生物信息的传递(下)PPT课件

.,1,第四章生物信息的传递（下）从mRNA到蛋白质,.,3,.,4,第一节遗传密码三联子,.,6,.,8,（一）三联子密码及其破译,多聚同一核苷酸的翻译核糖体结合技术多聚重复核苷酸的翻译,遗传密码,阅读方向为5-3,.,11,（二）遗传密码的性质,1.密码的连续性2.密码的简并性3.密码的方向性4.密码的摆动性5.密码的普遍性与特殊性,.,12,1、密码的连续性,读码无标点、无重叠，阅读方向为53,.,13,遗传密码的连续性,.,14,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)。,openreadingframe,ORF(p108),.,15,移码突变(p109),.,16,2、密码的简并性,大多数氨基酸都存在几个密码，由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为密码子的简并性（degeneracy）。确定同一个氨基酸的不同密码称为同义密码（synonymouscodons）。密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。在标准遗传密码表中，只有一个密码子的氨基酸是Trp和Met。,.,17,遗传密码的简并性,.,18,.,19,3、密码的方向性,指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿53方向进行。,.,20,4、密码的摆动性,1966年，Crick提出摆动假说（Wobblehypothesis）,tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定变动，这种现象称为密码的摆动性或变偶性（wobble）。IA、U、C配对。,.,21,.,22,.,24,5、密码的普遍性与特殊性,在各种生物中几乎完全通用，具有普遍性。,在真核细胞线粒体中，UGA不是终止密码子，是Trp的密码子；AUA不是Ile的密码子，而是Met的密码子；AGA和AGG不是Arg密码子，而是终止密码子。,.,25,第二节tRNA,.,26,一、tRNA的二级结构,二级结构：三叶草型三级结构：倒L型稀有核苷含量多,.,28,二、tRNA的三级结构(p117),.,30,.,31,三、tRNA的功能,在蛋白质合成中，起着运载氨基酸的作用，按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。,3端CCAOH上的氨基酸接受臂识别氨酰tRNA合成酶的位点核糖体识别位点反密码子位点,.,32,四、tRNA的种类(p119),（一）起始tRNA和延伸tRNA,一类特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA为延伸tRNA.,原核起始tRNA携带fMet真核起始tRNA携带Met,.,33,（二）同工tRNA,携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同功受体tRNA,原因：tRNA的数目（20余种）大于氨基酸数目,.,34,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AA-tRNA合成酶识别.,同工tRNA的特性：,.,35,（三）校正tRNA（suppressortRNA）,错义突变校正无义突变校正,校正tRNA的类型：,.,36,1、无义突变与无义突变校正,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.,Nonsensesuppressor,.,39,错义突变的校正tRNA通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽链上,合成正常的蛋白质,2、错义突变与错义突变校正,错义突变是由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另外一种氨基酸的密码.,Missensesuppression,.,43,五、氨酰-tRNA合成酶,.,44,氨基酰tRNA合成酶催化的反应：,氨基酸ATP+E氨基酰-AMP-EPPi,第一步：活化反应,第二步：转移反应,氨基酰-AMP-EtRNA氨基酰-tRNAAMPE,.,47,Ala-tRNAAlaSer-tRNASerMet-tRNAMet,氨基酰-tRNA的表示方法,真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet,.,48,第三节核糖体,.,49,.,50,.,51,一、核糖体的结构,.,54,二、rRNA,5SrRNA23SrRNA16SrRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNA,.,56,.,57,三、核糖体的功能,.,58,包括至少5个活性中心：mRNA结合部位结合或接受AA-tRNA部位结合或接受肽基tRNA的部位肽基转移部位形成肽键的部位（转肽酶的中心）负责肽链合成的各种因子的结合位点,.,59,A,P,功能位点,E,.,60,原核生物翻译过程中核糖体结构模式,A位：氨基酰位(aminoacylsite),P位：肽酰位(peptidylsite),E位：排出位(exitsite),.,62,第四节蛋白质合成的生物学机制,.,63,20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质包括,三种RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白体RNA）tRNA（transferRNA,转移RNA）,.,64,蛋白质生物合成的过程,氨基酸的活化肽链合成的起始肽链的延长肽链合成的终止和释放新合成多肽链的折叠和加工处理,.,65,一、氨基酸的活化,第一步：活化第二步：转移,氨基酰tRNA合成酶催化的反应：,氨基酸ATP-E氨基酰-AMP-EPPi,第一步：活化反应,第二步：转移反应,氨基酰-AMP-EtRNA氨基酰-tRNAAMPE,tRNA与酶结合的模型,tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,ATP,.,69,Ala-tRNAAlaSer-tRNASerMet-tRNAMet,氨基酰-tRNA的表示方法,真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet,.,71,原核生物：fMet-tRNAifMet,Met+tRNA+ATPMet-tRNAfMet+AMP+PPi,四氢叶酸,fMet-tRNAfMet,.,72,二、翻译的起始,mRNA和起始氨酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物.,原核生物翻译起始复合物形成真核生物翻译起始复合体形成,.,73,(一)原核生物翻译起始复合物形成,1、翻译起始需要的几种成分：,30S小亚基模板mRNAfMet-tRNAfMet三个翻译起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）GTP50S大亚基Mg2,.,74,2、翻译起始包括以下几个步骤：,核糖体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨酰-tRNA的结合；核糖体大亚基结合。,.,75,1）核糖体大、小亚基分离,IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核糖体大、小亚基拆离，为新一轮合成作准备。,IF-3,IF-1,.,76,2)mRNA在小亚基的精确定位结合：,SDsequence,Thesiteforribosomebinding,.,78,3）起始氨酰tRNA(fMet-tRNAfMet)结合到小亚基,起始fMet-tRNAfMet在IF2-GTP帮助下，进入小亚基P位，并对应模板mRNA的起始密码AUG。,.,79,4）核糖体大亚基结合，起始复合体形成,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-tRNAfMet构成起始复合体。,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,-GDP,Pi,.,81,(二)真核生物翻译起始复合物形成,真核生物翻译起始复合体的形成过程与原核生物类似，但参与的蛋白因子更多。核糖体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核糖体小亚基就位；核糖体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合体形成过程,PolyA结合蛋白,帽子结合蛋白,.,84,原核和真核生物中各种起始因子的生物功能,.,85,延长阶段由一循环反应过程来完成，每次循环增加一个氨基酸残基。在翻译起始复合体形成的基础上，活化氨基酸在核糖体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核糖体循环。核糖体循环包括多肽链合成的进位、转肽、脱落和移位三步反应。,三、肽链的延长,.,86,1.进位,即与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的A位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF-T参与。,.,88,2.转肽,是由肽基转移酶(peptidyltransferase)催化的肽键形成过程。在肽基转移酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的fMet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。,.,89,转肽反应过程,.,90,3.移位,延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核糖体向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。,.,91,移位反应过程,.,92,核糖体循环的反应过程,.,93,多肽链合成的延长因子,.,94,四、肽链合成的终止和释放,核糖体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入A位。,识别：RF识别终止密码，进入核糖体的A位水解：RF使转肽酶变为酯酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放脱离：模板mRNA、RF以及空载tRNA与核糖体脱离,多肽链合成的终止过程,GTP,RF,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3真核生物释放因子：eRF,.,97,RF的生物学功能主要有：识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。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。,多聚核糖体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,.,99,由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多聚核蛋白体（polysome）。,多聚核糖体,电镜下的多聚核蛋白体现象,.,101,五、蛋白质前体的加工,.,102,(一)一级结构的加工修饰,1、N端fMet或Met的切除,脱甲酰基酶或氨基肽酶,去甲酰化：,去蛋氨酰基：,.,103,2、二硫键的形成,两个Cys的氧化形成二硫键,-,OOC,-,CH,-,CH,2,-,S,+,NH,3,S,-,CH,2,-,CH,-,COO,-,+,NH,3,-,OOC,-,CH,-,CH,2,-,S,+,NH,3,S,-,CH,2,-,CH,-,COO,-,+,NH,3,半胱氨酸,胱氨酸,HS,-,CH,2,-,CH,-,COO,-,+,NH,3,HS,-,CH,2,-,CH,-,COO,-,+,NH,3,.,105,3、特定氨基酸的修饰,羟脯氨酸,羟赖氨酸的羟化;含-OH的丝氨酸,苏氨酸,酪氨酸的磷酸化;组蛋白的乙基或甲基化,蛋白质侧链的修饰作用包括：磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羟基化和羧基化等.,糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种：,O连接的糖基化,N连接的糖基化,与Ser、Thr的OH连接，连接的糖类为半乳糖或N-乙酰半乳糖.,在高尔基体上进行O连接的糖基化.,与Asn的NH2连接,在内质网上进行的为N-连接的糖基化,.,107,InsertionofaMultipassTransmembraneproteinintotheERmembrane,.,108,ProteinglycosylationinRER,.,109,4、切除新生肽链中非功能片断,由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。酶原激活,.,110,胰岛素蛋白的翻译成熟过程,.,111,(二)高级结构的修饰,1、亚基的聚合,具有四级结构的蛋白质由两条以上的多肽链通过非共价键聚合形成寡聚体。,2、辅基的连接,结合蛋白合成后需要结合相应的辅基才能成为具有天然活性的蛋白质。,.,112,（三）新生肽链的折叠,新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成新生肽链N端在核糖体上一出现，肽链的折叠即开始。随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整的空间构象。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。,.,113,.,114,六、蛋白质合成抑制剂,抗生素,干扰素,.,115,(一)抗生素,.,116,嘌呤霉素作用示意图,.,117,(二)干扰蛋白质生物合成的生物活性物质,白喉毒素对真核生物剧毒可对EF-2起共价修饰作用干扰素(interferon，IF)是细胞感染病毒后产生的一类蛋白质.可抑制病毒繁殖,保护宿主.能诱导特异的蛋白激酶，使真核生物起始因子eIF2磷酸化失活，抑制病毒蛋白质合成。,.,118,七、RNA分子在生物进化中的地位,.,119,反转录(逆转录)：反转录酶；cDNA。RNA的自我复制。DNA指导蛋白质合成。,.,120,核酶的发现,.,121,第五节蛋白质运转机制,.,122,.,123,蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。,蛋白质的靶向输送(proteintargeting),.,124,蛋白质的两种转运方式,翻译运转同步机制,翻译后运转机制,核糖体上合成的蛋白质释放到胞质溶胶后被运送到不同的部位，即先合成，后运输。,膜结合核糖体上合成的蛋白质通过定位信号，一边翻译，一边进入内质网，由于这种转运定位是在蛋白质翻译的同时进行的，故称为共翻译转运.,.,125,.,126,.,127,.,128,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。,信号序列(signalsequence),.,129,靶向输送蛋白的信号序列或成分,.,130,一、翻译-运转同步机制,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,信号肽(signalpeptide),各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。,.,131,信号肽的一级结构,.,132,信号肽假说,分泌型蛋白的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别颗粒（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的停靠蛋白（DP）或SRP受体识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。,蛋白质合成起始首先合成信号肽,.,134,.,135,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,.,136,二、翻译后运转机制,.,137,（一）线粒体蛋白质跨膜运转,（二）叶绿体蛋白质跨膜运转,（三）核定位蛋白的运转机制,.,141,（四）蛋白质的降解,1、不需要能量的降解食物蛋白消化过程细胞外蛋白降解酶2、需要能量的降解蛋白管理系统（高效、指向性强）细胞内泛素调节在蛋白酶体内降解(26S),.,142,（一）泛素介导的蛋白质降解过程,发现者和发现过程降解机制,.,143,1、发现者,“forthediscoveryofubiquitin-mediatedproteindegradation”,阿龙西查诺瓦、阿弗拉姆赫什科、欧文罗斯,.,144,阿龙切哈诺沃出生时间：1947年出生地：以色列海法市国籍：以色列学位：1981年以色列理工学院医学博士学位获得成果时间：20世纪70年代末和80年代初获得成果地点：以色列理工学院美国费城福克斯切斯癌症研究中心获奖年龄：57岁现任职地点：以色列理工学院，该学院生物化学部的教授，同时兼任拉帕波特医学研究学院的负责人。,.,145,阿弗拉姆赫尔什科出生时间：1937年出生地：匈牙利考尔曹格国籍：以色列学位：1969年以色列耶路撒冷希伯莱大学哈达萨赫医学院医学博士学位获得成果时间：20世纪70年代末和80年代初获得成果地点：以色列理工学院美国费城福克斯切斯癌症研究中心获奖年龄：67岁现任职地点：以色列理工学院，该学院拉帕波特医学研究学院的著名教授。,.,146,欧文罗斯出生时间：1920年出生地：美国纽约国籍：美国学位：1952年美国芝加哥大学博士学位获得成果时间：20世纪70年代末和80年代初获得成果地点：美国费城福克斯切斯癌症研究中心获奖年龄：78岁现任职地点：美国加州大学医学院，该学院生理学和生物物理学系资深专家。,.,147,2、发现过程,1）二十世纪70年代蛋白质的研究状况：科学家关于蛋白质如何“诞生”的研究成果很多，迄今为止至少有5次诺贝尔奖授予了从事这方面研究的科学家，但关于蛋白质是如何“死亡”的研究却相对较少。2）三位科学家的兴趣所在：蛋白质在细胞内到底是如何“死亡”的？为什么细胞需要能量来降解蛋白质？,.,148,3）三名科学家的汇合：20世纪70年代末期，切哈诺沃和赫尔什科以停薪留职的方式前往美国，与当时正在费城福克斯切斯癌症研究中心从事研究工作的罗斯汇合，开始进行他们的研究工作。,.,149,4）发现泛素分子1979年，当三人试图用层析法去掉血红蛋白时，他们发现萃取液分成了两个部分，每个单独的部分处于静止状态，但一旦将两个部分重新融合在一起，依靠ATP的蛋白质降解过程被再次启动。在其中一部分溶液中活跃的成份是一个具有热稳定性的多肽，这个多肽含有一个分子量为9000的分子，并将这个分子取名为APF-1，即溶液1中的基本活跃因子，后来证实这个蛋白质就