华中农大分子分子生物学

1、第四章 生物信息的传递（下） 从mRNA到蛋白质 DNARNA 蛋白质 复制 转录 翻译 逆转录 RNA 复制 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 tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、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合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制 Contents 一、遗传密码三联子 （一）三联子密码定义 mRNA链上每三

2、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(triplet coden) 。 mRNA 5 GCU AGU ACA AAA CCU 3 （二）三联子密码破译 mRNA 5 AUCGACCUGAGC 3 4 20 () mRNA 5 AUCGACCUGAGC 3 42=16 20 () mRNA 5 AUCGACCUGAGC 3 43=64 20 () 核甘酸序列 氨基酸序列 至1966年，20种氨基酸对应的61个密码子和三 个终止密码子全部被查清。 遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。 （三）遗传密码的性质 1、简并性 由一种以上密码子编码同

3、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（synonymous codon）。 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 简述密码的简并性（degeneracy)和同义密 码子（synonymous codon) 武汉大学2003年试题 （三）遗传密码的性质 2、普遍性与特殊性 ? 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到 人类都通用。 ? 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植 物细胞的叶绿体。 生物 密码 子 线粒体DNA编 码的氨基酸 核DNA编码的 氨基酸 所有 UGA 色氨酸

4、 终止子 酵母 CUA 苏氨酸 亮氨酸 果蝇 AGA 丝氨酸 精氨酸 哺乳类 AGA/G 终止子 精氨酸 哺乳类 AUA 甲硫氨酸 异亮氨酸 线粒体与核DNA密码子使用情况的比较 （三）遗传密码的性质 3、 连续性 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密 码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。 ?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 (frameshift mutation) 。 从mRNA 5?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

5、，称为开放 阅读框架(open reading frame, ORF)。 （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 摆动配对摆动配对 mRNA 5AUUAUC AUA3 UAI Ile 5 UAI Ile 5 UAI Ile 5 tRNA 333 密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、反密码子配对的摆动现象 tRNA反密码子 第1位碱基 I U G A C mRNA密码子 第3

6、位碱基 U, C, A A, G U, C U G 遗传密码三联子 tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、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合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制 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 二、tRNA的结构、功能与种类 （一） tRNA的结构 2、三级结构： “L” 形 氢键 三叶草二级结构具有四个臂 L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直 3 T C 环 氨基酸茎 3 5 氨基酸茎 5 D 环 D 环 T C 环 可变环 可变环 反密码子环 反密码子环 图 14-15 tRN

7、A 由三叶草型折叠成 L 型三维结构 （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 3 5 I CCA- OH 5 3 G G C C C G 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。 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（P111）。 P111、P120： 真核生物：起始密码子AUG 所编

8、码的氨基酸是Met， 起始AA-tRNA为Met-tRNA Met。 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，起始 AA-tRNA为 fMet-tRNA fMet 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（P112）。 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、UA

9、A），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） 无义突变使 UUG 变为 UAG Tyr-tRNA 阅读 UAG 密码子 AUG UUG UAA AUG UAG UAA AUG UAG UAA UAC AAC AUC AUG 释放因子 抑制突变 Leu Tyr Tyr 图 1417 带有突变反密码子的 tRNA 可抑制无义突变 无义突变 表 14-6 由反密码子突变而产生的无义抑制基因 野生型 抑制基因基因

10、 tRNA 识别的密码子反密码子反密码子识别的密码子 SupD(su1)SerUCGCGACUAUAG SupE(su2)GlnCAGCUGCUAUAG SupF(su3)TyrUAC, UAUGUACUAUAG SupC(su4)TyrUAC/UAUGUAUUAUAA/UAG SupG(su5)LysAAA/AAGUUUUUAUAA/UAG SupU(su7)TrpUGGCCAUCAUGA/UGG 错义抑制 错义突变 错义突变 AUG AGA UAA AUG GGA UAA AUG AGA UAA UCU CCU UCU 抑制突变 Arg Gly Gly 图 14-18 反密码子发生突变可抑

11、制错义突变 遗传密码三联子 tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、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合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制 Contents 三、核糖体的结构与功能 （一）核糖体的结构 核核 糖糖 体 的的 组组 成 表14-7 原核和真核生物核糖体的组成及功能 核糖体亚基 rRNAs 蛋白 RNA的特异顺序和功能 细菌 70S 50S 23S=2904b 31种(L1-L31）含CGAAC和GTCG互补 2.5106D 5S=120b 66%RNA 30S 16S=1542b 21种(S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)和S-D 顺序(A

12、GGAGG)互补 哺乳动物 80S 60S 28S=4718b 49种 有GAUC和tRNAfMat的TCG互补 4.2106D 5S=120b 60%RNA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 33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 在单个核糖体上，可化分多个功能活性中心，在蛋白 质合成过程中各有专一的识别作用和功能。 mRNA结合部位小亚基 结合或接受AA-tRNA部位（A位）大亚基 结合或接受肽基tRNA的部位大亚基 肽基转移部位（P位）大亚基 形成肽键的部位（转肽酶中心） 大亚基 遗传密码三联子 tRNAtRNA的结构、功能与种

13、类的结构、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合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制 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 氨基酸 + tRNA 氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰-tRNA合成酶 ? 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 (proofreading activity) 。 ? 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNA Ala Ser-tRNA Ser Met

14、-tRNA Met 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-tRNA fMet 甲硫氨酸 Met-tRNA Met 第一步反应第一步反应 氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi 目 录 第二步反应第二步反应 氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E 目目 录录 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-tRNA fMet、GTP、Mg

15、2+ 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： （P122） 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。 A U G 5 3 IF-3 IF-1 S-D序列序列 IF-3 IF-1 IF-2 GTP 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。 A U G 5 3 IF-3 IF-1 IF-2 GTP GDP Pi 4 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，

16、GTP水解，释放翻译起始因子。 A U G 5 3 IF-3 IF-1 A U G 5 3 GTP IF-2 -GTP GDP Pi 真核生物翻译起始的特点真核生物翻译起始的特点 核糖体较大,为； 起始因子比较多； mRNA 5端具有m7Gppp帽子结构 Met-tRNAMet 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-tRNA fMet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-tRNA Met相结 合，再与模板mRNA结合，最

17、后与60S大亚基结合生 成80SmRNAMet-tRNA Met起始复合物（P120）。 met 40S 60S Met Met 40S 60S mRNA eIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-3 GDP+Pi 各种elF释放 elF-5 ATP ADP+Pi elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB Met Met-tRNA Met-elF-2 -GTP 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(elongation factor, EF

18、) ： 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-Ts EF-Tu-Ts + GDP EF-Tu-Ts + GTP EF-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( tr

19、anslocase ) 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 A U G 5 3 fMet Tu GTP 目 录 原原 核核 肽 链链 合合 成 终终 止止 过 程程 （四）肽链的终止 RF1：识别终止密码子UAA和UAG 终止因子 RF2：识别终止密码子UAA和UGA RF3：具GTP酶活性，刺激RF1和 RF2 活性，协助肽链的释放 （原核生物） 真核生物只有一个终止因子（ eRF） (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 两个半胱氨酸-SH -SH -SH 二硫键

20、 氧化 3、特定氨基酸的修饰 磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羟 基化和羧基化 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 (六)蛋白质合成抑制剂 ? 1 ? ? ? ? - ? ? ? ? ? ? 1 AA-tRNA ? o ? ? ? ? o ? ? 1 ? ? ,D ? ? 1 ? ? , ? ? AA-tRNA ? o ? ? ? ? o ? ? ? ? ? 1 ? ? ? ? y ? e ? ? ? ? ? ? 1 ? ? ? 1 mRNA ? o ? ? ? ? o ? ? ? ? 1 ? ? ? o ? ? o ? ? ? ?

21、 A ? ? ? ? ? ? AA-tRNA ? ? ? ? 遗传密码三联子 tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、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合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制 Contents 五、蛋白质的运转机制 蛋白性质 运转机制 主要类型 分泌 蛋白质在结合核糖体上 合成，并以翻译-运转同 步机制运输 免疫球蛋白、卵蛋白、水 解酶、激素等 细胞器发 育 蛋白质在游离核糖体上 合成，以翻译后运转机 制运输 核、叶绿体、线粒体、乙 醛酸循环体、过氧化物酶 体等细胞器中的蛋白质 膜的形成 两种机制兼有 质膜、内质网、类囊体中 的蛋白质 1、翻译-运转

22、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）。 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 2、翻译后运转机制 (1)线粒体蛋白质跨膜运转线粒体蛋白质跨膜运转 (2)叶绿体蛋白质的跨膜运转叶绿体蛋白质的跨膜运转 （3）核定位蛋白的运转机制 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） 2tRNA分子上结合氨基酸的序列是 ACAA-3 BCCA-3 CAAC-3 DACA-3 EAAC-3 （B） 3遗传密码 A20种氨基酸共有64个密码子 B