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1、第四章第四章 生物信息的传递（下）生物信息的传递（下）从从mRNA到蛋白质到蛋白质本章主要内容遗传密码遗传密码三联子三联子tRNAtRNA核糖体核糖体蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制蛋白质转运机制蛋白质转运机制第四章第四章 生物信息的传递（下）生物信息的传递（下）从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质翻译(translation)是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每3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。 mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序； tRNA：搬运氨基酸的工具； 核蛋白体：蛋白体生物合成的场所； 酶及其他蛋
2、白质因子； 供能物质及无机离子。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：白质合成体系，该体系包括：第一节第一节 遗传密码遗传密码 密码（也称为三联子密码，codon）：mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为密码。一、三联子密码及其破译一、三联子密码及其破译遗传密码具有以下特点： 连续性； 简并性； 通用性与特殊性； 在线粒体或叶绿体中特殊 密码子与反密码子的相互作用； 摆动假说；二、遗传密码的性质二、遗传密码的性质 遗传密码的连续性遗传密码的连续性 遗传密码的简并性和通用性遗传密码的简并性和通用性简并
3、简并：由：由一种以上密一种以上密码子编码同码子编码同一个氨基酸一个氨基酸对应于同对应于同一氨基酸的一氨基酸的密码子称为密码子称为同义密码子同义密码子摆动假说1966年Crick反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即AU，GC配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。 反密码子第一位是A或C时，只能识别一种密码子反密码子第一位是U或G时，可识别两种密码子 根据摆动假说，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“
4、摆动”，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。本章主要内容遗传密码遗传密码三联子三联子tRNAtRNA核糖体核糖体蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制蛋白质转运机制蛋白质转运机制第二节第二节 tRNA1.tRNA的结构在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的 氨基酸结合，生成氨基酸tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码子(anticoden)。 第二节第二节 tRNA2.tRNA的种类起始tRNA：特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA延伸tRNA：起始密码子
5、以外的其他tRNA同工tRNA：由于一种氨基酸可能有多个密码子，为了识别也就有多个tRNA，即代表同一种氨基酸的多个tRNA校正tRNA：通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽链上，合成正常的蛋白质。能够识别mRNA中5端起始密码子AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起始部位的蛋氨酸密码，AUG。 3. 原核生物与真核生物起始原核生物与真核生物起始tRNA该酶存
6、在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。u 氨基酰氨基酰tRNA合成酶合成酶本章主要内容遗传密码遗传密码三联子三联子tRNAtRNA核糖体核糖体蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制蛋白质转运机制蛋白质转运机制核糖体（核糖体（RibosomeRibosome），），细细胞胞器的一种，器的一种，为椭为椭球形球形的粒状小体。的粒状小体。在在1
7、9531953年由年由RibinsonRibinson和和BrounBroun用用电镜电镜观观察植物察植物细细胞胞时发现时发现胞胞质质中存在一种中存在一种颗颗粒物粒物质质。19551955年年PaladePalade在在动动物物细细胞胞中也看到中也看到同同样样的的颗颗粒，粒，进进一步研究了一步研究了这这些些颗颗粒的化学成份和粒的化学成份和结结构。构。19581958年年RobertsRoberts根据化学成份命名根据化学成份命名为为核糖核蛋白体，核糖核蛋白体，简简称核称核糖体，又称核蛋白体。糖体，又称核蛋白体。 核糖体除哺乳核糖体除哺乳类类成熟的成熟的红细红细胞胞外，外，一切一切活活细细胞胞(
8、 (真核真核细细胞、胞、原核原核细细胞胞) )中均有，它是中均有，它是进进行蛋白行蛋白质质合成的重要合成的重要细细胞器，在快速增殖、分泌功能旺盛的胞器，在快速增殖、分泌功能旺盛的细细胞中尤胞中尤其多。其多。第三节第三节 核糖体核糖体原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质构成。真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8 S
9、 rRNA。第三节第三节 核糖体核糖体核核蛋蛋白白体体的的组组装装核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：1小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2大亚基： （1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右） 受 位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合； P位（左）给位或肽酰基位，可与延伸中的 肽酰基tRNA结合。 （2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上 的氨基酰tRNA，形成肽键。 （3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。 （4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每
10、两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。 urRNA原核生物5SrRNA：保守序列CGAAC与tRNA分子TC环上的GTCG，是5SrRNA与tRNA识别序列；另一保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，与23SrRNA中的一段序列互补，是5SrRNA与50S核糖体大亚基相互作用的位点。16SrRNA：3端ACCUCCUUA，与mRNA5端翻译起始区富含嘌呤的序列互补；还有一段与23SrRNA互补的序列，在30S与50S亚基的结合中起作用。23SrRNA：存在一段与tRNAMet序列互补的片段，近
11、5 端有一段12个核苷酸的序列与5SrRNA互补真核生物： 保守序列CGAAC可能是5SrRNA与tRNA识别序列。可能与原核生物的5SrRNA具有相似的功能。18SrRNA： 酵母18SrRNA3端与大肠杆菌16SrRNA有广泛的同源性。28SrRNA： 功能不清楚urRNAA位点：新到来的氨酰-tRNA的结合位点。P位点：肽酰-tRNA的结合位点。E位点：延伸过程中多肽链转移到氨酰-tRNA上释放tRNA的位点，即去氨酰-tRNA通过E位点脱出，被释放到核糖体外的细胞质中。u核糖体有3个tRNA结合位点这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。
12、在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。u 起动因子（起动因子（IF）原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。u 延长因子（延长因子（EF）原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。u 释放因子（释放因子（RF）多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需
13、消耗4分子高能磷酸键。u供能物质和无机离子供能物质和无机离子本章主要内容遗传密码遗传密码三联子三联子tRNAtRNA核糖体核糖体蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制蛋白质转运机制蛋白质转运机制第四节第四节 蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制 蛋白质生物合成过程包括三大步骤：氨基酸的活化与搬运；活化氨基酸在核蛋白体上的缩合； 翻译的起始 肽链的延伸 肽链的终止多肽链合成后的加工修饰。 一、氨基酸的活化与搬运 氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。其反应过程为：在此反应中，特异的tRNA3端CCA上的2 或3 位自由羟基与相应的活化氨基酸以
14、酯键相连接，形成氨基酸tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸活化；搬运；定位。二、活化氨基酸的缩合核蛋白体循环 活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。核蛋白体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。30S小亚基首先与翻译起动因子（IF-1、IF-3）结合，通过SD序列与mRNA模板结合在 IF-2和 GTP的 帮 助 下 ， fmet-tRNAfmet进入小亚基的P
15、位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。带有tRNA、mRNA，三个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP被水解，释放翻译起始因子。（一）翻译起始阶段：（一）翻译起始阶段：原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。真核生物翻译起始复合体真核生物蛋白质合成的机制与原核生物基本相同，其差异主要核糖体较大，有较多的起始因子参与，其mRNA分子5端具有帽子结构，Met-tRNAMet不甲酰化，mRNA分子
16、5端帽子和3端的多聚A都参与形成翻译起始复合物。1进位（后续氨酰- tRNA 与核糖体的结合）： 与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。（二）肽链延长阶段：二）肽链延长阶段：2成肽：在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。3移位：核蛋白体向mRNA的3-端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相 对 应 的 氨 基 酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。1识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。2水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。3解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。（三）肽链
