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1、 第9章遗传密码与蛋白质的生物合成 9 1遗传密码的破译 遗传密码是指DNA链上的核苷酸与蛋白质链上的氨基酸的对应关系 密码子 codon 是指mRNA链上三个连续的核苷酸决定一个特定的氨基酸 mRNA上特定的核苷酸序列对应蛋白质链上特定的氨基酸序列 1966年全部64个密码子得到破译 遗传密码表 遗传密码表 9 2遗传密码的基本特性 遗传密码编码在核酸分子上 其基本单位是5 3 方向编码 不重叠 无标点的三联体密码子 起始密码子 AUG 极少数为GUG 终止密码子 UAA UAG UGA简并性 同一种氨基酸具有两个或更多密码子的现象称为密码子的简并性 degeneracy 同义密码子 同工t
2、RNA 密码子简并性 密码子与反密码子的相互作用 变偶性 摇摆性 遗传密码的专一性主要取决于前两位碱基 第三个碱基具有一定的变动范围 反密码子的第一位如果是U 可以和密码子第三位A和G配对 反密码子第一位如果是G可以和密码子第三位U和C配对 反密码子第一位如果是I 可以和U C A配对 通用性 所有的低等和高等生物 基本上共用一套遗传密码子 变异性 线粒体DNA MtDNA 的编码方式与通用密码有所不同 某些细胞基因组密码也有一定的变异 6 突变的效应及遗传密码的防错系统 遗传密码的进化方式以突变影响的最小化为目的 同义密码子在密码表中的分布具有其规则 而且密码子的碱基顺序与其相应的氨基酸物理
3、化学性质之间存在一定关系 氨基酸的极性通常由密码子第二位碱基决定 简并性由第三位碱基决定 密码的编排方式使得密码子中一个碱基被置换 其结果常常或是编码相同氨基酸 或是以物理化学性质最接近的氨基酸相取代 即密码的编排具有防错功能 遗传密码的上述特性是在进化过程中形成的 7 可读框与重叠基因 可读框 ORF 是指从起始密码子起到终止密码子止的一段连续的密码子区域 它是观察DNA序列 当没有已知的蛋白质产物时 该区域被称为可读框 而当确知该可读框编码某一确定蛋白质时 则称为编码区 一个可读框是潜在的编码区 一个基因的编码区部分或全部与另一基本的编码区重叠 称为重叠基因 重叠基因可增加基因组的编码能力
4、 9 3蛋白质的生物合成 9 3 1蛋白质生物合成概述 遗传信息传递 染色体DNA核苷酸序列 信使RNA分子核苷酸序列 多肽链的氨基酸序列氨基酸先与tRNA形成氨酰 tRNA 然后通过结合在mRNA上的核糖体而加入到多肽链中 核糖体结合到mRNA分子的起始序列上 沿着密码序列读码 方向从5 3 合成的多肽链是从氨基端到羧基端 在一个mRNA分子上可以结合多个不同时间开始翻译的核糖体 称为多聚核糖体 原核的转录与翻译同步时行 真核的转录与翻译在时空上分开 核糖体游离于细胞质或与内质网膜结合 翻译过程的基本原理 示多聚核糖体 9 3 2蛋白质生物合成的分子基础 模板 mRNA 作为中间物质传递DN
5、A分子遗传信息 含三联密码子组成的可读框 mRNA上的密码子以连续排列方式组成可读框 可读框外的序列称为非编码区 可读框的5 端由起始密码开始 3 端含有1 3个终止密码 原核生物mRNA分子起始密码上游含有核糖体结合位点序列 分子内多个基因独立地进行可读框翻译 真核生物mRNA5 端的核糖体进入部位与核糖体结合 通过一种迅速扫描机制向3 端移动寻找起始密码 帽子结构对核糖体进入部位的识别起一定作用 核糖体结合位点 RBS 5 端非编码区在蛋白质合成中是与核糖体结合的部位 译员 tRNA 既是密码子的受体 也是氨基酸的受体 转运活化的氨基酸至mRNA模板 当mRNA与tRNA在核糖体的凹槽处相
6、遇时 tRNA一端的反密码子将与mRNA上互补的三联体密码子相互作用 具有反行平行的特征 校正突变 tRNA 氨基酸的活化 4 合成部位 核糖体核糖体是最大最复杂的核糖核蛋白 RNP 在加工过程中由核糖体RNA rRNA 与核糖体蛋白质 r蛋白 复合而成 原核生物的核糖体结构真核生物的核糖体结构多聚核糖体 5S 16SrRNA 一级结构非常保守 二级结构保守性更强 核糖体的结构 30S小亚基头部基底部中间有一豁口50S大亚基三个突起 核蛋白体作为蛋白质的合成场所具有的作用 1 mRNA结合位点 位于30s小亚基头部 此处有几种蛋白质构成一个结构域 负责与mRNA的结合 特别是16srRNA3
7、端与mRNAAUG之前的一段序列互补是这种结合必不可少的 2 A位点 Aminoacyl tRNAsite 叫做氨基酰tRNA位或受位 它大部分位于大亚基而小部分位于小亚基 是结合一个新进入的氨基酰tRNA的位置 3 P位点 peptidyltRNAsite 又叫做肽酰基位点或给位 它大部分位于小亚基 小部分位于大亚基 是结合起始tRNA并向A位给出氨基酸的位置 4 转肽酶活性部位 位于P位和A位的连接处 5 结合参与蛋白质合成的起始因子 InitiationFactor IF 延长因子 ElengationFactor EF 和终止因子或释放因子 ReleaseFactor RF 翻译过程中
8、的核糖体图解 原核核糖体的装配 9 3 3翻译的过程起始 延伸 终止 氨酰 tRNA复合物的形成氨酰tRNA合成酶参与将氨基酸结合到其相应的tRNA上 这种结合的意义 氨基酰 tRNA的形成 示氨基酰 tRNA合成酶与tRNA的相互作用 可见氨酸接受柄 D柄 反密码子和可变环与酶反应 2 mRNA分子与核糖体的识别与结合起始密码子和终止密码子是一个可读框 ORF 的界限 核糖体小亚基识别合适的起始密码子 真核 识别最靠近5 端的AUG 原核 通过SD序列识别并结合于核糖体结合位点 翻译的过程起始 延伸 终止 原核生物翻译起始 起始阶段 在mRNA分子的正确起始点处完成完整核糖体的组装 参与原核
9、蛋白质合成的起始的非核糖体蛋白质 被称为起始因子 initiationfactor IF 原核生物肽链合成起始于30S亚基 分为3个阶段 形成mRNA 30S复合物 tRNAfMet结合形成30S起始复合物 形成70S起始复合物 大肠杆菌翻译起始复合物形成的过程 真核生物翻译起始 真核生物翻译起始与原核细胞相比 核糖体比较大 mRNA是单顺反子 其mRNA具有5 m7GpppNp帽子结构 无SD序列 导致起始时识别信号的差异 Met tRNAMet不甲酰化 为tRNAiMet 有较多的起始因子真核生物起始的蛋白质因子称为真核起始因子 eukaryoticinitiationfactor eIF
10、 真核生物翻译起始复合物组装 真核细胞蛋白质生物合成的起始步骤可概括为 1 形成43S核糖体复合物 由40S小亚基与elF3和elF4c组成 2 形成43S前起始复合物 即在43S核糖体复合物上 连接elF2 GTP Met tRNAMet复合物 3 形成48S前起始复合物 由mRNA及帽子结合蛋白1 CBP1 elF4A elF4B和elF4F共同构成一个mRNA复合物 mRNA复合物与43S前起始复合物作用 形成48S前起始复合物 4 形成80S起始复合物 在elF5的作用下 48S前起始复合物中的所有elF释放出 并与60S大亚基结合 最终形成80S起始复合物 即40S亚基 mRNA M
11、et tRNAMet 60S亚基 P235图9 13 原核生物和真核生物翻译起始过程比较 共同点 核糖体小亚基结合荷载的起始tRNA 在mRNA上必须找到合适的起始密码子大亚基与已形成复合物的小亚基 起始tRNA mRNA结合 这些过程都需要非核糖体的可溶性起始因子参与 基本机制大体相似 不同点 原核中 mRNA首先与小亚基结合再与tRNA形成起始复合物 而真核细胞中 起始tRNA首先结合于小亚基 再在多种因子参与下结合mRNA 小亚基起始复合物在mRNA上寻找起始密码子的方式不同 原核生物有三种起始因子 IF 1 促进IF 2及IF 3的活性 IF 2 使fMet tRNAfMet有选择地与
12、30S结合 IF 3 促进mRNA与30S结合及保持30S亚基稳定性的作用 真核生物的起始因子大概有十多种 eIF 4 CBP 帽子结合蛋白 识别帽子结构 eIF 1 eIF 2 eIF 3 与40S小亚基结合 翻译延伸的阶段 在原核与真核生物中大体相似 肽链合成的延伸 是指第二个和以后的密码子编码的氨基酸进入核糖体 并形成肽键的过程 这个过程有3个步骤 进位反应氨基酰 tRNA的反密码子与mRNA的密码子在核糖体内的识别 转肽反应包括转位反应和肽键的形成 移位反应是tRNA和mRNA相对于核糖体的移动 以上3个步骤构成了一个循环 即核糖体循环GTP的水解在此过程具有重要作用 每掺入一个氨基酸
13、的延伸过程中 都有两个GTP分子发生了水解 3翻译的过程起始 延伸 终止 肽链的延伸 蛋白质生物合成 3翻译的过程起始 延伸 终止 遗传密码中含有3个终止密码子 当核糖体在mRNA上遇到其中任一终止密码子时 肽链的延伸即停止 终止密码子是直接被蛋白质因子识别的 释放因子 releasefactor RF RF在GTP存在下识别终止密码子 结合于核糖体的A位点上 此结合导致了肽基转移酶被激活 使肽链的合成终止 细菌中有3类释放因子 RF 1 RF 2 RF 3 RF1识别UAA和UAG RF2识别UAA和UGA RF3起辅助因子作用 真核生物只有一种释放因子 eRF 可识别三类终止密码子 翻译的
14、终止及多肽链的释放过程 没有一个tRNA能够与终止密码子作用 而是靠特殊的蛋白质因子促成终止作用 终止密码子的抑制现象抑制子tRNA翻译异常终止 无义 突变 非终止mRNA 通过 反式翻译 恢复 利用终止密码子插入非标准氨基酸核糖体跳过一大段mRNA后继续翻译 称为翻译跳跃 translationjumping 其发生位置具有mRNA的特殊序列结构 9 3 4蛋白质合成的抑制 嘌呤霉素可在肽酰转移酶的作用下与氨基酸结合 形成酰胺键 此复合物易从核糖体上脱落 从而使蛋白质合成过程中断 除了嘌呤霉素之外 许多抗生素及毒素可以抑制蛋白质的合成 原 氯霉素 四环素 链霉素 新霉素 卡那霉素 真 亚胺环
15、己酮 白喉毒素 9 3 5蛋白质合成的调节 真核生物mRNA分子的稳定性3 polyA结构 3 非翻译区的AU序列5 UTR结构与翻译起始的调节5 帽子结构 起始密码子AUG与上游AUG AUG侧翼序列 mRNA前导序列蛋白质磷酸化对翻译效率的影响eIF 4E的磷酸化 eIF 2a的磷酸化3 UTR结构与mRNA稳定性调控polyA的调节 终止密码子的偏爱性 3 UTR序列及结构的调节mRNA的细胞质定位 真核起始因子eIF 2对蛋白质生物合成的调控作用 9 4蛋白质合成后的运输 蛋白质在细胞内的定位真核细胞的结构蛋白和分泌蛋白蛋白质运输的途径 通过核孔进入细胞核内 信号肽引导蛋白质达到靶部位
16、 翻译完成后被运输至细胞器的蛋白质 细胞核蛋白的靶向输送 分泌蛋白的转运过程 线粒体蛋白的靶向输送 9 5蛋白质前体的共价修饰 蛋白质翻译后的共价修饰主要包括 肽链N端残基fMet或Met的切除氨肽酶 脱甲酰基酶二硫键的形成蛋白质前体进行两个Cys SH的脱氢氧化 在ER腔中完成氨基酸侧链的修饰磷酸化 甲基化 乙酰化 腺苷酸化 糖基化 9 6蛋白质的折叠 蛋白质分子的折叠过程是动力学驱动的复杂过程 蛋白质天然构象不一定是能量最低态 往往只是一个亚稳态 与此相应 分子折叠的途径不是唯一的 而是多途径的 分子伴侣 是细胞中一类可识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位结合 从而帮助这种多肽转运或装配 其本身并不参与最终产物形成的蛋白质分子 如 信号识别颗粒
