遗传信息传递

关于遗传信息传递蛋白质生物合成研究的重要进展:1、蛋白质合成场所的确定(rRNA)

20世纪五十年代，PaulZamecnik

等给小白鼠注射带放射性标记的氨基酸，然后在不同时间取小白鼠的肝脏，经匀浆、离心、检测发现注射的氨基酸几分钟后出现在核糖核蛋白体颗粒上，几小时或几天后所有的亚细胞成分都含有放射性标记。这证明蛋白质的合成是在核糖体上进行的。

第2页,共86页，2024年2月25日，星期天2、mRNA（信使RNA）概念的提出

蛋白质的合成是在核糖体上进行的，而遗传信息载体DNA存在于核中，必然有一种中间物来传递DNA上的信息。推测这种中间物极不稳定，在蛋白质合成时产生，合成结束后又分解，半寿期很短。1961年Jacob和MonodJ预言：（1）信使是一种多核苷酸；（2）信使的碱基组成与相应DNA的碱基组成一致；（3）信使的长度各有不同，因为它所编码的多肽链的长短不一；（4）在多肽合成中，信使应与核糖体短暂结合；（5）信使的半寿期很短，其合成速度应该是很快的。第3页,共86页，2024年2月25日，星期天蛋白质合成的信息来自于DNA，合成的模板是mRNA第4页,共86页，2024年2月25日，星期天3、tRNA是联系mRNA和蛋白质的中介翻译需要一个联系mRNA和蛋白质的双功能适配器分子第5页,共86页，2024年2月25日，星期天蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation）第6页,共86页，2024年2月25日，星期天第一部分DNA的生物合成第二部分

RNA的生物合成第三部分蛋白质的生物合成第7页,共86页，2024年2月25日，星期天第三部分蛋白质的生物合成1蛋白质的生物合成体系2蛋白质生物合成的分子机制3真核生物与原核生物蛋白质合成的差异第8页,共86页，2024年2月25日，星期天1蛋白质的生物合成体系

原料：20种氨基酸模板：mRNA

场所：核糖体（rRNA）氨基酸的“搬运工具”：tRNA

酶与蛋白质因子：启动、延长、终止因子能量：ATP、GTP

无机离子合成方向：N→C端第9页,共86页，2024年2月25日，星期天mRNA是翻译的直接模板。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）。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（singlecistron）。

1.1.1mRNA与遗传信息的传递1.1mRNA和遗传密码第10页,共86页，2024年2月25日，星期天多顺反子与单顺反子第11页,共86页，2024年2月25日，星期天从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（openreadingframe,ORF）。

AUGUAAORF第12页,共86页，2024年2月25日，星期天mRNA是遗传信息的携带者。DNA和mRNA都是由4种核苷酸构成，而组成多肽的氨基酸有20种,DNA如何得以包含蛋白质中氨基酸排列的遗传信息呢？

第13页,共86页，2024年2月25日，星期天1.1.2遗传密码的破译1954年,物理学家Gamouv首先对遗传密码进行探讨。他认为核酸分子中只有四种碱基，显然碱基与氨基酸的关系不是一对一的关系。若两个碱基决定一个氨基酸只能编码16种氨基酸，也是不够的；而三个碱基对一个氨基酸，四个碱基可产生64个密码，足以编码20种氨基酸，所以编码氨基酸的最低碱基数是3，即密码子可能是三联体。

1961年，CrickFHC等人用遗传学的方法证明了三联密码子的学说是正确的。1961年，Nirenberg等人用大肠杆菌的无细胞体系在各种RNA的人工模板下合成多肽，从而推断出各氨基酸的密码子。第14页,共86页，2024年2月25日，星期天1.1.3遗传密码的概念及证明mRNA上的核苷酸顺序(碱基顺序)与蛋白质中的氨基酸之间的对应关系称为遗传密码。mRNA分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四种碱基（A、G、C和U）以特定顺序排列成三个一组的三联体代表的，即mRNA上每三个碱基

(每三个连续核苷酸)对应一个氨基酸，这三个碱基就称为一个密码子，或三联体密码（tripletcodons）。三个不同的实验证明了遗传密码是mRNA上3个连续的核苷酸残基构成的，下面给出了三个证明遗传密码是三联体密码的著名实验的示意图。

第15页,共86页，2024年2月25日，星期天第16页,共86页，2024年2月25日，星期天第一个实验是1961年由美国的M.Nirenberg等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链，用它作模板，利用大肠杆菌蛋白提取液和GTP在体外合成蛋白质。多聚（U）编码多聚Phe；多聚（A）编码多聚Lys；多聚（C）编码多聚Pro。第17页,共86页，2024年2月25日，星期天第二个实验是1964年也是由美国的M.Nirenberg等人完成的。他们首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接的是那一种氨基酸。该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据。第18页,共86页，2024年2月25日，星期天第三个实验是由Jones，Khorana等人完成的。他们利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可生成三种重复的多肽链。

若从A翻译，则合成出多聚Ile，即AUC对应Ile；若从U翻译，则合成出多聚Ser，即UCA对应Ser；若从C翻译，则合成出多聚His，即CAU对应His。这是因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从A、或U、或C翻译，所以有三种重复的多肽链生成。第19页,共86页，2024年2月25日，星期天Nirenberg和Khorana于1966年全部密码都被破译，两位科学家获得了诺贝尔奖。第20页,共86页，2024年2月25日，星期天1.1.4遗传密码与氨基酸的关系mRNA的每一个密码子代表一个氨基酸。20种基本氨基酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密码子是肽链合成起始密码子，三个是终止密码子，以保证蛋白质合成能够有序地进行。第21页,共86页，2024年2月25日，星期天密码子的阅读方向5ˊ→3ˊ第22页,共86页，2024年2月25日，星期天遗传密码共有64种，其中：起始密码（initiationcodon）:AUG终止密码（terminationcodon）:

UAA，UAG，UGA

1.1.5遗传密码的基本特性遗传密码阅读方向是5’→3’密码为不重叠、无标点的三联体密码翻译须从起始密码AUG确定阅读框第23页,共86页，2024年2月25日，星期天遗传密码的特点①

连续性②

简并性③

通用性④

方向性⑤

摆动性第24页,共86页，2024年2月25日，星期天①

连续性(commaless)：指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25页,共86页，2024年2月25日，星期天基因损伤引起mRNA开放阅读框内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变（frameshiftmutation）。第26页,共86页，2024年2月25日，星期天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。同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性。遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。第27页,共86页，2024年2月25日，星期天遗传密码的简并性第28页,共86页，2024年2月25日，星期天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。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体等。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。第29页,共86页，2024年2月25日，星期天④

方向性(direction)：指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿5’→3’方向进行。⑤

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上的遗传密码反平行配对结合，但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称为摆动配对。第30页,共86页，2024年2月25日，星期天U摆动配对现象示意图第31页,共86页，2024年2月25日，星期天1.2.1tRNA是氨基酸的搬运工具1.运载氨基酸2.同义tRNA在蛋白质合成中，tRNA起着运载氨基酸的作用，按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。tRNA结合氨基酸需要ATP供能,氨基酸结合在tRNA3’-CCA的位置。

一种氨基酸可以有一种以上tRNA作为运载工具。通常把携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同义tRNA或同工tRNA。1.2tRNA的功能第32页,共86页，2024年2月25日，星期天tRNA分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于反密码子环上,这是tRNA与mRNA的识别部位。每种tRNA的反密码子，决定了所带氨基酸能准确的在mRNA上对号入座。反密码子与mRNA的第三个核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则。3.反密码子第33页,共86页，2024年2月25日，星期天4.tRNA分子上与蛋白质合成有关的位点（2）识别氨酰-tRNA合成酶的位点。（3）核糖体识别位点，使延长中的肽链附着于核糖体上。（4）反密码子位点。识别氨酰-tRNA合成酶携带氨基酸识别核糖体反密码环（1）3′端-CCA-OH上的氨基酸接受位点。第34页,共86页，2024年2月25日，星期天

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。tRNA的“接头作用”tRNA与mRNA的结合部位：反密码子3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG

密码子与反密码子的阅读方向均为5‘

3’，两者反向平行配对。1.2.2密码子与反密码子的识别第35页,共86页，2024年2月25日，星期天1.3.1核糖体的结构与组成核糖体是由核糖核酸（称为核糖体核酸,rRNA）和几十种蛋白质分子（核糖体蛋白）组成的一个巨大的复合体。不同类型生物中核糖体的结构高度保守，尽管其rRNA和核糖体蛋白的一级结构有所不同，但其三级结构却惊人的相似。每个核糖体是由大小两个亚基组成，每个亚基都有自己不同的rRNA和蛋白质分子。1.3

核糖体第36页,共86页，2024年2月25日，星期天核糖体的组成第37页,共86页，2024年2月25日，星期天⑴A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。⑵P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。⑶E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。1.3.2核糖体三个tRNA的结合位点第38页,共86页，2024年2月25日，星期天原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式A位：氨酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)第39页,共86页，2024年2月25日，星期天2蛋白质生物合成的分子机制2.1氨基酸活化2.2肽链起始2.3肽链延长2.4肽链的终止和释放2.5翻译后修饰2.6蛋白质生物合成所需的能量以及活性肽合成的特征第40页,共86页，2024年2月25日，星期天2.1氨基酸的激活即氨基酰-tRNA合成酶催化tRNA与特定氨基酸结合。氨基酰-tRNA合成酶既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。参与的组分：氨基酸、tRNA、氨酰-tRNA合成酶、Mg2+氨基酸+tRNA氨酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨酰-tRNA合成酶Mg+第41页,共86页，2024年2月25日，星期天氨基酸的活化EEAAtRNAAAtRNA氨基酸ATP+EAMP第二步氨酰腺苷酸E-AMPPPi第一步氨酰-tRNA第42页,共86页，2024年2月25日，星期天tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP第43页,共86页，2024年2月25日，星期天具有倒L型的三级结构才能携带氨基酰第44页,共86页，2024年2月25日，星期天2.2肽链起始E.coli蛋白质合成需要30S亚基、50S亚基、mRNA、甲酰甲硫氨酰—tRNA（fMet-tRNAifMet）、三个起始因子(IF-1，IF-2和IF-3）、GTP、Mg2+参与。与起始复合物形成有关的所有蛋白质因子统称为起始因子。肽链起始分成3个步骤进行。第45页,共86页，2024年2月25日，星期天起始密码子对作为氨基末端的甲硫氨酸残基专一，虽然甲硫氨酸(Met)只有一个密码子，但生物中有2个甲硫氨酸tRNA，一个用于作为蛋白质合成的起始密码子，一个作为多肽中间的甲硫氨酸密码子。起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸(fMet)，其转运RNA也有所不同，称为tRNAifMet,与甲硫氨酸结合后被甲酰化酶以甲酰四氢叶酸甲酰化，生成甲酰甲硫氨酰—tRNA(fMet-tRNAifMet）。甲酰甲硫氨酰—tRNA第46页,共86页，2024年2月25日，星期天N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet的形成tRNAMettRNAifMetN10-甲酰FH4FH4转甲酰酶

+H2N-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-CHO-HN-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-第47页,共86页，2024年2月25日，星期天IF-1、IF-3首先结合在30S亚基上，防止它过早地与50S亚基结合。然后mRNA结合到30S亚基上。核糖体小亚基上的16SrRNA和mRNA的SD序列结合，引导起始（5’）AUG到它的正确位置。第一步：第48页,共86页，2024年2月25日，星期天起始密码子的上游约10个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列称SD序列（Shine-Dalgarno序列），它与核糖体16srRNA3′端的核苷酸序列互补，可促使核糖体与mRNA的结合。第49页,共86页，2024年2月25日，星期天IF2-GTP、甲酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNAifmet）结合到30S亚基复合物上。fMet-tRNAifmet的反密码子与mRNA的起始密码子正确配对。fMet-tRNAifmet是唯一的第一个结合到P位点上的氨酰tRNA。第二步：第50页,共86页，2024年2月25日，星期天50S大亚基结合到30S小亚基复合物上，同时与IF-2结合的GTP水解成GDP和Pi，释放出来，3个起始因子都离开了核糖体，形成具有起始功能的70S核糖体，称为起始复合物。原核生物肽链合成的起始复合体由mRNA、70S核糖体、tRNAifMet组成。第三步：第51页,共86页，2024年2月25日，星期天2.3肽链延长需要70S核糖体、mRNA的密码、氨酰—tRNA、延长因子(EF-Tu、EF-Ts和EF-G

）、GTP参与。（1）进位

(2)转肽

(3)移位第52页,共86页，2024年2月25日，星期天（1）进位即与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的A位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF-Tu参与。第53页,共86页，2024年2月25日，星期天（2）转肽转肽是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键形成过程。在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带的甲酰甲硫氨酰基或肽酰基转移到A位上的氨基酰tRNA上，与其

-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。第54页,共86页，2024年2月25日，星期天第55页,共86页，2024年2月25日，星期天肽键生成第56页,共86页，2024年2月25日，星期天（3）移位核糖体从mRNA的5′向3′方向移动一个三联体的距离，于是携带着肽酰基的tRNA连同mRNA从核糖体的A位移到P位,这个过程称为移位。由移位酶EF-G（或称G因子）催化，并须有供能的GTP参与。G因子具有GTP酶活力，能催化GTP分解放出能量,促使核糖体构象发生变化，驱动肽酰tRNA从Ａ位点移动到Ｐ位点。第57页,共86页，2024年2月25日，星期天由于核糖体的移动，原来在A位上的肽基-tRNA已经移到P位，A位点空出以便接纳下一个氨酰tRNA进入，并使脱酰基的tRNA从P位移动到E位。第58页,共86页，2024年2月25日，星期天进位移位转肽核糖体循环的反应过程第59页,共86页，2024年2月25日，星期天核糖体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入A位。(1)识别：RF识别终止密码，进入核糖体的A位。

(2)水解：RF使转肽酶变为酯酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。(3)脱离：模板mRNA、RF以及空载tRNA与核糖体脱离。

此过程需要GTP的参与。2.4肽链的终止和释放第60页,共86页，2024年2月25日，星期天释放因子：R1、R2、R3、RR

RF1：识别UAA、UAGRF2：识别UAA、UGARF3：协助肽链释放RR：协助tRNA的脱落第61页,共86页，2024年2月25日，星期天2.4.1mRNA上识别终止密码以3个终止密码子（UAA、UAG、UGA）的出现为信号，一旦终止密码子占据核糖体的A位，由于终止密码子不能结合任何氨酰tRNA，于是肽链合成的终止因子（又称释放因子）RF识别并结合到终止密码子上发挥作用第62页,共86页，2024年2月25日，星期天1）释放因子使肽基转移酶水解肽酰-tRNA的末端键2）从P位释放游离的多肽和最后的tRNA3）70S核糖体分解为30S与50S亚基，准备开始一个新的多肽合成循环2.4.2肽链释放第63页,共86页，2024年2月25日，星期天多肽链合成终止演示UAG5'3'RFCOO-第64页,共86页，2024年2月25日，星期天原核生物蛋白质合成中的能量（合成一个二肽）为8个ATP

ATP（GTP）高能键甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成ATP-AMP2起始（IF-2）GTP-GDP1第二个氨酰tRNA合成ATP-AMP2第二个氨酰tRNA进入核糖体（EF-TU）GTP-GDP1核糖体移位（EF-G）GTP-GDP1终止GTP-GDP1蛋白质生物合成所需的能量第65页,共86页，2024年2月25日，星期天多聚核糖体——使蛋白质合成高速、高效进行。第66页,共86页，2024年2月25日，星期天电镜下的多聚核蛋白体现象第67页,共86页，2024年2月25日，星期天2.5翻译后修饰（posttranslationalmodifications）新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构想的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰。翻译后修饰包括：多肽链折叠为天然的三维构象；对肽链一级结构的修饰；空间结构的修饰等。第68页,共86页，2024年2月25日，星期天2.5.1多肽链折叠为天然构象的蛋白质新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核糖体上一出现，肽链的折叠即开始。随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序（motif）、结构域（domain）到形成完整的空间构象。多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成的，而是需要其他酶和蛋白质的辅助。第69页,共86页，2024年2月25日，星期天几种能促进蛋白质折叠的辅助分子：分子伴侣（molecularchaperon）蛋白质二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase，PDI）肽-脯氨酰顺反异构酶（peptideprolyl-cis-transisomerase，PPI）第70页,共86页，2024年2月25日，星期天1.分子伴侣（molecularchaperon）是细胞内一类可识别肽链的非天然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠的保守蛋白质。

包括：⑴热休克蛋白（heatshockprotein,HSP）：HSP70、HSP40和GreE族⑵伴侣素（chaperonins）：GroEL和GroES家族第71页,共86页，2024年2月25日，星期天分子伴侣的功能：封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段；创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰；促进蛋白质折叠和去聚集；遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。Lasky于1978年首先提出分子伴侣（mulecularchaperone）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子。第72页,共86页，2024年2月25日，星期天2.蛋白二硫键异构酶多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔中活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。第73页,共86页，2024年2月25日，星期天3.肽酰-脯氨酰顺反异构酶多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。第74页,共86页，2024年2月25日，星期天2.5.2蛋白质一级结构修饰肽链末端的修饰：去除N-甲酰基、N-甲酰甲硫氨酸、甲硫氨酸、信号肽个别氨基酸的共价修饰糖基化羟基化甲基化羟基磷酸化、去磷酸化二硫键的形成亲脂性修饰第75页,共86页，2024年2月25日，星期天2.5.2.1N端甲酰基或N端aa的除去原核生物fMet-(aa)n

Met(aa)n

(aa)nor(aa)n-m

脱甲酰酶多数情况下，在肽链合成中，即当肽链的N端游离出核糖体后，立即进行去甲酰化。然后在氨肽酶的作用下，切掉一个或者多个氨基酸。真核生物N端Met常常在肽链的其他部分还未完全合成时,就已经水解下来。

第76页,共86页，2024年2月25日，星期天2.5.2.2信号序列的切除某些蛋白质在合成过程中，在N末端额外生成15-30个氨基酸组成的信号序列