4生物信息的传递(下)mRNA--蛋白质

南京农业大学生命科学学院，分子生物学，第四章生物信息的传递(下)，从mRNA到蛋白质。本章将介绍生物信息传递的后半部分，即从信使核糖核酸到蛋白质的翻译。2020/6/9，2，南京农业大学生命科学学院，第三章生物信息传递(下)。蛋白质是生物信息通路的最终产物。一个活细胞在任何发育阶段都需要成千上万种不同的蛋白质。因此，各种蛋白质的合成、修饰、操作和降解反应始终在活细胞中进行。翻译是指从特定的起始位点开始，根据每3个核苷酸代表一个氨基酸的原则，从mRNA链上的核苷酸合成多肽链的过程。2020/6/9，3，南京农业大学生命科学学院，第三章生物信息传递(下)。翻译过程中：核糖体是蛋白质合成的场所。MRNA是蛋白质合成的模板。核糖核酸是模板和氨基酸之间的结合。许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与了合成的不同阶段。2020/6/9，4，南京农业大学生命科学学院，第三章生物信息的传递(下)，翻译过程的特征：蛋白质合成是一个多种高能化合物参与的能量响应过程。细胞用于合成代谢的总能量的90%消耗在蛋白质合成上。在真核生物的细胞核中合成的信使核糖核酸必须被运输到细胞质中才能被翻译成蛋白质。蛋白质合成速度非常快。大肠杆菌能在5秒钟内合成一种由100个氨基酸组成的多肽。2020/6/9，5，南京农业大学生命科学学院，第三章生物信息转移(第二部分)，第一节遗传密码，第二节tRNA，第三节核糖体，第四节蛋白质合成机制，第五节蛋白质转运机制，2020/6/9，6，南京农业大学生命科学学院，第一节遗传密码，储存在DNA中的遗传信息通过基因转移到蛋白质。信使核糖核酸和蛋白质之间的联系是通过解码遗传密码来实现的。信使核糖核酸上的每3个核苷酸被翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸。这3个核苷酸被称为代码，也称为三联体代码。在翻译过程中，从起始密码子AUG开始，密码子沿着mRNA53 的方向连续阅读，直到终止密码子，产生具有特定序列的多肽链蛋白。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，7，第1部分，遗传密码，1。三联体编码及其解码概念：如果3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有43=64个编码，可以满足编码20个氨基酸的需要。事实证明，在模板基因中插入或删除一个碱基会改变密码子后的所有氨基酸序列。如果模板同时插入和删除，插入和删除的碱基数量将相同，后续密码子序列不会改变，翻译的后续蛋白质序列将保持不变。如果同时缺失3个核苷酸，少一个氨基酸的蛋白质将被翻译，序列不会改变。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，8，第一部分遗传密码，1。三重码及其解码方法；在体外无细胞蛋白质合成系统中加入合成的聚大学混合共聚物；实验aa-tRNA和确定的三核苷酸序列使用重复共聚物；2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，9，第一部分遗传密码，2。遗传密码属性和密码的连续性。起始密码子决定了所有后续密码子的位置。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，10，密码学的退化。一个以上的密码子编码相同的氨基酸的现象称为简并，对应于相同氨基酸的几个密码子称为同义密码子。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，11，2。遗传密码的本质。同义密码子的第一个和第二个核苷酸通常是相同的，而第三个核苷酸的变化不一定影响编码的氨基酸。一般来说，编码氨基酸的密码子越多，蛋白质中氨基酸的频率越高(精氨酸是个例外)。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，12，Passw的普遍性和特殊性密码子表是通用的，适用于所有生物，但也有一些特殊情况。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，13，2。遗传密码密码子和反密码子相互作用的本质。在密码子和反密码子的配对中，前两对严格遵循碱基配对原则，第三对碱基具有一定的自由度并可以“摆动”，因此一些tRNA可以识别多个密码子。第2节tRNA，tRNA在蛋白质合成中起关键作用。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，14，tRNA不仅提供了每个三联体密码子翻译成氨基酸的缀合物，而且还提供了将所需氨基酸精确递送到核糖体的递送载体，核糖体也被称为第二遗传密码。特点：有特殊修饰的碱基，3端以CCA-OH结尾，这是氨基酸结合位点。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，15，2区tRNA，1。由于小片段的互补碱基配对，tRNA的二级结构形成三叶草状二级结构。根据三叶草状tRNA分子的结构或已知功能，有四个臂：受体臂：由链两端互补碱基序列形成的杆状结构；3端有不成对的3-4个碱基；在3端的CCA中，最后一个碱基2的烃基可以被氨基酰化。tC臂：其中代表假尿嘧啶，这是tRNA分子所拥有的一种不常见的核苷酸。反密码子臂：在套索的中心有一个三重反密码子。d臂：含有二氢尿嘧啶。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，16，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，17，tRNA的二级结构，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，18，1。tRNA的二级结构最常见的tRNA是76个碱基。所有tRNA含有74 95个核苷酸。tRNA长度的差异主要由两臂引起。在D臂中存在多达3个可变核苷酸位点。tRNA分子的最大变化发生在冗余臂上。一种是tRNA，它只含有3-5个核苷酸的冗余臂，占所有tRNA的75%；一种是具有较大冗余臂的tRNA，包括杆状结构上的5个核苷酸和套索结构上的3-11个核苷酸。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，19，1。tRNA的结构tRNA的三级结构tRNA的三级结构是左旋折叠tRNA。tRNA的三级结构与氨酰tRNA合成酶对tRNA的识别有关。在tRNA的功能翻译阶段，遗传信息从mRNA转移到具有非常不同结构的蛋白质分子。这些信息以三联体的形式存在，可以被翻译成单个氨基酸。tRNA的解码机制在这里起作用。氨基酸在蛋白质合成前被氨基酸合成酶激活，并在消耗三磷酸腺苷的条件下与氨基酸结合，生成具有蛋白质合成活性的氨基酸合成酶。氨基酸-tRNA上的反密码子和信使核糖核酸上的密码子相互识别和匹配，氨基酸被带到信使核糖核酸-核糖体复合物中，并插入正在合成的多肽链的适当位置。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，20，2区tRNA，3。tRNA起始tRNA和延伸tRNA的类型。一类能特异性识别信使核糖核酸模板上起始密码子的核糖核酸称为起始核糖核酸(原核起始核糖核酸携带甲酰甲硫氨酸)。其他trna统称为扩展trna。TRNA，同事。几个代表相同氨基酸的tRNAs被称为同功tRNAs。正确的tRNA。有两种类型：无义突变的纠正tRNA和错义突变的纠正tRNA。它们仍然通过修饰反密码子区域来纠正突变来合成原始氨基酸。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，21，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，22，无义突变和错义突变的校正，第2部分tRNA，4。氨基氨酰tRNA合成酶是一种催化氨基酸与tRNA结合的特殊酶。该反应包括两步：氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。Aaatpase (e) e-aa-ampppi氨酰基转移到tRNA e-aa-amp tRNAaa-tRNA eamp 3末端腺苷残基的2或3-羟基，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，23，第二部分tRNA。4.氨酰tRNA合成蛋白质的真实性主要取决于tRNA能否将正确的氨基酸放在正确的位置氨基酸tRNA合成酶应该能够识别tRNA和氨基酸，并且对两者都具有高特异性。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，第24部分，核糖体，在生物细胞中，核糖体的作用就像一个工厂，它可以沿着信使核糖核酸模板移动，并执行蛋白质合成的功能。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，25。核糖体是由几十种蛋白质和几个核糖体组成的亚细胞颗粒。细菌细胞中大约有20，000个核糖体，真核细胞中有106个核糖体。核糖体结构核糖体是一种紧密的核糖核蛋白颗粒，可以分解成两个亚单位，大的亚单位大约是小亚单位相对分子质量的两倍。每个亚单位包含一个大分子量rRNA和许多蛋白质分子。这些大分子rRNA可以在特定位点与蛋白质结合，从而完成核糖体不同亚单位的组装。原核核糖体由大约2/3的核糖核酸和1/3的蛋白质组成。在真核生物中，核糖核酸占核糖体的3/5，蛋白质占2/5。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，26，第三部分核糖体。1.核糖体结构原核生物、真核生物细胞质和细胞器中的核糖体有很大差异。下图：2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，27，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，28，大肠杆菌核糖体亚单位由21种蛋白质组成，表示为S1.分别为S21，大亚基由36种蛋白质组成，表示为L1.L36。在真核细胞的核糖体蛋白质中，大亚基包含49种蛋白质，小亚基包含33种蛋白质，它们的相对分子量在8103和4.0104之间。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，29，高功率电子显微镜下获得的原核生物70S核糖体结合大小亚基模型。核糖体分子可以容纳两个tRNA和大约40bp长的mRNA。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，30，1。核糖体的结构核糖体由三个tRNA结合位点组成，位于大亚基和小亚基之间的界面，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，31，2。核糖体的功能性核糖体存在于每个蛋白质合成细胞中。尽管它们在不同的生物体中大小不同，但它们的组织结构基本相同，功能也完全相同。核糖体包括5个以上的活性中心，即：信使核糖核酸结合位点、接收氨基酸tRNA的位点(位置A)、结合肽基tRNA的位点和在肽基转移位点(位置P)(转肽酶中心)形成肽键的位点。此外，还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，32，2。核糖体功能核糖体亚单位负责模板mRNA的序列特异性识别，如起始部分的识别、密码子与反密码子的相互作用等。mRNA的结合位点也在亚单位上。大亚基负责携带氨基酸tRNA、肽键的形成、氨基酸tRNA与肽链的结合、位、位、转肽酶中心等。在大亚单位上。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，33，2。核糖体功能核糖体可以在体内和体外解离成亚单位或结合成70S/80S颗粒。在翻译的初始阶段需要自由亚单位，然后它们结合成70S/80S粒子来开始翻译过程。肽链释放后，核糖体从信使核糖核酸中解离并解聚成亚单位，直接参与另一轮蛋白质合成。第4节蛋白质合成机理，蛋白质合成是一个必要的反应。真核生物中可能有近300种生物大分子参与蛋白质的生物合成，这些成分约占干细胞重量的35%。细胞用于合成代谢的总能量的90%消耗在蛋白质合成上。蛋白质的生物合成包括：氨基酸激活肽链的起始、延伸和终止，新合成肽链的折叠和加工，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，34，第4节蛋白质合成机制。1.氨基酸活性氨基酸是蛋白质生物合成的原料。只有当氨基酸在氨酰tRNA合成酶的作用下产生活性氨基酸 AA -tRNA时，它才能被准确地转运到核糖体并参与多肽链的起始或延伸。氨基酸活化反应包括两个步骤333Aaatpase (e) e-aa-ampppi氨酰基转移到trna e-aa-amptrna aa-trna eamp，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，35，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，36，20氨基酸结构的3末端腺苷残基的2或3-羟基上，第四部分是关于蛋白质合成机理。1.氨基酸激活的tRNA与相应氨基酸的结合是蛋白质合成的关键步骤。只有tRNA携带正确的氨基酸，才能保证多肽合成的准确性。在细菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸；因此，N-甲酰甲硫基-tNAFMET结合到核糖体的小亚单位上，并且在延伸上可以与Met-tRNAMet区分开。在真核生物中，多肽合成始于甲硫氨酰-tRNA靶的产生，体内有两个tRNA靶。只有甲硫氨酸-tRNA aimet可以与40S小亚基结合来启动肽链合成，而普通tRNA aimet携带的甲硫氨酸只能整合到延伸的肽链中。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，37，第4节蛋白质合成机制，2。翻译起始细菌的翻译起始需要以下7个组成部分：30小亚基、模板基因、FMET-tRNA-AFMET、3个翻译起始因子(IF-1、IF-2和IF-3)、GTP、50S大亚基、Mg2+。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，38，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，39。翻译起始可进一步分为三个步骤：30S小亚基和翻译起始因子IF-1、IF-3在IF-2和GTP的帮助下通过序列分析与mRNA结合，fMet-trna met进入小亚基的P位。tRNA上的反密码子和mRNA上的起始密码子匹配，tRNA、mRNA和三个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合。然后，翻译启动因子被释放。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，40，2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，41，30S亚基具有特异性识别和选择信使核糖核酸起始位点的特性，IF-3可以协助亚基完成这一选择。30S亚单位通过其16SrRNA的3-末端与Mrna 5末端起始密码子的上游碱基配对结合。2020/6/9，南京农业大学生命科学学院，42。所有原核生物的信使核糖核酸都有一个5-AGGAGU-3序列，它与30S亚单位上16SrRNA33末端的富含嘧啶的区域序列5-GAUCACUCUA