NH4 及3个起始因子 IF l IF 2 IF 3 的参与 2020 3 3 64 与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因子 initiationfactor IF 与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子 elongationfactor EF 与多肽链合成终止并从核蛋白体上释放有关的蛋白因子称为释放因子 releasefactor RF 2020 3 3 65 起始因子 蛋白质合成的启动必须有起始因子参加 形成核糖体 mRNA tRNA三元复合物 起始因子 蛋白质合成起始阶段特异地与小亚基结合的蛋白质 2020 3 3 66 起始密码子AUG上游约10bp处有一段5 AGGAGGU3 序列 称为Shine Dalgarno序列 SD序列 与16SRNA3 端的3 UCCUCCACUAG5 互补 原核16SrRNA存在一段富含嘧啶的序列 二者之间可通过碱基配对 使mRNA与核蛋白体小亚基结合 起始密码子的正确选读 2020 3 3 67 翻译的起始 第一步 30S小亚基首先与翻译起始因子IF l IF 3结合 通过SD序列与mRNA模板相结合 第二步 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 第三步 带有tRNA mRNA及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 2020 3 3 68 多顺反子mRNA中 核糖体可分别结合在各基因起点以起始合成 2020 3 3 69 2 真核生物蛋白质合成的起始 真核生物翻译起始机制与原核生物基本相同 其差异是核糖体较大 起始因子较多 mRNA有m7GpppNp帽子 Met tRNAMet不甲酰化 mRNA5 端的帽子和3 端的多聚A都参与形成翻译起始复合物 2020 3 3 70 除了识别帽子结构以外 40S小亚基还能识别mRNA上的起始密码子AUG 40S小亚基识别起始密码子的 扫描模型 40S小亚基先结合在mRNA5 端的任何序列上 然后沿mRNA移动直至遇到AUG发生较为稳定的相互作用 最后与60S亚基一道生成80S起始复合物 2020 3 3 71 三 肽链的延伸 当第一个氨基酸与核糖体结合以后 按照mRNA模板密码子的排列 氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去 每加一个AA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 2020 3 3 72 1 进位 entrance 即与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的A位 此步骤需GTP Mg2 和EF T参与 2020 3 3 73 2 成肽 是由转肽酶 transpeptidase 催化的肽键形成过程 即在转肽酶的催化下 将给位上的tRNA所携带的甲酰甲硫氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上 与其 氨基缩合形成肽键 此步骤需Mg2 K 2020 3 3 74 2020 3 3 75 2020 3 3 76 3 转位 移位 translocation 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 侧移动相当于一个密码的距离 同时使肽酰基tRNA从A位移到P位 此步骤需GTP和Mg2 参与 此时 核蛋白体的A位留空 与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入 重复以上循环过程 使多肽链不断延长 已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白体E位上脱落 2020 3 3 77 2020 3 3 78 核蛋白体循环的反应过程 2020 3 3 79 是指在蛋白质合成中 每向肽链中加入一个氨基酸时 与核糖体周期性结合的蛋白质分子 EF Tu 帮助氨酰 tRNA进入A位点 EF Ts 使EF Tu恢复活性 EF G 参与核糖体移位 延伸因子 2020 3 3 80 四 肽链的终止 肽链在延伸过程中 当终止密码子出现在核糖体的A位时 释放因子能识别终止密码子并与之结合 水解P位上多肽链与tRNA之间的酯键 新生的肽链和tRNA从核糖体上释放 核糖体解体 蛋白质合成结束 2020 3 3 81 2020 3 3 82 细菌细胞内存在3种不同的释放因子 RFl RF2 RF3 RFl识别UAG和UAA RF2识别UGA和UAA RF3与核糖体的解体有关 真核细胞的 类和 类释放因子分别只有一种 eR