第四章 生物信息的傳遞下-從mRNA到蛋白質(zhì)

第四章生物信息的傳遞(下)——從mRNA到蛋白質(zhì)基因的遺傳信息在轉(zhuǎn)錄過程中從DNA轉(zhuǎn)移到mRNA，再由mRNA將這種遺傳信息表達(dá)為蛋白質(zhì)中氨基酸順序的過程叫做翻譯。合成體系：20種氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白體、酶和因子,以及無機離子、ATP、GTP合成方向：N→C端。4.1遺傳密碼——三聯(lián)子為一個氨基酸編碼進(jìn)入蛋白質(zhì)多肽鏈特定線性位置的三個核苷酸單位稱為密碼子（Coden）或三聯(lián)體密碼。密碼子的發(fā)現(xiàn)

4種堿基——20種氨基酸，若2個堿基決定1個氨基酸，只能編碼42=16個若3個堿基決定1個氨基酸，則編碼43=64個，這是編碼氨基酸所需堿基的最低數(shù)目，所以密碼子應(yīng)是三聯(lián)體。

64個密碼子中，有61個密碼子編碼20種氨基酸，稱為編碼子或有義密碼子；其余3個UAA、UAG、UGA不編碼任何氨基酸，稱為無義密碼子，是肽鏈合成的終止密碼子；編碼Met的AUG是肽鏈合成的起始信號，成為起始密碼子（真核中起始為Met、原核中起始為fMet，翻譯中間為Met）遺傳密碼4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)連續(xù)性

簡并性

通用性和特殊性

變偶性/擺動性tRNA反密碼環(huán)5′3′UGUThrACG5′3′mRNA三中讀二第1,2兩個堿基形成6個氫鍵時，可三中讀二。

如CCX，CGX，GCX和GGX第1,2兩個堿基形成4個氫鍵時，不可三中讀二。

如AAX，AUX，UAX和UUX第1,2兩個堿基形成5個氫鍵時，當(dāng)?shù)诙€堿基為嘧啶時，可三中讀二：

如UCX，ACX，CUX和GUX4.2tRNA20種氨基酸，每種氨基酸至少有一種tRNA負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運。多數(shù)氨基酸具有幾種用來轉(zhuǎn)運的tRNA，一個細(xì)胞中通常含有50或更多不同的tRNA分子。表示方法：tRNAPhe，tRNASer

各種tRNA均含有70~80個堿基,其中22個堿基是恒定的

5’端和3’端配對形成莖區(qū)(7bp)為受體臂或氨基酸臂.在3’端永遠(yuǎn)是4個堿基(XCCA)的單鏈區(qū),在其末端有2’-OH或3’-OH,是被氨基?；奈稽c.此臂負(fù)責(zé)攜帶特異的氨基酸.（3）TψC常由5bp的莖和7Nt的環(huán)組成。負(fù)責(zé)與核糖體上的rRNA識別結(jié)合；（4）反密碼子臂（anticodonarm）常由5bp的莖區(qū)和7Nt的環(huán)區(qū)組成，負(fù)責(zé)對密碼子的識別與配對；（5）D環(huán)(Darm)

4bp莖和二氫尿嘧啶環(huán)，與氨酰tRNA聚合酶結(jié)合；（6）額外環(huán)(extraarm)4~21Nt

tRNA上與多肽鏈合成有關(guān)的位點至少有4個

3’端CCA上的氨基酸接受位點反密碼子位點識別氨酰—tRNA合成酶的位點（D環(huán)）核糖體識別位點（TψC）結(jié)合氨基酸：一種氨基酸有幾種tRNA攜帶，結(jié)合需要ATP供能,氨基酸結(jié)合在tRNA3‘-CCA的位置。反密碼子：每種tRNA的反密碼子，決定了所帶氨基酸能準(zhǔn)確的在mRNA上對號入座。4.2.3tRNA的種類1、起始RNA和延伸tRNA：原核生物起始tRNA攜帶甲酰甲硫氨酸（fMet），真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸（Met）。2、同工tRNA：將幾個代表相同氨基酸的tRNA稱為同工tRNA。在一個同工tRNA組內(nèi)，所有tRNA均專一于相同的氨酰-tRNA合成酶。3、校正tRNA4.2.4氨酰-tRNA合成酶tRNA在氨酰-tRNA合成酶的幫助下，能夠識別相應(yīng)的氨基酸，并通過tRNA氨基酸臂的3'-OH與氨基酸的羧基形成活化酯——氨酰-tRNA。

氨基酰-tRNA的形成是一個兩步反應(yīng)過程：①氨酰-tRNA合成酶識別它所催化的氨基酸及一分子ATP，催化氨基酸的羧基與tRNA3’端的AMP的磷酸之間形成酯鍵，同時釋放出1分子PPi。氨基酸+ATP+酶→酶-氨酰-AMP+PPi這時，氨酰-AMP仍與酶分子緊密結(jié)合。②氨基?；D(zhuǎn)移到tRNA的3’-OH端上,通過酯鍵形成氨基酰-tRNA。氨酰-AMP+tRNA→氨酰-tRNA+AMP總反應(yīng)：氨基酸+ATP+tRNA→氨酰-tRNA+AMP+PPi4.3核糖體rRNA與蛋白質(zhì)一起構(gòu)成核糖體——蛋白質(zhì)合成“工廠”核糖體結(jié)構(gòu)組成

核糖體的基本功能結(jié)合mRNA，在mRNA上選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)域開始翻譯密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）的正確配對肽鍵的形成存在：核糖體可游離存在，真核中，也可同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，形成粗糙的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。原核中，與mRNA形成串狀——多核糖體。原核生物核糖體組成真核生物核糖體組成rRNA的組成和功能特點⑴5SrRNA：有兩個高度保守的區(qū)域，一個與tRNA分子TψC環(huán)上的GTψCG序列相互作用，使二者相互識別；另一個與23SrRNA中的一段序列互補，這是5SrRNA與50S核糖體大亞基相互作用的位點。⑵16SrRNA

它與mRNA、50S亞基和P位和A位的tRNA反密碼子直接作用，與30S小亞基結(jié)合；其3’端有一段保守序列，與mRNA5’端翻譯起始區(qū)富含嘌呤的序列互補；另外3’端還有一段與23SrRNA互補的序列，在30S與50S亞基的結(jié)合中起作用rRNA的組成和功能特點⑶23SrRNA

存在一段能與tRNAMet序列互補的片段；靠近5’端有一段12個核苷酸序列與5SrRNA上的核苷酸互補，表明在50S大亞基中兩種RNA之間可能存在相互作用。⑷5.8SrRNA

含有與原核生物5SrRNA相同的保守序列，可能具有相似的功能。⑸18SrRNA

酵母18SrRNA3’端與大腸桿菌16SrRNA有廣泛的同源性。⑹28SrRNA核糖體的組裝核糖體的大小亞基與mRNA有不同的結(jié)合特性大腸桿菌的30S亞基能單獨與mRNA形成30S核糖體-mRNA復(fù)合體，并與tRNA專一結(jié)合

50S亞基不能單獨與mRNA結(jié)合，但可非專一的與tRNA結(jié)合50S亞基上有許多與蛋白質(zhì)合成相關(guān)的位點：兩個tRNA位點：氨?；稽c（A位點）和肽?；稽c（P位點）肽酰-tRNA移位過程中使GTP水解的位點許多起始因子、延伸因子、釋放因子及各種酶相結(jié)合的位點mRNA攜帶著DNA的遺傳信息，是多肽鏈的合成模板每個氨基酸通過mRNA上3個核苷酸序列組成的遺傳密碼來決定，這些密碼以連續(xù)方式連接，組成讀碼框架（readingframe，RF），RF之外的序列稱為非編碼區(qū)，通常與遺傳信息的表達(dá)調(diào)控有關(guān)。mRNA讀碼框架的5’端：由起始密碼AUG開始，編碼Met。3’端：含有一個或一個以上終止子，

UAA、UAG、UGA在原核細(xì)胞內(nèi)：一個mRNA分子編碼多條多肽鏈，在轉(zhuǎn)錄的同時進(jìn)行翻譯在真核細(xì)胞內(nèi)：其mRNA分子通常只編碼一條多肽鏈，較穩(wěn)定。蛋白質(zhì)合成時，mRNA結(jié)合于核糖體小亞基上，大亞基結(jié)合帶氨基酸的tRNA，tRNA的反密碼子與mRNA密碼子配對，ATP供能，合成蛋白質(zhì)。4.4蛋白質(zhì)合成的生物學(xué)機制以mRNA為模板，氨酰tRNA為原料，GTP、ATP供能，在核糖體中完成。

氨基酸的活化肽鏈的起始肽鏈的延伸肽鏈的終止折疊和加工4.4.1氨基酸的活化形成氨酰-tRNA的意義：①氨基酸與tRNA分子的結(jié)合使氨基酸本身活化，利于下步形成肽鍵。②tRNA可攜帶氨基酸到mRNA的指定部位，使氨基酸摻入到多肽鏈的合適位置。所有蛋白質(zhì)的翻譯開始于甲硫氨酸的參與，tRNAMet就負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)合成起始氨基酸-Met的加入。通常細(xì)胞中有兩種tRNA可攜帶Met，一個負(fù)責(zé)起始（tRNAiMet），一個負(fù)責(zé)Met加入蛋白質(zhì)內(nèi)部（tRNAMet），兩種tRNA與Met形成甲硫氨酰-tRNA后，由起始因子識別tRNAiMet，延伸因子識別tRNAMet。一個特殊的tRNA啟動蛋白質(zhì)的合成細(xì)菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸，與核糖體小亞基相結(jié)合的是N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet，由以下兩步反應(yīng)合成：

Met+tRNAfMet+ATP→Met-tRNAfMet+AMP+PPi然后，由甲?；D(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移一個甲?；組et的氨基上：

N10-甲酰四氫葉酸+Met-tRNAfMet→

四氫葉酸+fMet-tRNAfMet1、核糖體與mRNA的結(jié)合核糖體小亞基與mRNA上合適位置的起始密碼AUG結(jié)合。原核生物與真核生物在識別合適的起始密碼上有所差別。原核生物mRNA通常含有一段富含嘌呤堿基的序列，稱為SD序列，通常在起始AUG序列上游10個堿基左右的位置，與細(xì)菌rRNA16SrRNA3’端的7個嘧啶堿基配對識別，以幫助從起始AUG處開始翻譯。4.4.2翻譯的起始真核生物核糖體與mRNA5’

端核糖體進(jìn)入部位結(jié)合后，通過掃描機制向下游尋找起始密碼AUG，從第一個AUG序列開始翻譯。2、蛋白質(zhì)合成起始的蛋白質(zhì)因子起始因子是非核糖體蛋白質(zhì)，它們只臨時與核糖體作用參與蛋白質(zhì)合成的起始，之后會從核糖體復(fù)合物上解離下來，而核糖體蛋白質(zhì)一直結(jié)合在同一核糖體上。

大腸桿菌有3個起始因子（IF）：

IF-1，IF-2，IF-3，與30S小亞基結(jié)合IF-3使結(jié)束合成的核糖體的30S和50S亞基分開，輔助30S亞基與mRNA上起始位點的特異結(jié)合

IF-2特異與起始子甲酰甲硫氨酰-tRNAiMet結(jié)合，并把它帶到核糖體的P位中

IF-1作為完整的起始復(fù)合物的一部分，與30S亞基結(jié)合。它結(jié)合在A位，能阻止氨酰-tRNA的進(jìn)入，它的定位還可以阻止30S亞基和50S亞基的結(jié)合

IF-1與IF-2使mRNA、fMet-tRNAifMet，30S亞基結(jié)合成復(fù)合物后，就離開核糖體，同時IF-2上結(jié)合的GTP水解成GDP。肽鏈合成的起始1、30S小亞基與翻譯起始因子IF-1,IF-3結(jié)合，通過SD序列與mRNA模板相結(jié)合。2、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。3、帶有tRNA，mRNA，三個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。16S

rRNAmRNA真核生物翻譯的起始真核生物核糖體較大，有較多的起始因子參與，mRNA具有5’帽子結(jié)構(gòu)，起始氨基酸為不甲基化的Met，5’帽子和3’PolyA都參與形成起始復(fù)合物。40S起始復(fù)合物形成過程中有一種蛋白質(zhì)因子——帽子結(jié)合蛋白（eIF-4E），能專一性的識別mRNA的帽子結(jié)構(gòu)，與mRNA的5’端結(jié)合生成蛋白質(zhì)-mRNA復(fù)合物，并利用該復(fù)合物對eIF-3的親和力與含有eIF-3的40S亞基結(jié)合。40S小亞基通過“掃描模型”識別mRNA上的起始密碼子AUG，此過程需要ATP。4.4.3肽鏈的延伸進(jìn)位（氨酰tRNA進(jìn)入A位點）參與因子：延長因子EF-Tu、EF-Ts、GTP、氨酰tRNA肽鍵的形成肽?；鶑腜位點轉(zhuǎn)移到A位點，形成新的肽鍵移位（translocase）在移位因子（移位酶）EF－G的作用下，核糖體沿mRNA（5’-3’）作相對移動，使原來在A位點的肽酰－tRNA移到P位點1、進(jìn)位需要兩個延長因子（ElongationFactor，EF）：EF-Tu，EF-Ts

EF-Tu稱為氨酰-tRNA結(jié)合因子，催化氨酰tRNA進(jìn)入核糖體A位。EF-Tu與核糖體、氨酰-tRNA、GTP形成四元復(fù)合物，同時偶聯(lián)GTP的水解，當(dāng)氨酰-tRNA與核糖體結(jié)合后，EF-Tu與GDP形成復(fù)合物。

EF-Ts催化EF-Tu-GTP復(fù)合物的再生，為結(jié)合下一個氨酰-tRNA作準(zhǔn)備。進(jìn)位肽鏈的形成轉(zhuǎn)肽延長過程中肽鏈的生成肽基轉(zhuǎn)移酶移位進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽肽鏈的延伸過程肽鏈合成的終止與釋放釋放因子（releasefactor，RF）能識別mRNA的終止密碼子，水解所合成肽鏈與tRNA間的酯鍵，釋放肽鏈，具有GTP酶活性。RF-1識別UAA、UAGRF-2識別UAA、UGARF-3不識別終止密碼子，促進(jìn)RF-1，RF-2的活性，影響肽鏈的釋放速度IF-3IF-11.核蛋白體大小亞基分離AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA與小亞基結(jié)合IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'3.起始氨基酰tRNA(fMet