分子生物學(xué)基礎(chǔ)PPT第五章

1、1第五章遺傳信息的翻譯第五章遺傳信息的翻譯從從mRNAmRNA到蛋白質(zhì)到蛋白質(zhì) 2第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 一、一、mRNAmRNA和遺傳密碼和遺傳密碼 1遺傳密碼及其破譯 2遺傳密碼的性質(zhì) （1）遺傳密碼的連續(xù)性 （2）遺傳密碼的簡并性 （3）遺傳密碼的擺動性 （4）遺傳密碼的普遍性和特殊性 （5）遺傳密碼的防錯(cuò)功能 3第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 4第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 圖 5 - 1 除 A r g 以 外 ， 編 碼 某 一 特 定 氨 基 酸 的 密 碼 子個(gè)數(shù)與該氨基酸在蛋白質(zhì)中的出現(xiàn)頻率吻合 5第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 圖5-2mRNA上的密碼子與tRNA

2、上的反密碼子配對示意圖 6第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 7第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 8第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 9第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 二、二、tRNAtRNA與氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)與氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn) 1tRNA的結(jié)構(gòu) （1）tRNA的二級結(jié)構(gòu)tRNA的三葉草形二級結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。 圖5-3tRNA的三葉草二級結(jié)構(gòu) 10第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) tRNA的稀有堿基含量約有70余種。每個(gè)tRNA分子至少含有2個(gè)稀有堿基，最多有19個(gè)稀有堿基，多數(shù)分布在非配對區(qū)，特別是在反密碼子3 端鄰近部位出現(xiàn)的頻率最高，且多為嘌呤核苷酸。這對于維持反密碼子環(huán)的穩(wěn)定性及密碼子、反密碼子之間

3、的配對很重要。基因組研究表明，原核生物與真核生物細(xì)胞中所擁有的各種tRNA基因總數(shù)有很大不同，見表5-6。11第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) （2）tRNA的三級結(jié)構(gòu) 酵母和大腸桿菌tRNA的三級結(jié)構(gòu)都呈倒L形折疊式，這種結(jié)構(gòu)是靠氫鍵來維持的，共有9個(gè)氫鍵幫助形成tRNA 分子的三級結(jié)構(gòu)。tRNA的三級結(jié)構(gòu)與氨酰- tRNA合成酶的識別有關(guān)。受體臂和TC臂的桿狀區(qū)域構(gòu)成了第一個(gè)雙螺旋，D臂和反密碼子臂的桿狀區(qū)域形成了第二個(gè)雙螺旋，兩個(gè)雙螺旋上各有一個(gè)缺口。TC臂和D臂的套索狀結(jié)構(gòu)位于倒 L的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。氨基酸受體臂在L形的一端，反密碼子臂則在另一端。tRNA的倒L形結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。 12第一節(jié)

4、參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 圖5-4tRNA的倒L形三級結(jié)構(gòu) 13第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 2tRNA的功能 轉(zhuǎn)錄是遺傳信息從一種核酸分子（DNA）轉(zhuǎn)移到另一種結(jié)構(gòu)上極為相似的核酸分子（RNA）的過程，信息轉(zhuǎn)移依靠堿基配對。翻譯則是遺傳信息從mRNA分子轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)極不相同的蛋白質(zhì)分子，信息是以能被翻譯成單個(gè)氨基酸的三聯(lián)密碼子形式存在的，在此起作用的是tRNA的解碼機(jī)制。 根據(jù)Crick的接合體假說，氨基酸必須與一種接合體接合，才能被帶到RNA模板的恰當(dāng)位置上正確合成蛋白質(zhì)。因此，氨基酸在合成蛋白質(zhì)之前必須通過AA-tRNA合成酶活化，在消耗ATP的情況下結(jié)合到tRNA上，生成有蛋白質(zhì)合成活

5、性的AAtRNA。同時(shí)，AAtRNA的生成還涉及信息傳遞的問題，因?yàn)橹挥衪RNA上的反密碼子能與mRNA上的密碼子相互識別并配對，而氨基酸本身不能識別密碼子，只有結(jié)合到tRNA上生成AAtRNA，才能被帶到mRNA核糖體復(fù)合體上，插入到正在合成的多肽鏈的適當(dāng)位置上。14第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 3tRNA的種類 （1）起始tRNA和延伸tRNA起始tRNA是指能特異地識別mRNA模板上起始密碼子的tRNA，其他的tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA。 （2）同工tRNA由于一種氨基酸可能有多個(gè)密碼子，為了識別該氨基酸就有多個(gè)tRNA，即多個(gè)tRNA代表一種氨基酸。為此將幾個(gè)代表相同氨基酸的tRNA

6、稱為同工tRNA。在一個(gè)同工tRNA組內(nèi)，所有tRNA均專一于相同的氨酰-tRNA合成酶。同工tRNA既要有不同的反密碼子以識別該氨基酸各種同義密碼子，又要有某種結(jié)構(gòu)上的共同性，能被AA-tRNA合成酶識別。所以同工tRNA組內(nèi)肯定具備了足以區(qū)分其他tRNA組的特異構(gòu)造，保證合成酶能準(zhǔn)確無誤地加以選擇。 （3）校正tRNA在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因中，一個(gè)核苷酸的改變可能使代表某個(gè)氨基酸的密碼子變成終止密碼子（UAG、UGA、UAA），使蛋白質(zhì)的合成提前終止，合成無功能的或無意義的多肽，這種突變稱為無義突變。無義突變的校正tRNA可通過改變反密碼子區(qū)校正無義突變。大腸桿菌無義突變的校正tRNA見表5-

7、7。15第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 16第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 三、核糖體與肽鏈裝配三、核糖體與肽鏈裝配 1核糖體的結(jié)構(gòu) 原核生物核糖體由約2/3的RNA及1/3的蛋白質(zhì)組成。真核生物核糖體中RNA占3/5，蛋白質(zhì)占2/5。核糖體是一個(gè)致密的核糖核蛋白顆粒，可以解離為大、小兩個(gè)亞基，每個(gè)亞基都含有一個(gè)相對分子質(zhì)量較大的rRNA和許多不同的蛋白質(zhì)分子。這些大分子rRNA能在特定位點(diǎn)與蛋白質(zhì)結(jié)合，從而完成核糖體不同亞基的組裝。在大腸桿菌內(nèi)，RNA和蛋白質(zhì)的比例約為2 1，在其它許多生物體中則為1 1。大小亞基均含有許多不同的蛋白質(zhì)。小亞基（30S）由1種RNA（16S，1542個(gè)核苷酸

8、）和21種蛋白質(zhì)組成，大亞基（50S）由2種RNA（23S，2904個(gè)核苷酸和5S，120個(gè)核苷酸）和34種蛋白質(zhì)組成。17第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 18第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 原核生物和真核生物核糖體中的蛋白質(zhì)種類和RNA組成見表5-9。 19第一節(jié)參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 核糖體結(jié)構(gòu)模型及原核與真核細(xì)胞核糖體大小亞基比較如圖5-5所示。核糖體分子可容納兩個(gè)tRNA和約40bp長的mRNA。 圖5-5核糖體結(jié)構(gòu)模型及原核與真核細(xì)胞核糖體大小亞基比較(a)電子顯微鏡模式圖。大亞基位于整個(gè)分子的左側(cè)，細(xì)繩代表mRNA位于兩個(gè)（b）原核生物70S和真核生物80S核糖體 20第一節(jié)參與

9、蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì) 2rRNA 核糖體內(nèi)的所有rRNA在形成核糖體的結(jié)構(gòu)和功能時(shí)都起著重要作用。 3核糖體的功能 核糖體存在于每個(gè)進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的細(xì)胞中。雖然在不同生物體內(nèi)其大小有別，但組織結(jié)構(gòu)基本相同，而且所執(zhí)行的功能也完全相同。在多肽合成過程中，不同的tRNA將相應(yīng)的氨基酸帶到蛋白質(zhì)合成部位，并與mRNA進(jìn)行專一性的相互作用，以選擇對信息專一的AA-tRNA。核糖體還必須能同時(shí)容納另一種攜帶肽鏈的tRNA，即肽基-tRNA，并使之處于肽鍵易于生成的位置上。21第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 蛋白質(zhì)生物合成亦稱為翻譯，即把mRNA分子中堿基排列順序轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)或多肽鏈中的氨基酸排列順序的過程。

10、蛋白質(zhì)生物合成主要包括下列步驟：翻譯的起始核糖體與mRNA結(jié)合并與氨酰-tRNA生成起始復(fù)合體；肽鏈的延伸核糖體沿mRNA5端向3端移動，使多肽鏈的合成從N端向C端的方向進(jìn)行；肽鏈的終止以及新合成多肽鏈的折疊和加工核糖體從mRNA上解離，準(zhǔn)備新一輪合成反應(yīng)。 各階段必須的成分見表5-10。 22第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 23第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 一、氨基酸的活化一、氨基酸的活化 原核生物的起始tRNA是fMet-tRNAfMet，真核生物的起始tRNA是Met-tRNAMet。原核生物中30S小亞基首先與mRNA模板相結(jié)合，再與fMet-tRNAfMet結(jié)合，最后與50S大亞基結(jié)合。在

11、真核生物中，40S小亞基首先與Met-tRNAMet相結(jié)合，再與模板mRNA結(jié)合，最后與60S大亞基結(jié)合生成80SmRNAMet-tRNAMet起始復(fù)合體。起始復(fù)合體的生成除了需要GTP提供能量外，還需要Mg2+、NH4+及3個(gè)起始因子（IF-1、IF-2和IF-3）。起始因子與30S小亞基的結(jié)合較為松散，用1mol/L NH4Cl處理即可使之游離。24第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 二、翻譯的起始二、翻譯的起始 1原核生物蛋白質(zhì)合成的起始 起始階段的主要任務(wù)是在mRNA 分子的正確起始點(diǎn)即起始密碼子處完成完整核糖體的組裝。蛋白質(zhì)翻譯的起始復(fù)合體包括：30S 核糖體小亞基、mRNA、fMet-tR

12、NAfMet、三個(gè)起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）、GTP、50S 核糖體大亞基、Mg2+。翻譯的起始又可被分成三步，如圖5-7所示。 25第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 圖5-7蛋白質(zhì)翻譯起始過程 26第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 IF-1和IF-3與游離的30S核糖體小亞基相結(jié)合，以阻止在與mRNA結(jié)合前30S亞基與大亞基的結(jié)合，從而防止無活性核糖體的形成。 由30S小亞基、起始因子IF-1和IF-3及mRNA所組成的復(fù)合體立即與GTP-IF-2及fMet-tRNAfMet相結(jié)合。起始tRNA通過其反密碼子與mRNA分子上AUG密碼子配對，與上述復(fù)合體結(jié)合，同時(shí)釋放IF-3。IF-3的作

13、用在于保持大小亞基彼此分離狀態(tài)，以及有助于mRNA結(jié)合。此時(shí)的復(fù)合體稱為30S起始復(fù)合體。 30S起始復(fù)合體再與50S大亞基結(jié)合，替換出IF-1和IF-2，而GTP在此耗能過程中被水解。起始后期形成的該復(fù)合體被稱為70S起始復(fù)合體。27第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 如圖5-8所示。其中IF-3的功能是使核糖體的30S和50S亞基保持分開，其它兩個(gè)起始因子IF-1及IF-2的功能則是促進(jìn)fMet-tRNAifMet及mRNA與30S小亞基的結(jié)合。如前所述，mRNA的SD序列可與小亞基上16S rRNA的3進(jìn)行堿基配對，起始密碼子AUG可與起始tRNA上的反密碼子進(jìn)行配對。當(dāng)30S小亞基結(jié)合上fMe

14、t-tRNAifMet以及與mRNA形成復(fù)合體后，IF-3就解離下來，以便50S大亞基與復(fù)合體的結(jié)合，后一結(jié)合使IF-2離開核糖體，同時(shí)使結(jié)合在IF-2上的GTP水解，原核生物的起始過程需要1分子GTP水解成GDP及磷酸提供能量。 28第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 圖5-8原核生物蛋白質(zhì)合成起始復(fù)合體的形成 29第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 2真核生物蛋白質(zhì)合成的起始 真核生物蛋白質(zhì)合成的起始需要更多的蛋白質(zhì)因子eIF參與，目前至少發(fā)現(xiàn)有9種，其中有些因子含有多達(dá)11種不同的亞基。但對它們的功能了解甚少，主要過程如圖5-9所示。與原核系統(tǒng)類似，eIF-3使40S的小亞基與大亞基分開，但其間的反應(yīng)不

15、同。Met-tRNAiMet首先與小亞基結(jié)合，同時(shí)與eIF-2及GTP形成起始四元復(fù)合體，該復(fù)合體再在多個(gè)因子的幫助下開始與mRNA的5端結(jié)合。其中eIF-4因子含有1個(gè)特殊的亞基，能特異性地結(jié)合在mRNA的5端帽子結(jié)構(gòu)上。結(jié)合在mRNA上后，核糖體小亞基就開始向3端移動至第一個(gè)AUG，這種移動由ATP水解為ADP及磷酸來提供能量。30第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 圖5-9真核生物蛋白質(zhì)合成起始復(fù)合體的形成 31第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 三、肽鏈的延伸三、肽鏈的延伸 肽鏈延伸也可被分為三步： 1第一步，進(jìn)位 氨酰-tRNA首先必須與GTP-EF-Tu復(fù)合體相結(jié)合，形成氨酰-tRNA-GTP-E

16、F-Tu復(fù)合體并與70S中的A位點(diǎn)相結(jié)合。此時(shí)，GTP水解并釋放GDP-EF-Tu復(fù)合體。如圖5-11所示。 2第二步，轉(zhuǎn)肽 轉(zhuǎn)肽是形成肽鍵的反應(yīng)，轉(zhuǎn)肽如圖5-12所示。該過程是在延伸因子從核糖體上解離下來的同時(shí)進(jìn)行的。催化這一過程的酶是存在于核糖體大亞基上的23S tRNA與酶蛋白稱為肽酰轉(zhuǎn)移酶，催化的本質(zhì)是使一個(gè)酯鍵轉(zhuǎn)變成一個(gè)肽鍵，由新加入的氨酰-tRNA上氨基酸的氨基對肽酰-tRNA上酯鍵的羰基進(jìn)行親核反應(yīng)而成。32第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 3第三步，移位 移位是延伸過程的最后一步，如圖5-13所示。該過程由移位因子EF-2催化（原核中為EF-G，真核中為EF-2）。核糖體的移位需要E

17、F-G和另一分子GTP水解提供能量。移位的目的是使核糖體沿mRNA向下游移動，使下一個(gè)密碼子暴露于核糖體的合適位點(diǎn)以供繼續(xù)翻譯。此過程除需EF-2外，還需GTP、Mg2+。按進(jìn)位轉(zhuǎn)肽移位，每進(jìn)行一次核糖體循環(huán)，就在肽鏈上增加1個(gè)氨基酸殘基。 以嘌呤霉素作為抑制劑通過實(shí)驗(yàn)表明，核糖體端mRNA移動與肽基-tRNA的移位這兩個(gè)過程是偶聯(lián)的。肽鏈延伸是由許多這樣的反應(yīng)組成的，原核生物中每次反應(yīng)共需3個(gè)延伸因子，EF-Tu、EF-Ts、EF-G，真核生物細(xì)胞需EF-1、及EF-2，消耗2個(gè)GTP，向生長中的肽鏈加上一個(gè)氨基酸。33第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 圖5-11細(xì)菌中肽鏈延伸的第一步反應(yīng)：進(jìn)位

18、34第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 圖5-12轉(zhuǎn)肽 35第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 圖5-13細(xì)菌中肽鏈延伸的第三步反應(yīng)：移位 36第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 四、翻譯的終止四、翻譯的終止 翻譯的最后一步涉及到肽酰-tRNA中連接tRNA和C端氨基酸酯鍵的切斷，這一過程需要終止和釋放因子（RFs）。核糖體與mRNA的解離還需要核糖體釋放因子（RRF）的參與。細(xì)胞中通常不含能識別3個(gè)終止密碼子的tRNA。在大腸桿菌中，當(dāng)終止密碼子進(jìn)入核糖體上的A位點(diǎn)后，即被釋放因子識別。RF-1可識別UAA和UAG，RF-2識別UAA和UGA，RF-3有助于RF-1和RF-2的活性。釋放因子使肽酰轉(zhuǎn)移酶將多肽鏈轉(zhuǎn)至

19、H2O分子而不是通常的氨酰-tRNA，釋放出mRNA并與核糖體亞基完全解離。當(dāng)釋放因子識別在A位點(diǎn)上的終止密碼子后，存在于大亞基上的肽酰轉(zhuǎn)移酶專一活性轉(zhuǎn)變成了酯酶活性，以水解新生合成的肽鏈。原核生物蛋白質(zhì)合成中新生肽鏈的釋放如圖5-14所示。37第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 圖5-14原核生物蛋白質(zhì)合成中新生肽鏈的釋放 38第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程 體外實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)大腸桿菌的核糖體與fMet-tRNAiMet、RF-1兩個(gè)三聚核苷酸AUG和UAA混合后，通過水解生成甲酰蛋氨酸，如圖5-15所示。 蛋白質(zhì)生物合成的全部過程如圖5-16所示。 圖5-15體外釋放因子活性實(shí)驗(yàn) 39第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成

20、的過程 圖5-16蛋白質(zhì)生物合成過程總過程 40第三節(jié)翻譯后的加工 一、一、N-N-端端f-Metf-Met或或MetMet的切除的切除 原核生物的肽鏈，其N-端不保留fMet，大約半數(shù)蛋白由脫甲酰酶除去甲?；?，留下Met作為第一個(gè)氨基酸；在原核及真核細(xì)胞中fMet或者M(jìn)et一般都要被除去，此過程是由氨肽酶水解來完成的。水解的過程有時(shí)發(fā)生肽鏈合成的過程中，有時(shí)在肽鏈從核糖體上釋放以后。至于脫甲酰還是除去fMet常與鄰接的氨基酸有關(guān)。如鄰接的氨基酸是Arg，Asn，Asp，Glu，Ily或Lys以脫甲?；鶠橹?，如鄰接的氨基酸是Aly，Gly，Pro，Thr或Val則常除去fMet。 41第三節(jié)翻

21、譯后的加工 二、二硫鍵的形成和羥化作用二、二硫鍵的形成和羥化作用 1二硫鍵的形成 mRNA中沒有胱胺酸的密碼子，胱氨酸中的二硫鍵是通過2個(gè)半胱氨酸的-SH基氧化形成的，肽鏈內(nèi)或肽鏈間都可形成二硫鍵，二硫鍵在維持蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象中起了很重要的作用。 2羥化作用 有些氨基酸如羥脯氨酸、羥賴氨酸沒有對應(yīng)的密碼子，這些氨基酸是在肽鏈合成后由羥化酶催化氨基酸殘基發(fā)生羥化而成，如膠原蛋白中的羥脯賴氨酸就是以這種方式形成的。42第三節(jié)翻譯后的加工 三、化學(xué)修飾三、化學(xué)修飾 1折疊 在ER腔中折疊和修飾是有關(guān)的，糖的連接對于正確的折疊十分必要。蛋白二硫異構(gòu)酶（PDI）可以改變二硫鍵，影響到折疊，它必須和特殊的ER蛋白相結(jié)合，此酶的某些活性或全部活性可能是酶作為ER中的一種復(fù)合體的形式來實(shí)現(xiàn)的。即在越膜位點(diǎn)和蛋白結(jié)合才能發(fā)揮它的功能。通過對折疊和寡聚物產(chǎn)物的計(jì)算表明折疊需要一種酶來催化，使其在細(xì)胞中迅速發(fā)生。 一個(gè)與折疊功能有關(guān)的蛋白是BiP，它是分子伴侶Hsp70家族的一個(gè)成員。BiP促使寡聚物的形成ER腔中蛋白的折疊。ER可能含有各種輔助蛋白，它們的功能是識別蛋白折疊的形態(tài)，以幫助這些蛋白產(chǎn)生一種構(gòu)象，使其可迅速地轉(zhuǎn)運(yùn)到下