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1、翻译翻译 Translation（蛋白质的生物合成（蛋白质的生物合成 Protein Biosynthesis ）分子生物学第五讲 转录转录: 在在RNA聚合酶（聚合酶（RNA Polymerase）的催）的催化下，以化下，以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。Review of last class分子生物学第五讲转录的不对称性(asymmetric transcriptionasymmetric transcription ) DNADNA链上只有部分区段作为转录模板链上只有部分区段作为转录模板( (反义链或模板反义链或模板链链), ),且模板链并非自始至终位于同一股且模板链并
2、非自始至终位于同一股DNADNA单链上，单链上，称为转录的不对称性。有义链有义链(Sense strand)(Sense strand) 与与mRNAmRNA序列相似的那条序列相似的那条DNADNA链称为有义链，又叫链称为有义链，又叫编码链编码链. .分子生物学第五讲启动子启动子(Promoter)：位于：位于DNA分子分子上专一与上专一与RNA聚合酶结合并决定转聚合酶结合并决定转录起始的一段序列。录起始的一段序列。 转录单元：转录单元：一段从启动子开始至终止子结束的一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。序列。包括上游调控区、结构基因区、下游转录终止区三个部分。包括上游调控区、结构基因区、
3、下游转录终止区三个部分。分子生物学第五讲转录起始（转录起始（Initiation） (模板识别模板识别 Template recognition) RNA聚合酶与聚合酶与DNA结合结合寻找启动子寻找启动子解开解开DNA双螺旋双螺旋起始位点合成起始位点合成RNA分子生物学第五讲RNA polymerase II位于核质中位于核质中用于所有蛋白质编码基因用于所有蛋白质编码基因mRNA前体的合成前体的合成前体前体mRNA需经过加帽、加尾及剪接等加工需经过加帽、加尾及剪接等加工过程。过程。分子生物学第五讲复制和转录相同点：复制和转录相同点：都以都以DNA为模板为模板合成方向均为合成方向均为53方向方向
4、都需要依赖都需要依赖DNA的聚合酶的聚合酶遵循碱基互补配对规律遵循碱基互补配对规律原料为核苷酸原料为核苷酸产物为多聚核苷酸链产物为多聚核苷酸链分子生物学第五讲 1、DNA复制时，以复制时，以35方向的母链作为模板，指导新合方向的母链作为模板，指导新合成的链以成的链以53方向进行连续合成的链称为方向进行连续合成的链称为 。另一条非。另一条非连续合成的链称作连续合成的链称作 ，该合成链上有许多被称作，该合成链上有许多被称作 片段片段的不连续片段。的不连续片段。 2、RNA有三种基本类型，它们是有三种基本类型，它们是 、 和和 。 3、下列过程不属于转录起始的是（、下列过程不属于转录起始的是（ ）
5、A、RNA聚合酶与聚合酶与DNA结合结合 B、寻找启动子、寻找启动子 C、解开、解开DNA双螺旋双螺旋 D、在核心酶作用下，、在核心酶作用下， NTP不断聚合不断聚合 4、A gene with 6 exons is expected to have（ ） A、5 introns B、6 introns C、7 introns D、incertitude分子生物学第五讲顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)(cis-acting element)：影响自身基影响自身基 因表达活性的非编码因表达活性的非编码DNA序列，包括序列，包括启动子、启动子、增强子、沉默子等增强子
6、、沉默子等（1）启动子：）启动子：在在DNA分子中，分子中，RNA聚合酶能够识聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。别、结合并导致转录起始的序列。（2）增强子：）增强子：能从启动子的上游或下游数千个碱能从启动子的上游或下游数千个碱基处激活转录的序列元件基处激活转录的序列元件（3 3）沉默子：沉默子：某些基因含有负性调节元件某些基因含有负性调节元件沉沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。遏作用。分子生物学第五讲反式作用因子反式作用因子(trans-acting factors)能直接、间接辨认和结合转录上游区段能直接、间接辨认和结合
7、转录上游区段DNA的的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子。蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子。 反式作用因子中，直接或间接结合反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶聚合酶的，则称为转录因子的，则称为转录因子(transcriptional factors, TF)。 分子生物学第五讲End of Review分子生物学第五讲分子生物学第五讲分子生物学第五讲桃基因组测序完成，桃基因组测序完成，2013, 3.24 Nature Genetics分子生物学第五讲分子生物学第五讲粗山羊草基因组测序完成粗山羊草基因组测序完成注：拟斯卑尔脱山羊草注：拟斯卑尔脱山羊草 BB 分子生物学
8、第五讲 流感病毒可分为甲（）、乙（）、丙（）三型。流感病毒可分为甲（）、乙（）、丙（）三型。其中，甲型流感依据流感病毒血凝素蛋白（其中，甲型流感依据流感病毒血凝素蛋白（hemagglutinin，HA）的不同可分为）的不同可分为1-16种亚型（种亚型（H1H16），）， 根据病毒神经氨根据病毒神经氨酸酶蛋白（酸酶蛋白（neuraminidase, NA）的不同可分为）的不同可分为1-9种亚型种亚型（N1N9），），HA不同亚型可以与不同亚型可以与NA的不同亚型相互组合形成的不同亚型相互组合形成不同的流感病毒。不同的流感病毒。Beware the New Bird Flu H7N9 血凝素血凝素
9、蛋白呈柱状，能与人、鸟、猪豚鼠等动物红细胞蛋白呈柱状，能与人、鸟、猪豚鼠等动物红细胞表面的受体相结合引起凝血。血凝素蛋白水解后分为轻链和表面的受体相结合引起凝血。血凝素蛋白水解后分为轻链和重链两部分，后者可以与宿主细胞膜上的唾液酸受体相结合，重链两部分，后者可以与宿主细胞膜上的唾液酸受体相结合，前者则可以协助病毒包膜与宿主细胞膜相互融合。前者则可以协助病毒包膜与宿主细胞膜相互融合。 分子生物学第五讲 神经氨酸酶蛋白是一个呈蘑菇状的四聚体糖蛋白，具神经氨酸酶蛋白是一个呈蘑菇状的四聚体糖蛋白，具有水解唾液酸的活性，当成熟的流感病毒经出芽的方式脱有水解唾液酸的活性，当成熟的流感病毒经出芽的方式脱离宿
10、主细胞之后，病毒表面的血凝素会经由唾液酸与宿主离宿主细胞之后，病毒表面的血凝素会经由唾液酸与宿主细胞膜保持联系，需要由神经氨酸酶将唾液酸水解，切断细胞膜保持联系，需要由神经氨酸酶将唾液酸水解，切断病毒与宿主细胞的最后联系。病毒与宿主细胞的最后联系。 因此神经氨酸酶是流感治疗药物的一个作用靶点，针因此神经氨酸酶是流感治疗药物的一个作用靶点，针对该酶设计的奥司他韦（对该酶设计的奥司他韦（Oseltamivir）是著名的抗流感药）是著名的抗流感药物之一物之一，商品名叫达菲，商品名叫达菲 （Tamiflu）。）。 分子生物学第五讲内容提要内容提要 1、基本概念、基本概念2、遗传密码、遗传密码3、核蛋白
11、体是多肽链合成的装置、核蛋白体是多肽链合成的装置4、tRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化5、蛋白质生物合成过程、蛋白质生物合成过程分子生物学第五讲分子生物学第五讲1. 概念概念翻译：翻译是指以mRNA为模板，把核苷酸三联子遗传密码翻译成氨基酸序列、合成蛋白质多肽 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?tRNA 温故部分概念温故部分概念 P122分子生物学第五讲20种氨基酸种氨基酸(a.a.)作为原料作为原料酶及众多蛋白因子，如酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括参与蛋
12、白质生物合成的物质包括l 三种三种RNAmRNA（messenger RNA, 信使信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA, 转移转移RNA）分子生物学第五讲2. 遗传密码遗传密码原核生物的多顺反子（原核生物的多顺反子（polycistronicpolycistronic）真核生物的单顺反子（真核生物的单顺反子（monocistronicmonocistronic）非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG -5 3 蛋白
13、质蛋白质分子生物学第五讲l mRNA上存在遗传密码上存在遗传密码mRNA分分子子上上从从5 至至3 方方向向，由由AUG开开始始，每每3个个核核苷苷酸酸为为一一组组，决决定定肽肽链链上上某某一一个个氨氨基基酸酸或或蛋蛋白白质质合合成成的的起起始始、终终止止信信号号，称称为为三三联联体体密密码码(triplet coden)。起始密码起始密码(initiation codon): AUG 终止密码终止密码(termination codon): UAA，UAG，UGA 分子生物学第五讲遗遗传传密密码码表表分子生物学第五讲从从mRNA 5 端端起起始始密密码码子子AUG到到3 端端终终止止密密码码
14、子子之之间间的的核核苷苷酸酸序序列列，称称为为开开放放阅阅读读框框架架(open reading frame, ORF)。 Complete CDS and deduced amino acid sequence of BcPRO in Brassica campestris ssp. chinenesis. BcPRO gene is 405 bp in length encoding 135 amino acids. 分子生物学第五讲 连续性连续性(Commaless)l遗传密码的特点遗传密码的特点编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读
15、，密码间既无间断也无交叉。码间既无间断也无交叉。 基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致移码突变可能导致移码突变(frameshift mutation)。 分子生物学第五讲简并性简并性(Degeneracy)遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至个或多至6个三个三联体为其编码。联体为其编码。分子生物学第五讲通用性通用性(universal)蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。人
16、类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。一祖先。 分子生物学第五讲摆动性摆动性(Wobble)转转运运氨氨基基酸酸的的tRNA的的反反密密码码需需要要通通过过碱碱基基互互补补与与mRNA上上的的遗遗传传密密码码反反向向配配对对结结合合，但但反反密密码码子子与与密密码码子子之之间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对摆动配对。 tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U, C,
17、 AA, GU, CUG分子生物学第五讲内容提要内容提要 1、基本概念、基本概念2、遗传密码、遗传密码3、核蛋白体是多肽链合成的装置、核蛋白体是多肽链合成的装置4、tRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化5、蛋白质生物合成过程、蛋白质生物合成过程分子生物学第五讲3、核蛋白体是多肽链合成的装置、核蛋白体是多肽链合成的装置分子生物学第五讲原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基核蛋核蛋白体白体小亚基小亚基大亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA
18、蛋白质蛋白质rpS 21种种rpL 36种种rpS 33种种rpL 49种种 不同细胞核蛋白体的组成不同细胞核蛋白体的组成 核蛋白体核蛋白体是细胞质和线粒体中无膜包裹的颗粒状细胞器，是细胞质和线粒体中无膜包裹的颗粒状细胞器，具蛋白质合成功能。核蛋白体包括具蛋白质合成功能。核蛋白体包括RNA 和蛋白质，直径为和蛋白质，直径为20-25nm 。 分子生物学第五讲原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)分子生物学第五讲
19、4 4、tRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化反密码环反密码环 氨基酸臂氨基酸臂（Amino arm）分子生物学第五讲tRNA的三级结构示意图的三级结构示意图分子生物学第五讲氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase)氨基酸的活化氨基酸的活化分子生物学第五讲第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP+E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi 分子生物学第五讲第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E分子生物
20、学第五讲氨基酰氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有都有高度特异性。高度特异性。氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。氨基酰氨基酰-tRNA的表示方法：的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 分子生物学第五讲补充说明：补充说明： 大小亚基：小亚基结合大小亚基：小亚基结合mRNA和和tRNA（A位氨基酰位氨基酰tRNA 和肽酰和肽酰tRNA） 大亚基则催化肽键的形成。大亚基则催化肽键的形成。分子生物学第五讲翻译的起始(initiation)翻译的延长(el
21、ongation)翻译的终止(termination )整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为 ：翻翻译译过过程程从从阅阅读读框框架架的的5-AUG开开始始，按按mRNA模模板板三三联联体体密密码码的的顺顺序序延延长长肽肽链链，直直至终止密码出现。至终止密码出现。 5 5、蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程分子生物学第五讲（1 1）肽链合成起始）肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。原核、原核、真核真核生物生物各种各种起始起始因子因子的生的生物功物功能能 促进核蛋白体分离成大小亚
22、基促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA5帽子帽子eIF-4E结合结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结结合小亚基合小亚基IF-4A最先结合小亚基促进大小亚基分离最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合
23、与小亚基结合eIF-2真核真核生物生物促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA敏感性敏感性 IF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合 IF-2占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起始因子促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基eIF-6促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基eIF-5eIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4E和和PABeIF-4GeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA5帽子帽子e
24、IF-4E结合结合mRNA，促进，促进mRNA扫描定位起始扫描定位起始AUGeIF-4BeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结结合小亚基合小亚基IF-4A最先结合小亚基促进大小亚基分离最先结合小亚基促进大小亚基分离eIF-2B，eIF-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合eIF-2真核真核生物生物促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA敏感性敏感性-3促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合-占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-1原核原核生物生物生物功能生物功能起始因子起
25、始因子分子生物学第五讲原核生物翻译起始复合物形成原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合；起始氨基酰起始氨基酰- -tRNA的结合；的结合； 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。分子生物学第五讲lF1lF1、3 3met-GTP-lF2met-GTP-lF230S30S50S50SGDP+PiGDP+PilF2,lF2,fmetfmetfmetfmet30S30S50S50SlF1lF1、3 3mRNAmRNAGTPGTP分子生物学第五讲与原核生物的差异与原核生物的差异 1 1）核核蛋蛋白白体体真真核核生生物物80S80
26、S（40S+60S40S+60S），原原核核生生物物70S; 70S; 2 2）起起始始因因子子（eIFeIF）有有1010种种，结结构构上上与与原原核核IFIF差差别很大；别很大； 3 3）起始蛋氨酰）起始蛋氨酰-tRNA-tRNA不需甲酰化；不需甲酰化； 4 4）mRNAmRNA结构不同，有结构不同，有55帽子结构和帽子结构和33多聚多聚A A 5 5）起始复合物形成过程不同）起始复合物形成过程不同分子生物学第五讲 起始过程起始过程1 1）大小亚基的解离）大小亚基的解离2) Met-tRNA2) Met-tRNAi imetmet-GTP-eIF2-GTP-eIF2eIF-3eIF-3eI
27、F4ceIF4c小亚基小亚基分子生物学第五讲3 3）mRNAmRNA结合到小亚基：结合到小亚基： 所需因子：所需因子：eIF-3eIF-3、eIF-1eIF-1、eIF-4AeIF-4A、eIF-4BeIF-4B，由由ATPATP提供能量。提供能量。 结合过程：通过帽结合因子（结合过程：通过帽结合因子（CBPCBP：eIF-4EeIF-4E、eIF-4F4F）与）与 mRNA mRNA 的帽结合，转移至小亚基。的帽结合，转移至小亚基。mRNAmRNA在在小亚基上向下游移动，使起始密码小亚基上向下游移动，使起始密码 AUG AUG在在tRNAtRNAi imetmet的的反密码位置结合，开始翻译
28、。反密码位置结合，开始翻译。4 4）通过）通过eIF-5eIF-5的作用，小亚基与大亚基结合，形的作用，小亚基与大亚基结合，形成起始复合物。成起始复合物。分子生物学第五讲帽结合蛋白（帽结合蛋白（CBPCBP）种类：种类： CBP eIF-4E CBP eIF-4E CBP eIF-4F CBP eIF-4F 功能：与功能：与mRNAmRNA的帽子结构结合的帽子结构结合 CBP CBP 具有解旋酶和具有解旋酶和ATPATP酶活性。酶活性。分子生物学第五讲metmet40S40S60S60SMeMet tMetMet40S40S60S60SmRNAeIF-2BeIF-2B、eIF-3eIF-3、
29、eIF-6 elF-3elF-3GDP+Pi各种各种各种各种elFelF释放释放释放释放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物形成过程复合物形成过程分子生物学第五讲（2）肽链合成延长）肽链合成延长指指根根据据mRNA密密码码序序列列的的指指导导，次次序序添添加加氨氨基基酸酸从从N端向端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。端延伸肽链，直到合成终止的过程。肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环称为核蛋白
30、体循环(ribosomal cycle)，每次循环增，每次循环增加一个氨基酸，加一个氨基酸， 包括以下三步：包括以下三步：进位进位(entrance)成肽成肽(peptide bond formation)转位转位(translocation)分子生物学第五讲延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF)原核生物：原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)、EF-G真核生物：真核生物：EF-1 、EF-2 原核延长原核延长因子因子生物功能生物功能对应真核延对应真核延长因子长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入
31、A位，位，结合分解结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽肽酰酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，促位，促进卸载进卸载tRNA释放释放EF-2分子生物学第五讲又称注册又称注册(registration)进位进位指根据指根据mRNA下下一组遗传密码指导，一组遗传密码指导，使相应氨基酰使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体进入核蛋白体A位。位。 分子生物学第五讲成肽成肽是由转肽酶是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽催化的肽键形成过程。键形成过程。分子生物学第五讲转位转位延长因子EF-G有转位酶( translo
32、case )活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动 。分子生物学第五讲进进位位转转位位成肽成肽分子生物学第五讲真真核核生生物物肽肽链链合合成成的的延延长长过过程程与与原原核核基基本本相相似，但有不同的反应体系和延长因子。似，但有不同的反应体系和延长因子。另另外外，真真核核细细胞胞核核蛋蛋白白体体没没有有E位位，转转位位时时卸载的卸载的tRNA直接从直接从P位脱落。位脱落。真核生物肽链的延长过程真核生物肽链的延长过程分子生物学第五讲（3）肽链合成的终止）肽链合成的终止当当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰停止，肽链从肽酰-t
33、RNA中释出，中释出，mRNA、核、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。 分子生物学第五讲终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF) 一一是是识识别别终终止止密密码码，如如RF-1特特异异识识别别UAA、UAG；而；而RF-2可识别可识别UAA、UGA。二二是是诱诱导导转转肽肽酶酶改改变变为为酯酯酶酶活活性性，相相当当于于催催化化肽肽酰酰基基转转移移到到水水分分子子-OH上上，使使肽肽链链从从核核蛋蛋白体上释放。白体上释放。 释放因子的功能释放因子的功能原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF 分子生物学第五讲
