生物信息的传递下

生物信息的传递下第1页，课件共119页，创作于2023年2月本章主要内容一、遗传密码—三联子二、tＲＮＡ三、核糖体四、蛋白质合成的生物学机制五、蛋白质转运机制第2页，课件共119页，创作于2023年2月蛋白质的生物合成（ProteinBiosynthesis），即翻译（Translation)，就是将核酸mRNA分子中由4种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序。核苷酸三联子决定氨基酸的对应关系第3页，课件共119页，创作于2023年2月mRNAProtein?第4页，课件共119页，创作于2023年2月一、蛋白质合成体系

1、翻译模板mRNA及遗传密码2、核蛋白体是多肽链合成的装置3、tRNA与氨基酸的活化第5页，课件共119页，创作于2023年2月第6页，课件共119页，创作于2023年2月20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子如IF、eIFATP、GTP

三种RNAmRNA（messengerRNA）rRNA（ribosomalRNA）tRNA（transferRNA）参与蛋白质生物合成的物质：第7页，课件共119页，创作于2023年2月

mRNA是遗传信息的携带者一、

翻译模板mRNA及遗传密码

1961年，Nirenberg证明了mRNA的模板作用。

第8页，课件共119页，创作于2023年2月遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。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mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)mRNA。真核一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)mRNA。

第9页，课件共119页，创作于2023年2月

mRNA结构简图（多顺反子）（单顺反子）第10页，课件共119页，创作于2023年2月mRNA上存在遗传密码mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3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、终止信号，称为三联子密码(tripletcodon)。起始密码(initiationcodon):AUG终止密码(terminationcodon):UAA，UAG，UGA

第11页，课件共119页，创作于2023年2月ORF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条多肽链，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。(5’UTR,untransliatedregion)(3’UTR,untransliatedregion)第12页，课件共119页，创作于2023年2月遗传密码表第13页，课件共119页，创作于2023年2月1.连续性(commaless)遗传密码的特点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。第14页，课件共119页，创作于2023年2月基因损伤引起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)。

TyrGlySerArgProThrAsp第15页，课件共119页，创作于2023年2月2.简并性(degeneracy)遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。第16页，课件共119页，创作于2023年2月第17页，课件共119页，创作于2023年2月

密码子简并性的生物学意义：减少有害突变。

遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。

GCU

ACU

GCC

ACC

GCA

ACA

GCG

ACGAlaThr第一、第二位往往是相同的，而第三位核苷酸的改变并不一定影响所编码的氨基酸。第18页，课件共119页，创作于2023年2月3.通用性(universal)蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。（少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体）第19页，课件共119页，创作于2023年2月4.摆动性(wobble)转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。

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”。第20页，课件共119页，创作于2023年2月U摆动配对123321第21页，课件共119页，创作于2023年2月密码子、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22页，课件共119页，创作于2023年2月二、

转运RNA（tRNA）

转运RNA（Transferribonucleicacid，tRAN）是具有携带并转运氨基酸功能的一类小分子核糖核酸。

tRNA分子均可排布成三叶草模型的二级结构。靠氢键维持的L型折叠的三级结构，与AA-tRNA合酶对tRNA的识别有关。第23页，课件共119页，创作于2023年2月tRNA的二级结构第24页，课件共119页，创作于2023年2月tRNA的二级结构为三叶草结构。其结构特征为：

(1)叶柄是氨基酸臂。其上含有CCA-OH3’，此结构是接受氨基酸的位置。

(2)氨基酸臂对面是反密码子环。在它的中部含有三个相邻碱基组成的反密码子，可与mRNA上的密码子相互识别。

(3)左环是二氢尿嘧啶环(D环)，它与氨基酰-tRNA合成酶的结合有关。

(4)右环是假尿嘧啶环(TψC环)，它与核糖体的结合有关。

(5)在反密码子与假尿嘧啶环之间的是可变环，它的大小决定着tRNA分子大小，生物学功能尚不明确。tRNA的二级结构第25页，课件共119页，创作于2023年2月tRNA的三级结构第26页，课件共119页，创作于2023年2月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，形成酰氨-tRNA

与mRNA结合部位——反密码子部位第27页，课件共119页，创作于2023年2月※Crick的接合体假说及实验证明☆Crick的接合体假说氨基酸必须与一种接合体结合，才能被带到RNA模板的恰当位置上合成蛋白质。所以氨基酸在合成蛋白质之前必须通过AA-tRNA活化，在消耗ATP的情况下结合到tRNA上，生产有蛋白质合成活性的AA-tRNA。即模板mRNA只能识别特异的tRNA而不是氨基酸。第28页，课件共119页，创作于2023年2月结果发现插入了血红蛋白分子通常由半胱氨酸占据的位置上，这表明在这里起识别作用的是tRNA而不是氨基酸C14半胱氨酸+tRNA→C-半胱氨酸-tRNACysNi催化

C-Ala-tRNA14Cys血红蛋白mRNA其他tRNA氨基酸兔网织细胞核糖体Cys※Crick的接合体假说及实验证明C-Ala-tRNACys1414第29页，课件共119页，创作于2023年2月tRNA的种类1、起始tRNA和延伸tRNA

起始tRNA：专一性识别mRNA模板上起始密码子的tRNA。

延伸tRNA：不能专一识别mRNA模板上起始密码子的tRNA※原核、真核起始tRNA的不同：

真核：tRNAiMet

原核：tRNAifMet第30页，课件共119页，创作于2023年2月2、同工tRNA（congnatetRNA）

代表同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA。※tRNA数∈[20,64]，可被AA-tRNA合成酶识别在一个通过tRNA组内，所有tRNA均专一于相同的氨酰-tRNA合成酶。第31页，课件共119页，创作于2023年2月3、校正tRNA

无义突变（nonsensemutation）：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、UAA)，使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽。第32页，课件共119页，创作于2023年2月无义突变第33页，课件共119页，创作于2023年2月第34页，课件共119页，创作于2023年2月

错义突变：由于结构基因中某个核苷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，这种基因突变叫做错义突变(missensemutation)。

GGA（甘氨酸）——————AGA（精氨酸）第35页，课件共119页，创作于2023年2月错义突变第36页，课件共119页，创作于2023年2月

同义突变：由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码子变为其同义氨基酸的密码子，这种基因突变叫做同义突变。第37页，课件共119页，创作于2023年2月酰氨-tRNA合成酶酰氨(AA)-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶AA-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又要能识别氨基酸，他对两者都具有高度专一性。决定着蛋白质合成的真实性。第38页，课件共119页，创作于2023年2月

tRNA与酶结合的模型tRNAAA-tRNA合成酶ATP第39页，课件共119页，创作于2023年2月三、核蛋白体是多肽链合成的装置第40页，课件共119页，创作于2023年2月

一、不同细胞核蛋白体的组成

核蛋白体原核生物真核生物蛋白质S值rRNA蛋白质S值rRNA小亚基21种30S16S33种40S18S大亚基34种50S23S5S49种60S28S5.8S5S沉降系数70S80S1、核糖体有大小两个亚基组成第41页，课件共119页，创作于2023年2月2、核糖体蛋白（ribosomalprotein，r-蛋白）。核糖体上有多个活动中心，每个中心都由一组特殊的核糖体蛋白质构成。第42页，课件共119页，创作于2023年2月核蛋白体的组成第43页，课件共119页，创作于2023年2月3、核糖体RNA不仅是核糖体重要结构部分，也是核糖体发挥生理功能的重要元件。第44页，课件共119页，创作于2023年2月核蛋白体的组成第45页，课件共119页，创作于2023年2月4、核糖体的3个tRNA结合位点A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)第46页，课件共119页，创作于2023年2月

30S小亚基：有mRNA结合位点

50S大亚基：E位：排出位（Exitsite）转肽酶活性大小亚基共同组成：

A位：氨基酰位

(aminoacylsite)

P位：肽酰位

(peptidylsite)第47页，课件共119页，创作于2023年2月四、蛋白质合成的生物学机制

第48页，课件共119页，创作于2023年2月氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化只有与tRNA相结合的氨基酸才能被准确地运输到核糖体中。第49页，课件共119页，创作于2023年2月

tRNA与酶结合模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP第50页，课件共119页，创作于2023年2月第一步反应氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋PPi

第51页，课件共119页，创作于2023年2月第二步反应氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E第52页，课件共119页，创作于2023年2月氨基酰-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(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

第53页，课件共119页，创作于2023年2月

真核生物：Met-tRNAiMet(initiator-tRNA)

原核生物：fMet-tRNAifMet(N-formylmethionine)（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA第54页，课件共119页，创作于2023年2月翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination)整个翻译过程可分为：第55页，课件共119页，创作于2023年2月一、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)。第56页，课件共119页，创作于2023年2月（一）原核生物翻译起始复合物形成1.核蛋白体大小亚基分离；2.mRNA在小亚基定位结合；3.起始氨基酰-tRNA的结合；4.核蛋白体大亚基结合。第57页，课件共119页，创作于2023年2月IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离第58页，课件共119页，创作于2023年2月AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合第59页，课件共119页，创作于2023年2月原核生物mRNA在核蛋白体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制：在各种mRNA起始AUG上游约8～13核苷酸部位，存在一段由4～9个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为Shine-Dalgarno序列(S-D序列)，又称核蛋白体结合位点(ribosomalbindingsite,RBS)。一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG。第60页，课件共119页，创作于2023年2月S-D序列：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列,可与核糖体小亚基16S-rRNA上富含嘧啶序列相结合。

第61页，课件共119页，创作于2023年2月IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'第62页，课件共119页，创作于2023年2月IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'第63页，课件共119页，创作于2023年2月IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi第64页，课件共119页，创作于2023年2月（二）真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基准确就位；核蛋白体大亚基结合。第65页，课件共119页，创作于2023年2月met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程第66页，课件共119页，创作于2023年2月二、肽链合成延长指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。又称为核蛋白体循环(ribosomalcycle)包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation)第67页，课件共119页，创作于2023年2月延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2第68页，课件共119页，创作于2023年2月原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-αEF-Ts调节亚基EF-1-βγEF-G有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子第69页，课件共119页，创作于2023年2月又称注册(registration)（一）进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

第70页，课件共119页，创作于2023年2月延长因子EF-T催化进位（原核生物）

第71页，课件共119页，创作于2023年2月第72页，课件共119页，创作于2023年2月TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP第73页，课件共119页，创作于2023年2月（二）成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。第74页，课件共119页，创作于2023年2月（三）转位延长因子EF-G有转位酶(translocase)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。第75页，课件共119页，创作于2023年2月fMetAUG5'3'fMetTuGTP第76页，课件共119页，创作于2023年2月进位转位成肽第77页，课件共119页，创作于2023年2月

三、肽链合成的终止当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。

第78页，课件共119页，创作于2023年2月终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。二是诱导转肽酶变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。

释放因子的功能:原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物释放因子：eRF

第79页，课件共119页，创作于2023年2月原核肽链合成终止过程第80页，课件共119页，创作于2023年2月UAG5'3'RFCOO-第81页，课件共119页，创作于2023年2月多聚核蛋白体(polysome)——使蛋白质合成高速、高效进行。第82页，课件共119页，创作于2023年2月电镜下的多聚核蛋白体现象第83页，课件共119页，创作于2023年2月五、蛋白质合成后加工和输送

PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation第84页，课件共119页，创作于2023年2月蛋白质前体的加工1、N端的fMet或Met的切除2、二硫键的形成3、特定氨基酸的修饰4、切除新生肽键中的非功能片段第85页，课件共119页，创作于2023年2月磷酸化：发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸等三种氨基酸的侧链。蛋白质磷酸化和去磷酸化几乎调节生命活动的所有过程，包括细胞的增值、发育和分化，细胞骨架调控和细胞凋亡等。糖基化：只存在于真核细胞。所有分泌蛋白和膜蛋白几乎都是糖基化蛋白。甲基化：由N-甲基转移酶催化，存在于细胞质中。主要发生在Arg、His和Gln中。组蛋白H3K9的甲基化同基因的转录抑制及异染色质有关。

3、特定氨基酸的修饰

第86页，课件共119页，创作于2023年2月4、切除新生肽键中的非功能片段第87页，课件共119页，创作于2023年2月蛋白质折叠:

新生肽链必须经过正确的折叠才能形成动力学和热力学稳定的三维构象，从而表现出生物学活性或功能。第88页，课件共119页，创作于2023年2月热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)

是指细胞在应激原特别是环境高温诱导下所生成的一组蛋白质。有HSP70、HSP40和GrpE三个家族。2)伴侣素(chaperonins)：包括HSP60和HSP10。分子伴侣是细胞中一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象并与之结合，帮助多肽在体内折叠、组装、转运或降解等，完成功能后与之分离，不构成这些蛋白质执行功能时的组份。第89页，课件共119页，创作于2023年2月蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。蛋白质合成的抑制剂第90页，课件共119页，创作于2023年2月抗生素(antibiotics)是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。一、抗生素类第91页，课件共119页，创作于2023年2月四环素族氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素放线菌酮第92页，课件共119页，创作于2023年2月抗生素作用点作用原理应用四环素族（金霉素新霉素、土霉素）链霉素、卡那霉素氯霉素、林可霉素红霉素梭链孢酸

放线菌酮嘌呤霉素原核小亚基原核小亚基原核大亚基原核大亚基原核大亚基真核大亚基真核、原核核蛋白体抑制氨基酰-tRNA与小亚基结合改变构象引起读码错误、抑制起始抑制转肽酶、阻断延长抑制转肽酶、妨碍转位与EFG-GTP结合，抑制肽链延长抑制转肽酶、阻断延长氨基酰-tRNA类似物，进位后引起未成熟肽链脱落抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药抗菌药医学研究抗肿瘤药抗生素抑制蛋白质生物合成的原理第93页，课件共119页，创作于2023年2月毒素(toxin)干扰素(interferon)二、其他干扰蛋白质生物合成的物质第94页，课件共119页，创作于2023年2月

白喉毒素(diphtheriatoxin)的作用机理第95页，课件共119页，创作于2023年2月

干扰素的作用机理第96页，课件共119页，创作于2023年2月

第97页，课件共119页，创作于2023年2月蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位的过程称为蛋白质的靶向输送。

蛋白质的靶向输送(proteintargeting)蛋白质合成后的靶向输送第98页，课件共119页，创作于2023年2月第99页，课件共119页，创作于2023年2月蛋白质的定位信息存在于该蛋白质自身结构中，并且通过与膜上特异受体相互作用得以表达。信号序列与核糖体结合合成后与膜上受体相互作用，产生特殊通道，允许多肽在合成的同时穿过膜结构，这种方式是边翻译边跨膜转运。SRP（信号识别蛋白）----信号肽----多核糖体复合物----DP（SRP受体）。（一）、翻译-转运同步机制第100页，课件共119页，创作于2023年2月所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要是N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这类序列称为信号序列(signalsequence)。信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋白质自身的一级结构中。靶向输送的蛋白质N-端存在信号序列第101页，课件共119页，创作于2023年2月N-端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；C-端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是被信号肽酶(signalpeptidase)裂解的位点。信号肽有以下共性：第102页，课件共119页，创作于2023年2月第103页，课件共119页，创作于2023年2月信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网第104页，课件共119页，创作于2023年2月BlobelwithmembersofhislaboratoryGünterBlobelBlobel等（1975）提出信号假说，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成，获1999年诺贝尔生理医学奖。第105页，课件共119页，创作于2023年2月翻译后转运机制第106页，课件共119页，创作于2023年2月真核细胞分泌型蛋白质的靶向输送过程为：核蛋白体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网腔并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转移至细胞膜，再分泌到细胞外。（二）分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外第107页，课件共119页，创作于2023年2月（三）蛋白质6-磷酸甘露糖基化是靶向输送至溶酶体的信号第108页，课件共119页，创作于2023年2月与分泌型蛋白质一样，内质网中的驻留蛋白质先经粗面内质网上的附着核蛋白体合成并进入内质网腔，然后随囊泡输送到高尔基复合体。但是，内质网蛋白质多肽链的C-端含有滞留信号序列，可与相应受体结合。在高尔基复合体上，内质网蛋白质通过其滞留信号序列与受体结合后，随囊泡输送回内质网。（