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1、第四章 生物信息的传递（下） 从mRNA到蛋白质,一 蛋白质生物合成的大致框架,需要掌握的几个要点： 1 翻译：以mRNA为模板，按照mRNA分子上的三个核苷酸决定一种氨基酸的规则（三联体密码）合成具有特定氨基酸顺序的蛋白质。包括翻译的起始、肽链的延伸、肽链的终止与释放。 2 核糖体是蛋白质合成的场所，mRNA是蛋白质合成的模板，转移RNA（tRNA）是模板与氨基酸之间的接合体。 此外，在合成的各个阶段还有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与。,翻译（蛋白质的生物合成）: 以氨基酸为原料 以mRNA为模板 以tRNA为运载工具 以核糖体为合成场所 需Mg2+和适当缓冲体系 起始、延长、终止各阶段
2、蛋白因子参与 合成后加工成为有活性蛋白质,翻译的起始,核糖体与mRNA结合并与氨基酰-tRNA生成起始复合物。,蛋白质的生物合成是一个比DNA复制和转录更为复杂的过程。,核糖体沿mRNA5 端向3 端移动，开始了从N端向C端的多肽合成，这是蛋白质合成过程中速度最快的阶段,肽链的延伸,肽链的终止及释放,核糖体从mRNA上解离，准备新一轮合成反应。, 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,Contents,一、遗传密码三联子,（一）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，这三个核苷酸就称为密码子或三联子
3、密码(triplet coden) 。,mRNA 5 GCU AGU ACA AAA CCU 3,遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。 蛋白质中的氨基酸序列是由mRNA中的核苷酸序列决定的。mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸。 数学考虑 ： 一种碱基 一种 Aa 41 = 4 20 二种碱基 一种 Aa 42 = 1620 三种碱基 一种 Aa 43 = 6420,（二）三联子密码破译,实验证实三联子密码,（遗传学证据） 1、mRNA模板中插入、删除一个核苷酸后，该密码子后面的氨基酸序列全部改变。 2、同时插入、删除一个不同核苷酸后，后续蛋白质不变。 3、同时删除三
4、个核苷酸后，翻译减少一个氨基酸，序列没有变化。 烟草花叶病毒外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，而相应的RNA片段长约1200个核苷酸,至1966年，20种氨基酸对应的61个密码子和三个终止密码子全部被查清。,遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。,（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），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymous codon）。,减少了变异对生物的影响,编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率就越高。Arg例外,（三）遗传密码的性质,2、普遍性与特殊性,蛋白质生物合成的
5、整套密码，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,（三）遗传密码的性质,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，密码间既无间断也无交叉。,基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。,从mRNA 5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(open reading frame, ORF)。,（三）遗传密码的性质,4、摆动性,转运氨基酸的tRNA上的反密码子需
6、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。,U,摆动配对,密码子、反密码子配对的摆动现象,密码子是不重叠的并且无标点,A B C D E F G H I J K H Aa1 Aa2 Aa3 Aa4,遗传密码的总结：,(1) 遗传密码是三联体密码。 (2)遗传密码无逗号。 (3)遗传密码是不重叠的。 (4)遗传密码具有通用性。 (5)遗传密码具有简并性(degeneracy )。 (6) 密码子有起始密码子和终止密码子。 (7) 反密码子中的“摆动”。, 遗传密码
7、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,Contents,二、tRNA的结构、功能与种类,tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它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 （第二遗传密码） tRNA参与多种反应，并与多种蛋白质和核酸相互识别 ，这就决定了它们在结构上存在大量的共性。,作为氨基酸受体的tRNA在结构上必须具备以下识别位点: A、氨基酸接受位点 B、氨酰tRNA合成酶识别位点 C、核糖体识别位点 D、反密码子,（一） tRNA的结构,三叶草型 各种tRNA均含有70-80个
8、碱基，其中22个碱基是恒定的。具五臂四环结构。 1.受体臂（acceptor arm）其3端的最后3个碱基序列永远是CCA 此臂负责携带特异的氨基酸。 2.TC臂:是根据3个核苷酸命名的，其中表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。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,tRNA二级结构:,3.反密码子臂(anticodon arm):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。 4.D臂(D arm):是根据它含有二氢尿嘧啶（dihydrouracil）命名的。茎区长度常为4bp。负责和氨基酰tRNA聚合酶结合. 5.额外环(ext
9、ra arm):可变性大，从4 Nt到21 Nt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TC-受体臂）。,tRNA的L形三级结构,酵母和大肠杆菌tRNA的三级结构都呈L形折叠式。这种结构是靠氢键来维持的，tRNA的三级结构与AA- tRNA合成酶的识别有关。,“L”结构域,2. -anti-codon arm 位于”L”另一端，,3. -TC loop & DHU loop 位于“L”两臂的交界处，利于“L”结构的稳定,“L”结构中碱基堆积力大，使其拓扑结构趋于稳定 wobble base 位于“L”结构末端，堆积力小，自由度大，使碱基配对摇摆,1. -aa
10、accept arm 位于“L”的一端,tRNA高级结构上的特点提供了研究其生物学功能的重要线索。 因为tRNA上所运载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tRNA上的反密码子必须与小亚基上的mRNA相配对，所以分子中两个不同的功能基团是最大限度分离的。 这个结构形式很可能满足了蛋白质合成过程中对tRNA的各种要求而成为tRNA的通式，研究证实tRNA的性质是由反密码子而不是它所携带的氨基酸所决定的。,（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： 3端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。 与mRNA结合部位反密码子
11、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。,1、起始tRNA和延伸tRNA,（三） tRNA的种类,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（P111）。,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,2、同工tRNA,（三） tRNA的种类,代表同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA。 同工tRNA既要有不同
12、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，能被相同的氨基酰-tRNA合成酶识别。,3、校正tRNA,（三） tRNA的种类,无义突变：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。 错义突变：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。 GGA（甘氨酸） AGA（精氨酸）,无义突变,错义抑制,校正tRNA在进行校正过程中必须与正常的tRNA竞争结合密码子。无义突变的校正tRNA必须
13、与释放因子竞争识别密码子；错义突变的校正tRNA必须与该密码的正常tRNA竞争，都会影响校正的效率。 所以，某个校正基因的效率不仅决定于反密码子与密码子的亲和力，也决定于它在细胞中的浓度及竞争中的其他参数。一般说来，校正效率不会超过50%。 无义突变的校正基因tRNA不仅能校正无义突变，也会抑制该基因3 末端正常的终止密码子，导致翻译过程的通读，合成更长的蛋白质，这种蛋白质过多就会对细胞造成伤害。 同样，一个基因错义突变的矫正也可能使另一个基因错误翻译，因为如果一个校正基因在突变位点通过取代一种氨基酸的方式校正了一个突变，它也可以在另一位点这样做，从而在正常位点上引入新的氨基酸。, 遗传密码三
14、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,Contents,三、核糖体的结构与功能,（一）核糖体的结构,肽链合成的“装配机”-核糖体,核糖核蛋白的结构 核糖核蛋白的种类 (胞质中),由大小二亚基组成 给位（P位，肽位）： 起始时， tRNAimet结合于核糖体的肽位 延长成肽后，肽链转到此位。 受位（A位，氨基酰位）： 延长成肽时，氨基酰tRNA就加入此位。 游离的核糖核蛋白-合成细胞固有蛋白 与粗面内质网结合的核糖核蛋白 -合成带有信号肽的分泌性蛋白质,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
15、体RNA（ribosomal RNA，rRNA）组成的亚细胞颗粒。 一个细菌细胞内约有20000个核糖体，而真核细胞内可达106个，在未成熟的蟾蜍卵细胞内则高达1012。核糖体和它的辅助因子为蛋白质合成提供了必要条件。 在生物细胞中，核糖体数量非常大。,“Large” 50S subunit,“Small” 30S subunit,tRNA (3 bound),核糖体的组成,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。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和许多不同的蛋白质分子。 大肠杆菌核糖体小亚基有21种蛋白质，分别用S1S21表示，大亚基有33种蛋白质，分别用L1L33表示。真核生物细胞核糖体大亚基含有49种蛋白质，小亚基有33种蛋白质。,表 原核和真核生物核糖体的组成及功能（P116-118） 核糖体亚基 rRNAs 蛋白 RNA的特异顺序和功能 细菌 70S 50S 23S=2904b 31种(L1-L31）含CGAAC和GTCG互补 2.5106D 5S=120b 66%RNA 30S 16S=1542b 21种(S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)和S-D 顺序(AGGAGG)互
