生物信息的传递-从mrna到蛋白质.ppt

第四章 生物信息的传递（下） ―――从mRNA到蛋白质,第四章 生物信息的传递（下） ―――从mRNA到蛋白质,1、遗传密码 2、 tRNA 3、核糖体 4、蛋白质合成的生物学机制 5、蛋白质运转机制,蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活细胞在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质因此，活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运转和降解反应 翻译是指将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2019/1/17,3,在翻译过程中： 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(transfer RNA，tRNA)是模板与氨基酸之间的接合体 在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与4,翻译过程的特点： 蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化合物的参与细胞用来进行合成代谢的总能量的90%消耗在蛋白质合成过程中 在真核生物细胞核内合成的mRNA，要运送到细胞质，才能翻译生成蛋白质 蛋白质合成速度很高大肠杆菌只需要5s就能合成一条由100个氨基酸组成的多肽2019/1/17,5,蛋白质的生物合成步骤:,(1)翻译的起始:核糖体与mRNA结合并与氨酰-tRNA生成起始复合物。

(2)肽链的延伸:由于核糖体沿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 (3)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第1节 遗传密码,贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的 The genetic code is the correspondence between the sequence of the four bases in nucleic acids and the sequence of the 20 amino acids in proteins. 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个核苷酸称为密码，也叫三联子密码Triplets: 43=64, amino acids: 20 (degenerate) 翻译时从起始密码子AUG开始，沿着mRNA5’→ 3’的方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链――蛋白质2019/1/17,7,遗传密码表,,1. 三联子密码及其破译 构想：1954年，物理学家George Gamov 首先对遗传密码进行了探讨：41=4、42=16：编码的 aa 数目小于20种aa，显然不可能。

43=64：在四种核苷酸条件下，64能满足于20种aa编码的最小数44=256：虽能保证20种 aa 编码，但不符合生物体在亿万年进化过程中形成并遵循的经济原则 证明： 在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全部氨基酸序列 若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样，后续密码子序列就不会变化，翻译得到的后续的蛋白质序列就保持不变 如果同时删去3个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序列不发生变化密码破译方法: 在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模板； aa-tRNA与确定的三核苷酸序列结合（核糖体结合技术）2019/1/17,10,（1）Marshall Nirenberg (1961), 共聚物为模板,密码子的破译 (1968. nobel prize),共聚物实验,,（2）M. Nirenberg 1399),In vitro,tRNAaa Ribosome Nitrocellulose filter,UCU (trinucleotide),,核糖体结合实验,把已结合到核糖体上的aa-tRNA与未结合的aa-tRNA分开。

每次只有一种被C14标记,（3）Stop codon 的证实,61个codons被破译，(仅剩UAA,UAG,UGA？),Brenner (1961) 获得T4 phage 头部蛋白基因的琥珀突变（amber） 证明:突变体头部蛋白较野生型的变短 推测:头部蛋白基因发生了终止突变，使蛋白质合成中断Garen (1965) 获得， E.coli 碱性磷酸酯酶基因（phoA）Amber突变株的大 量回复突变株 分析；回复突变株中对应“回复”的氨基酸,Stop codon 的证实,发生终止突变的原氨基酸 Trp (UGG),,Ser : UCG, UCC, UCA, UCU, AGU, AGC Leu : UUG, UUA, CUU, CUC, CUA, CUG Tyr : UAU, UAC Lys : AGG, AAA Gln : CAG, CAA Glu : GAG, GAA,证明：终止突变密码为 UAG (amber 琥珀突变),UAA (ocher 赭色突变) UGA (opal 蛋白石突变),?!,回复突变的氨基酸和密码,2. 遗传密码的性质 密码的连续性起始密码子决定所有后续密码子的位置。

2019/1/17,16,密码的简并性 由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并(degeneracy)，对应于同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子（synonymous coden）2019/1/17,17,同义密码子第一、二第位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变不一定影响所编码的氨基酸 一般说来，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也越高（精氨酸例外）2019/1/17,18,密码的普遍性与特殊性密码子表是具有普遍性的，适用于一切生物，但也有些特殊情况2019/1/17,19,密码子与反密码子的相互作用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“，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子----摆动假说（wobble hypothesis）R,ORFs,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) An ORF is a suspected coding region.,,第2节 tRNA,tRNA在蛋白质合成中处于关键地位。

2019/1/17,21,tRNA不仅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运送载体，它又被称为第二遗传密码 特点：存在经过特殊修饰的碱基，3’端都以CCA-OH结束，这是其氨基酸结合位点2019/1/17,22,1. tRNA的结构 (1)二级结构 由于小片段碱基互补配对，形成三叶草形的二级结构三叶草形tRNA分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手臂： 受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；3’端有未配对的3～4个碱基；3’端的CCA，最后一个碱基2’羟基可被氨酰化 TψC臂：其中ψ表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸 反密码子臂：位于套索中央，有三联反密码子 D臂：含有二氢尿嘧啶2019/1/17,23,2019/1/17,24,tRNA 二级结构,2019/1/17,25,最常见tRNA有76个碱基所有tRNA含74～95个核苷酸tRNA长度的不同主要是由其中的两条手臂引起在D臂中存在多至3个可变核苷酸位点 tRNA分子中最大的变化发生多余臂上 一类是只含有一条仅为3～5个核苷酸的多余臂的tRNA，占所有tRNA的75%； 一类是有较大多余臂的tRNA，包括杆状结构上的5个核苷酸和套索结构上的3～11个核苷酸。

2019/1/17,26,(2)三级结构 tRNA三级结构都呈L形折叠式 tRNA的三级结构与氨酰-tRNA合成酶对tRNA的识别有关2. tRNA的功能 翻译阶段遗传信息从mRNA转移到结构极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联体密码子形式存在的，这里起作用的是tRNA的解码机制 氨基酸在合成蛋白质之前先通过AA－tRNA合成酶活化，在消耗ATP的情况下结合到tRNA上，生成有活性的AA－tRNA，由AA－ tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子相互识别并配对，将AA带到mRNA-核糖体复合物上，插入到正在合成的多肽链的适当位置上2019/1/17,27,3. tRNA的种类 起始tRNA和延伸tRNA 一类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA（原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸） 其他tRNA统称为延伸tRNA 同工tRNA几个代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA 校正tRNA分两类：无义突变的校正tRNA和错义突变的校正tRNA均通过改变其反密码子区校正突变而依然合成原氨基酸2019/1/17,28,2019/1/17,29,无义突变和错义突变的校正,4. 氨酰-tRNA合成 氨酰-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶。

其反应包括两步: 氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物 AA + ATP + 酶(E) → E－AA－AMP + PPi 氨酰基转移到tRNA3’末端腺苷残基的2’或3’－羟基上 E－AA－AMP + tRNA → AA－tRNA + E + AMP,2019/1/17,30,,蛋白质合成的真实性主要决定于tRNA能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置上，而这一步主要决定于AA－tRNA合成酶是否使氨基酸与对应的tRNA相结合 AA-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又要能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性2019/1/17,31,第3节 核糖体,生物细胞内，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2019/1/17,32,核糖体是由几十种蛋白质和几种核糖体组成的亚细胞颗粒 一个细菌细胞内约有20000个核糖体，而真核细胞内可达106个核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大小两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的二倍每个亚基都含有一个分子质量较大的rRNA和许多蛋白质分子这些大分子rRNA能在特定位点与蛋白质结合，从而完成核糖体不同亚基的组装 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2/52019/1/17,33,1. 核糖体的结构 原核生物、真核生物细胞质及细胞器中的核糖体存在着很大差异如下图：,2019/1/17,34,2019/1/17,35,大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成，分别用S1……S21表示，大亚基由36种蛋白质组成，分别用L1……L36表示 真核生物细胞核糖体蛋白质中，大亚基含有49种蛋白质，小亚基有33种蛋白质，它们的相对分子质量在8×103～4.0×104之间2019/1/17,36,在高倍电镜下得到的原核生物70S核糖体大、小亚基相结合的模型，核糖体分子可容纳两个tRNA和约40bp长的mRNA2019/1/17,37,核糖体有三个tRNA结合位点，位于大小亚基交界面,其中， A位点 （氨酰基位点，与新掺入的氨酰tRNA结合）；P位点（肽酰基位点，与延伸中的酰肽tRNA结合）；E位点（肽酰转移后即释放tRNA位点） tRNA的移动顺序是： A位点--- P位点--- E位点2019/1/17,40,2. 核糖体的功能 核糖体存在于每个细胞中进行蛋白质的合成尽管在不同生物体内其大小有别，但组织结构基本相同，而且执行的功能完全相同。

核糖体包括5个以上活性中心，即： mRNA结合部位； 接受AA-tRNA部位(A位)； 结合肽基－tRNA的部位(P位) ； 肽基转移部位； 形成肽键的部位(转肽酶中心)。