第四章-生物信息传递(下).ppt

第四章生物信息传递:蛋白质翻译(ProteinTranslation),讲授内容：4.1遗传密码-三联子4.2tRNA的结构、种类与功能4.3核糖体的结构与功能4.4蛋白质合成的生物学机制4.5蛋白质的运转机制,3,4,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。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。此外，在合成的各个阶段还有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与。,5,翻译的起始,核糖体与mRNA结合并与氨基酰-tRNA生成起始复合物。,蛋白质的生物合成是一个比DNA复制和转录更为复杂的过程。,原核生物的转录产物:多顺反子,结合有启始因子的核糖体小亚基,启始tRNA在RNA链上移动,寻找启始密码子,大小亚基结合,启始因子分离,氨酰tRNA结合,6,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。,肽链的延伸,7,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。,8,4.1遗传密码三联子,贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上，mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为密码，也叫三联子密码。翻译时从起始密码子AUG开始，沿着mRNA53的方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链蛋白质。新生的多肽链中氨基酸的组成和排列顺序决定于其DNA（基因）的碱基组成及其顺序。因此，作为基因产物的蛋白质最终是受基因控制的。,9,4.1.1三联子密码及其破译,遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。蛋白质中的氨基酸序列是由mRNA中的核苷酸序列决定的，所以，要知道它们之间的关系就要弄清核苷酸和氨基酸数目的对应关系。mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸。1954年科学家对破译密码首先提出了设想：若一种碱基对应与一种氨基酸，那么只可能产生4种氨基酸;若2个碱基编码一种氨基酸的话，4种碱基共有42=16种不同的排列组合;3个碱基编码一种氨基酸，经排列组合可产生43=64种不同形式若是四联密码，就会产生44=256种排列组合。,10,4.1.1.1.以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成,制备大肠杆菌的无细胞合成体系在含DNA、mRNA、tRNA、核糖体、AA-tRNA合成酶及其他酶类的抽提物中加入DNase，降解体系中的DNA，耗尽mRNA时，体系中的蛋白质合成即停止，当补充外源mRNA或人工合成的各种均聚物或共聚物作为模板以及ATP、GTP、氨基酸等成分时又能合成新的肽链，新生肽链的氨基酸顺序由外加的模板所决定。因此，分析比较加入的模板和合成的肽链即可推知编码某些氨基酸的密码。,11,MarshallNirenberg(1961),无细胞体系中Mg2+浓度很高，人工合成的多聚核苷酸不需要起始密码子就能指导多肽的生物合成，读码起始是随机的。然而，在生理Mg2+条件下，没有起始密码子的多核苷酸不能被用作多肽合成的模板。,12,以多聚三核苷酸作为模板可得到有3种氨基酸组成的多肽。如以多聚（UUC）为模板，可能有3种起读方式：5UUCUUCUUCUUCUUC3或5UCUUCUUCUUCUUCU3或5CUUCUUCUUCUUCUU3根据读码起点不同，产生的密码子可能是UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu），所以得到的多肽可能是多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸或多聚亮氨酸，由此可知UUC、UCU、CUU分别是苯丙氨、丝氨酸及亮氨酸的密码子。,(AAG)n的三种可能读码框,非细胞体系阅读,13,以多聚三核苷酸为模板时也可能只合成2种均聚多肽，以多聚（GUA）为例：5GUAGUAGUAGUAGUA3或5UAGUAGUAGUAGUAG3或5AGUAGUAGUAGUAGU3由第二种读码方式产生的密码子UAG是终止密码，不编码任何氨基酸，因此，只产生2种密码子GUA（Val）或AGU（Ser），所以合成的多肽要么是多聚缬氨酸，要么是多聚丝氨酸。,14,Thereadingframeproblem,15,4.1.1.2.核糖体结合技术,1964年Nirenberg又采用三联体结合实验(1)tRNA和氨基酸及三联体的结合是特异的；(2)上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸纤维滤膜的微孔，而tRNA-氨基酸的复合体是可以通过的。,16,这个方法是以人工合成的多聚三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板，在含核糖体、AA-tRNA的适当离子强度的反应液中保温，然后使反应液通过硝酸纤维素滤膜。发现，游离的AA-tRNA因相对分子质量小能自由通过滤膜，加入三核苷酸模板可以促使其对应的AA-tRNA结合到核糖体上，体积超过膜上的微孔而被滞留，这样就能把已结合到核糖体上的AA-tRNA与未结合的AA-tRNA分开。,17,若用20种AA-tRNA做20组同样的实验，每组都含20种AA-tRNA和各种三核苷酸，但只有一种氨基酸用14C标记，看哪一种AA-tRNA被留在滤膜上，进一步分析这一组的模板是哪个三核苷酸，从模板三核苷酸与氨基酸的关系可测知该氨基酸的密码子。例如，模板是UUU时，Phe-tRNA结合于核糖体上，可知UUU是Phe的密码子。,18,M.Nirenberg1399)核糖体结合技术,Invitro,tRNAaaRibosome硝化纤维滤膜,UCU(trinucleotide),19,UCU和所有tRNAs通过膜,核糖体结合到膜上,核糖体、UUU、Phe-tRNA结合到膜上,20,codon的特征,codon是mRNA上连续排列的三个核苷酸序列，并编码一个氨基酸信息的遗传单位,codon具有生物系统的通用性与保守性（除线粒体mt）,在一个基因序列中codon具有不重叠性和无标点性,4.1.2遗传密码(codon)的性质,21,按照1个密码子由3个核苷酸组成的原则，4种核苷酸可组成64个密码子，现在已经知道其中61个是编码氨基酸的密码子，另外3个即UAA、UGA和UAG并不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与tRNA的反密码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。,4.1.2.1.密码的简并性,22,因为存在61种密码子而只有20种氨基酸，所以许多氨基酸有多个密码子。实际上除色氨酸（UGG）和甲硫氨酸（Met）只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子，其中9种氨基酸有2个密码子，1种氨基酸有3个密码子，5种氨基酸有4个密码子，3种氨基酸有6个密码子。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）。另外，AUG和GUG既是甲硫氨酸及缬氨酸的密码子又是起始密码子，这种双重功能在生物学上的优点尚不清楚。,23,同义密码子一般都不是随机分布的，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。一般说来，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也越高。,24,4.1.2.2.密码的普遍性与特殊性,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，密码子具有普遍性。已经查明，在支原体中，终止密码子UGA被用来编码色氨酸；在嗜热四膜虫中，另一个终止密码子UAA被用来编码谷氨酰胺,因而密码子具有特殊性。,表4-4线粒体与核DNA密码子使用情况的比较,25,4.1.2.3.密码子与反密码子的相互作用,在蛋白质生物合成过程中，tRNA的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与mRNA上的密码子相互作用的。1966年，Crick根据立体化学原理提出摆动假说（wobblehypothesis）。,26,根据摆动假说，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”，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。一个tRNA究竟能识别多少个密码子是由反密码子的第一位碱基的性质决定的，反密码子第一位为A或C时只能识别1种密码子，为G或U时可以识别2种密码子，为I时可识别3种密码子。如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的tRNA。,tRNA上的反密码子与mRNA上密码子的配对与“摆动”分析,27,28,tRNAabundance5.额外环(extraarm)可变性大，从4Nt到21Nt不等，其功能是在tRNA的L型三维结构中负责连接两个区域（D环反密码子环和TC-受体臂）。,tRNA二级结构:,39,任意碱基保守的碱基半保守的碱基可能存在的碱基,反密码子,多余臂,受体臂,40,E.colitRNALeu亮,线粒体tRNALys赖,tRNA分子中最大的变化发生在位于TC和反密码子臂之间的多余臂（extraarm）上。根据多余臂的特性，又可以将tRNA分为两大类：第一类tRNA占所有tRNA的75%，只含有一条仅为35个核苷酸的多余臂(图右)；第二类tRNA含有一条较大的多余臂，包括杆状结构上的5个核苷酸，套索结构上的311个核苷酸(图左)。多余臂的生物学功能尚不清楚。,41,tRNA的稀有碱基含量非常丰富，约有70余种。每个tRNA分子至少含有2个稀有碱基，最多有19个，多数分布在非配对区。特别是在反密码子3端邻近部位出现的频率最高，且大多为嘌呤核苷酸，这对于维持反密码子环的稳定性及密码子、反密码子之间的配对是很重要的。,42,tRNA中反密码子(anti-codon)碱基修饰的意义,限制对密码识读的随意性，以保证遗传的稳定,提高摇摆能力，防止突变效应，以保证遗传的稳定,反密码子(anti-codon)两侧碱基的修饰，以提高配对的稳定性,即:codon/anti-codon的稳定性,发生修饰的碱基对摇摆配对的碱基存在结合力的差异，导致了部分的codon偏好,U*AGIUCA,43,Xo5U(5-羟基尿苷)Cmnm5U(5-羧甲基氨甲基尿苷)mCm5U(5-甲氧基羰甲基尿苷)Xm5s2U(5-甲基-2硫代尿苷)K2C(2-赖氨酸胞苷)Com5U(5(2)-羟羧甲基尿苷)I(Inosine次黄嘌呤),m7G(7-甲基尿苷)m5C(5-甲基胞苷)m6A(6-甲基腺苷)s2C(2-硫代胞苷)(假尿苷)Um(2-O-甲基尿苷),反密码子及其两侧的甲基化的核苷酸,44,4.2.3tRNA的L形三级结构,酵母和大肠杆菌tRNA的三级结构都呈L形折叠式。这种结构是靠氢键来维持的，tRNA的三级结构与AA-tRNA合成酶的识别有关。受体臂和TC臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，D臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。,45,tRNA的三维结构,46,“L”结构域的功能,2.-anti-codonarm位于”L”另一端，与结合在核糖体小亚基上的codono