现代分子生物第四章.docx

现代分子生物第四章.docx

《现代分子生物第四章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代分子生物第四章.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

现代分子生物第四章

第4章生物信息的传递（下）

——从mRNA到蛋白质

本章主要内容

遗传密码——三联子

tRNA

核糖体

蛋白质合成的生物学机制

蛋白质转运机制

第4章生物信息的传递（下）

从mRNA到蛋白质

翻译（translation）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。

参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋

白质合成体系，该体系包括：

①mRNA：

作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序；

②tRNA：

搬运氨基酸的工具；

③核蛋白体：

蛋白体生物合成的场所；

④酶及其他蛋白质因子；

⑤供能物质及无机离子。

第1节遗传密码

密码（也称为三联子密码，codon）：

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个核苷酸就称为密码。

2、遗传密码的性质

遗传密码具有以下特点：

①连续性；

②简并性；

③通用性与特殊性；在线粒体或叶绿体中特殊

④密码子与反密码子的相互作用；摆动假说；

遗传密码的连续性

遗传密码的简并性和通用性

简并：

由一种以上密码子编码同一个氨基酸

对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子

摆动假说——1966年Crick

反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。

但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。

如

反密码第一个核苷酸为Ⅰ，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。

反密码子第一位是A或C时，只能识别一种密码子

反密码子第一位是U或G时，可识别两种密码子

根据摆动假说，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，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2节tRNA

在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨基酸tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。

tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码子（anticoden）。

2.tRNA的种类

起始tRNA：

特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA

延伸tRNA：

起始密码子以外的其他tRNA

同工tRNA：

由于一种氨基酸可能有多个密码子，为了识别也就有多个tRNA，即代表同一种氨基酸的多个tRNA

校正tRNA：

通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽链上，合成正常的蛋白质。

3.原核生物与真核生物起始tRNA

能够识别mRNA中5′端起始密码子AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。

原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；

真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。

在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起始部位的蛋氨酸密码，AUG。

氨基酰tRNA合成酶

该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。

每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。

目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码

第三节核糖体

核糖体（Ribosome），细胞器的一种，为椭球形的粒状小体。

在1953年由Ribinson和Broun用电镜观察植物细胞时发现胞质中存在一种颗粒物质。

1955年Palade在动物细胞中也看到同样的颗粒，进一步研究了这些颗粒的化学成份和结构。

1958年Roberts根据化学成份命名为核糖核蛋白体，简称核糖体，又称核蛋白体。

核糖体除哺乳类成熟的红细胞外，一切活细胞（真核细胞、原核细胞）中均有，它是进行蛋白质合成的重要细胞器，在快速增殖、分泌功能旺盛的细胞中尤其多。

原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。

小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质构成。

真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。

小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5SrRNA，28SrRNA和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8SrRNA。

大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。

核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：

1．小亚基：

可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。

2．大亚基：

（1）具有两个不同的tRNA结合点。

A位（右）——受

位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；

P位（左）——给位或肽酰基位，可与延伸中的

肽酰基tRNA结合。

（2）具有转肽酶活性：

将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。

（3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。

（4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。

在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。

由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。

rRNA

原核生物

5SrRNA：

保守序列CGAAC与tRNA分子TψC环上的GTψCG，是5SrRNA与tRNA识别序列；另一保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，与23SrRNA中的一段序列互补，是5SrRNA与50S核糖体大亚基相互作用的位点。

16SrRNA：

3’端ACCUCCUUA，与mRNA5'端翻译起始区富含嘌呤的序列互补；还有一段与23SrRNA互补的序列，在30S与50S亚基的结合中起作用。

23SrRNA：

存在一段与tRNAMet序列互补的片段，近5'端有一段12个核苷酸的序列与5SrRNA互补

真核生物

5.8SrRNA：

保守序列CGAAC可能是5SrRNA与

tRNA识别序列。

可能与原核生物的5SrRNA具有相似的功能

18SrRNA：

酵母18SrRNA3'端与大肠杆菌16SrRNA有广泛的同源性。

28SrRNA：

功能不清楚

核糖体有3个tRNA结合位点

A位点：

新到来的氨酰-tRNA的结合位点。

P位点：

肽酰-tRNA的结合位点。

E位点：

延伸过程中多肽链转移到氨酰-tRNA上释放tRNA的位点，即去氨酰-tRNA通过E位点脱出，被释放到核糖体外的细胞质中。

起动因子（IF）

这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。

原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。

在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。

其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。

延长因子（EF）

原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。

其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。

释放因子（RF）

原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。

其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放

供能物质和无机离子

多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。

氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。

蛋白质合成的生物学机制

第四节蛋白质生物合成过程包括三大步骤：

①氨基酸的活化与搬运；

②活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；

翻译的起始肽链的延伸肽链的终止

③多肽链合成后的加工修饰。

一、氨基酸的活化与搬运

氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。

其反应过程为：

在此反应中，特异的tRNA3′端CCA上的2′或3′位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酸tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。

氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸

①活化；

②搬运；

③定位。

2、活化氨基酸的缩合——核蛋白体循环

活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。

活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。

核蛋白体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。

（1）翻译起始阶段：

30S小亚基首先与翻译起动因子（IF-1、IF-3）结合，通过SD序列与mRNA模板结合

在IF-2和GTP的帮助下，fmet-tRNAfmet进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。

带有tRNA、mRNA，三个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP被水解，释放翻译起始因子

原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。

真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。

真核生物翻译起始复合体

真核生物蛋白质合成的机制与原核生物基本相同，其差异主要核糖体较大，有较多的起始因子参与，其mRNA分子5'端具有帽子结构，Met-tRNAMet不甲酰化，mRNA分子5'端帽子和3'端的多聚A都参与形成翻译起始复合物。

（2）肽链延长阶段：

1．进位（后续氨酰-tRNA与核糖体的结合）：

与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位。

此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。

2．成肽：

在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。

此步骤需Mg2+，K+。

给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。

3．移位：

核蛋白体向mRNA的3'-端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。

此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。

此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。

（三）肽链终止阶段：

核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。

1．识别：

RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。

2．水解：

RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。

3．解离：

通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。

三、多肽链合成后的加工修饰——蛋白质前体的加工

（1）一级结构的加工修饰：

1．N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：

N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。

①去甲酰化：

甲酰蛋氨酸-肽（甲酰化酶）甲酸+蛋氨酸-肽

②去蛋氨酰基：

蛋氨酰-肽（蛋氨酸氨基肽酶）蛋氨酸+肽

2．氨基酸的修饰：

由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。

3．二硫键的形成：

由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。

4．肽段的切除：

由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。

（二）高级结构的形成——蛋白质的折叠

1．构象的形成：

在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助

下，形成特定的空间构象。

2．亚基的聚合

3．辅基的连接

分子伴侣（molecularchaperone）

能够相似细胞内辅助新生肽链正确折叠的蛋白质。

定义：

是一类序列上没有相关性但有共同功能的保守性蛋白质，它们在细胞内能帮助其他多肽链进行正确的折叠、组装、运转和降解。

两类分子伴侣家族：

1.热休克蛋白Hsp70、Hsp40、GrpE三个家族

一类应激反应性蛋白，促使某些能自发折叠的蛋白质正确折叠形成天然的空间结构。

2.伴侣素Hsp60、Hsp10

主要是为非自发性折叠蛋白提供能折叠形成天然结构的为环境。

四、蛋白质合成的抑制剂

蛋白质生物合成的抑制剂主要是一些抗生素：

如嘌呤霉素、链霉素、四环素、氯霉素、红霉素等，此外，5-甲基色氨酸、环己亚胺、白喉毒素、干扰素、蓖麻蛋白和其他核糖体灭活蛋白都能抑制蛋白质的合成。

嘌呤霉素：

与氨酰-tRNA3'端的AMP残基的结构十分相似。

不需要延伸因子就可以进入核糖体A位，产生肽酰-嘌呤霉素容易从核糖体上脱落，是肽链合成终止。

四环素族：

可以与原核生物核糖体的小亚基结合，并抑制氨酰-tRNA的结合。

氯霉素：

能与70S核糖体大亚基结合，可以抑制原核生物核糖体转肽酶的活性。

链霉素、新霉素、卡那霉素：

能与核糖体30S亚基上的蛋白质结合，引起核糖体构象发生变化。

蛋白质转运（proteintrafficking）

（1）细胞质蛋白质

无特定信号

（2）线粒体和叶绿体蛋白质

具N端前导序列（N-terminalleadersequence）

（3）线粒体和叶绿体膜蛋白质

具N端前导序列,膜靶信号（membrane-targetingsignal）

（4）分泌蛋白质

分泌信号,SRP,ER

（5）跨膜蛋白质

I型蛋白质具N端信号序列（N-terminalsignalsequence）

II型蛋白质具信号固定序列（signal-anchorsequence）

一、翻译—转运同步机制

常见的信号序列由10~40个氨基酸残基组成，N端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水的核心区，而C端由小分子氨基酸残基组成，可被信号肽酶识别并裂解。

分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号识别粒子（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的对接蛋白（DP，SRP受体）识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。

二、翻译后运转机制

线粒体和叶绿体的许多蛋白质和酶

前导序列对细胞器外膜的识别

前导序列引发前体蛋白质与细胞器膜之间的相互作用

接着前体蛋白质穿过细胞器膜

位于细胞器表面的蛋白酶将前导序列切割下来

前导序列

带正电荷的碱性氨基酸含量较为丰富，分散于不带电荷的氨基酸序列之间；

缺少带负电荷的酸性氨基酸；

羟基氨基酸含量特别高

有形成两亲（有亲水又有疏水部分）α-螺旋结构的能力

叶绿体蛋白质的跨膜运转

——序列层次决定蛋白质在细胞器的定位

前导序列的N端能将蛋白质定位到线粒体基质或者叶绿体腔

临近序列能控制进一步的靶定位

序列被连续地从蛋白质上切割下来

3、核定位蛋白的运转机制

要跨核膜转运，蛋白质必须在其序列上有特殊的信号，常见的核定位序列（nuclearlocalizationsequence，NLS）

把蛋白质从细胞核

转运到蛋白质需要

核输出序列（NES）

4、蛋白质的降解

生物体内蛋白质的降解过程是一个有序的过程。

在大肠杆菌中，蛋白质的降解过程是通过一个依赖于ATP的蛋白酶（Lon）来实现的。

当细胞中出现错误的蛋白质或半衰期很短的蛋白质时，该酶就被激活。

Lon蛋白酶每切除一个肽键要消耗两个分子的ATP。

蛋白质的半衰期大约从30s到许多天不等

课后作业

按下列DNA单链

5’TCGTCGACGATGATCATCGGCTACTCG3’

写出：

1.DNA复制时，另一单链的序列

2.转录成的mRNA的序列

3.合成的多肽的序列