1、第四章 生物信息的傳遞（下） 從mRNA到蛋白質(zhì) DNARNA 蛋白質(zhì) 復(fù)制 轉(zhuǎn)錄 翻譯 逆轉(zhuǎn)錄 RNA 復(fù)制 翻譯：指將mRNA鏈上的核甘酸從一個特定的起始位 點(diǎn)開始，按每三個核甘酸代表一個氨基酸的原則， 依次合成一條多肽鏈的過程。 蛋白質(zhì)合成的場所是 蛋白質(zhì)合成的模板是 模板與氨基酸之間的接合體是 蛋白質(zhì)合成的原料是 核糖體 mRNA tRNA 20種氨基酸 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過程蛋白質(zhì)合成的過程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 Contents 一、遺傳密碼三聯(lián)子 （一）三聯(lián)子密碼定義 mRNA鏈上每三

2、個核甘酸翻譯成蛋白質(zhì) 多肽鏈上的一個氨基酸，這三個核甘酸就 稱為密碼子或三聯(lián)子密碼(triplet coden) 。 mRNA 5 GCU AGU ACA AAA CCU 3 （二）三聯(lián)子密碼破譯 mRNA 5 AUCGACCUGAGC 3 4 20 () mRNA 5 AUCGACCUGAGC 3 42=16 20 () mRNA 5 AUCGACCUGAGC 3 43=64 20 () 核甘酸序列 氨基酸序列 至1966年，20種氨基酸對應(yīng)的61個密碼子和三 個終止密碼子全部被查清。 遺傳密碼的破譯，即確定代表每種氨基酸的具體密碼。 （三）遺傳密碼的性質(zhì) 1、簡并性 由一種以上密碼子編碼同

3、一個氨基酸的現(xiàn)象稱為 簡并（degeneracy），對應(yīng)于同一氨基酸的密碼 子稱為同義密碼子（synonymous codon）。 減少了變異對生物的影響 編碼某一氨基酸的密碼子越多，該氨基酸在蛋白質(zhì) 中出現(xiàn)的頻率就越高。Arg例外 簡述密碼的簡并性（degeneracy)和同義密 碼子（synonymous codon) 武漢大學(xué)2003年試題 （三）遺傳密碼的性質(zhì) 2、普遍性與特殊性 ? 蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到 人類都通用。 ? 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細(xì)胞的線粒體、植 物細(xì)胞的葉綠體。 生物 密碼 子 線粒體DNA編 碼的氨基酸 核DNA編碼的 氨基酸 所有 UGA 色氨酸

4、 終止子 酵母 CUA 蘇氨酸 亮氨酸 果蠅 AGA 絲氨酸 精氨酸 哺乳類 AGA/G 終止子 精氨酸 哺乳類 AUA 甲硫氨酸 異亮氨酸 線粒體與核DNA密碼子使用情況的比較 （三）遺傳密碼的性質(zhì) 3、 連續(xù)性 編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密 碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。 ?基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺 失，可能導(dǎo)致框移突變 (frameshift mutation) 。 從mRNA 5?端起始密碼子 AUG到3?端終止 密碼子之間的核苷酸序列，各個三聯(lián)體密碼 連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈

5、，稱為開放 閱讀框架(open reading frame, ORF)。 （三）遺傳密碼的性質(zhì) 4、擺動性 轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的 tRNA 上的反密碼子需要通過堿基 互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼子反向配對結(jié)合，在密碼 子與反密碼子的配對中，前兩對嚴(yán)格遵守堿基配對原 則，第三對堿基有一定的自由度，可以“擺動”，這 種現(xiàn)象稱為密碼子的擺動性。 U 擺動配對擺動配對 mRNA 5AUUAUC AUA3 UAI Ile 5 UAI Ile 5 UAI Ile 5 tRNA 333 密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象 tRNA反密碼子 第1位堿基 I U G A C mRNA密碼子 第3

6、位堿基 U, C, A A, G U, C U G 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過程蛋白質(zhì)合成的過程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 Contents 二、tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類 （一） tRNA的結(jié)構(gòu) 1、二級結(jié)構(gòu)：三葉草形 二、tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類 （一） tRNA的結(jié)構(gòu) 2、三級結(jié)構(gòu)： “L” 形 氫鍵 三葉草二級結(jié)構(gòu)具有四個臂 L 型三 維結(jié)構(gòu)兩個雙螺旋區(qū)相互垂直 3 T C 環(huán) 氨基酸莖 3 5 氨基酸莖 5 D 環(huán) D 環(huán) T C 環(huán) 可變環(huán) 可變環(huán) 反密碼子環(huán) 反密碼子環(huán) 圖 14-15 tRN

7、A 由三葉草型折疊成 L 型三維結(jié)構(gòu) （二） tRNA的功能 1、解讀mRNA的遺傳信息 2、運(yùn)輸?shù)墓ぞ撸\(yùn)載氨基酸 tRNA有兩個關(guān)鍵部位： 3端CCA：接受氨基酸，形成氨酰 -tRNA。 與mRNA結(jié)合部位反密碼子部位 3 5 I CCA- OH 5 3 G G C C C G tRNA憑借自身的反密碼子與 mRNA鏈上的密碼子相 識別，把所帶氨基酸放到肽鏈的一定位置。 1、起始tRNA和延伸tRNA （三） tRNA的種類 能特異地識別mRNA模板上起始密碼子的 tRNA稱起 始tRNA，其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA（P111）。 P111、P120： 真核生物：起始密碼子AUG 所編

8、碼的氨基酸是Met， 起始AA-tRNA為Met-tRNA Met。 原核生物：起始密碼子AUG 所編碼的氨基酸并不是 甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸，起始 AA-tRNA為 fMet-tRNA fMet 2、同工tRNA （三） tRNA的種類 代表同一種氨基酸的 tRNA稱為同工tRNA。 同工tRNA既要有不同的反密碼子以識別該氨基酸 的各種同義密碼，又要有某種結(jié)構(gòu)上的共同性， 能被相同的氨基酰-tRNA合成酶識別（P112）。 3、校正tRNA （三） tRNA的種類 無義突變：在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因中，一個核苷酸 的改變可能使代表某個氨基酸的密碼子變成終止密 碼子（UAG、UGA、UA

9、A），使蛋白質(zhì)合成提前終止， 合成無功能的或無意義的多肽，這種突變就稱為無 義突變。 錯義突變：由于結(jié)構(gòu)基因中某個核甘酸的變化使 一種氨基酸的密碼子變?yōu)榱硪环N氨基酸的密碼子， 這種基因突變叫錯義突變。 GGA（甘氨酸） AGA（精氨酸） 無義突變使 UUG 變?yōu)?UAG Tyr-tRNA 閱讀 UAG 密碼子 AUG UUG UAA AUG UAG UAA AUG UAG UAA UAC AAC AUC AUG 釋放因子 抑制突變 Leu Tyr Tyr 圖 1417 帶有突變反密碼子的 tRNA 可抑制無義突變 無義突變 表 14-6 由反密碼子突變而產(chǎn)生的無義抑制基因 野生型 抑制基因基因

10、 tRNA 識別的密碼子反密碼子反密碼子識別的密碼子 SupD(su1)SerUCGCGACUAUAG SupE(su2)GlnCAGCUGCUAUAG SupF(su3)TyrUAC, UAUGUACUAUAG SupC(su4)TyrUAC/UAUGUAUUAUAA/UAG SupG(su5)LysAAA/AAGUUUUUAUAA/UAG SupU(su7)TrpUGGCCAUCAUGA/UGG 錯義抑制 錯義突變 錯義突變 AUG AGA UAA AUG GGA UAA AUG AGA UAA UCU CCU UCU 抑制突變 Arg Gly Gly 圖 14-18 反密碼子發(fā)生突變可抑

11、制錯義突變 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過程蛋白質(zhì)合成的過程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 Contents 三、核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 （一）核糖體的結(jié)構(gòu) 核核 糖糖 體 的的 組組 成 表14-7 原核和真核生物核糖體的組成及功能 核糖體亞基 rRNAs 蛋白 RNA的特異順序和功能 細(xì)菌 70S 50S 23S=2904b 31種(L1-L31）含CGAAC和GTCG互補(bǔ) 2.5106D 5S=120b 66%RNA 30S 16S=1542b 21種(S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)和S-D 順序(A

12、GGAGG)互補(bǔ) 哺乳動物 80S 60S 28S=4718b 49種 有GAUC和tRNAfMat的TCG互補(bǔ) 4.2106D 5S=120b 60%RNA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 33種 和Capm7G結(jié)合 三、核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 （二）核糖體的功能： 合成蛋白質(zhì) 在單個核糖體上，可化分多個功能活性中心，在蛋白 質(zhì)合成過程中各有專一的識別作用和功能。 mRNA結(jié)合部位小亞基 結(jié)合或接受AA-tRNA部位（A位）大亞基 結(jié)合或接受肽基tRNA的部位大亞基 肽基轉(zhuǎn)移部位（P位）大亞基 形成肽鍵的部位（轉(zhuǎn)肽酶中心） 大亞基 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種

13、類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過程蛋白質(zhì)合成的過程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 Contents 四、蛋白質(zhì)合成的過程 ? 氨基酸的活化 ? 翻譯的起始 ? 肽鏈的延伸 ? 肽鏈的終止 ? 蛋白質(zhì)前體的加工 (一)氨基酸的活化 氨基酸 + tRNA 氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰-tRNA合成酶 ? 氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和 tRNA都有高 度特異性。 ? 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性 (proofreading activity) 。 ? 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNA Ala Ser-tRNA Ser Met

14、-tRNA Met 原核生物中，起始氨基酸是： 起始AA-tRNA是： 真核生物中，起始氨基酸是： 起始AA-tRNA是： 甲酰甲硫氨酸 fMet-tRNA fMet 甲硫氨酸 Met-tRNA Met 第一步反應(yīng)第一步反應(yīng) 氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi 目 錄 第二步反應(yīng)第二步反應(yīng) 氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E 目目 錄錄 tRNA與酶 結(jié)合的模型 tRNA 氨基酰-tRNA合成酶 ATP (二)翻譯的起始 原核生物（細(xì)菌）為例： 所需成分： 30S小亞基、 50S大亞基、模板mRNA、 fMet-tRNA fMet、GTP、Mg

15、2+ 翻譯起始因子：IF-1、IF-2、IF-3、 IF-3 IF-1 翻譯起始(翻譯起始復(fù)合物形成 )又可被分成3步： （P122） 1. 核蛋白體大小亞基分離 2、30S小亞基通過SD序列與mRNA模板相結(jié)合。 A U G 5 3 IF-3 IF-1 S-D序列序列 IF-3 IF-1 IF-2 GTP 3.在IF-2和GTP的幫助下， fMet-tRNAfMet進(jìn)入小亞基 的P位，tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配 對。 A U G 5 3 IF-3 IF-1 IF-2 GTP GDP Pi 4 4、帶有tRNA、mRNA和3個翻譯起始因子的小亞基復(fù)合 物與50S大亞基結(jié)合，

16、GTP水解，釋放翻譯起始因子。 A U G 5 3 IF-3 IF-1 A U G 5 3 GTP IF-2 -GTP GDP Pi 真核生物翻譯起始的特點(diǎn)真核生物翻譯起始的特點(diǎn) 核糖體較大,為； 起始因子比較多； mRNA 5端具有m7Gppp帽子結(jié)構(gòu) Met-tRNAMet mRNA的5端帽子結(jié)構(gòu)和3端polyA都 參與形成翻譯起始復(fù)合物； 真核生物翻譯起始復(fù)合物形成 (區(qū)別原核生物) 原核生物中30S小亞基首先與mRNA模板相結(jié)合，再 與fMet-tRNA fMet結(jié)合，最后與50S大亞基結(jié)合。而 在真核生物中，40S小亞基首先與Met-tRNA Met相結(jié) 合，再與模板mRNA結(jié)合，最

17、后與60S大亞基結(jié)合生 成80SmRNAMet-tRNA Met起始復(fù)合物（P120）。 met 40S 60S Met Met 40S 60S mRNA eIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-3 GDP+Pi 各種elF釋放 elF-5 ATP ADP+Pi elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB Met Met-tRNA Met-elF-2 -GTP 真核生物翻譯起始 復(fù)合物形成過程 肽鏈延伸由許多循環(huán)組成，每加一個氨基酸 就是一個循環(huán)，每個循環(huán)包括：AA-tRNA與核 糖體結(jié)合、 肽鍵的生成 和 移位。 延伸因子(elongation factor, EF

18、) ： 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2 (三)肽鏈的延伸 1、AA-tRNA與核糖體A位點(diǎn)的結(jié)合 需要消耗GTP，并需EF-Tu、EF-Ts兩種延伸因子 通過延伸因子EF-Ts 再生GTP, 形成EF-Tu ?GTP 復(fù)合物 EF-Tu-GDP+ EF-Ts EF-Tu-Ts + GDP EF-Tu-Ts + GTP EF-Tu-GTP + EF-Ts 重新參與下一輪循環(huán) 2、肽鍵形成 是由轉(zhuǎn)肽酶/肽基轉(zhuǎn)移酶催化 3、移位 核糖體向mRNA3端方向移動一個密碼子。 需要消耗GTP，并需EF-G延伸因子 延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶( tr

19、anslocase ) 活性，可結(jié)合并水解 1分子GTP，促進(jìn)核蛋 白體向mRNA的3側(cè)移動 。 fMet A U G 5 3 fMet Tu GTP 目 錄 原原 核核 肽 鏈鏈 合合 成 終終 止止 過 程程 （四）肽鏈的終止 RF1：識別終止密碼子UAA和UAG 終止因子 RF2：識別終止密碼子UAA和UGA RF3：具GTP酶活性，刺激RF1和 RF2 活性，協(xié)助肽鏈的釋放 （原核生物） 真核生物只有一個終止因子（ eRF） (五)蛋白質(zhì)前體的加工 1、N端fMet或Met的切除 新生蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶切后變成有功能的成熟蛋白質(zhì) 2、二硫鍵的形成 兩個半胱氨酸-SH -SH -SH 二硫鍵

20、 氧化 3、特定氨基酸的修飾 磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羥 基化和羧基化 4、切除新生肽鏈中非功能片段 前 胰 島 素 原 蛋 白 翻 譯 后 成 熟 過 程 示 意 圖 (六)蛋白質(zhì)合成抑制劑 ? 1 ? ? ? ? - ? ? ? ? ? ? 1 AA-tRNA ? o ? ? ? ? o ? ? 1 ? ? ,D ? ? 1 ? ? , ? ? AA-tRNA ? o ? ? ? ? o ? ? ? ? ? 1 ? ? ? ? y ? e ? ? ? ? ? ? 1 ? ? ? 1 mRNA ? o ? ? ? ? o ? ? ? ? 1 ? ? ? o ? ? o ? ? ? ?

21、 A ? ? ? ? ? ? AA-tRNA ? ? ? ? 遺傳密碼三聯(lián)子 tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類的結(jié)構(gòu)、功能與種類 核糖體的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì)合成的過程蛋白質(zhì)合成的過程 蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 Contents 五、蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 蛋白性質(zhì) 運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 主要類型 分泌 蛋白質(zhì)在結(jié)合核糖體上 合成，并以翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)同 步機(jī)制運(yùn)輸 免疫球蛋白、卵蛋白、水 解酶、激素等 細(xì)胞器發(fā) 育 蛋白質(zhì)在游離核糖體上 合成，以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī) 制運(yùn)輸 核、葉綠體、線粒體、乙 醛酸循環(huán)體、過氧化物酶 體等細(xì)胞器中的蛋白質(zhì) 膜的形成 兩種機(jī)制兼有 質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、類囊體中 的蛋白質(zhì) 1、翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)

22、同步機(jī)制 信號肽假說 信號肽：常指新合成多肽鏈中用于指導(dǎo)蛋白 質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移的N-末端氨基酸序列（有時(shí)不一 定在N端）。 信號序列特點(diǎn)： （1）一般帶有10-15個疏水氨基酸； （2）在靠近該序列N-端常常有1個或數(shù)個帶正電 荷的氨基酸； （3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位點(diǎn)處常常帶有 數(shù)個極性氨基酸，離切割位點(diǎn)最近的那個氨基 酸往往帶有很短的側(cè)鏈（丙氨酸或甘氨酸）。 信號肽假說內(nèi)容： 新生蛋白質(zhì)通過同步轉(zhuǎn)運(yùn)途徑進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的主要過程 2、翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 (1)線粒體蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)線粒體蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn) (2)葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn) （3）核定位蛋白的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 復(fù)習(xí)體 1 多數(shù)氨基酸都有兩個以上密碼子，下列哪組 氨基酸只有一個密碼子？ A蘇氨酸、甘氨酸 B脯氨酸、精氨酸 C絲氨酸、亮氨酸 D色氨酸、甲硫氨酸 E天冬氨酸和天冬酰胺 （D） 2tRNA分子上結(jié)合氨基酸的序列是 ACAA-3 BCCA-3 CAAC-3 DACA-3 EAAC-3 （B） 3遺傳密碼 A20種氨基酸共有64個密碼子 B