第四章 生物信息的傳遞(下)從mRNA到蛋白質(zhì)

1、第四章 生物信息的傳遞（下） 從mRNA到蛋白質(zhì)DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制 翻譯：指將mRNA鏈上的核甘酸從一個(gè)特定的起始位點(diǎn)開(kāi)始，按每三個(gè)核甘酸代表一個(gè)氨基酸的原則，依次合成一條多肽鏈的過(guò)程。蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所是蛋白質(zhì)合成的模板是模板與氨基酸之間的接合體是蛋白質(zhì)合成的原料是核糖體mRNAtRNA20種氨基酸 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過(guò)程蛋白質(zhì)合成的過(guò)程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制Contents一、遺傳密碼三聯(lián)子（一）三聯(lián)子密碼定義 mRNA鏈上每三個(gè)核甘酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽

2、鏈上的一個(gè)氨基酸，這三個(gè)核甘酸就稱為密碼子或三聯(lián)子密碼(triplet coden) 。mRNA 5 GCU AGU ACA AAA CCU 3（二）三聯(lián)子密碼破譯mRNA5 AUCGACCUGAGC3420 ()mRNA5 AUCGACCUGAGC342=1620 ()mRNA5AUCGACCUGAGC343=6420 ()核甘酸序列氨基酸序列至1966年，20種氨基酸對(duì)應(yīng)的61個(gè)密碼子和三個(gè)終止密碼子全部被查清。遺傳密碼的破譯，即確定代表每種氨基酸的具體密碼。（三）遺傳密碼的性質(zhì)1、簡(jiǎn)并性由一種以上密碼子編碼同一個(gè)氨基酸的現(xiàn)象稱為簡(jiǎn)并（degeneracy），對(duì)應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同

3、義密碼子（synonymous codon）。減少了變異對(duì)生物的影響編碼某一氨基酸的密碼子越多，該氨基酸在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的頻率就越高。Arg例外 簡(jiǎn)述密碼的簡(jiǎn)并性（degeneracy)和同義密碼子（synonymous codon) 武漢大學(xué)2003年試題（三）遺傳密碼的性質(zhì)2、普遍性與特殊性 蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。生物密碼子線粒體DNA編碼的氨基酸核DNA編碼的氨基酸所有UGA色氨酸終止子酵母CUA蘇氨酸亮氨酸果蠅AGA絲氨酸精氨酸哺乳類AGA/G終止子精氨酸哺乳類AUA甲硫氨酸異亮氨酸線粒體與核DNA密碼子

4、使用情況的比較（三）遺傳密碼的性質(zhì)3、 連續(xù)性編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無(wú)間斷也無(wú)交叉。碼連續(xù)閱讀，密碼間既無(wú)間斷也無(wú)交叉。 基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導(dǎo)致框移突變(frameshift mutation)。 從mRNA 5端起始密碼子AUG到3端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個(gè)蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開(kāi)放閱讀框架(open reading frame, ORF)。 （三）遺傳密碼的性質(zhì)4、擺動(dòng)性轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA上上的反密碼子需要通過(guò)堿基的反密碼子需要通過(guò)堿基互補(bǔ)與互

5、補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼子反向配對(duì)結(jié)合，在密碼上的遺傳密碼子反向配對(duì)結(jié)合，在密碼子與反密碼子的配對(duì)中，前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基配對(duì)原子與反密碼子的配對(duì)中，前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基配對(duì)原則，第三對(duì)堿基有一定的自由度，可以則，第三對(duì)堿基有一定的自由度，可以“擺動(dòng)擺動(dòng)”，這，這種現(xiàn)象稱為密碼子的擺動(dòng)性。種現(xiàn)象稱為密碼子的擺動(dòng)性。 U擺動(dòng)配對(duì)擺動(dòng)配對(duì)mRNA5AUUAUUAUCAUCAUAAUA3UAIUAIIleIle5UAIUAIIleIle5UAIUAIIleIle5tRNA333密碼子、反密碼子配對(duì)的擺動(dòng)現(xiàn)象密碼子、反密碼子配對(duì)的擺動(dòng)現(xiàn)象tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U, C

6、, AA, GU, CUG 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過(guò)程蛋白質(zhì)合成的過(guò)程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制Contents二、tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類（一） tRNA的結(jié)構(gòu) 1、二級(jí)結(jié)構(gòu)：三葉草形二、tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類（一） tRNA的結(jié)構(gòu) 2、三級(jí)結(jié)構(gòu)： “L”形氫鍵三葉草二級(jí)結(jié)構(gòu)具有四個(gè)臂 L 型三 維結(jié)構(gòu)兩個(gè)雙螺旋區(qū)相互垂直3 TC 環(huán) 氨基酸莖 3 5 氨基酸莖 5 D 環(huán)D 環(huán) TC 環(huán) 可變環(huán)可變環(huán)反密碼子環(huán) 反密碼子環(huán) 圖 14-15 tRNA 由三葉草型折疊成 L 型三維結(jié)

7、構(gòu)（二） tRNA的功能1、解讀mRNA的遺傳信息2、運(yùn)輸?shù)墓ぞ?，運(yùn)載氨基酸t(yī)RNA有兩個(gè)關(guān)鍵部位： 3端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。 與mRNA結(jié)合部位反密碼子部位35ICCA-OH53CCA-OHG G CC C GtRNA憑借自身的反密碼子與mRNA鏈上的密碼子相識(shí)別，把所帶氨基酸放到肽鏈的一定位置。1、起始tRNA和延伸tRNA（三） tRNA的種類能特異地識(shí)別mRNA模板上起始密碼子的tRNA稱起始tRNA，其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA（P111）。P111、P120：真核生物：起始密碼子AUG 所編碼的氨基酸是Met，起始AA-tRNA為Met-tRNAMet。原核生

8、物：起始密碼子AUG 所編碼的氨基酸并不是 甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸，起始AA-tRNA為fMet-tRNAfMet2、同工tRNA（三） tRNA的種類 代表同一種氨基酸的tRNA稱為同工tRNA。 同工tRNA既要有不同的反密碼子以識(shí)別該氨基酸的各種同義密碼，又要有某種結(jié)構(gòu)上的共同性，能被相同的氨基酰-tRNA合成酶識(shí)別（P112）。3、校正tRNA（三） tRNA的種類 無(wú)義突變：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)合成提前終止，合成無(wú)功能的或無(wú)意義的多肽，這種突變就稱為無(wú)義突變。 錯(cuò)義突變：由于結(jié)構(gòu)

9、基因中某個(gè)核甘酸的變化使一種氨基酸的密碼子變?yōu)榱硪环N氨基酸的密碼子，這種基因突變叫錯(cuò)義突變。 GGA（甘氨酸） AGA（精氨酸）無(wú)義突變使 UUG 變?yōu)?UAG Tyr-tRNA 閱讀 UAG 密碼子AUG UUG UAA AUG UAG UAA AUG UAG UAA UACAAC AUC AUG 釋放因子 抑制突變 Leu Tyr Tyr圖 1417 帶有突變反密碼子的 tRNA 可抑制無(wú)義突變無(wú)義突變表 14-6 由反密碼子突變而產(chǎn)生的無(wú)義抑制基因 野生型 抑制基因基因tRNA識(shí)別的密碼子反密碼子反密碼子識(shí)別的密碼子SupD(su1)SerUCGCGACUAUAGSupE(su2)Gln

10、CAGCUGCUAUAGSupF(su3)TyrUAC, UAUGUACUAUAGSupC(su4)TyrUAC/UAUGUAUUAUAA/UAGSupG(su5)LysAAA/AAGUUUUUAUAA/UAGSupU(su7)TrpUGGCCAUCAUGA/UGG錯(cuò)義抑制 錯(cuò)義突變 錯(cuò)義突變AUG AGA UAA AUG GGA UAA AUG AGA UAAUCU CCU UCU 抑制突變 Arg Gly Gly圖 14-18 反密碼子發(fā)生突變可抑制錯(cuò)義突變 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過(guò)程蛋白質(zhì)合

11、成的過(guò)程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制Contents三、核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 （一）核糖體的結(jié)構(gòu)核核糖糖體體的的組組成成 表14-7 原核和真核生物核糖體的組成及功能核糖體亞基 rRNAs 蛋白 RNA的特異順序和功能 細(xì)菌 70S 50S 23S=2904b 31種(L1-L31）含CGAAC和GTCG互補(bǔ)2.5106D 5S=120b66%RNA 30S 16S=1542b 21種(S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)和S-D 順序(AGGAGG)互補(bǔ) 哺乳動(dòng)物 80S 60S 28S=4718b 49種 有GAUC和tRNAfMat的TCG互補(bǔ)4.2106D 5S=120b

12、60%RNA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 33種 和Capm7G結(jié)合 三、核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 （二）核糖體的功能：合成蛋白質(zhì)在單個(gè)核糖體上，可化分多個(gè)功能活性中心，在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中各有專一的識(shí)別作用和功能。mRNA結(jié)合部位小亞基結(jié)合或接受AA-tRNA部位（A位）大亞基結(jié)合或接受肽基tRNA的部位大亞基肽基轉(zhuǎn)移部位（P位）大亞基形成肽鍵的部位（轉(zhuǎn)肽酶中心）大亞基 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過(guò)程蛋白質(zhì)合成的過(guò)程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制Contents四、蛋白質(zhì)合成的過(guò)程

13、氨基酸的活化 翻譯的起始 肽鏈的延伸 肽鏈的終止 蛋白質(zhì)前體的加工(一)氨基酸的活化氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 氨基酰-tRNA合成酶對(duì)底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 原核生物中，起始氨基酸是： 起始AA-tRNA是：真核生物中，起始氨基酸是： 起始AA-tRNA是：甲酰甲硫氨酸fMet-tRNAfMet甲硫氨酸Met-tRNAM

14、et第一步反應(yīng)第一步反應(yīng)氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E AMP PPi目目 錄錄第二步反應(yīng)第二步反應(yīng)氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E目目 錄錄 tRNA與酶與酶結(jié)合的模型結(jié)合的模型tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP(二)翻譯的起始原核生物（細(xì)菌）為例：所需成分：30S小亞基、 50S大亞基、模板mRNA、 fMet-tRNAfMet、GTP、Mg2+翻譯起始因子：IF-1、IF-2、IF-3、IF-3IF-1翻譯起始(翻譯起始復(fù)合物形成)又可被分成3步： （P122）1. 核蛋白體大小亞基分離2、30S小亞基通過(guò)SD序列與

15、mRNA模板相結(jié)合。A U G53IF-3IF-1S-D序列序列 IF-3IF-1IF-2GTP3.3.在IF-2和GTP的幫助下， fMet-tRNAfMet進(jìn)入小亞基的P位，tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配對(duì)。A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4 4、帶有tRNA、mRNA和3個(gè)翻譯起始因子的小亞基復(fù)合物與50S大亞基結(jié)合，GTP水解，釋放翻譯起始因子。A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi真核生物翻譯起始的特點(diǎn)真核生物翻譯起始的特點(diǎn)核糖體較大,為；起始因子比較多； mRNA 5端具有m7Gppp帽子結(jié)構(gòu) Me

16、t-tRNAMet mRNA的5端帽子結(jié)構(gòu)和3端polyA都參與形成翻譯起始復(fù)合物； 真核生物翻譯起始復(fù)合物形成真核生物翻譯起始復(fù)合物形成(區(qū)別原核生物區(qū)別原核生物) 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。而在真核生物中，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)合物（P120）。mRNA eIF-6 GDP+PielF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAMet-

17、elF-2 -GTP真核生物翻譯起始真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過(guò)程復(fù)合物形成過(guò)程 肽鏈延伸由許多循環(huán)組成，每加一個(gè)氨基酸就是一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括：AA-tRNA與核糖體結(jié)合、 肽鍵的生成 和 移位。 延伸因子(elongation factor, EF) ： 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2 (三)肽鏈的延伸1、AA-tRNA與核糖體A位點(diǎn)的結(jié)合需要消耗GTP，并需EF-Tu、EF-Ts兩種延伸因子通過(guò)延伸因子通過(guò)延伸因子EF-Ts再生再生GTP,形成形成EF-TuGTP復(fù)合物復(fù)合物EF-Tu-GDP+ EF-Ts EF-Tu-Ts

18、+ GDP EF-Tu-Ts + GTP EF-Tu-GTP + EF-Ts重新參與下一輪循環(huán)2、肽鍵形成是由轉(zhuǎn)肽酶/肽基轉(zhuǎn)移酶催化3、移位核糖體向mRNA3端方向移動(dòng)一個(gè)密碼子。需要消耗GTP，并需EF-G延伸因子延長(zhǎng)因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶( translocase )活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3側(cè)移動(dòng) 。fMetA U G53fMetTuGTP目目 錄錄原原核核肽肽鏈鏈合合成成終終止止過(guò)過(guò)程程 （四）肽鏈的終止 RF1：識(shí)別終止密碼子UAA和UAG 終止因子 RF2：識(shí)別終止密碼子UAA和UGA RF3：具GTP酶活性，刺激RF1和 RF2活性，協(xié)助肽鏈的釋放（

19、原核生物）真核生物只有一個(gè)終止因子（eRF）(五)蛋白質(zhì)前體的加工1、N端fMet或Met的切除新生蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶切后變成有功能的成熟蛋白質(zhì)2、二硫鍵的形成兩個(gè)半胱氨酸-SH-SH -SH-SH -SH-SH 二硫鍵氧化3、特定氨基酸的修飾 磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羥基化和羧基化4、切除新生肽鏈中非功能片段前胰島素原蛋白翻譯后成熟過(guò)程示意圖(六)蛋白質(zhì)合成抑制劑 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過(guò)程蛋白質(zhì)合成的過(guò)程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制Contents五、蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白性質(zhì) 運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)

20、制 主要類型 分泌 蛋白質(zhì)在結(jié)合核糖體上合成，并以翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制運(yùn)輸免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等細(xì)胞器發(fā)育 蛋白質(zhì)在游離核糖體上合成，以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制運(yùn)輸 核、葉綠體、線粒體、乙醛酸循環(huán)體、過(guò)氧化物酶體等細(xì)胞器中的蛋白質(zhì) 膜的形成 兩種機(jī)制兼有 質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、類囊體中的蛋白質(zhì) 1、翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制信號(hào)肽假說(shuō)信號(hào)肽：常指新合成多肽鏈中用于指導(dǎo)蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移的N-末端氨基酸序列（有時(shí)不一定在N端）。信號(hào)序列特點(diǎn)：（1 1）一般帶有）一般帶有10-1510-15個(gè)疏水氨基酸；個(gè)疏水氨基酸；（2 2）在靠近該序列）在靠近該序列N-N-端常常有端常常有1 1個(gè)或數(shù)個(gè)帶正電個(gè)或數(shù)個(gè)帶正電荷的氨

21、基酸；荷的氨基酸；（3 3）在其）在其C-C-末端靠近蛋白酶切割位點(diǎn)處常常帶有末端靠近蛋白酶切割位點(diǎn)處常常帶有數(shù)個(gè)極性氨基酸，離切割位點(diǎn)最近的那個(gè)氨基數(shù)個(gè)極性氨基酸，離切割位點(diǎn)最近的那個(gè)氨基酸往往帶有很短的側(cè)鏈（丙氨酸或甘氨酸）。酸往往帶有很短的側(cè)鏈（丙氨酸或甘氨酸）。信號(hào)肽假說(shuō)內(nèi)容：新生蛋白質(zhì)通過(guò)同步轉(zhuǎn)運(yùn)途徑進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的主要過(guò)程2、翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制(1)(1)線粒體蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)線粒體蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)(2)(2)葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)（3 3）核定位蛋白的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制）核定位蛋白的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制復(fù)習(xí)體1 多數(shù)氨基酸都有兩個(gè)以上密碼子，下列哪組氨基酸只有一個(gè)密碼子？ A蘇氨酸、甘氨酸 B脯氨酸、精氨酸 C絲氨酸、亮氨酸 D色氨酸、甲硫氨酸 E天冬氨酸和天冬酰胺（D）2tRNA分子上結(jié)合氨基酸的序列是 ACAA-3 BCCA-3 CAAC-3 DACA-3 EAAC-3（B）3遺傳密碼 A20種