MBChapter3-Proteintranslation

1、Prepared and presented byDengyue YuanMolecular Biology第三章第三章 蛋白质的翻译蛋白质的翻译Question：参与蛋白质合成的物质有哪些？：参与蛋白质合成的物质有哪些？Brainstorming and Discussion合成的场所合成的场所：核糖体：核糖体(含有含有rRNA)。合成的模板：合成的模板：mRNA。合成的原料：合成的原料：20种氨基酸。种氨基酸。氨基酸载体：氨基酸载体：tRNA。酶：酶：氨基酰氨基酰-tRNA合成酶。合成酶。蛋白质因子：起始因子蛋白质因子：起始因子(initiation factor, IF)、延长因子、延长

2、因子(elongation factor, EF)、释放因子、释放因子（终止因子）（终止因子）(release factor, RF) 等等 。参与蛋白质生物合成的物质参与蛋白质生物合成的物质第一节第一节 遗传密码遗传密码-三联子三联子Molecular BiologymRNA分子上每分子上每3个核苷酸构建一个密码子，编码某一特个核苷酸构建一个密码子，编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号，称为定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联三联体密码体密码(triplet codon)，也称，也称遗传密码子遗传密码子(genetic codon)。Abstract开放读码开放读

3、码框架框架: 从从mRNA 5端端起始密码子起始密码子AUG到到3端端终止终止密码子密码子UAA(UAG、UGA)之间的核苷酸序列，称为之间的核苷酸序列，称为开放读开放读码码框架框架(open reading frame, ORF)。Abstract53GG U CCAUCUG A C U A A1、遗传密码、遗传密码的试拼的试拼所有所有mRNA中只有中只有A、G、C、U四种核苷酸，而蛋白质有四种核苷酸，而蛋白质有20种种氨基酸。氨基酸。若若1个碱基对应一种氨基酸，则个碱基对应一种氨基酸，则41=4种氨基酸种氨基酸;若若2个碱基编码一种氨基酸，则个碱基编码一种氨基酸，则42=16种氨基酸种氨基

4、酸;若若3个碱基编码一种氨基酸，则个碱基编码一种氨基酸，则43=64种氨基酸种氨基酸;若若4个碱基编码一种氨基酸，则个碱基编码一种氨基酸，则44=256种氨基酸。种氨基酸。一、遗传密码的破译一、遗传密码的破译2、三联体密码、三联体密码子的子的证实证实结果：加入或减少三个密码子时，读码框不变。结果：加入或减少三个密码子时，读码框不变。一、遗传密码的破译一、遗传密码的破译“加字加字”突变突变“减字减字”突变突变3、三联体密码子的、三联体密码子的解读解读无细胞系统的建立：无细胞系统的建立：1961年，年，Nirenberg；三联体三联体结合硝酸纤维滤膜实验：结合硝酸纤维滤膜实验：1964年，年，Ni

5、renberg；重复重复共聚物：共聚物：Khorara。密码子的书写：密码子的书写：Codon 5-AUC-3Anticodon 3-UAG-5一、遗传密码的破译一、遗传密码的破译1968年，诺贝尔生理学或医学奖年，诺贝尔生理学或医学奖(The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968)“for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis”Marshall W. NirenbergHar Gobind KhoranaRobert W. H

6、olley4、终止密码子的、终止密码子的确定确定1964年年Brenner获得获得T4噬菌体编码头部蛋白基因的琥珀突变噬菌体编码头部蛋白基因的琥珀突变(amber)，突变型的肽链比野生型的要短，推测琥珀突变可能产生，突变型的肽链比野生型的要短，推测琥珀突变可能产生终止密码子终止密码子。1965年年Weigert,M.和和Garen证明证明E.coli中无义密码子的碱基组成中无义密码子的碱基组成为为UAA和和UAG。1967年年Brennr和和Crick证明证明UGA是第三个无义密码子是第三个无义密码子。一、遗传密码的破译一、遗传密码的破译Genetic codon table1、方向性、方向性

7、密码子密码子及组成密码子的各碱基在及组成密码子的各碱基在mRNA中的排列具有方向性，中的排列具有方向性，阅读方向是阅读方向是53方向。方向。二、二、遗传密码遗传密码的性质的性质2、连续性、连续性(commaless)mRNA中密码子及密码子的各碱基是连续排列的，无间隔，又中密码子及密码子的各碱基是连续排列的，无间隔，又称无标点称无标点性性(non-punctuation)。二、二、遗传密码遗传密码的性质的性质密码子间既无间断也无重叠密码子间既无间断也无重叠Question：三联体密码三联体密码子子有有64种，为何只编码种，为何只编码20种蛋白质？种蛋白质？Brainstorming and D

8、iscussion3、简并性、简并性(degeneracy)简并性简并性：指一种氨基酸具有：指一种氨基酸具有2个或个或2个以上密码子。除个以上密码子。除色氨酸色氨酸和和甲硫氨酸甲硫氨酸有有1个密码子，其余氨基酸有个密码子，其余氨基酸有2，3，4个或个或6个密码子。个密码子。简并密码子简并密码子：为同一氨基酸编码的各密码子，又称：为同一氨基酸编码的各密码子，又称同义密码子同义密码子。二、二、遗传密码遗传密码的性质的性质密码子的简并性密码子的简并性(degeneracy)氨基酸氨基酸密码子数目密码子数目氨基酸氨基酸密码子数目密码子数目丙氨酸丙氨酸(Ala)4甘氨酸甘氨酸(Gly)4精氨酸精氨酸(A

9、rg)6组氨酸组氨酸(His)2天冬酰胺天冬酰胺(Asn)2异亮氨酸异亮氨酸(Ile)3天冬氨酸天冬氨酸(Asp)2亮氨酸亮氨酸(Leu)6半胱氨酸半胱氨酸(Cys)2赖氨酸赖氨酸(Lys)2谷氨酰胺谷氨酰胺(Gln)2甲硫氨酸甲硫氨酸(Met)1谷氨酸谷氨酸(Glu)2苯丙氨酸苯丙氨酸(Phe)2脯氨酸脯氨酸(Pro)2丝氨酸丝氨酸(Ser)6苏氨酸苏氨酸(Thr)4色氨酸色氨酸(Trp)1酪氨酸酪氨酸(Tyr)2缬氨酸缬氨酸(Val)4一般一般简并密码子前简并密码子前2位碱位碱基相同，第基相同，第3位碱基不同。位碱基不同。密码子第三位碱基密码子第三位碱基的特异性的特异性降低降低。密码子的简

10、并性密码子的简并性(degeneracy)4、通用性和特殊性通用性和特殊性从从最简单的病毒，一直到人类，都使用同一套遗传密码。最简单的病毒，一直到人类，都使用同一套遗传密码。虽然密码子有通用性，但也虽然密码子有通用性，但也发现发现少数少数例外。如例外。如线粒体中的密码线粒体中的密码子子AUA是起始密码子兼甲硫氨酸是起始密码子兼甲硫氨酸密码子。密码子。二、二、遗传密码遗传密码的性质的性质5、摆动、摆动性性(wobble)mRNA密码子与密码子与tRNA反密码子配对，有时出现不遵从碱基配对反密码子配对，有时出现不遵从碱基配对规律的情况，称为密码子的摆动性，又称摆动配对。规律的情况，称为密码子的摆动

11、性，又称摆动配对。常见于常见于密码子第三位密码子第三位和和反密码子第一位反密码子第一位。其能使。其能使1种种tRNA识别识别mRNA多种密码子多种密码子。二、二、遗传密码遗传密码的性质的性质密码子的摆动性密码子的摆动性(wobble)密码子密码子与与反密码子配对的摆动性反密码子配对的摆动性密码子的摆动性密码子的摆动性(wobble)tRNA反密反密码子第码子第1位位碱基碱基IUGACmRNA反密反密码子第码子第3位位碱基碱基A、U、CA、GC、UUG第第二二节节 tRNAMolecular BiologyMolecular BiologyContent一一、tRNA的结构与功能的结构与功能二、

12、二、tRNA的种类的种类三、氨酰三、氨酰tRNA合成酶合成酶一、一、tRNA的结构与功能的结构与功能1、tRNA的三叶草形二级结构的三叶草形二级结构受体受体臂臂(acceptor arm)：在：在3端永远是端永远是4个碱个碱基基(XCCA)的的单链单链区，在其末端有区，在其末端有2-OH或或3-OH，是被氨基酰化位点。，是被氨基酰化位点。此臂负责此臂负责携带特异的氨基酸。携带特异的氨基酸。TC臂：常臂：常由由5bp的茎和的茎和7nt的环组成。的环组成。此臂负责和核糖体上此臂负责和核糖体上的的rRNA识别识别结合结合。1、tRNA的三叶草形二级结构的三叶草形二级结构反密码子臂反密码子臂(anti

13、codon arm)：常：常由由5bp的茎区和的茎区和7nt的环区组的环区组成，成，它负责对密码子的识别与配对它负责对密码子的识别与配对。D环环(D arm)：茎：茎区长度常为区长度常为4bp，也称双氢尿嘧啶环。，也称双氢尿嘧啶环。负责和负责和氨基酰氨基酰tRNA聚合酶结合聚合酶结合。额外环额外环(extra arm)：可变性：可变性大，从大，从4nt到到21nt不等，其功能是不等，其功能是在在tRNA的的L型三维结构中负责连接两个区域（型三维结构中负责连接两个区域（D环反密码子环反密码子环和环和TC-受体受体臂（臂（：拟尿嘧啶）。：拟尿嘧啶）。tRNA的三叶草形二级结构的三叶草形二级结构核糖

14、体结合位点酶结合位点氨基酸结合位点密码子结合位点一、一、tRNA的结构与功能的结构与功能2、tRNA的的L形三级结构形三级结构2、tRNA的的L形三级结构形三级结构(1) 氨基酸氨基酸受体臂位于受体臂位于L型的型的一侧，距一侧，距反反密码子环约密码子环约70A。tRNA执行特定功能的执行特定功能的区域在空间上被最大程度地分开。区域在空间上被最大程度地分开。(2) D环和环和TC环形成了环形成了“L”的转角。的转角。(3) 在在一些保守和半保守的碱基之间形成一些保守和半保守的碱基之间形成很多三级很多三级氢键，使氢键，使分子形成分子形成L形，并形，并使结使结构稳定构稳定。2、tRNA的的L形三级结

15、构形三级结构(4) 不同于不同于DNA，涉及到与磷酸核糖，涉及到与磷酸核糖主链相互作用的三级结构的磷酸二酯主链相互作用的三级结构的磷酸二酯键分布在核糖的键分布在核糖的2-OH上。上。(5)几乎所有的碱基平面之间都产生碱几乎所有的碱基平面之间都产生碱基堆积的作用。基堆积的作用。二、二、tRNA的种类的种类（1）起始起始tRNA和延伸和延伸tRNA：原核生物：原核生物起始起始tRNA携带携带甲酰甲酰甲甲硫氨酸硫氨酸(fMet)，真核生物起始真核生物起始tRNA携带携带甲硫氨酸甲硫氨酸(Met)。（2）同工同工tRNA：代表：代表同一种氨基酸的同一种氨基酸的tRNA称为同工称为同工tRNA。同工同工

16、tRNA既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要被同一码，又要被同一AA-tRNA合成酶识别。合成酶识别。（3）校正校正tRNA：通过：通过改变反密码子区校正编码区突变的改变反密码子区校正编码区突变的tRNA称为校正称为校正tRNA，其分为无义突变及错义突变校正。，其分为无义突变及错义突变校正。无义突变无义突变：在在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变可能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，使蛋白质合成提使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子，使蛋白质合成提前终止，合成无功能或无意义的多肽。

17、前终止，合成无功能或无意义的多肽。无义突变无义突变校正校正：校正：校正tRNA携带氨基酸通过正常的终止密码子。携带氨基酸通过正常的终止密码子。（3）校正校正tRNA错义突变错义突变：是由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基：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一种氨基酸的密码。酸的密码变成另一种氨基酸的密码。错义突变错义突变校正校正：校正：校正tRNA通过反密码子区的改变把正确的氨通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽链上，合成正常的蛋白质基酸加到肽链上，合成正常的蛋白质（反密码子反密码子与突变的编码与突变的编码子配对，但是携带了野生型的子配对，但是携带了野生型的氨基酸

18、）。氨基酸）。三三、氨、氨酰酰tRNA合成酶合成酶氨氨酰酰tRNA(aminoacyl-tRNA, AA-tRNA)：tRNA装载上与其反密码装载上与其反密码子相应的子相应的氨基酸。氨基酸。它与氨基酸的连接是通过羰基它与氨基酸的连接是通过羰基(-COOH)同同tRNA 3端碱基的核糖端碱基的核糖2或或3-OH形成的酯键形成的酯键。氨氨酰酰tRNA合成酶合成酶(Aminoacyl-tRNA sythetase)：催化：催化tRNA携带氨携带氨基酸的特异性基酸的特异性酶。酶。至少有至少有20 种氨酰种氨酰-tRNA合成酶，每一个识别一种合成酶，每一个识别一种氨基酸和所有相应该氨基酸的氨酰氨基酸和所

19、有相应该氨基酸的氨酰tRNAs。tRNA合成酶高度特异，对氨基酸和合成酶高度特异，对氨基酸和tRNA都有极高的专一性，且都有极高的专一性，且只作用于只作用于L-氨基酸氨基酸。三三、氨、氨酰酰tRNA合成酶合成酶氨氨酰酰tRNA合成酶是一类催化氨基酸与合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶，其结合的特异性酶，其反应式如下：反应式如下：AA + tRNA + ATP AA-tRNA + AMP + PPi它实际上包括两步反应：它实际上包括两步反应：（1）氨基酸活化生成酶）氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。氨酰腺苷酸复合物。AA + ATP + 酶酶(E) E-AA + AMP + PPi

20、（2）氨酰基转移到）氨酰基转移到tRNA3末端腺苷残基的末端腺苷残基的2或或3-羟基上。羟基上。E-AA + AMP + tRNA AA-tRNA + E + AMP 第三节第三节 核糖体核糖体(ribosome)Molecular BiologyMolecular BiologyContent一一、核糖体的结构、核糖体的结构二、核糖体的化学二、核糖体的化学组成组成三、核糖体的功能三、核糖体的功能Abstract核糖体是包含两个亚基的核糖体是包含两个亚基的核糖核蛋白颗粒核糖核蛋白颗粒，是合成蛋白质的场所，是合成蛋白质的场所，其功能是合成多肽链其功能是合成多肽链。核糖体既可以游离在核糖体既可以游

21、离在细胞质细胞质中，也可以中，也可以结合到内质网上或与细胞骨结合到内质网上或与细胞骨架结构相关联架结构相关联。细胞细胞有两种主要的核糖体类型有两种主要的核糖体类型:(1) 原核细胞原核细胞的的核糖体：沉降系数核糖体：沉降系数为为70S，由，由50S和和30S两个亚基组成。两个亚基组成。(2) 真核细胞真核细胞的的核糖体：沉降系数核糖体：沉降系数是是80S，由，由60S和和40S两个亚基组成。两个亚基组成。一一、核糖体的结构、核糖体的结构核糖体由大小两个亚基构成：核糖体由大小两个亚基构成：(1) 大亚基：大亚基：呈呈半圆形，一侧伸出三个突起，中央有一凹陷。半圆形，一侧伸出三个突起，中央有一凹陷。(2) 小亚基：小亚基：呈呈长条形，约于长条形，约于1/3长度处有一细的缢痕，使小亚单位长度处有一细的缢痕，使小亚单位分为大小两个部分分为大小两个部分。二者二者结合起来时，凹陷部位彼此对应，形成一隧道。结合起来时，凹陷部位彼此对应，形成一隧道。一一、核糖体的结构、核糖体的结构大亚基小亚基在不进行蛋白质合成时，大小亚基呈游离状态。在不进行蛋白质合成时，大小亚基呈游离状态。二、二、核糖体核糖体的化学组成的化学组成1、核糖体结