分子translation2014lsl单击此处编辑母版标题

1、分子生物学分子生物学 I 00818501/2 I 00818501/2（Molecular Biology I)Molecular Biology I)柳素玲柳素玲 办公室办公室: : 生命科学院生命科学院 318 318 电邮电邮: : 电话电话: : 助教：郑撼助教：郑撼 课代表课代表: :白冠华白冠华 翻译：在细胞质中翻译：在细胞质中, ,以以mRNAmRNA为模板为模板, ,合成具有一定氨合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。基酸顺序的蛋白质的过程。思考：思考： 组成蛋白质的氨基酸：组成蛋白质的氨基酸： 信使信使RNARNA的碱基：的碱基：4 4种碱基如何决定蛋白质的种碱基如何决定蛋

2、白质的2020种氨基酸呢？种氨基酸呢？2020种种4 4种种如果如果1 1个碱基决定个碱基决定1 1个氨基酸就只能决定个氨基酸就只能决定_种，即种，即如果如果3 3个碱基决定个碱基决定1 1个氨基酸就可决定个氨基酸就可决定_种，即种，即如果如果2 2个碱基决定个碱基决定1 1个氨基酸就只能决定个氨基酸就只能决定_种，即种，即4 416166464实验验证：实验验证：19611961年英国的年英国的CrickCrick和同事用实验证明一个和同事用实验证明一个氨基酸是由氨基酸是由mRNAmRNA的的3 3个碱基决定，即三联体密码子个碱基决定，即三联体密码子信使信使RNARNA上决定一个氨基酸的上决

3、定一个氨基酸的3 3个相邻的碱基个相邻的碱基密码子密码子: :决定氨基酸的密码子共有多少种？决定氨基酸的密码子共有多少种？氨基酸有多少种氨基酸有多少种? ?UCAUG A UUAmRNAmRNA密码子密码子密码子密码子密码子密码子遗传密码字典遗传密码字典lsense codons: 61 （start codon: 1）lstop codon: 3lThe degeneracy of the codel20 a.a.4有相同含义的密码子有相同含义的密码子称为同义密码子。但称为同义密码子。但是他们被使用的几率是他们被使用的几率相差很大。相差很大。密码子与反密码子密码子与反密码子A A U亮氨酸亮

4、氨酸AC U天冬氨酸天冬氨酸一种一种tRNAtRNA只能携带一种氨基酸只能携带一种氨基酸? ? 一种氨基酸只能由一种一种氨基酸只能由一种tRNAtRNA携带携带? ? AUG异亮氨酸异亮氨酸对对错错61 1、掌握遗传密码的基本规律和特性、掌握遗传密码的基本规律和特性2 2、掌握蛋白质合成的体系和蛋白质生物合成的、掌握蛋白质合成的体系和蛋白质生物合成的 基本过程。基本过程。3 3、掌握蛋白质合成后加工的主要方式以及蛋、掌握蛋白质合成后加工的主要方式以及蛋 白质合成后的输送。白质合成后的输送。78Where? RibosomesDirection on mRNA: 5-to- 3 directio

5、nDirection of protein synthesis: N-terminal to C-terminal9 1011l 20种氨基酸作为原料种氨基酸作为原料l 酶及蛋白因子，如酶及蛋白因子，如IF、eIF等等l ATP、GTP、无机离子、无机离子l 三种三种RNAl mRNAl rRNAl tRNA12遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron)cistron)。19551955年，美国分子生物学家本泽年，美国分子生物学家本泽（BenzerBenzer）通过）通过 对大肠杆菌的噬菌体对大肠杆菌的噬菌体T4T4的的rIIrII区基因

6、的深入研究，区基因的深入研究，揭示了基因内部揭示了基因内部 的精细结构。提出了基因的顺反子（的精细结构。提出了基因的顺反子（CistronCistron）概念。顺反子即结概念。顺反子即结 构基因，为决定一条多肽链合成的功能单位。构基因，为决定一条多肽链合成的功能单位。顺反子是一个遗传功顺反子是一个遗传功 能单位，一个顺反子决定一条多肽链，这就使能单位，一个顺反子决定一条多肽链，这就使以前一个基因一种酶以前一个基因一种酶 的假说发展为一个基因一种多肽的假说。的假说发展为一个基因一种多肽的假说。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的转录

7、生成的mRNAmRNA可编码几种功能相关的蛋白质，可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子（为多顺反子（polycistronpolycistron）。）。真核生物一个真核生物一个mRNAmRNA只编码一种蛋白质，为单顺只编码一种蛋白质，为单顺反子（反子（monocistronmonocistron）。）。 1314internal ribosome entry site , IRES可以同时表达多个基因mRNAmRNA结构简图结构简图15编码序列编码序列(codon sequence，CDS)：一条多肽链对应：一条多肽链对应的的mRNA序列，即位于起始密码子和终止密码子之序列，即位于起始密码子

8、和终止密码子之间的核苷酸序列。间的核苷酸序列。5CTGTCATAAAGATGTCACGGCCGAGACTTATAGTCGCT. .CATGAAAGCCGCTCTGGGGCTGAAATAAAACCGCGCCCGG316基因在结构上，分为编码区和非编码区两部分（其中非编码区对基因的表达主要起调控作用，如启动子等位于该区）。近来，实验证实非编码区也非常重要（ncRNA)。17非编码RNA（Non-coding RNA, ncRNA）是指不编码蛋白质的RNA。其中包括rRNA，tRNA，snRNA，snoRNA, microRNA和LncRNA等多种已知功能的 RNA，还包括未知功能的RNA。这些RN

9、A的共同特点是都能从基因组上转录而来，但是不翻译成蛋白，在RNA 水平上就能行使各自的生物学功能了。非编码RNA 从长度上来划分可以分为3类：小于50 nt，包括microRNA，siRNA (Small interfering RNA )，piRNA (Piwi-interacting RNA) ；50 nt到500 nt，包括rRNA，tRNA，snRNA(small nuclear RNA)，snoRNA( small nucleolar RNA ) 等等；大于500 nt，包括LncRNA，长的不带polyA 尾巴的非编码RNA等等。microRNAs 18 -25 nucleotid

10、e (nt) non-coding RNAs. Bind to the 3 untranslated region (UTR) of target mRNAs to repress their translation and stabilitymicroRNA: Small molecular, Big worldSmall is beautiful!Small is powerful! Oncology Bladder Breast Cervical Colon Leukemia Lung Pancreas Prostate Thyroid Brain Alzheimers Multiple

11、 Sclerosis Prion Disease Stroke Miscellaneous Atherosclerosis Cardiac Hypertrophy Diabetes HIV/HPV Infection Lupus Cellular Process Angiogenesis Apoptosis Cell Cycle Neuronal Differentiation Proliferation Telomerase Activity T-cell Activation Various Cell TreatmentmiRNA Disease AnalysisRegulate nume

12、rous aspects of normal and pathologic cellular processes, including cancer真核生物基因的编码区是不连续的，分为外显子和内含子（其中外显子是可以最终实现表达（表现在蛋白质的一级结构上），内含子则最终不能表达（所以真核生物基因表达过程中，转录产物mRNA不能直接进行翻译，而是要修剪掉内含子部分后才能去指导翻译)。原核生物的基因是连续的，所以谈不上外显子、内含子的区分。22mRNA分子上从分子上从5至至3方向，由方向，由AUG开始，每开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终

13、上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止 信 号 ， 称 为 三 联 体 密 码 （止 信 号 ， 称 为 三 联 体 密 码 （ t r i p l e t codon）。）。2353m7GpppAAAAn3非翻译区5非翻译区编码区AUGUAAORF从从mRNA 5端起始密码子端起始密码子AUG到到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联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条多肽链，称为开放体密码连续排列编码一条多肽链，称为开放阅读框架阅读框架 (open reading frame, ORF)。 24原核生物原核生物mRNAS-D序列序列 ：在原核生物，：在原核生物，m

14、RNA起始密码起始密码AUG上上游约游约813个核苷酸处，有个核苷酸处，有49个核苷酸组成的富含个核苷酸组成的富含嘌呤的一段序列，以嘌呤的一段序列，以AGGA为核心，因发现者为核心，因发现者是是Shine-Dalgamo而得名为而得名为S-D序列序列 (1974年年)，又称，又称为核糖体为核糖体16S rRNA 3端相结合的位点（端相结合的位点（ribosomal binding site，RBS）。）。 25 The 16S rRNA 3-terminus recognizes A special Shine-Dalgarno sequence, AGGA on mRNA.Prokaryot

15、es2627AGGA真核生物真核生物mRNA帽子结构：结合核糖体，增加稳定性；帽子结构：结合核糖体，增加稳定性；poly(A) 尾：增加稳定性，提高翻译效率。尾：增加稳定性，提高翻译效率。28由由rRNArRNA和多种蛋白质结合而成的一种较大的核糖核酸蛋白和多种蛋白质结合而成的一种较大的核糖核酸蛋白体（核糖体），是蛋白质生物合成的场所（装置）。体（核糖体），是蛋白质生物合成的场所（装置）。29核糖体是最小的细胞器，光镜下见不到的结构。在核糖体是最小的细胞器，光镜下见不到的结构。在19531953年由年由RibinsonRibinson和和BrounBroun用电镜观察植物细胞时发现胞质中存在一

16、种用电镜观察植物细胞时发现胞质中存在一种颗粒物质。颗粒物质。19551955年年PaladePalade在动物细胞中也看到同样的颗粒在动物细胞中也看到同样的颗粒, ,进一进一步研究了这些颗粒的化学成份和结构。步研究了这些颗粒的化学成份和结构。19581958年年RobertsRoberts根据化根据化学成份命名为核糖核蛋白体学成份命名为核糖核蛋白体, ,简称核糖体简称核糖体RibosomeRibosome。又称核蛋白。又称核蛋白体。体。核糖体除哺乳类成熟的红细胞外核糖体除哺乳类成熟的红细胞外, ,一切活细胞一切活细胞( (真核细胞、原真核细胞、原核细胞核细胞) )中均有中均有, ,它是进行蛋白

17、质合成的重要细胞器它是进行蛋白质合成的重要细胞器, ,在快速增殖、在快速增殖、分泌功能旺盛的细胞中尤其多。分泌功能旺盛的细胞中尤其多。成熟的哺乳动物的红细胞是没有细胞器和细胞核的（红细胞成熟后，均被排出细成熟的哺乳动物的红细胞是没有细胞器和细胞核的（红细胞成熟后，均被排出细胞外），成熟红细胞内的各种蛋白质胞外），成熟红细胞内的各种蛋白质( (血红蛋白、各种和有氧呼吸有关的酶血红蛋白、各种和有氧呼吸有关的酶) )，是，是靠它未分化之前的细胞产生的。成熟的红细胞寿命极短就是因为它没有细胞核。靠它未分化之前的细胞产生的。成熟的红细胞寿命极短就是因为它没有细胞核。31按存在的生物类型可分为两种类型：真

18、核生物核糖体(80S)和原核生物核糖体(70S)。按核糖体存在的部位可分为三种类型:细胞质核糖体、线粒体核糖体、叶绿体核糖体。核糖体分类核糖体分类核糖体无膜结构，主要由蛋白质(r-protein, 40%）和rRNA(60%）构成。核糖体按沉降系数分为两类，一类（70S）存在于细菌等原核生物中，另一类（80S）存在于真核生物的细胞质中。他们有的漂浮在细胞内，有的结集在一起。(1S=10-13秒)原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋核蛋白体白体原核生物原核生物真核生物真核生物蛋白质蛋白质 S S值值rRNArRNA蛋白质蛋白质S S值值rRNArRNA小亚基小亚基2121种种30S30S16S1

19、6S3333种种40S40S18S18S大亚基大亚基3434种种50S50S23S23S5S5S4949种种60S60S28S28S5.8S5.8S5S5S核糖体核糖体70S70S80S80SS: 沉降系数沉降系数33342009年10月7日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，英国剑桥大学科学家文卡特拉曼拉马克里希南、美国科学家托马斯施泰茨和以色列科学家阿达约纳特因“对核糖体结构和功能的研究”而共同获得2009年诺贝尔化学奖。核糖体的功能部位核糖体的功能部位A位：氨酰位：氨酰-tRNA结合结合位点（位点（aminoacyl-tRNA binding site，受位）；，受位）；P位：肽酰基位：肽

20、酰基-tRNA结结合位点（合位点（peptidyl-tRNA binding site，给位）；，给位）； E位：空位位：空位(exit site)，专供专供tRNA离开（真核细离开（真核细胞核糖体没有胞核糖体没有E位位, 转位转位时卸载的时卸载的tRNA直接从直接从P位脱落）；位脱落）；mRNA结合位点：核结合位点：核糖体小亚基；糖体小亚基；P位和位和A位紧密连位紧密连接，各占一个密接，各占一个密码子的距离。码子的距离。35转肽酶（转肽酶（Peptidytransferase)Peptidytransferase)部位：形成肽键，位于核糖体大亚基部位：形成肽键，位于核糖体大亚基36原核生物原

21、核生物 37核糖体在细胞内的存在形态：核糖体在细胞内的存在形态： 核糖体亚基、单核糖体和多核糖核糖体亚基、单核糖体和多核糖体。体。多核糖体：一定数目的单个核糖体多核糖体：一定数目的单个核糖体与一个与一个mRNA分子结合而成的念珠状分子结合而成的念珠状结构；大约每隔结构；大约每隔80个核苷酸结合一个个核苷酸结合一个核糖体。核糖体。每个核糖体独立完成一条肽链的合每个核糖体独立完成一条肽链的合成，在多核糖体上可同时进行多条成，在多核糖体上可同时进行多条肽链的合成，提高翻译效率。肽链的合成，提高翻译效率。38翻译的桥梁翻译的桥梁/ /接合体接合体 - tRNA - tRNA39tRNAtRNA的种类的

22、种类起始起始tRNAtRNA：真核生物：真核生物tRNAMettRNAMet，原核生物，原核生物tRNAfMettRNAfMet（N-N-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰tRNAtRNA）。）。同工同工tRNAtRNA：携带相同氨基酸而反密码子不：携带相同氨基酸而反密码子不同的一组同的一组tRNAtRNA。校正校正tRNAtRNA：生物体发生突变后，校正机制：生物体发生突变后，校正机制之一是通过校正基因合成一类之一是通过校正基因合成一类tRNAtRNA，经过，经过其反密码子上发生某种突变，以其反密码子上发生某种突变，以“代偿代偿”或校正原有突变所产生的不良后果，以维或校正原有突变所产生的不良后果，以维

23、持翻译作用译码的相对正确性，从而翻译持翻译作用译码的相对正确性，从而翻译出正常蛋白质，这类出正常蛋白质，这类tRNAtRNA称为校正称为校正tRNA tRNA 。可有多种校正可有多种校正tRNAtRNA携带同一种氨基酸。携带同一种氨基酸。 40The specificity for codon recognition resides in the tRNA portion of an aminoacyl-tRNA: the anticodon41翻译精确性的保证：翻译精确性的保证： 密码子密码子-反密码子反密码子-氨基酸氨基酸1962，Lipmann, Benzer, G. Von Ehren

24、stein核糖体识别氨酰tRNA中的tRNA而非氨基酸Ala-tRNA-Cys42The tRNA anticodon！兰尼镍兰尼镍半胱氨酸半胱氨酸丙氨酸丙氨酸43兰尼镍兰尼镍半胱氨酸半胱氨酸丙氨酸丙氨酸反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂tRNAtRNA在翻译过程中起接合在翻译过程中起接合体（体（adaptoradaptor）作用，又是）作用，又是氨基酸的运载体。氨基酸的运载体。44Enzyme: 20 Aminoacyl-tRNA synthetases for 20 different amino acid.Recognition: tRNAs for the same AA should

25、have some common recognition sites (bases next to the anticodon) for the enzyme45氨基酸氨基酸 + tRNA氨酰氨酰- tRNAATP AMPPPi氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶（一）氨酰（一）氨酰-tRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)461. Aminoacyl-AMP3-OH2. Charged tRNA47第一步反应：第一步反应： 氨基酸氨基酸ATP ATP 氨基酰氨基酰-AMP-AMP PPi PPi 消耗两个高能键消耗两个高能键PPi48腺苷 氨酰氨酰-tRNA合成酶

26、合成酶第二步反应：第二步反应：氨基酰氨基酰-AMP -AMP tRNA tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA -tRNA AMP AMP 氨基酸活化部位为氨基酸活化部位为-羧基；羧基；氨基酸与氨基酸与tRNA连接方式为酯键。连接方式为酯键。-羧基羧基49氨酰-tRNA合成酶50末端腺苷酸末端腺苷酸氨基酸氨基酸氨酰氨酰 AMP氨酰氨酰 AMP氨酰氨酰 tRNA氨酰氨酰 tRNA合成酶合成酶氨酰氨酰 tRNA合成酶合成酶焦磷酸盐焦磷酸盐51氨基酰氨基酰-AMP-AMP氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA氨酰氨酰 tRNA合成酶合成酶tRNA与酶的结合模型与酶的结合模型52氨氨(基基)酰酰-tRNA合成酶的

27、特点合成酶的特点专一性专一性对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶；只作用于对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶；只作用于L(左旋左旋)-氨基酸，不作用于氨基酸，不作用于D(右旋右旋)-氨基酸；消耗氨基酸；消耗2个高能磷酸键。个高能磷酸键。（20种氨酰种氨酰-tRNA合成酶）合成酶） 对对tRNA 具有极高专一性（第二遗传密码系统具有极高专一性（第二遗传密码系统 (合成酶来识别对应合成酶来识别对应的的tRNA并携带正确的氨基酸并携带正确的氨基酸) -目前大部分还没有被破译目前大部分还没有被破译,存在于氨存在于氨酰酰-tRNA合成酶的结构中合成酶的结构中)，能识别与此氨基酸相对

28、应的一个或多，能识别与此氨基酸相对应的一个或多个个tRNA 分子。分子。校对作用：氨酰校对作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活合成酶的水解部位可以水解错误活 化的氨基酸。翻译过程的错误频率化的氨基酸。翻译过程的错误频率10-4。53l氨酰氨酰-tRNA的表示方法：的表示方法：lAla-tRNAAla lSer-tRNASerlMet-tRNAMet 54氨基酸的活化形式：氨(基)酰tRNA氨基酸的活化部位：羧基氨基酸与tRNA连接方式：酯键氨基酸活化耗能：2个Pi(高能键）真核生物：真核生物： Met-tRNAiMet Met-tRNAiMet （i-initiationi-in

29、itiation）原核生物：原核生物： fMet-tRNAifMet fMet-tRNAifMetMet-tRNAfMetMet-tRNAfMet甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA-tRNAfMet-tRNAfMetfMet-tRNAfMetN-N-甲酰甲酰- -甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA-tRNA甲酰四氢叶酸甲酰四氢叶酸起始肽链合成的氨酰起始肽链合成的氨酰-tRNA-tRNAMet-tRNAifMetfMet-tRNAifMet转甲酰基酶N10-CHO FH455Most fMet is removed by methionine aminopeptidase (MAP) in post-trans

30、lational processing56氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶转甲酰激酶转甲酰激酶 翻译的起始翻译的起始 (initiation) 翻译的延长翻译的延长 (elongation) 翻译的终止翻译的终止 (termination )整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为 ：5758翻译的起始翻译的起始 (initiation)指指mRNAmRNA和起始氨酰和起始氨酰-tRNA-tRNA分别与核糖体结分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物合而形成翻译起始复合物 (translational (translational initiation complex)initiation com

31、plex)。起始氨酰起始氨酰-tRNA-tRNA真核生物：真核生物： Met-tRNAiMet Met-tRNAiMet原核生物：原核生物： fMet-tRNAifMet fMet-tRNAifMet起始之前的两个重要事件：起始之前的两个重要事件：1.tRNA1.tRNA负载（负载（tRNA charging)-tRNA charging)-产生氨酰产生氨酰tRNAtRNA。2.2.核糖体解离为两个亚基。核糖体解离为两个亚基。The initiator tRNAfMet , the first Met has a blocked amino group-by formyl group -COH

32、Met is added to fMet-tRNA, the transformylase then add the formyl-groupA different Met-tRNA for internal AUG60成熟的蛋白质将切除fMet.61Clarke and Marcker 反向流分配实验：反向流分配实验：tRNAMet: 移动快，移动快， 可负载甲硫氨酸可负载甲硫氨酸 AUGtRNAfMet: 移动慢，所结合的甲硫氨酸能被甲酰化移动慢，所结合的甲硫氨酸能被甲酰化 AUG (90%), UUG (1%), GUG (8%)30S 、50S subunits, mRNA, fMet

33、-tRNAfMet, Initiation factors: IF-1, IF-2, IF-3 GTPMg2+62原核生物翻译起始复合物形成原核生物翻译起始复合物形成1、核糖体大小亚基分离；、核糖体大小亚基分离；2、mRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；3、起始氨基酰、起始氨基酰-tRNA的结合；的结合； 4、核糖体大亚基结合。、核糖体大亚基结合。63参与起始过程的蛋白质因子称起始因子参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factorinitiation factor，IFIF）。）。原核生物的起始因子：原核生物的起始因子： IF1、IF2和和IF3。IF-1：占据：占据A位防止结合位防止结合fmet-tRNAfmet。IF-2：促进：促进fMet-tRNAi与小亚基结合。与小亚基结合。IF-3：促进大小亚基分离，提高：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA敏感性。敏感性。64只有fmet-tRNAfmet能与第一个P位点相结合，其他所有tRNA都必须通过A位点到达P位点，再由E位点离开核糖体。IF1 prevent fmet-tRNAfmet binds to A site. IF2 help fmet-tRN