分子生物学生物信息的传递

分子生物学生物信息的传递第1页，共87页，2023年，2月20日，星期四第三章生物信息的传递

——翻译参与蛋白质合成的物质蛋白质合成的基本过程蛋白质合成后的加工修饰影响蛋白质合成的物质蛋白质运转机制第2页，共87页，2023年，2月20日，星期四

基因表达（geneexpression)：转录和翻译。第3页，共87页，2023年，2月20日，星期四翻译(translation)：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。以mRNA为模板合成蛋白质的过程。第4页，共87页，2023年，2月20日，星期四一、参与蛋白质合成的物质蛋白质合成的场所是

核糖体蛋白质合成的模板是

mRNA模板与氨基酸之间的接合体是

tRNA蛋白质合成的原料是

氨基酸多种蛋白因子和酶第5页，共87页，2023年，2月20日，星期四（一）蛋白质合成的原料20种氨基酸(二）蛋白质合成的模板mRNA(messengerRNA)

结构：

mRNA为单链，但含有部分双链形成发夹结构。功能：传递DNA上的遗传信息，作为模板指导蛋白质合成。其上的遗传密码，决定蛋白质氨基酸的组成和顺序。

在DNA（或mRNA)链上，每三个相邻的碱基序列构成一个三联体，每个三联体密码能编码某种氨基酸，这种三联体又称三联体密码（tripletcode）、遗传密码（geneticcode）或密码子（codon）。第6页，共87页，2023年，2月20日，星期四1、遗传密码的破译美国生物学家尼伦伯格（Nirenberg）等人在961～1966年期间成功破译了遗传密码。（1）理论推断遗传密码为三联体（2）实验证实各种三联体编码的氨基酸人工合成的RNA为模板合成多肽核糖体结合技术第7页，共87页，2023年，2月20日，星期四遗传密码表总数为６４个其中６１个编码氨基酸.蛋氨酸（甲硫氨酸）的密码子AUG也是起始密码（少数情况下原物起始密码子GUG）ＵＡＡ、ＵＧＡ、ＵＡＧ为终止密码。第8页，共87页，2023年，2月20日，星期四2、遗传密码的特点1、通用性（普遍性）所有生命形式共用同一套遗传密码。

3、连续性

密码子之间没有空格，是连续的。2、方向性

密码子的解读方向为5/→3/。少数具有特殊性，如动物细胞线粒体、植物细胞叶绿体。

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)。第9页，共87页，2023年，2月20日，星期四5、兼并性

两个或以上的密码子同时编码同一个aa。对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymouscodon）6、摆动性

有的tRNA能识别不同的密码子，即密码子的第三位碱基与反密码子的第一位碱基配对不严格。7、使用的偏倚性

一个aa虽然有多个密码子，但对特定的aa而言，有的密码子使用的频率显著高于其它密码子。8、非重叠性在mRNA上，每个碱基只属于一个密码子。第10页，共87页，2023年，2月20日，星期四(三)tRNA(transferRNA)转运RNA1、tRNA的结构一级结构：74-95bp(多数76bp)

二级结构：三叶草形

三级结构：倒“L”形（靠氢键形成）第11页，共87页，2023年，2月20日，星期四2、tRNA的功能（2）解读mRNA的遗传信息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（1）运输的工具，运载氨基酸第12页，共87页，2023年，2月20日，星期四（1）起始tRNA和延伸tRNA3、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。真核生物：起始密码子AUG所编码的氨基酸是Met，起始AA-tRNA为Met-tRNAMet。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-tRNAfMet第13页，共87页，2023年，2月20日，星期四（2）同工tRNA

代表（或运输）同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA。

同工tRNA有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码。同工tRNA有某种结构上的共同性，能被相同的氨基酰-tRNA合成酶识别第14页，共87页，2023年，2月20日，星期四（3）校正tRNAtRNA能与突变的密码子配对，但携带的氨基酸仍然是原来密码子所编码的氨基酸，致使突变得以校正，不会引起蛋白质的改变。错义突变的校正无义突变的校正同时，校正tRNA也能引起类似于终止密码的突变效应和错义突变的效应。第15页，共87页，2023年，2月20日，星期四（四）核糖体（ribosome)

核糖体是由rRNA（robosomalRNA)和多种蛋白质组成的多酶复合体。在细胞内呈颗粒状结构。核糖体是蛋白质合成的工厂在细胞内有两种存在方式：游离核糖体结合（附着）核糖体（结合在内质网上)第16页，共87页，2023年，2月20日，星期四1、rRNA

5S、5.8S、18S、28S（真核生物）5S、16S、23S（原核生物）核糖体中起主要作用的结构成分。类型：第17页，共87页，2023年，2月20日，星期四在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地结合以及在肽链的延伸中与mRNA结合；具有肽酰转移酶的活性为tRNA提供结合位点

为多种蛋白质合成因子提供结合位点；核糖体大小亚单位的结合、校正阅读以及抗菌素的作用等都与rRNA有关。功能：第18页，共87页，2023年，2月20日，星期四2、核糖体的组成结构真核生物：80S40S（18SrRNA，33种蛋白质）60S（5S、5.8S、28SrRNA，49种蛋白质）原核生物：70S30S50S（5S、23srRNA，36种蛋白质）（16SrRNA，21种蛋白质）（1）组成第19页，共87页，2023年，2月20日，星期四大小亚基构成单个核糖体，其上形成多个功能中心:（2）结构mRNA的结合位点氨酰基位点（A位）：新掺入的氨酰-tRNA的结合位点肽酰基位点（P位）：延伸中的肽酰-tRNA的结合位点转肽酶中心：形成肽键的部位E位点(exitsite)：即将释放的tRNA的结合位点与蛋白质合成有关的其它的结合位点：起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点第20页，共87页，2023年，2月20日，星期四

由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高效地进行肽链的合成，这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体。

3、多聚核糖体生物学意义细胞内各种多肽的合成，不论其分子量的大小或是mRNA的长短如何，单位时间内所合成的多肽分子数目都大体相等。以多聚核糖体的形式进行多肽合成，对mRNA的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。第21页，共87页，2023年，2月20日，星期四（五）参与蛋白质合成的蛋白因子和酶如：氨酰tRNA合成酶起始因子延伸因子终止因子第22页，共87页，2023年，2月20日，星期四二、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第23页，共87页，2023年，2月20日，星期四(一)氨基酸的活化氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi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合成酶还有校对机制来控制识别正确的tRNA和氨基酸，保证了遗传信息准确翻译。

第24页，共87页，2023年，2月20日，星期四(二)翻译的起始起始复合物的形成1、原核生物翻译（细菌）的起始所需成分：30S小亚基、50S大亚基、模板mRNA、fMet-tRNAfMet、GTP、Mg2+翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3第25页，共87页，2023年，2月20日，星期四过程：1、30S小亚基与IF-1、IF-3结合，再通过SD序列与mRNA模板相结合。2、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。3、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，GTP水解，释放翻译起始因子。第26页，共87页，2023年，2月20日，星期四2、真核生物翻译起始的特点核糖体较大,为８０Ｓ40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始复合物。起始因子比较多；Met-tRNAMetmRNA的5′端帽子结构和3′端polyA都参与形成翻译起始复合物；第27页，共87页，2023年，2月20日，星期四

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。

(三)肽链的延伸延伸因子(elongationfactor,EF)

：

原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G

真核生物：EF-1、EF-2

第28页，共87页，2023年，2月20日，星期四1、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2、肽键形成由转肽酶/肽基转移酶催化，P位和A位的氨基酸之间形成肽键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延伸因子第29页，共87页，2023年，2月20日，星期四（四）肽链的终止

在肽链延伸过程中，遇到终止密码子时，没有相应的AA-tRNA与结合，合成停止，在释放因子的作用下，肽链释放，核糖体解体。

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UGARF3：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）第30页，共87页，2023年，2月20日，星期四三、蛋白质合成后的加工修饰（蛋白质前体的加工）1、N端fMet或Met的切除2、二硫键的形成两个半胱氨酸-SH二硫键氧化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5、蛋白质的折叠分子伴侣第31页，共87页，2023年，2月20日，星期四前胰岛素原蛋白翻译后成熟过程示意图第32页，共87页，2023年，2月20日，星期四四、蛋白质合成抑制剂第33页，共87页，2023年，2月20日，星期四五、蛋白质运转机制

运转机制；

核糖体上合成的蛋白质要运输到各种细胞器发挥各自的功能或运输到细胞外（分泌）。翻译运转同步机制翻译后运转机制

第34页，共87页，2023年，2月20日，星期四蛋白性质运转机制主要类型分泌蛋白质在附着核糖体上合成，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、类囊体中的蛋白质第35页，共87页，2023年，2月20日，星期四（一）翻译-运转同步机制

在mRNA起始密码子后有一段序列编码信号肽（信号序列），信号肽在附着核糖体上合成后便与内质网膜（ER）上的特定受体相互作用，产生通道，使多肽在延伸的同时穿过膜。1、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。第36页，共87页，2023年，2月20日，星期四2、信号肽介导的蛋白质跨膜运输过程b、信号识别蛋白（SRP）和信号肽结合，翻译暂时终止。c、SRP与SRP受体蛋白结合，核糖体与ER上的受体结合，翻译重新开始。d、通过核糖体受体形成的通道，信号肽进入ER内。e、蛋白质通过膜进入ER内，信号肽被切除，翻译继续进行。f、蛋白质完全通过膜，核糖体解体。a、合成信号肽。第37页，共87页，2023年，2月20日，星期四（二）、翻译后运转机制线粒体、叶绿体、许多蛋白质以及细胞核内所有蛋白质以翻译后转运机制运输。第38页，共87页，2023年，2月20日，星期四(1)线粒体蛋白质跨膜运转a、蛋白前体（含有前导肽）与Hsp70或MFS（线粒体输入刺激因子）结合。b、Tom受体复合蛋白识别上述复合物，

c、mHSP70水解ATP产生电位差（外正内负），蛋白前体在前导肽（带正电荷）的牵引下，通过Tom-Tim组成的通道，进入线粒体。d、前导肽酶被水解第39页，共87页，2023年，2月20日，星期四(2)叶绿体蛋白质的跨膜运转叶绿体膜上有蛋白质前体信号肽的特异性受体，内部的蛋白水解酶是可溶性的。在运输过程中，信号肽分两步切除。第40页，共87页，2023年，2月20日，星期四（3）核定位蛋白的运转机制

核蛋白中信号肽-核定位序列（NLS），核转运因子（α、β）、GTP酶（Ran)参与核蛋白的运输。第41页，共87页，2023年，2月20日，星期四本章小结1、遗传密码的特点2、翻译有关的三种RNA的结构和功能3、翻译所需物质、基本过程4、重要概念翻译、遗传密码、开放阅读框、多聚核糖体、信号序列，SD序列第42页，共87页，2023年，2月20日，星期四Nirenberg美国生物学家尼伦伯格等人破译了遗传密码，以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺旋结构的正确性。人们对遗传机制有了更深刻的认识。1968年获得诺贝尔生理学医学奖奖。第43页，共87页，2023年，2月20日，星期四理论推断遗传密码为三联体mRNA5′AUCGACCUGAGC3′420(×)mRNA5′AUCGACCUGAGC3′43=6420(√)核甘酸序列氨基酸序列mRNA5′AUCGACCUGAGC3′42=1620(×)第44页，共87页，2023年，2月20日，星期四--UUUUUUUUUUUUUUU—Phe-Phe-Phe-Phe-Phe证实UUU是苯丙氨酸的遗传密码以人工合成的RNA为模板合成多肽破译遗传密码。--UGUGUGUGUGUGUGUG----UGU-GUG-UGU-GUG-UGU-Cys-Val-Cys-Val-Cys--U-GUG-UGU-GUG-UGU-GUG-Val-Cys-Val-Cys-Val第45页，共87页，2023年，2月20日，星期四核糖体结合技术核糖体-人工合成模板aa（其中一种14C标记）,tRNA混合过滤未与模板结合的氨基酸核糖体-模板-aa三核甘酸膜板第46页，共87页，2023年，2月20日，星期四第47页，共87页，2023年，2月20日，星期四生物密码子线粒体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第48页，共87页，2023年，2月20日，星期四基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)。第49页，共87页，2023年，2月20日，星期四减少了变异对生物的影响第50页，共87页，2023年，2月20日，星期四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例外第51页，共87页，2023年，2月20日，星期四摆动配对U第52页，共87页，2023年，2月20日，星期四第53页，共87页，2023年，2月20日，星期四密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG第54页，共87页，2023年，2月20日，星期四2、氨基酸臂3、TψC环1、反密码环4、D环双氢脲嘧啶环反密码子5、额外环接受氨基酸,形成氨酰tRNA它负责对密码子的识别与配对反密码子与mRNA上的密码子反向互补mRNA5/-CUC-3/123tRNA3/-GAG-5/321负责和核糖体上的rRNA识别结合负责和氨基酰tRNA聚合酶结合;在L型结构中负责连接D环－反密码子环和TψC-受体臂）。第55页，共87页，2023年，2月20日，星期四第56页，共87页，2023年，2月20日，星期四3’5’ICCA-OH5’3’CCA-GlyGGCCCGtRNA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。Gly﹢反密码子决定了tRNA的性质（携带哪种aa)第57页，共87页，2023年，2月20日，星期四无义突变的校正第58页，共87页，2023年，2月20日，星期四第59页，共87页，2023年，2月20日，星期四错义突变的校正第60页，共87页，2023年，2月20日，星期四第61页，共87页，2023年，2月20日，星期四第62页，共87页，2023年，2月20日，星期四36第63页，共87页，2023年，2月20日，星期四第64页，共87页，2023年，2月20日，星期四第65页，共87页，2023年，2月20日，星期四氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋PPi

氨基酰-AMP-E＋tRNA→氨基酰-tRNA

＋AMP

＋E第66页，共87页，2023年，2月20日，星期四30S小亚基与IF-1、IF-3结合IF-3IF-1第67页，共87页，2023年，2月20日，星期四AUG5'3'IF-3IF-130S小亚基通过SD序列与mRNA模板相结合。第68页，共87页，2023年，2月20日，星期四在原核生物中,mRNA中与核糖体16SrRNA结合的序列称为SD序列(SDsequence)...SD序列是mRNA中5＇端富含嘌呤的短核苷酸序列,一般位于mRNA的起始密码AUG的上游5～10个碱基处,并且同16SrRNA3＇端的序列互补。第69页，共87页，2023年，2月20日，星期四IF-3IF-1IF-2GTP

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。AUG5'3'第70页，共87页，2023年，2月20日，星期四IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi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，GTP水解，释放翻译起始因子。AUG5'3'第71页，共87页，2023年，2月20日，星期四IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi第72页，共87页，2023年，2月20日，星期四met40S