华中农大分子分子生物学第4章课件_理学_高等教育_教育专区。第四章 生物信息的传递（下） —从mRNA到蛋白质 复制 DNA 转录 逆转录 RNA 复制 RNA 翻译 蛋白质 翻译：指将mRNA链上的核甘酸从一个特定的起始位 点开始，按每三个核甘酸代
第四章 生物信息的传递（下） —从mRNA到蛋白质 复制 DNA 转录 逆转录 RNA 复制 RNA 翻译 蛋白质 翻译：指将mRNA链上的核甘酸从一个特定的起始位 点开始，按每三个核甘酸代表一个氨基酸的原则， 依次合成一条多肽链的过程。 蛋白质合成的场所是 核糖体 蛋白质合成的模板是 mRNA 模板与氨基酸之间的接合体是 tRNA 蛋白质合成的原料是 20种氨基酸 Contents ● 遗传密码——三联子 ● tRNA的结构、功能与种类 ● 核糖体的结构与功能 ● 蛋白质合成的过程 ● 蛋白质的运转机制 一、遗传密码——三联子 （一）三联子密码定义 mRNA链上每三个核甘酸翻译成蛋白质 多肽链上的一个氨基酸，这三个核甘酸就 称为密码子或三联子密码(triplet coden) 。 mRNA 5’ GCU AGU ACA AAA CCU 3’ 遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。 ●至1966年，20种氨基酸对应的61个密码子和三 个终止密码子全部被查清。 （三）遗传密码的性质 1、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），对应于同一氨基酸的密码 子称为同义密码子（synonymous codon）。 减少了变异对生物的影响 编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质 中出现的频率就越高。Arg例外 简述密码的简并性（degeneracy)和同义密 码子（synonymous codon) 武汉大学2003年试题 （三）遗传密码的性质 2、普遍性与特殊性 ? 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到 人类都通用。 ? 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植 物细胞的叶绿体。 线粒体与核DNA密码子使用情况的比较 生物 所有 酵母 果蝇 密码 子 UGA CUA AGA 线粒体DNA编 核DNA编码的 码的氨基酸 氨基酸 色氨酸 终止子 苏氨酸 亮氨酸 丝氨酸 精氨酸 哺乳类 AGA/G 终止子 精氨酸 哺乳类 AUA 甲硫氨酸 异亮氨酸 （三）遗传密码的性质 3、 连续性 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密 码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。 ?基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺 失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。 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)。 （三）遗传密码的性质 4、摆动性 转运氨基酸的tRNA上的反密码子需要通过碱基 互补与mRNA上的遗传密码子反向配对结合，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”，这 种现象称为密码子的摆动性。 摆动配对 U mRNA 5 AUU AUC AUA 3 UAI UAI UAI tRNA 5 5 5 3 Ile 3 Ile 3 Ile 密码子、反密码子配对的摆动现象 tRNA反密码子 第1位碱基 I U G AC mRNA密码子 第3位碱基 U, C, A A, G U, C U G Contents ● 遗传密码——三联子 ● tRNA的结构、功能与种类 ● 核糖体的结构与功能 ● 蛋白质合成的过程 ● 蛋白质的运转机制 二、tRNA的结构、功能与种类 （一） tRNA的结构 1、二级结构：三叶草形 二、tRNA的结构、功能与种类 （一） tRNA的结构 2、三级结构： “L”形 氢键 三叶草二级结构具有四个臂 L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直 3’ 5’ 氨基酸茎 D环 TψC 环 可变环 TψC 环 D环 氨基酸茎 3’ 5’ 可变环 反密码子环 反密码子环 图 14-15 tRNA 由三叶草型折叠成 L 型三维结构 （二） tRNA的功能 1、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’ CCAOH 5’ CCG I 3’ GGC tRNA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。 （三） tRNA的种类 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（P111）。 P111、P120： 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 （三） tRNA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， 能被相同的氨基酰-tRNA合成酶识别（P112）。 （三） tRNA的种类 3、校正tRNA 无义突变：在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸 的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密 码子（UAG、UGA、UAA），使蛋白质合成提前终止， 合成无功能的或无意义的多肽，这种突变就称为无 义突变。 错义突变：由于结构基因中某个核甘酸的变化使 一种氨基酸的密码子变为另一种氨基酸的密码子， 这种基因突变叫错义突变。 GGA（甘氨酸） AGA（精氨酸） 无义突变 无义突变使 UUG 变为 UAG Tyr-tRNA 阅读 UAG 密码子 AUG UUG UAA AAC AUG UAG UAA 释放因子 AUG UAG UAA UAC AUC AUG 抑制突变 Leu Tyr Tyr 图 14－17 带有突变反密码子的 tRNA 可抑制无义突变 基因 SupD(su1) SupE(su2) SupF(su3) SupC(su4) SupG(su5) SupU(su7) 表 14-6 由反密码子突变而产生的无义抑制基因 tRNA 野生型 抑制基因 识别的密码子 反密码子 反密码子 识别的密码子 Ser UCG CGA Gln CAG CUG Tyr UAC, UAU GUA Tyr UAC/UAU GUA Lys AAA/AAG UUU CUA CUA CUA UUA UUA UAG UAG UAG UAA/UAG UAA/UAG Trp UGG CCA UCA UGA/UGG 错义抑制 错义突变 错义突变 AUG AGA UAA UCU AUG GGA UAA AUG AGA UAA CCU UCU 抑制突变 Arg Gly Gly 图 14-18 反密码子发生突变可抑制错义突变 Contents ● 遗传密码——三联子 ● tRNA的结构、功能与种类 ● 核糖体的结构与功能 ● 蛋白质合成的过程 ● 蛋白质的运转机制 三、核糖体的结构与功能 （一）核糖体的结构 核 糖 体 的 组 成 表14-7 原核和真核生物核糖体的组成及功能 核糖体亚基 细菌 rRNAs 70S 50S 23S=2904b 2.5×106D 5S=120b 66%RNA 30S 16S=1542b 哺乳动物 80S 60S 28S=4718b 4.2×106D 5S=120b 60%RNA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 蛋白 RNA的特异顺序和功能 31种(L1-L31）含CGAAC和GTψCG互补 21种(S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)和S-D 顺序(AGGAGG)互补 49种 有GAUC和tRNAfMat的TψCG互补 33种 和Capm7G结合 三、核糖体的结构与功能 （二）核糖体的功能： 合成蛋白质 在单个核糖体上，可化分多个功能活性中心，在蛋白 质合成过程中各有专一的识别作用和功能。 ●mRNA结合部位——小亚基 ●结合或接受AA-tRNA部位（A位）——大亚基 ●结合或接受肽基tRNA的部位——大亚基 ●肽基转移部位（P位）——大亚基 ●形成肽键的部位（转肽酶中心）——大亚基 Contents ● 遗传密码——三联子 ● tRNA的结构、功能与种类 ● 核糖体的结构与功能 ● 蛋白质合成的过程 ● 蛋白质的运转机制 四、蛋白质合成的过程 ? 氨基酸的活化 ? 翻译的起始 ? 肽链的延伸 ? 肽链的终止 ? 蛋白质前体的加工 (一)氨基酸的活化 氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸 + tRNA 氨基酰- tRNA ATP AMP＋PPi ? 氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高 度特异性。 ? 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-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet 原核生物中，起始氨基酸是： 甲酰甲硫氨酸 起始AA-tRNA是： fMet-tRNAfMet 真核生物中，起始氨基酸是： 甲硫氨酸 起始AA-tRNA是： Met-tRNAMet 第一步反应 氨基酸 ＋ATP-E —→ 氨基酰-AMP-E ＋ AMP ＋ PPi 目录 第二步反应 氨基酰-AMP-E ＋ tRNA ↓ 氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E 目录 tRNA与酶 结合的模型 tRNA ATP 氨基酰-tRNA合成酶 (二)翻译的起始 原核生物（细菌）为例： 所需成分： 30S小亚基、 50S大亚基、模板mRNA、 fMet-tRNAfMet、GTP、Mg2+ 翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3、 翻译起始(翻译起始复合物形成)又可被分成3步： （P122） 1. 核蛋白体大小亚基分离 IF-1 IF-3 S-D序列 真核生物翻译起始的特点 ●核糖体较大,为８０Ｓ； ●起始因子比较多； ● mRNA 5′端具有m7Gppp帽子结构 ● Met-tRNAMet ● mRNA的5′端帽子结构和3′端polyA都 参与形成翻译起始复合物； 真核生物翻译起始复合物形成(区别原核生物) 原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再 与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合。而 在线S小亚基首先与Met-tRNAMet相结 合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生 成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始复合物（P120）。 40S elF-3 ② met Met Met-tRNAMet-elF-2 -GTP ATP mRNA ③ elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB ADP+Pi 60S ① eIF-2B、eIF-3、 eIF-6 40S 60S Met elF-5 ④ Met 各种elF释放 GDP+Pi 真核生物翻译起始 复合物形成过程 (三)肽链的延伸 肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸 就是一个循环，每个循环包括：AA-tRNA与核 糖体结合、 肽键的生成 和 移位。 延伸因子(elongation factor, EF) ： 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 线、AA-tRNA与核糖体A位点的结合 需要消耗GTP，并需EF-Tu、EF-Ts两种延伸因子 通过延伸因子EF-Ts再生GTP, 形成EF-Tu?GTP复合物 EF-Tu-GDP+ EF-Ts EF-Tu-Ts + GDP EF-Tu-Ts + GTP EF-Tu-GTP + EF-Ts 重新参与下一轮循环 2、肽键形成 是由转肽酶/肽基转移酶催化 3、移位 核糖体向mRNA3’端方向移动一个密码子。 需要消耗GTP，并需EF-G延伸因子 延长因子EF-G有转位酶( translocase ) 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 。 （四）肽链的终止 原 核 肽 链 合 成 终 止 过 程 终止因子 （原核生物） RF1：识别终止密码子UAA和UAG RF2：识别终止密码子UAA和UGA RF3：具GTP酶活性，刺激RF1和 RF2活性，协助肽链的释放 真核生物只有一个终止因子（eRF） (五)蛋白质前体的加工 1、N端fMet或Met的切除 新生蛋白质经蛋白酶切后变成有功能的成熟蛋白质 2、二硫键的形成 两个半胱氨酸-SH -SH -SH 二硫键 氧化 3、特定氨基酸的修饰 磷酸化、糖基化、甲基化、乙基化、羟 基化和羧基化 4、切除新生肽链中非功能片段 成前 熟胰 过岛 程素 示原 意蛋 图白 翻 译 后 (六)蛋白质合成抑制剂 抗生素 四环素类 链霉素,新霉素, 卡那霉素 氯霉素 嘌呤霉素 作用原理 阻止 AA-tRNA 与核糖体结合 干扰 AA-tRNA 与核糖体结合 而引起读码错误 阻止 mRNA 与核糖体结合 结合在核糖体的 A 位， 抑制 AA-tRNA 的进入 Contents ● 遗传密码——三联子 ● tRNA的结构、功能与种类 ● 核糖体的结构与功能 ● 蛋白质合成的过程 ● 蛋白质的运转机制 五、蛋白质的运转机制 蛋白性质 运转机制 主要类型 分泌 蛋白质在结合核糖体上 合成，并以翻译-运转同 步机制运输 蛋白质在游离核糖体上 细胞器发 合成，以翻译后运转机 育 制运输 膜的形成 两种机制兼有 免疫球蛋白、卵蛋白、水 解酶、激素等 核、叶绿体、线粒体、乙 醛酸循环体、过氧化物酶 体等细胞器中的蛋白质 质膜、内质网、类囊体中 的蛋白质 1、翻译-运转同步机制 信号肽假说 ●信号肽：常指新合成多肽链中用于指导蛋白 质跨膜转移的N-末端氨基酸序列（有时不一 定在N端）。 ●信号序列特点： （1）一般带有10-15个疏水氨基酸； （2）在靠近该序列N-端常常有1个或数个带正电 荷的氨基酸； （3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有 数个极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基 酸往往带有很短的侧链（丙氨酸或甘氨酸）。 ●信号肽假说内容： 新生蛋白质通过同步转运途径进入内质网内腔的主要过程 2、翻译后运转机制 (1)线粒体蛋白质跨膜运转 (2)叶绿体蛋白质的跨膜运转 （3）核定位蛋白的运转机制 复习体 1． 多数氨基酸都有两个以上密码子，下列哪组 氨基酸只有一个密码子？ （D） A．苏氨酸、甘氨酸 B．脯氨酸、精氨酸 C．丝氨酸、亮氨酸 D．色氨酸、甲硫氨酸 E．天冬氨酸和天冬酰胺 2．tRNA分子上结合氨基酸的序列是 A．CAA-3′ B．CCA-3′ C．AAC-3′ D．ACA-3′ E．AAC-3′ （B） (B、C、E） 3．遗传密码 A．20种氨基酸共有64个密码子 B．碱基缺失、插入可致框移突变 C．AUG是起始密码 D．UUU是终止密码 E．一个氨基酸可有多达6个密码子 4、tRNA能够成为氨基酸的转运体、是因为其分 子上有 （A、D） A．-CCA-OH 3′末端 B．3个核苷酸为一组的结构 C．稀有碱基 D．反密码环 E．假腺嘌吟环 A、D、E 5、蛋白质生物合成中的终止密码是( )。 （A）UAA （B）UAU （C）UAC （D）UAG （E）UGA 6、Shine-Dalgarno顺序(SD-顺序)是指: （A ） A.在mRNA分子的起始码上游8-13个核苷酸处 的顺序 B.在DNA分子上转录起始点前8-13个核苷酸处 的顺序 C.16srRNA3‘端富含嘧啶的互补顺序 D.启动基因的顺序特征 7、“同工tRNA”是：(C ) (A)识别同义mRNA密码子(具有第三碱基简并性) 的多个tRNA (B)识别相同密码子的多个tRNA (C)代表相同氨基酸的多个tRNA (D)由相同的氨酰tRNA合成酶识别的多个tRNA 8、反密码子中哪个碱基对参与了密码子的 简并性(摇摆)。（A ） （A）第—个 (B)第二个 (C)第二个 (D) 第一个与第二个 9、与mRNA的GCU密码子对应的tRNA的反密码 子是（ B ） （A）CGA （B）IGC （C）CIG （D）CGI 10、真核与原核细胞蛋白质合成的相同点 是（ C ） （A）翻译与转录偶联进行 （B）模板都是多顺反子 （C） 都需要GTP （D）甲酰蛋氨酸是第一个氨基酸 A、mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子不一定严 格配对 B、转肽酶 C、酯键 D、磷酸化酶 E、N-C糖甘键 11、是翻译延长所必需的 B 12、氨基酸与tRNA连接 D 13、遗传密码的摆动性 A
