高中生物-第四章生物信息的传递(下)——从mRNA到蛋白质

南京农业大学生命科学学院分子生物学第四章生物信息的传递（下）2020/6/10南京农业大学生命科学学院2——从mRNA到蛋白质本章将介绍生物信息的传递的下半部分，即翻译——从mRNA到蛋白质。第三章生物信息的传递（下）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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院3第三章生物信息的传递（下）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(transferRNA，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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院4第三章生物信息的传递（下）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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院5第三章生物信息的传递（下）第一节遗传密码第二节tRNA第三节核糖体第四节蛋白质合成机制第五节蛋白质转运机制2020/6/10南京农业大学生命科学学院6第一节遗传密码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。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。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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院7第一节遗传密码1.三联子密码及其破译构想：以3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有43＝64种密码，可以满足编码20种氨基酸的需要。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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院8第一节遗传密码1.三联子密码及其破译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polyＵ混合共聚物实验aa-tRNA与确定的三核苷酸序列结合用重复共聚物2020/6/10南京农业大学生命科学学院9第一节遗传密码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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院10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，对应于同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子。2020/6/10南京农业大学生命科学学院112.遗传密码的性质密码的简并性。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（精氨酸是个例外）。2020/6/10南京农业大学生命科学学院12密码子通用编码线粒体编码哺乳动物酵母菌果蝇植物UGA终止码色氨酸色氨酸色氨酸终止码AUA异亮氨酸蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸异亮氨酸CUA亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸AGA精氨酸终止码精氨酸丝氨酸精氨酸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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院132.遗传密码的性质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。第二节tRNAtRNA在蛋白质合成中处于关键地位。2020/6/10南京农业大学生命科学学院14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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院15tRNA上碱基的修饰tRNA产生第二节tRNA1.tRNA的结构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'烃基可被氨酰化。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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院162020/6/10南京农业大学生命科学学院17tRNA二级结构2020/6/10南京农业大学生命科学学院181.tRNA的结构二级结构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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院191.tRNA的结构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。第二节tRNA2.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，生成有蛋白质合成活性的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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院20第二节tRNA3.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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院212020/6/10南京农业大学生命科学学院22无义突变和错义突变的校正第二节tRNA4.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+AMP2020/6/10南京农业大学生命科学学院23第二节tRNA4.氨酰-tRNA合成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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院24第三节核糖体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。2020/6/10南京农业大学生命科学学院25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。第三节核糖体1.核糖体的结构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2/5。2020/6/10南京农业大学生命科学学院26第三节核糖体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：2020/6/10南京农业大学生命科学学院27核糖体来源大亚基小亚基沉降系数RNA沉降系数RNA80S脊椎动物60S20～29S40S18S5S5.8S80S无脊椎动物植物60S25S40S16～18S5S5.8S70S原核生物50S23S30S16S55S脊椎动物线粒体40S16～17S30S10～13S2020/6/10南京农业大学生命科学学院28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。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mRNA。2020/6/10南京农业大学生命科学学院292020/6/10南京农业大学生命科学学院301.核糖体的结构核糖体由三个tRNA结合位点，位于大小亚基交界面2020/6/10南京农业大学生命科学学院312.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、肽基转移部位(P位)形成肽键的部位(转肽酶中心)。此外，还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。2020/6/10南京农业大学生命科学学院322.核糖体的功能核糖体小亚基负责对模板mRNA进行序列特异性识别，如起始部分的识别、密码子与反密码子的相互作用等，mRNA的结合位点也在小亚基上。大亚基负责携带AA-tRNA、肽键的形成、AA-tRNA与肽链的结合、A位、P位、转肽酶中心等在大亚基上。2020/6/10南京农业大学生命科学学院332.核糖体的功能核糖体在体内及体外都可解离为亚基或结合成70S/80S的颗粒。在翻译的起始阶段需要游离的亚基，随后才结合成70S/80S颗粒，开始翻译进程。肽链释放后，核糖体脱离mRNA解聚成亚基，直接参与另一轮蛋白质的合成。第四节蛋白质合成机制蛋白质合成是一个需能反应。真核生物中可能有近300种生物大分子参与蛋白质的生物合成，这些组分约占细胞干重的35%。细胞用来进行合成代谢总能量的90%消耗在蛋白质合成过程中。蛋白质的生物合成包括：氨基酸活化肽链的起始、延伸、终止新合成多肽链的折叠和加工2020/6/10南京农业大学生命科学学院34第四节蛋白质合成机制1.氨基酸活化氨基酸是生物合成蛋白质的原料，氨基酸在氨酰-tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸——AA-tRNA才能被准确地运送到核糖体中，参与多肽链的起始或延伸。氨基酸活化反应包括两步: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+AMP2020/6/10南