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1、第四章从mRNA到蛋白质 翻译 指将mRNA链上的核甘酸从一个特定的起始位点开始 按每三个核甘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 遗传密码 三联子 tRNA的结构 功能与种类 核糖体的结构与功能 蛋白质合成的过程 蛋白质的运转机制 一 遗传密码 三联子 三联子密码定义mRNA链上每三个核甘酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸 这三个核甘酸就称为密码子或三联子密码 tripletcodon 核苷酸序列 氨基酸序列 A 三联密码的证实 1961年Crick和Bre
2、nner S等证实了三联密码的真实性 以匀聚物 随机共聚物和特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成 核糖体结合技术 用T4染色体上的一个基因 r 位点 通过用吖啶类试剂处理 可以使DNA脱落或插入单个碱基 插入叫 加字 突变 脱落叫 减字 突变 无论加字和减字都可以引起移码突变 frameshiftmutation Crick小组用这种方法获得一系列的T4 加字 和 减字 突变 再进行杂交来获得加入或减少一个 二个 三个的不同碱基数的系列突变 烟草坏死卫星病毒的研究发现 其外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成 而相应的RNA片段长约1200个核苷酸 与假设的密码三联子体系正好相吻合 1961年Nir
3、enberg和Khorana建立了无细胞系统这一新技术又是在多核苷酸磷酸化酶发现的基础上建立起来的 1955S Ochoa在细菌中分离了多核苷酸磷酸 polynucleotidephosphorylase 它催化核糖核苷二磷酸的聚合 它不需要任何DNA模板就可合成 无细胞系统的建立 他们的方法是 去模板 用DNAase处理E coli抽提物 使DNA降解 除去原有的细菌模板 加入polyU 合成了多聚苯丙氨酸 这一结果不仅证实了无细胞系统的成功 同时还表明UUU是苯丙氨酸的密码子 分别加入polyA polyC和polyG结果相应地获得了多聚赖氨酸 多聚脯氨酸和多聚甘氨酸 随机共聚物为模板指导
4、多肽的合成以只含A C的共聚核苷酸作模板 任意排列时可出现8种三联子 CCC CCA CAC ACC CAA ACA AAC AAA 获得由Asn His Pro Gln Thr Lys等6种氨基酸组成的多肽 以特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽5 UGUGUGUGUGUGUGUGUG 3 不管读码从U开始还是从G开始 都只能有UGU Cys 及GUG Val 两种密码子 以共聚三核苷酸作为模板可得到有3种氨基酸组成的多肽 如以多聚 UUC 为模板 可能有3种起读方式 5 UUCUUCUUCUUCUUC 3 或5 UCUUCUUCUUCUUCU
5、 3 或5 CUUCUUCUUCUUCUU 3 分别产生UUC Phe UCU Ser 或CUU Leu 多聚三核苷酸为模板时也可能只合成2种多肽 5 GUAGUAGUAGUAGUA 3 或5 UAGUAGUAGUAGUAG 3 或5 AGUAGUAGUAGUAGU 3 由第二种读码方式产生的密码子UAG是终止密码 不编码任何氨基酸 因此 只产生GUA Val 或AGU Ser 1964年Nirenberg又采用核糖体结合实验tRNA和氨基酸及膜板的结合是特异的 上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸纤维滤膜的微孔 而tRNA 氨基酸的复合体是可以通过的 人工合成的三核苷酸 核糖体 AA tRN
6、A 硝酸纤维素薄膜 分析留在滤膜上的核糖体 AA tRNA 确定与核糖体结合的AA 保温 技术路线 B 遗传密码的性质 连续性 commaless 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读 密码间既无间隔也无重叠 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 称为开放阅读框架 openreadingframe ORF 简并性与兼职性简并性 许多氨基酸对应的密码子不止一种 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 4个或多至6个密码子为之编码 兼职性 AUG Met 和GUG Val 两个密码子除代表特定
7、氨基酸外 还兼作起始密码子 在全部64个密码子中 61个密码子负责20种氨基酸的翻译 1个是起始密码子 3个是终止密码子 UAA 赭石 ochre 密码子 UAG 琥珀 amber 密码子 UGA 蛋白石 opal 密码子遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基 密码子简并性的生物学意义 减少有害突变 简并现象的机理 A 同工tRNA isoacceptingtRNAs B 摇摆假说 Wobblehypothesis 1961年Crick提出又称 变偶假说 内容 codon的前两位碱基和反密码子配对时遵循Watson Crick原则 而第三位碱基有一定的灵活性 即codon的3rd Nt与anti
8、 codon的1st Nt Nt34 mRNA5 CGU CGC CGA CGG AGA AGG 3 摆动tRNA GCG3 5 GCU3 5 UCU3 5 摇摆碱基的摇摆配对原则 I 次黄嘌呤 摇摆碱基摇摆配对的机理 a 由tRNA反密码子环的空间结构所决定 b anti codon的1st Nt 摇摆位点 被修饰的频率很高 导致配对范围增大 摇摆位点处于堆积碱基的末端 所受堆积力较小 有较大的自由度来进行选择配对 tRNA的丰度和codon的使用频率是进化过程中形成的基因表达调控机制之一 需要量多的蛋白质 有关密码子的使用频率高 相应的tRNA的量多 普遍性与特殊性 蛋白质生物合成的整套密
9、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 线粒体与核DNA密码子使用情况的比较 二 tRNA的结构 功能与种类 A tRNA的结构 tRNA被称为第二遗传密码 它不但为将每个三联子密码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载体 一端识别mRNA上的密码子 另一端携带相对应的氨基酸 各种tRNA均含有74 95个碱基 一般含76个碱基 三叶草型的二维结构5 端和3 端配对 常为7bp 形成茎区 称为受体臂 acceptorarm 或称氨基酸臂 在3 端永远是3 4个碱基 XCCA 的单链区 在其末端有2 OH或3 OH 是
10、被氨基酰化位点 此臂负责携带特异的氨基酸 T C常由5bp的茎和7Nt和环组成 此臂负责和核糖体上的rRNA识别结合 反密码子臂 anticodonarm 常由5bp的茎区和7Nt的环区组成 它负责对密码子的识别与配对 D环 Darm 的茎区长度常为4bp 也称二氢尿嘧啶环 dihydrouracil 负责和氨基酰tRNA聚合酶结合 额外环 extraarm 可变性大 从4Nt到21Nt不等 其功能是在tRNA的L型三维结构中负责连接两个区域 D环 反密码子环和T C 受体臂 tRNA的三维结构 L型结构D环和T C环形成了 L 的转角 氨基酸受体臂位于L型的一侧 距反密码子环约70A 在一些
11、保守和半保守的碱基之间形成很多的三级氢键 使分子形成L形 并使结构稳定 氨基酸臂与氨基酸结合DHU环与氨酰 tRNA合成酶结合反密码环识别密码子T C环与核蛋白体结合 B tRNA的功能转录过程是信息从一种核酸分子 DNA 转移至另一种结构上极为相似的核酸分子 RNA 的过程 信息转移靠的是碱基配对 翻译阶段遗传信息从mRNA分子转移到结构极不相同的蛋白质分子 信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联子密码形式存在的 在这里起作用的是解码机制 解读mRNA的遗传信息运输的工具 运载氨基酸 tRNA有两个关键部位 3 端CCA 接受氨基酸 形成氨酰 tRNA 与mRNA结合部位 反密码子部位 作用 C
12、 tRNA的种类 起始tRNA和延伸tRNA能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA 其他tRNA统称为延伸tRNA 原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸 fMet 真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸 Met 真核生物 起始密码子AUG所编码的氨基酸是Met 起始AA tRNA为Met tRNAMet 原核生物 起始密码子AUG所编码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为fMet tRNAfMet 同工tRNA代表同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA 同工tRNA既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码 又要有某种结构上的共同性 能被AA
13、 tRNA合成酶识别 携带AA相同而反密码子不同的一组tRNA 不同的反密码子识别AA的同义密码 结构上能被AA tRNA合成酶识别的共性 校正tRNA无义突变的校正无义突变 由于结构基因中某个核苷酸的变化由一种氨基酸的密码变成终止密码 校正 tRNA反密码子的突变 无义突变 错义突变的校正错义突变 由于结构基因中某个核苷酸的变化由一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码 校正 反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽链上 甘氨酸GGAAGA 精氨酸 校正 反密码子CCUUCU 氨酰 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 AA ATP tRNA AA tRNA AMP
14、 PPi它实际上包括两步反应 第一步是氨基酸活化生成酶 氨基酰腺苷酸复合物 AA ATP 酶 E E AA AMP PPi第二步是氨酰基转移到tRNA3 末端腺苷残基上 与其2 或3 羟基结合 E AA AMP tRNA AA tRNA E AMP D 氨酰 tRNA合成酶 蛋白质合成的真实性主要决定于AA tRNA合成酶是否能使氨基酸与对应的tRNA相结合 要求 AA tRNA合成酶既要能识别tRNA 又要能识别氨基酸 它对两者都具有高度的专一性 氨基酰 tRNA合成酶对氨基酸和tRNA都有高度特异性 氨基酰 tRNA合成酶具有校正活性 proof readingactivity 氨基酰 t
15、RNA的表示方法 Ala tRNAAlaSer tRNASerMet tRNAMet 三 核糖体 核糖体像一个能沿mRNA模板移动的工厂 执行着蛋白质合成的功能 它是由几十种蛋白质和几种核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 组成的亚细胞颗粒 细胞器核糖体 与胞质中的存在明显差异 并具不同形式 有时与细菌核糖体大小相当 70 rRNA 有时仅60S 30 rRNA 核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中 虽然在不同生物内其大小有别 但组织结构基本相同 而且执行的功能也完全相同 核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒 可以解离为两个亚基 每个亚基都含有一个相对分子质量较大的rRNA和许多不同
16、的蛋白质分子 原核生物核糖体由约2 3的RNA及1 3的蛋白质组成 真核生物核糖体中RNA占3 5 蛋白质占2 5 小亚基通过密码子与反密码子的配对 识别并结合模板mRNA 蛋白质合成中A位 P位 E位的一部分等 大亚基结合多肽链 催化肽键形成 蛋白质合成中A位 P位 E位的一部分等 原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基rRNAs蛋白RNA的特异顺序和功能细菌70S50S23S 2904b36种 L1 L36 含CGAAC和T C互补2 5 106D5S 120b66 RNA30S16S 1542b21种 S1 S21 16SRNA CCUCCU 和S D顺序 AGGAGG 互补哺乳动物80S60S28S 4718b49种有GAUC和tRNAfMet的T C互补4 2 106D5S 120b60 RNA5 8S 160b40S18S 1874b33种和Capm7G结合 核糖体是rRNA与几十种蛋白质的复合体 有大 小两个亚基构成 含有合成蛋白质多肽链所必需的酶 起始因子 IF 延伸因子 EF 释放因子 RF 等 原核的核糖体 70S 30S小亚基 50S大亚基30S小亚基 16S
