基因表达蛋白质翻译

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1、 第五章 蛋白质翻译 （Protein Translation） 翻译：指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始 位点开始，按每三个核苷酸代表一个氨基酸的原则 ，依次合成一条多肽链的过程。 蛋白质合成的场所是 蛋白质合成的模板是 模板与氨基酸之间的接合体是 蛋白质合成的原料是 核糖体 mRNA tRNA 20种氨基酸 主要内容 第一节 蛋白质翻译系统 -遗传密码、tRNA、核糖体 第二节 蛋白质的合成 第三节 蛋白质的运转 -起始、肽链延伸、肽链的终止及释放、前体加工 -翻译-运转同步、翻译后运转 第一节 蛋白质翻译系统 （Translation System ） 一、遗传密码 二、tRNA

2、三、核糖体 一、遗传密码 三联子 （一）三联子密码 mRNA链上每三个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上 的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为密码子（coden ）或三联子密码（triplet coden） 。 mRNA mRNA 5 5 - GCU - GCU AGUAGU ACA ACA AAAAAA CCU -3 CCU -3 （二）密码破译 遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码 。 破译工作始于1954年，至1966年20种氨基酸对应的61个密 码子和3个终止密码子全部被查清。 （三）遗传密码的性质 1、简并性 由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象 称为简并（degeneracy）。

3、减少了变异对生物的影响 对应于同一氨基酸的密 码子称为同义密码子（ synonymous codon）。 其特征为：第一、第二位核 苷酸往往相同，而第三位核 苷酸的改变不一定影响所编 码的氨基酸。 简述密码的简并性（degeneracy)和同义密码子 （synonymous codon) 武汉大学2003年试题 2、普遍性与特殊性 u蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到 人类都通用。 u已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植 物细胞的叶绿体。 线粒体与核DNA密码子使用情况的比较 3、 连续性 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码 连续阅读，密码子间既无间断也无交叉。 基因损伤引起mRNA开

4、放式阅读框架（ open reading frame, ORF ）内的碱基发生插入或缺失，会导致整个 阅读框架移位 (frame shift)。 4、摆动性 转运氨基酸的tRNA上的反密码子需要通过碱 基互补与mRNA上的遗传密码子反向配对结合， 在密码子与反密码子的配对中，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”，这种现象称为密码子的摆动性（ wobblewobble）。 mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子 配对示意图 tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子的 配对与“摆动”分析 二、tRNA的结构、功能与种类 tRNA在蛋白质生物合成过程中起关键作用。

5、 tRNA不但为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了 接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核 糖体上提供了运送载体，所以它又被称为第二遗 传密码。 u原核生物中大约有30-45种tRNA，真核细胞中可 能存在50种 tRNA。 （一） tRNA的结构 最常见tRNA分子有76个碱基，相对分子质量约 为2.5104，不同的tRNA分子可有7495个核苷酸不 等。 tRNA的稀有碱基含量非常丰富，约有70余种 。每个tRNA分子至少含有2个稀有碱基，最多有19 个，多数分布在非配对区，特别是在反密码子3端 邻近部位出现的频率最高，对于维持反密码环的稳 定性、密码子和反密码子之间的配对很重要。 1、

6、tRNA的二级结构 不同tRNA在结构上 存在大量的共性，由小 片段碱基互补配对形成 三叶草形分子结构，有5 条根据结构或已知功能 命名的手臂和4个环。 D臂/环（D arm/loop ） uD臂是根据它含有特殊的碱基D（Dihydrouracil， 二氢尿嘧啶）命名的； u一般有2 3个D碱基； u茎区长度常为4bp； u氨基酰tRNA聚合酶结合 反密码子臂/环（anti-codon arm/ loop ） u茎区长度常为5bp的配对； u环区含有反密码子（anti-codon）； u负责对mRNA上的密码子的识别与配对。 额外臂/环（Extra arm/loop ） u长度可变性大，从4

7、nt到21 nt不等； u有些tRNA没有额外臂/环； u连接两个区域（D-反密码子臂和TC-受体臂）。 TC臂/环（TC arm/loop） u特殊的碱基（假尿嘧啶）； u茎区长度常为5 bp的配对； u负责和核糖体上的rRNA 识别结合； 受体臂（acceptor arm） utRNA 的5与3-末端7bp碱基配对形成的杆状结构 和3端未配对的3-4个碱基所组成； u3端的最后3个碱基序列永远是CCA，最后一个碱 基A的3或2自由羟基（-OH）可以被氨酰化； u负责携带氨基酸。 2、tRNA的三级结构 研究酵母tRNAPhe、tRNAfMet和大肠杆菌tRNAfMet 、tRNAArg等的

8、三级结构，发现都呈L形折叠式。 酵母tRNAphe的三级结构示意图（根据X-射线衍射数据绘制） 。a和b表示用不同方法构建的模型。 uD臂和反密码子臂的杆状区 域形成了第二个双螺旋。 “L”形三级结构组成特点 u受体臂和TC臂的杆状区域 构成了第一个双螺旋； uTC臂和D臂的套索状结构 位于“L”的转折点，利于“L” 结构的稳定。 u受体臂顶端的碱基位于“L” 的一个端点； u反密码子臂的套索状结构生 成了“L”的另一个端点。 “L”结构域的功能 在翻译过程中，tRNA上受 体臂上携带的氨基酸必须靠近 位于核糖体大亚基上的多肽合 成位点，而反密码子必须与小 亚基上的mRNA相配对。 使得分子中

9、两个不同的功能基 团得到最大限度分离。 （二） 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： u 3端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。 u 与mRNA结合部位反密码子部位 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。 （三） tRNA的种类 1、起始tRNA和延伸tRNA 能特异地识别mRNA模板上起始密码子的 tRNA称起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA 。 真核生物：起始密码子AUG所编码的氨基酸是甲硫氨 酸（Met），起始tRNA为Met-tRNAiMet。 原核生物：起始

10、密码子AUG所编码的氨基酸并不是Met 本身, 而是甲酰甲硫氨酸（fMet），起始AA-tRNA为 fMet-tRNAfMet 2、同工tRNA 一种tRNA只能携带一种氨基酸，但是一种氨基 酸可被不止一种tRNA携带。同一生物中，携带同一 种氨基酸的不同tRNA称作同功tRNA。 u不同的反密码子识别氨基酸A的同义密码； u携带的氨基酸相同而反密码子不同的一组 tRNA； u在一个同工tRNA组内，所有tRNA均专一于相同 的氨基酰-tRNA合成酶。 3、校正tRNA 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

11、提前终止，合成无功能的或无 意义的多肽，这种突变就称为无义突变。此外，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，这种基因突变叫错义突变。 为了维持翻译的相对正确性，生物体通过校正基因 合成一类tRNA ，以“代偿”或“校正”原有突变所产生的 不良后果，这类tRNA被称为校正tRNA。 1）无义突变校正 通过校正tRNA识别无义突变位点，将某种氨基酸插 入该位点，使得多肽链继续延伸，而不中途停止。 tRNA反义密码子的突变； tRNA其它结构的改变； tRNA反密码子化学修饰。 无义突变校正通过三个不同的途径进行： 2） 错义突变校正 校正tRNA识别错义突

12、变位点，通过插入原来的氨 基酸或其它的氨基酸而校正错义突变，从而能完全恢复 或部分恢复蛋白质活性 。 tRNA反密码子发生突变， tRNA其他的结构变化或是氨酰tRNA合成酶的突 变而改变了其荷载氨基酸的变化。 有两种方式可以形成校正tRNA： 3）校正突变的特点 ： 不是所有终止密码子的校正都产生有功能的蛋白 质，起到校正的作用关键是要看氨基酸取代的情 况。 校正的作用不可能是完全的，校正的效率很低， 通常为15%。 4、氨酰-tRNA（AA-tRNA）合成酶（AARS ） AA-tRNA合成酶：是一类催化氨基酸与tRNA结合 的特异性酶。 其反应式如下 ： 实际上包括两步反应： 第一步是氨

13、基酸活化生成酶-氨基酰腺苷酸复合物。 第二步是氨酰基转移到tRNA 3 末端腺苷残基的2 或3-羟基上。 研究发现，被错误活化的氨基酸不会被结合到相应的tRNA 上，而是被酶本身水解，即活化阶段产生的误差在后一阶 段被再次校正了。 三、核糖体 核糖体是由几十种蛋白质和多种核糖体RNA（ ribosomal RNA，rRNA）所组成的亚细胞颗粒。 真核生物：所有正在进行蛋白质合成的核糖体都不是在细 胞质内自由漂浮，而是直接或间接与细胞骨架结构有关联或 者与内质网膜结构相连的。 原核生物：细菌核糖体大都通过与mRNA相互作用，被固 定在核基因组上。 （一）核糖体的结构 核糖体是一个致密的核糖核蛋白

14、颗粒，可解离 为大、小两个亚基，每个亚基都含有rRNA和许多不 同的蛋白质分子。 真核生物：核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。 原核生物：核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。 原核生物、真核生物的核糖体在组成上存在着很大差异 。 原 核 与 真 核 细 胞 核 糖 体 的 组 成 比 较 核糖体蛋白质rRNA 按特定的顺序形成完整的核糖体 （二）核糖体的功能 核糖体是翻译进行的场所-合成多肽/蛋白质。 在单个核糖体上，含有多个功能活性中心，在蛋白 质合成过程中各有专一的识别作用和功能。核糖体上 至少有5个活性中心。 umRNA结合部位 小亚基 u结合或接受AA-tRNA部位（A

15、位）大亚基 u结合或接受肽基tRNA的部位大亚基 u肽基转移部位（P位）大亚基 u形成肽键的部位（转肽酶中心）大亚基 此外，还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。 核糖体小亚基负责对模板mRNA进行序列 特异性识别；大亚基负责携带氨基酸及tRNA 的功能，肽键的形成、AA-tRNA、肽基- tRNA的结合等，A位、P位、转肽酶中心等主 要在大亚基上。 第二节 蛋白质的合成 （ Protein Synthesize ） 蛋白质的合成过程包括蛋白质的合成过程包括 ： 氨基酸活化 肽链的起始 肽链的伸长 肽链的终止 多肽链的加工和折叠 一、原核生物蛋白质合成过程（细菌 ） （一）氨基酸的活化 在氨酰-tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸 AA-tRNA。 氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰-tRNA合成酶 u氨酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet u起始密码子： AUG（多数）或 GUG （少数 ） u起始氨基酸是：甲酰甲硫氨酸 u起始AA-tRNA是：N-甲酰甲硫氨酰-tRNA fMettRNAfM