第四章-生物信息的传递(下)-翻译

第四章生物信息的传递（下）--从mRNA到蛋白质(Translation)4.1遗传密码---三联子4.2tRNA4.3核糖体4.4蛋白质合成的生物学机制4.5蛋白质转运机制(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。蛋白质的生物合成步骤：(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。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。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。4.1遗传密码---三联子4.1.1三联子密码及其破译4.1.2遗传密码字典4.1.3遗传密码的性质4.1.1三联子密码及其破译1.两个基本概念遗传密码(geneticcode):DNA（或mRNA）中核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系。密码子(codon)：mRNA上每3个相邻核苷酸编码多肽链中一个氨基酸，这三个核苷酸称一个密码子或三联体密码。2.遗传密码破译简史（1）1954年Gamow首先对遗传密码进行了探讨；（2）1961年Crick证明三联体密码子是正确的；（3）1961年，Nirenberg以均聚物、随机共聚物、特定序列的共聚物作模板合成多肽，破译遗传密码；（4）1964年Nirenberg用核糖体结合技术研究遗传密码，直接测出三联体对应的氨基酸；（5）到1966年，遗传密码全部破译。核糖体结合技术保温硝酸纤维滤膜过滤分析留在滤膜上的核糖体-AA-tRNA确定与核糖体结合的AA和模板特定三核苷酸为模板+核糖体+20种AA-tRNA(其中一种AA-tRNA的氨基酸被14C标记）UGU-核糖体-Cys-tRNA复合体通过滤膜过滤UGU，核糖体，各种氨基酸-tRNA反应进行Nirenberg的实验半胱氨酸4.1.2遗传密码字典4.1.3遗传密码的性质1.密码的连续性2.密码的简并性与兼职性3.密码的通用性与特殊性4.密码子与反密码子识别的摆动性1.密码的连续性在mRNA翻译过程中，mRNA的编码方向是5`→3`，肽链从N端向C端延伸。一条肽链合成起始后，密码子按3个一框读下去不重叠也不跳格，直到碰到终止密码子。2.密码的简并性与兼职性简并性：许多氨基酸对应的密码子不止一种。兼职性：AUG（Met)和GUG（Val)两个密码子除代表特定氨基酸外，还兼作起始密码子。Aminoacidshave1-6codonseach除色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外，其它18种氨基酸都有一个以上的密码子。同义密码子：对应同一个氨基酸的密码子称为同义密码子。密码子的种类与相应氨基酸在蛋白质中的频率有一定的相关性。只有精氨酸例外。3.密码的通用性与特殊性通用性：遗传密码无论在体内还是体外，无论是对病毒、细菌、动物还是植物而言都通用；特殊性：遗传密码的个例很少见；基因组中编码含义的改变常涉及到对终止密码子的解读；密码子系统性改变只存在于线粒体中。4.密码子与反密码子的相互作用(摇摆假说)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，而第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动”。1）mRNA上密码子第一、二碱基与tRNA上反密码子相应碱基形成强配对；密码专一性主要是由于这两个碱基的作用；2）反密码子的第一个碱基决定一个tRNA能够解读密码子的数目；r3）当一种氨基酸的几个密码子中，有头2个碱基中任一个是不同的，则必须有不同的tRNA。原核生物中大约有30～45种tRNA，真核细胞中可能存在50种tRNA。终止密码子（terminationcodon）：UAA、UAG、UGA；终止密码子不编码任何氨基酸，也称为无义密码子（nonsensecodon）。4.2tRNA4.2.0引言4.2.1tRNA的基本结构4.2.2tRNA的功能4.2.3tRNA的种类mRNA：蛋白质的DNA序列信息的中间体。tRNA：运送特定氨基酸到核糖体上合成蛋白质。rRNA：核糖体的组成元件。4.2.0引言ProteinsynthesisusesthreetypesofRNA5`3`4.2.1tRNA的基本结构tRNA二级结构tRNA三级结构tRNA上的手臂：（1）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‘自由羟基可被氨酰化。（2）TψC臂（环）其中ψ表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。（3）反密码臂（环）位于套索中央有三联反密码子。（4）D臂（环）含有二氢尿嘧啶。（5）多余臂（环）5'一般tRNA有76个碱基，大小在74～95bp之间，主要由于D臂和多余臂的变化引起。tRNA序列包含许多稀有碱基，主要通过四种标准碱基修饰而来。tRNA折叠为L形，与氨基酸结合的受体臂与反密码环相互远离，分别位于两端；不同的tRNA形状大体相同又有所差异。tRNA三级结构tRNA特异性只取决于反密码子,与携带的氨基酸无关4.2.2tRNA的功能tRNAisanadaptor1、解读mRNA的遗传信息2、运输的工具，运载氨基酸tRNA有两个关键部位：•3’端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。•与mRNA结合部位—反密码子部位3’5’CCA-OH5’3’GGCCCGtRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。tRNA在识别mRNA分子上的密码时具有接头作用。1、起始tRNA和延伸tRNA能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA称起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。真核生物：起始密码子AUG所编码的氨基酸是Met，起始AA-tRNA为Met-tRNAMet。原核生物：起始密码子AUG所编码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为fMet-tRNAfMet。4.2.3tRNA的种类2、同工tRNA代表同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA。同工tRNA既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同性，能被相同的氨酰-tRNA合成酶识别。3.校正tRNA：通过tRNA中反密码子改变来校正密码子突变，使其在突变位点引入正确氨基酸。◆无义突变(nonsensemutation):指DNA上任何代表氨基酸的密码子变为终止密码子的改变。◆错义突变(missensemutation):指DNA分子中核苷酸置换后改变了mRNA上遗传密码，导致合成的多肽链中一个氨基酸被另一氨基酸所取代的改变。无义突变使UUG变为UAGTyr-tRNA阅读UAG密码子AUGUUGUAAAUGUAGUAAAUGUAGUAAUACAACAUCAUG释放因子抑制突变LeuTyrTyr图14－17带有突变反密码子的tRNA可抑制无义突变无义突变校正tRNA通过改变反密码子区校正无义突变错义抑制错义突变错义突变AUGAGAUAAAUGGGAUAAAUGAGAUAAUCUCCUUCU抑制突变ArgGlyGly图14-18反密码子发生突变可抑制错义突变氨酰-tRNA合成酶AA-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶。反应式如下：AA+tRNA+ATP→AA-tRNA+AMP+PPi包括两步反应（1）氨基酸活化生成酶-氨基酰腺苷酸复合物。AA+ATP+酶（E）→E-AA-AMP+PPi（2）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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。4.3核糖体4.3.0引言4.3.1核糖体的结构4.3.3核糖体的功能生物细胞内，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。4.3.0引言核糖体是由几十种蛋白质和多种核糖体RNA（rRNA）所组成的亚细胞颗粒。一个细菌细胞内约有20000个核糖体，而真核细胞内可达106个。这些颗粒既可以游离状态存在于细胞内，也可与内质网结合。8真、原核生物中均由大、小两个亚基组成，二亚基各含一个主要RNA，称为核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA）和多种蛋白质。1、核糖体由大小两个亚基组成4.3.1核糖体的结构RibosomesarelargeribonucleoproteinparticlesthatcontainmoreRNAthanproteinanddissociateintolargeandsmallsubunits.大亚基和小亚基的三维结构关于细胞器核糖体与胞质中的存在明显差异，并具不同形式。有时与细菌核糖体大小相当（70%rRNA），有时仅60S（30%rRNA）核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽然在不同生物内其大小有别，但组织结构基本相同，而且执行的功能也完全相同。核糖体的三种形式：核糖体、核糖体亚基、多核糖体（polyribosome/polysome）核糖体进行周期性的解离-聚合多核糖体（polysome）电镜照片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。2、核糖体蛋白(ribosomalprotein,r-蛋白）核糖体上有多个活性中心，每个中心都由一组特殊的核糖体蛋白质构成。核糖体是一个许多酶的集合体，单个酶或蛋白只有在这个总体结构内才拥有催化性质，它们在这一结构中共同承担了蛋白质生物合成的任务。大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成；大亚基由36种蛋白质组成。真核细胞核糖体大亚基含有49种蛋白质；小亚基有33种蛋白质。（1）5SrRNA细菌5SrRNA含有120个核苷酸（革兰氏阴性菌）或116个核苷酸（革兰氏阳性菌），位于50S大亚基内。两个高度保守的区域：•一个区域含有保守序列CGAAC，是5SrRNA与tRNA相互识别的序列。•另一个区域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，是5SrRNA与50S核糖体大亚基相互作用的位点。3、核糖体RNA（2）16SrRNA在蛋白质合成中起着积极的作用。它与mRNA、50S亚基和P位和A位的tRNA的反密码子直接作用。长约1475～1544个核苷酸之间，含有少量修饰碱基，位于30S小亚基内。16SrRNA的结构十分保守：•3‘端一段ACCUCCUUA的保守序列，与mRNA5’端翻译起始区中富含嘌呤（SD）序列互补。•在靠16SrRNA3‘端处还有一段与23SrRNA互补的序列，在30S与50S亚基的结合中起作用。（3）23SrRNA（位于50S大亚基内）。含与tRNA及5SrRNA互补序列。（4）5.8SrRNA是真核生物核糖体大亚基特有的rRNA，长度为160个核苷酸，含有修饰碱基。还含有与原核生物5SrRNA中的保守序列CGAAC相同的序列，可能是与tRNA作用的识别序列。说明5.8SrRNA可能与原核生物5SrRNA有相似的功能。（5）18SrRNA酵母18SrRNA由1789个核苷酸组成，它的3'端与大肠杆菌16SrRNA有广泛的同源性。其中酵母18SrRNA、大肠杆菌16SrRNA和人线粒体12SrRNA在3’端有50个核苷酸序列相同。（6）28SrRNA长度约在3890～4500bp左右。16SrRNA3’端与mRNA直接相互作用；5SrRNA与tRNATψC环上GTψCG序列作用；16SrRNA直接与A、P位点的tRNA反密码子作用；23SrRNA则与A、P位点的肽酰-tRNA的CCA末端作用；16S、23S均参与亚基间的相互作用。rRNA与tR