第四章-生物信息的传递下-从mRNA到蛋白质.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基因的遗传信息在转录过程中从,DNA,转移到,mRNA,，再由,mRNA,将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做,翻译,。,合成体系：,20,种氨基酸,mRNA,、,tRNA,、核蛋白体、酶和因子,以及无机离子、,ATP,、,GTP,合成方向：,NC,端。,4.1,遗传密码,三联子,为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为,密码子（,Coden,）或三联体密码,。,密码子的发现,4,种碱基,20,种氨基酸，,若,2,个碱基决定,1,个氨基酸，只能编码,4,2,=16,个,若,3,个碱基决定,1,个氨基酸，则编码,4,3,=64,个，这是编码氨基酸所需碱基的最低数目，所以密码子应是三联体。,64,个密码子中，有,61,个密码子编码,20,种氨基酸，称为编码子或有义密码子；其余,3,个,UAA,、,UAG,、,UGA,不编码任何氨基酸，称为无义密码子，是肽链合成的终止密码子；,编码,Met,的,AUG,是肽链合成的起始信号，成为起始密码子,（真核中起始为,Met,、原核中起始为,fMet,，翻译中间为,Met,）,tRNA,反密码环,5,3,UG,U,Thr,ACG,5,3,mRNA,三中读二,第,1,2,两个碱基形成,6,个氢键时，可三中读二。,如,CC,X,，,CG,X,，,GC,X,和,GG,X,第,1,2,两个碱基形成,4,个氢键时，不可三中读二。,如,AA,X,，,AU,X,，,UA,X,和,UU,X,第,1,2,两个碱基形成,5,个氢键时，当第二个碱基为嘧啶时，可三中读二：,如,UC,X,，,AC,X,，,CU,X,和,GU,X,4.2 tRNA,20,种氨基酸，每种氨基酸至少有一种,tRNA,负责转运。多数氨基酸具有几种用来转运的,tRNA,，一个细胞中通常含有,50,或更多不同的,tRNA,分子。,表示方法：,tRNA,Phe,，,tRNA,Ser,各种,tRNA,均含有,7080,个碱基,其中,22,个碱基是恒定的,5,端和,3,端配对形成茎区,(7bp),为,受体臂或氨基酸臂,.,在,3,端永远是,4,个碱基,(,XCCA,),的单链区,在其末端有,2-OH,或,3-OH,是被,氨基酰化的位点,.,此臂负责携带特异的氨基酸,.,（,3,）,TC,常由,5bp,的茎和,7Nt,的环组成。负责与核糖体上的,rRNA,识别结合；,（,4,）,反密码子臂,（,anticodon arm,）常由,5bp,的茎区和,7Nt,的环区组成，负责对密码子的识别与配对；,（,5,）,D,环,(D arm),4bp,茎和二氢尿嘧啶环，与氨酰,tRNA,聚合酶结合；,（,6,）,额外环,(extra arm)421Nt,tRNA,上与多肽链合成有关的位点至少有,4,个,3,端,CCA,上的氨基酸接受位点,反密码子位点,识别氨酰,tRNA,合成酶的位点（,D,环）,核糖体识别位点（,TC,）,结合氨基酸：,一种氨基酸有几种,tRNA,携带，结合需要,ATP,供能,氨基酸结合在,tRNA3,-CCA,的位置。,反密码子：,每种,tRNA,的反密码子，决定了所带氨基酸能准确的在,mRNA,上对号入座。,4.2.3 tRNA,的种类,1,、,起始,RNA,和延伸,tRNA,：,原核生物起始,tRNA,携带甲酰甲硫氨酸（,fMet,），真核生物起始,tRNA,携带甲硫氨酸（,Met,）。,2,、,同工,tRNA,：,将几个代表相同氨基酸的,tRNA,称为同工,tRNA,。在一个同工,tRNA,组内，所有,tRNA,均专一于相同的氨酰,-tRNA,合成酶。,3,、,校正,tRNA,4.2.4,氨酰,-tRNA,合成酶,tRNA,在氨酰,-tRNA,合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过,tRNA,氨基酸臂的,3-OH,与氨基酸的羧基形成活化酯,氨酰,-tRNA,。,氨基酰,-tRNA,的形成是一个两步反应过程：,氨酰,-tRNA,合成酶识别它所催化的氨基酸及一分子,ATP,，催化氨基酸的羧基与,tRNA3,端的,AMP,的磷酸之间形成酯键，同时释放出,1,分子,PPi,。,氨基酸,+ATP+,酶 酶,-,氨酰,-AMP+PPi,这时，氨酰,-AMP,仍与酶分子紧密结合。,氨基酰基转移到,tRNA,的,3,-OH,端上,通过酯键形成氨基酰,-tRNA,。,氨酰,-AMP+tRNA,氨酰,-tRNA+AMP,总反应：,氨基酸,+ATP+tRNA,氨酰,-tRNA+AMP+PPi,4.3,核糖体,rRNA,与蛋白质一起构成核糖体,蛋白质合成,“,工厂,”,核糖体结构组成,核糖体的基本功能,结合,mRNA,，在,mRNA,上选择适当的区域开始翻译,密码子（,mRNA,）和反密码子（,tRNA,）的正确配对,肽键的形成,存在：,核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中，与,mRNA,形成串状,多核糖体。,原核生物核糖体组成,真核生物核糖体组成,rRNA,的组成和功能特点,5S rRNA,：,有两个高度保守的区域,，一个与,tRNA,分子,TC,环,上的,G TCG,序列相互作用，使二者相互识别；另一个与,23S rRNA,中的一段序列互补，这是,5S rRNA,与,50S,核糖体大亚基相互作用的位点。,16S rRNA,它与,mRNA,、,50S,亚基和,P,位和,A,位的,tRNA,反密码子直接作用，与,30S,小亚基结合；其,3,端有一段保守序列，与,mRNA5,端翻译起始区富含嘌呤的序列互补；另外,3,端还有一段与,23S rRNA,互补的序列，在,30S,与,50S,亚基的结合中起作用,rRNA,的组成和功能特点,23S rRNA,存在一段能与,tRNA,Met,序列互补的片段；靠近,5,端有一段,12,个核苷酸序列与,5S rRNA,上的核苷酸互补，表明在,50S,大亚基中两种,RNA,之间可能存在相互作用。,5.8S rRNA,含有与原核生物,5S rRNA,相同的保守序列，可能具有相似的功能。,18S rRNA,酵母,18S rRNA3,端与大肠杆菌,16S rRNA,有广泛的同源性。,28S rRNA,核糖体的组装,核糖体的大小亚基与,mRNA,有不同的结合特性,大肠杆菌的,30S,亚基能单独与,mRNA,形成,30S,核糖体,-mRNA,复合体，并,与,tRNA,专一结合,50S,亚基不能单独与,mRNA,结合，但可,非专一的与,tRNA,结合,50S,亚基上有许多与蛋白质合成相关的位点：,两个,tRNA,位点：氨酰基位点（,A,位点,）和肽酰基位点（,P,位点,）,肽酰,-tRNA,移位过程中使,GTP,水解的位点,许多起始因子、延伸因子、释放因子及各种酶相结合的位点,mRNA,携带着,DNA,的遗传信息，是多肽链的合成模板,每个氨基酸通过,mRNA,上,3,个核苷酸序列组成的遗传密码来决定，这些密码以连续方式连接，组成,读码框架（,reading frame,，,RF,），,RF,之外的序列称为,非编码区,，通常与遗传信息的表达调控有关。,mRNA,读码框架的,5,端：由起始密码,AUG,开始，编码,Met,。,3,端：含有一个或一个以上终止子，,UAA,、,UAG,、,UGA,在,原核,细胞内：一个,mRNA,分子编码,多条,多肽链，在转录的同时进行翻译,在,真核,细胞内：其,mRNA,分子通常只编码,一条,多肽链，较稳定。,蛋白质合成时，,mRNA,结合于核糖体小亚基上，大亚 基结合带氨基酸的,tRNA,，,tRNA,的反密码子与,mRNA,密码子配对，,ATP,供能，合成蛋白质。,4.4,蛋白质合成的生物学机制,以,mRNA,为模板，氨酰,tRNA,为原料，,GTP,、,ATP,供能，在核糖体中完成,。,氨基酸的活化,肽链的起始,肽链的延伸,肽链的终止,折叠和加工,4.4.1,氨基酸的活化,形成氨酰,-tRNA,的意义：,氨基酸与,tRNA,分子的结合使氨基酸本身活化，利于下步形成肽键。,tRNA,可携带氨基酸到,mRNA,的指定部位，使氨基酸掺入到多肽链的合适位置。,所有蛋白质的翻译开始于,甲硫氨酸,的参与，,tRNA,Met,就负责蛋白质合成起始氨基酸,-Met,的加入。,通常细胞中有两种,tRNA,可携带,Met,，一个负责起始（,tRNA,i,Met,），一个负责,Met,加入蛋白质内部（,tRNA,Met,），两种,tRNA,与,Met,形成甲硫氨酰,-tRNA,后，由起始因子识别,tRNA,i,Met,，延伸因子识别,tRNA,Met,。,一个特殊的,tRNA,启动蛋白质的合成,细菌中，起始氨基酸是,甲酰甲硫氨酸,，与核糖体小亚基相结合的是,N,-,甲酰甲硫氨酰,-tRNA,fMet,，由以下两步反应合成：,Met+tRNA,fMet,+ATPMet-tRNA,fMet,+AMP+PPi,然后，由,甲酰基转移酶,转移一个甲酰基到,Met,的氨基上：,N,10,-,甲酰四氢叶酸,+Met-tRNA,fMet,四氢叶酸,+fMet-tRNA,fMet,1,、核糖体与,mRNA,的结合,核糖体小亚基与,mRNA,上合适位置的起始密码,AUG,结合。原核生物与真核生物在识别合适的起始密码上有所差别。,原核生物,mRNA,通常含有一段,富含嘌呤碱基,的序列，称为,SD,序列,，通常在,起始,AUG,序列上游,10,个碱基,左右的位置，与细菌,rRNA16S rRNA3,端的,7,个嘧啶碱基配对识别，以帮助从起始,AUG,处开始翻译。,4.4.2,翻译的起始,真核生物,核糖体与,mRNA 5,端核糖体进入部位结合后，通过,扫描,机制向下游寻找起始密码,AUG,，从第一个,AUG,序列开始翻译。,2,、蛋白质合成起始的蛋白质因子,起始因子是非核糖体蛋白质，它们只临时与核糖体作用参与蛋白质合成的起始，之后会从核糖体复合物上解离下来，而核糖体蛋白质一直结合在同一核糖体上。,大肠杆菌有,3,个起始因子（,IF,）：,IF-1,，,IF-2,，,IF-3,，与,30S,小亚基结合,IF-3,使结束合成的核糖体的,30S,和,50S,亚基分开，辅助,30S,亚基与,mRNA,上起始位点的特异结合,IF-2,特异与起始子甲酰甲硫氨酰,-tRNA,i,Met,结合，并把它带到核糖体的,P,位中,IF-1,作为完整的起始复合物的一部分，与,30S,亚基结合。它结合在,A,位，能阻止氨酰,-tRNA,的进入，它的定位还可以阻止,30S,亚基和,50S,亚基的结合,IF-1,与,IF-2,使,mRNA,、,fMet-tRNA,i,fMet,，,30S,亚基结合成复合物后，就离开核糖体，同时,IF-2,上结合的,GTP,水解成,GDP,。,肽链合成的起始,1,、,30S,小亚基与翻译起始因子,IF-1,IF-3,结合，通过,SD,序列与,mRNA,模板相结合。,2,、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。,3,、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,水解，释放翻译起始因子。,16S,rRNA,mRNA,真核生物翻译的起始,真核生物核糖体较大，有较多的起始因子参与，,mRNA,具有,5,帽子结构，起始氨基酸为不甲基化的,Met,，,5,帽子和,3,Poly A,都参与形成起始复合物。,40S,起始复合物形成过程中有一种蛋白质因子,帽子结合蛋白（,eIF-4E,），,能专一性的识别,mRNA,的帽子结构，与,mRNA,的,5,端结合生成蛋白质,-mRNA,复合物，并利用该复合物对,eIF-3,的亲和力与含有,eIF-3,的,40S,亚基结合。,40S,小亚基通过,“,扫描模型,”,识别,mRNA,上的起始密码子,AUG,，此过程需要,ATP,。,4.4.3,肽链的延伸,进位,（氨酰,tRNA,进入,A,位点）,参与因子：延长因子,EF-Tu,、,EF-Ts,、,GTP,、氨酰,tRNA,肽键的形成,肽酰基从,P,位点转移到,A,位点，形成新的肽键,移位,（,translocase,）,在移位因子（移位酶）,EF,G,的作用下，核糖体沿,mRNA,（,5,-3,）作相对移动，使原来在,A,位点的肽酰,tRNA,移到,P,位点,1,、进位,需要两个延长因子（,Elongation Factor,，,EF,）：,EF-Tu,，,EF-Ts,EF-Tu,称为氨酰,-tRNA,结合因子，催化氨酰,tRNA,进入核糖体,A,位。,EF-Tu,与核糖体、氨酰,-tRNA,、,GTP,形成四元复合物，同时偶联,GTP,的水解，当氨酰,-tRNA,与核糖体结合后，,EF-Tu,与,GDP,形成复合物。,EF-Ts,催化,EF-Tu-GTP,复合物的再生，为结合下一个氨酰,-tRNA,作准备。,进位,肽链的形成,转肽,延长过程中肽链的生成,肽基转移酶,移位,进位,转位,成肽,肽链的延伸过程,肽链合成的终止与释放,释放因子（,release factor,，,RF,）能,识别,mRNA,的终止密码子，水解所合成肽链与,tRNA,间的酯键，释放肽链，具有,GTP,酶活性。,RF-1,识别,UAA,、,UAG,RF-2,识别,UAA,、,UGA,RF-3,不识别终止密码子，促进,RF-1,，,RF-2,的活性，影响肽链的释放速度,IF-3,IF-1,1.,核蛋白体大小亚基分离,A,U,G,5,3,IF-3,IF-1,2.mRNA,与小亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,A,U,G,5,3,3.,起始氨基酰,tRNA(fMet-tRNA,i,met,),与小亚基结合,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,A,U,G,5,3,4.,核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,1,、,N,端,fMet,或,Met,的切除,2,、二硫键的形成（胱氨酸）,3,、特定氨基酸的修饰,4,、切除新生肽链中的非功能片段,4.4.5,蛋白质前体的加工,氨基酸侧链的修饰,包括,磷酸化（核糖体蛋白质）、,糖基化（糖蛋白）、,甲基化（组蛋白、肌肉蛋白）、,乙基化（组蛋白）、,羟基化（胶原蛋白）、,羧基化,前胰岛素原的加工,4.4.6,蛋白质的折叠,分子伴侣（,molecular chaperone,）：,是一类序列上没有相关性但有共同功能的保守性蛋白质，在细胞内能帮助其他多肽进行正确的折叠、组装、运转和降解。,4.4.6,蛋白质的折叠,分子伴侣家族：,热休克蛋白（,heat shock protein,）：包括,HSP70,、,HSP40,和,GrpE,伴侣素：包括,HSP60,和,HSP10,分子伴侣在新生肽链折叠中主要通过,防止或消除肽链的错误折叠,，增加功能行蛋白质折叠产率，其本身不参与最终产物的形成。,抗生素,抑制作用,氯霉素,阻止,mRNA,与核糖体结合,四环素,阻止氨酰,-tRNA,与核糖体结合,链霉素、新霉素、卡那霉素,干扰氨酰,-tRNA,与核糖体结合而产生错读,嘌呤霉素,竞争性抑制剂抑制蛋白质合成,4.4.7,蛋白质合成的抑制剂,嘌呤霉素结构,嘌呤霉素作用示意图,4.5,蛋白质转运机制,几类主要蛋白质的转运机制,蛋白性质,转运机制,主要类型,分泌,结合核糖体，翻译转运同步机制,免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等,细胞器发育,游离核糖体，翻译后转运,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,膜的形成,兼有,质膜、内质网、类囊体中的蛋白,“,信号假说,”,（,singal hypothesis,）,布洛贝尔,（,Gunter,Blobel,，,1936,年,）美国洛克菲勒大学,荣获,1999,年诺贝尔生理学或医学奖,在分泌性蛋白质穿膜转运现象中，,Blobel,从中发现了两条重要线索：,被转运蛋白质的新生肽比成熟肽大；,被转运的分泌性蛋白质进入内质网的过程与其生物合成的过程是平行进行的。,从这两条线索中,Blobel,推断初生肽长出的那段肽链可能是专门起引导作用的,“,信号肽,”,4.5.1,翻译,-,转运同步机制,每一需要运输的多肽都含有一段氨基酸序列，称为,信号肽序列,，引导多肽至不同的转运系统。,与内质网结合的核糖体可合成三类主要的蛋白质：,溶酶体蛋白、分泌到胞外的蛋白和构成质膜骨架的蛋白。,信号肽的特点,信号肽序列通常在被转运多肽的,N,端,，长度为,1336,个氨基酸残基，,带有,1015,个,疏水氨基酸,;,靠近该序列,N,端常有,1,个或数个带正电荷的氨基酸；,其,C,端靠近蛋白酶切割位点处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（,Ala,或,Gly,）,识别信号肽的是一种核蛋白体，称为,信号识别体,（,singal recognition particle,，,SRP,），能与内质网膜上的,SRP,受体,DP,蛋白（,docking protein,）相结合。,SRP,有两个功能域：,信号肽识别结构域,延伸作用制动结构域：用以干扰进入的氨酰,-tRNA,和肽酰移位酶的反应，以暂停多肽链的延伸作用。,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,4.5.2,翻译后转运机制,细胞器如线粒体、叶绿体、细胞核、过氧化物酶体的许多组成蛋白质是由游离的核糖体合成的，并作为前体释放到细胞质中去，随后为细胞器所接受，最终成为结构蛋白质。,由核糖体合成的蛋白质前体按其所携带的信号不同而分别转运到不同的细胞器中去。,细胞器 信号位置 类型 信号长度,线粒体,N-,末端 带电荷,1230,叶绿体,N-,末端 带电荷,25,细胞核 内部 碱性,79,过氧物酶体,C-,末端,SKL 3,表 将游离核糖体合成的蛋白质导向不同细胞器的信号,1,、线粒体蛋白质跨膜转运,通过线粒体膜的蛋白质在转运之前大多数以,前体,形式存在，由成熟蛋白质和位于,N-,端的一段,前导肽（,leader peptide,）,共同组成。,跨越线粒体内膜,需要能量,2,、前导肽的作用与性质,带正电荷的碱性氨基酸（,Arg,）,含量丰富，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（,Ser,）含量较高；,有形成两亲,-,螺旋结构的能力,前导肽的不同部位在蛋白的跨膜运输过程中发挥不同的作用,3,、叶绿体蛋白质的跨膜转运,叶绿体多肽是具有三级结构的蛋白质分子，其上的某些特定位点结合于只有叶绿体膜上才有的特异受体位点。,叶绿体定位信号肽一般有两部分：,决定该蛋白能否进入,叶绿体基质,；,决定该蛋白能否进入,类囊体,。,4.5.3,核定位蛋白的转运机制,核孔是物质出入细胞核的门户,在细胞分裂后，细胞核重新组建，为了核蛋白的重复定位，蛋白质上的信号肽一般都不被切除，称为,核定位序列（,nuclear localization sequence,，,NLS,），,可以位于蛋白的任何部位。,蛋白质向核内运输过程需要的蛋白质因子包括：,核运转因子,、,和,GTP,酶（,Ran,）。,完,