生物化学课件37-38 蛋白质的生物合成

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1、RNA的翻译 遗传密码 | 蛋白质的合成和转运中心法则蛋白质翻译转录 逆转录复制复制DNARNA？中心法则总结了生物体内 遗传信息的流动规律，揭 示遗传的分子基础，不仅 使人们对细胞的生长、发 育、遗传、变异等生命现 象有了更深刻的认识，而 且以这方面的理论和技术 为基础发展了基因工程， 给人类的生产和生活带来 了深刻的革命n遗传密码遗传密码是三联密 码，在一个mRNA中3个核苷酸 形成一个密码子，编码一个氨 基酸 n在细胞中mRNA的碱基顺序信 息转变成多肽的氨基酸顺序称 为翻译（translation） 提要提要(续)nmRNA在核糖体上作为翻译的模板。氨基酸由 tRNA分子运送到核糖体上

2、。正确的氨基酸顺序 是通过mRNA上的密码子和tRNA上的反密码 子互补结合来完成的，而每个特异的氨基酸又 是特异地结合到tRNA上。n在原核和真核生物中，AUG是翻译开始的起始 密码子。肽链的延伸涉及到结合在核糖体的A 位和P位上的tRNA所携带的氨基酸之间形成肽 键。一旦肽键形成，核糖体沿着mRNA移动一 个密码子，为下一个负载tRNA的结合做好准备 。n翻译一直持续到mRNA上终止密码子（UAG， UAA或UGA）出现方完成目录n遗传密码 DNA是遗传信息的携 带分子 RNA传递和加工遗传 信息 遗传密码的破译 遗传密码的基本特性n蛋白质合成和转运 蛋白质合成的分子 基础 翻译的步骤 肽

3、链合成后的加工 蛋白质定位DNA是遗传信息的携带分子n1869年Miescher F发现细 胞核中存在DNA，其后的半 世纪里揭示了遗传信息的编 码、传递和表达机制。细胞内含有恒定的DNAn任何生物的细胞DNA 含量都是恒定的，不 受外界环境、营养条件和细胞本身的代谢状 态影响nDNA含量与机体复杂度有关n进化程度越高DNA含量（C值）越高nDNA含量与进化程度不简单的呈线性关系 (C值佯谬)nDNA的信息量只与DNA的复杂度有关DNA是细菌的转化因子n1928年Frederick Griffith发现细菌转化 现象；1944年，Oswald T. Avery通过实 验证明转化因子是DNA病毒

4、是游离的遗传因子n病毒感染宿主细胞，是以病 毒DNA或RNA的cDNA整合 到宿主细胞染色体DNA中随 宿主细胞染色体DNA一起复 制遗传在适合的条件下装配 成病毒颗粒离开宿主细胞Hershey-Chase实验1952年Alfred D. Hershey 和Martha Chase用32P标 记T2噬菌体的DNA,用 35S标记噬菌体蛋白质实 验。证明DNA是噬菌体 的遗传物质噬菌体是裸露的染色体烟草花叶病毒组合实验 是核酸是遗传信息运载 物质的另一证据RNA传递和加工遗传信息nRNA是单链分子可自身回折形成 局部双螺旋既能像DNA储存传递 遗传信息，又能像蛋白质一样有 催化调节作用n一般加工

5、包括切割、修剪、添加 、修饰和异构化nRNA编码序列的加工包括拼接、 编辑、和再编码则改变RNA携带 的遗传信息RNA的拼接n外显子：保留在成熟RNA中的序 列n内含子：插入的非编码序列在转 录后加工过程中被删除n拼接是一个抽提信息的过程，从 转录出产物中将编码序列拼接出来 形成完整有意义的表达序列RNA的拼接方式 类型 自我拼接 类型 自我拼接 核mRNA的拼 接体的拼接 核mRNA的 酶促拼接n它是基因表达调节的重要环节 ，并能成为产生新的基因和蛋 白质的基础n通过选择性拼接一个基因可以 编码多条多肽链。这些多肽链 为同源体拼接的生物学意义RNA编辑nRNA序列通过断裂或再连接反 应插入或

6、删除若干核苷酸，或 通过酶促脱氨和氨基化反应改 变碱基从而改变编码信息nRNA编辑需要来自自身或指导 RNA(gRNA)提供的信息编辑类型 机制 存在U的插入与删除 gRNA的转酯反应 锥虫线粒体mRNA C、A或U的插入 多头绒孢菌线粒体的mRNA和tRNA G的插入 RNA聚合酶重复转录 副粘病毒的P基因 C转变为U 酶促脱氢 哺乳类肠的apoPtRNA C转变为U或U转变为C 脱氢或氨基化 植物线粒体mRNA和tRNA牛心线粒体tRNA A转变为I 脱氨 脑谷氨酸受体亚基mRNARNA编辑的不同类型和分布RNA编辑的生物学意义 消除移码突变等基因突变的危害 增加了基因产物的多样性 与生物

7、发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式RNA译码或再编码n蛋白质的编码信息以三联体密 码形式编码在R核酸分子中表达 时由RNA翻译成蛋白质n参与翻译的RNA: mRNA模板作用 tRNA信号转换器作用 rRNA催化肽链形成起装配者作 用nRNA再编码是在错译突变、无意 突变和mRNA程序性移位时通过 校正tRNA、mRNA的翻译内含 子和核糖体移码改变常规读码方 式nRNA再编码可以校正有害的基因 突变RNA再编码遗传密码的破译n1954年Gamov对遗传密码进行探讨， 提出三联体(triplet)n1961年Francis H. C. Crick的实验结果 表明三联体密码学说正确，提出遗传

8、信 息在核酸分子上以非重叠、无标点、三 联体的方式编码n同年，Franois Jacob和Jacques Monod证明了mRNA的存在Francis CricknNirenberg等人工合成mRNA并寻 找氨基酸和三连密码子的关系nNirenbery用均聚核糖核苷酸作模 板指导多聚氨基酸合成，破译Poly U、poly A、poly C是最早破译的 密码子nKhorana等用化学合成结合酶促反 应合成含二三四核苷酸重复序列的 多聚核苷酸作模板找出氨基酸的密 码子n1966年完全确定编码20种氨基酸 的密码子（全部64个密码子）遗传密码破译Marshall NirenbergH. Gobind

9、 Khorana利用重复共聚物破译密码20种基酸的遗传密码字典遗传密码的基本特性n密码的阅读方向是53n密码为不重叠，无标点的三联体密码n翻译时许从起始密码AUG开始确定阅读框 架n移码突变是非常严重的突变密码的简并性n一个氨基酸可具有多 个密码子n氨基酸密码子 数目与 该氨基酸残基在蛋白 质中的使用频率有关 ，频率越大密码子数 越多密码的变偶性n密码子专一性取决于前两个密码子，第三个 密码子作用有限，tRNA上的反密码子与 mRNA密码子配对时前两位碱基配对严格 第三位碱基可有一定变动这个现象称变偶性 。即一个tRNA反密码子可识别多个简并密 码子n在tRNA反密码子中除A、U、G、C四种碱

10、 基外，经常出现次黄嘌呤（I）。可与U、A 、C配对，使次黄嘌呤反密码子可识别更多 的反密码子n实验证明，酵母丙氨酸反密码子IGC可阅读 GCU、GCC、GCA变偶性LeuGlu LysAla Gly ValSerAsp Gln AsnIleThr ProMetPhe Try HisArgTrpCys密码子数1086421 2 3 4 5 6 蛋白质中残基的百分数反密码子 第一位碱基密码子 第三位碱基 AU CG GU、C UA、G IU、C、A反密码子与密码子之间的 碱基配对密码的通用性和变异性n生物界从低等到高等基本上共 用一套遗传密码，线粒体以及 少数生物体的密码子由变异。已知的线粒体变

11、异密码子密码防错系统n密码编排方式使得密码子中 一个碱基被置换结果常是编 码相同的氨基酸或以物理化 学性质相近的氨基酸取代。 使基因突变造成的伤害降到 最低限度防错系统n蛋白质的生物 合成，就是以 mRNA为模板 合成蛋白质的 过程。即将 mRNA中4种核 苷酸的语言解 读为蛋白质中 20种氨基酸的 语言，又称翻 译 (Translation)蛋白质的生物合成蛋白质合成的分子基础n以氨基酸为原料n以mRNA为模板n以tRNA为运载工具n以核糖体为合成场所mRNAnmRNA (messenger RNA)由DNA 经转录合成，携带着DNA的遗传信息 ，然后作为模板通过翻译将遗传信息 传递给蛋白质

12、，即由它直接决定多肽 链中AA的顺序nmRNA分子中四种不同碱基（A、G 、C和U）构成特定顺序决定蛋白质 分子中20种AA所构成的序列原核细胞mRNA的结构特点5 5 3 3 顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区末端顺序SD区AGGAGGU特点 半衰期短 许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在 AUG作为起始密码；AUG上游712个核苷酸处有一被称为 SD序列的保守区，16SrRNA3- 端反向互补而使mRNA与核糖体 结合真核细胞mRNA的结构特点5 “帽子”PolyA 3 顺反子m7G-5ppp-N-3pA（50200）-OH帽子结构功能 使mRNA免遭核酸酶的破坏

13、使mRNA能与核糖体小亚基结合并 开始合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因子所识别， 从而促进蛋白质的合成Poly(APoly(A) ) 的功能的功能 是mRNA由细胞核进入 细胞质所必需的形式 它大大提高了mRNA在 细胞质中的稳定性原核生物和真核生物 mRNA的比较起始密码的选择原核原核mRNA是蛋白质合成的模版n辨认起始密码子是翻译起始的必须步骤 ：确定阅读框架n按照不重叠三联体密码子翻译产生对应 的氨基酸并形成肽键n当到达终止密码时，合成结束，肽键释 放n通常终止密码不止一个，而是连续出现 23个终止密码n对于某些病毒，如果中间有起始密码， 则一条mRNA可产生2条或多条肽链阅读框架tRN

14、Antransfer ribonucleic acid，由50- 95个核苷酸组成，分子较小，常含 有稀有碱基，其自身可以折叠成三叶 草形的结构n在蛋白质合成中处于关键地位，为每 个三联体密码子译成氨基酸提供接合 体，并准确无误地将活化的氨基酸运 送到核糖体中mRNA模板上tRNA的结构特征3端含CCA-OH序列 TC环(TC loop) 额外环或可变环(extro variable loop) 反密码子环(anticodon loop) 二氢尿嘧啶环(dihydro-U loop或D-loop) 上述的TC环，反密码子 环，和二氢尿嘧啶分别连接 在由4或5个碱基组成的螺旋 区上，依次称为TC

15、茎，反 密码子茎和二氢尿嘧啶茎。 此外，15-16个固定碱基几乎 全部位于这些环上tRNA三维结构tRNA的接头头(adaptor)作用n3-端上的 氨基酸接受 位点n识别氨酰- tRNA合成 酶的位点n核糖体识别 位点n反密码子位 点密码子-反密码子的识别ntRNA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。密码子与反密码 子的阅读方向均 为5 3，两者 反向平行配对。基 因 间 的 校 正 突 变 3-A-U-C- 5 5-U-A-G- 3突变tRNA Tyr 的反密码子（正常时应为3-A-U-G- 5）此终止密码被读作TyrGluH2NCOOH第一个突变：由于 DNA突变使mRNA分 子中GAG变为UAGGAG(Glu) UAG（终止密码）H2NCOOHTyrH2NCOOH第二个突变： tRNA Tyr 的反密码子GUA突变成 CUA突变tRNATyr可以将终止密 码 UAG读作Tyr核糖体n核糖体是由rRNA (ribosomal ribonucleic asid) 和多种蛋白质结合 而成的一种大的核糖核蛋白颗粒n核糖体是蛋白质合成的场所n核蛋白体外无界膜，呈颗粒状，由