第四章生物信息的传递(下)---从mRNA到蛋白质-P

第四章生物信息的传递（下）――从mRNA到蛋白质1、遗传密码2、tRNA3、核糖体4、蛋白质合成的生物学机制5、蛋白质运转机制蛋白质的生物合成步骤(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。(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。参与蛋白质合成的各种组分约占细胞干重的35%。在真核生物中有将近300种生物大分子与蛋白质的生物合成有关。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。所谓翻译是指将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。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。4．1遗传密码――三联子贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递为蛋白质。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。4·1·1三联子密码及其破译首先从数学的角度来考虑：以一种核苷酸代表一种氨基酸则蛋白质中只能有4种氨基酸，不行。以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码(二联子)，它们能代表的氨基酸只有42＝16种，不足20种，也不行。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。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，翻译得到的蛋白质序列就保持不变(除了发生突变的那个密码子所代表的氨基酸之外)。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。对烟草坏死卫星病毒的研究发现。其外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，而相应的RNA片段长约1200个核苷酸，与假设的密码三联子体系正好相吻合。在20世纪60年代，由于体外蛋白质合成体系的建立和核酸人工合成技术的发展，科学家花了几年时间破译了遗传密码，即确定了代表每种氨基酸的具体密码。4·1·2遗传密码的性质4·1·2·1密码的简并性按照1个密码子由3个核苷酸组成的原则，4种核苷酸可组成64个密码子，现在已经知道其中61个是编码氨基酸的密码子，另外3个即UAA、UGA和UAG不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与tRNA的反密码子配对，能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。密码子有61种而氨基酸只有20种。所以除色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子。AUG和GUG既是met和val的密码子又是起始密码子。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，因为在真核生物中CG双联子出现的频率较低，所以尽管有6个同义密码子，蛋白质中精氨酸的出现频率仍然不高。对同意密码的理解有助于PCR引物设计。4.1.2.2密码的普遍性与特殊性以上介绍的密码子表是具有普遍性的，适用于一切生物。有一些特例，不编码普遍性状况应该编码的氨基酸而编码别的氨基酸，下表列举了一些特例。4·1·2·3密码子与反密码子的相互作用在蛋白质生物合成过程中，tRNA的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与mRNA上的密码子相互作用的。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。一个tRNA究竟能识别多少个密码子是由反密码子的第一位碱基的性质决定的，反密码子第一位为A或C时只能识别1种密码子，为G或U时可以识别2种密码子，为I时可识别3种密码子。如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的tRNA。第一、二位碱基相同的密码子，则共用一种tRNA。原核生物中有30～45种tRNA。真核细胞中存在50种左右tRNA。4·2tRNAtRNA在蛋白质合成中为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体，为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体，它又被称为第二遗传密码。各种tRNA在结构上存在大量的共性。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。酪5’5’3’AUGGUUUACACA酪氨酰-tRNA反密码mRNA密码(codon)与反密码(anticodon)的碱基配对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。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%;其余是有较大多余臂的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。tRNA富含稀有碱基（约70余种）。每个tRNA分子至少含有2个稀有碱基，最多有19个，在反密码子3'端邻近部位出现的频率最高，这对于维持反密码子环的稳定性及密码子、反密码子之间的配对是很重要的。当tRNA与核糖体的P位点和A位点结合时，tRNA分子三叶草形顶端突起部位通过反密码子和密码子的配对与mRNA相结合，其3’末端恰好将所运转的氨基酸送到正在延伸的多肽上。4．2．1tRNA的L形三级结构tRNA的三级结构，都呈L形折叠式，而这种结构是靠二级结构中未配对碱基间所形成的氢键来维持的。tRNA的三级结构与氨酰-tRNA合成酶对tRNA的识别有关。受体臂和TψC臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，D臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。TψC臂和D臂的套索状结构位于L的转折点。所以，受体臂顶端的碱基位于L的一个端点，反密码子臂的套索状结构生成了L的另一个端点。tRNA高级结构上的特点是研究其生物学功能的重要线索：tRNA上所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的多肽合成位点，而反密码子必须与小亚基上的mRNA相配对，所以分子中两个不同的功能基团是最大限度分离的。这个结构形式满足了蛋白质合成过程中对tRNA的各种要求而成为tRNA的通式，研究证实tRNA的性质是由反密码子而不是它所携带的氨基酸所决定的。4.2.2tRNA的功能转录：DNA→RNA；结构上相似；碱基配对；一对一。翻译：mRNA→蛋白质；结构极不相同；复杂。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，tRNA的解码机制完成翻译。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。将[14C]-Cys-tRNACys，经Ni催化生成[14C]-Ala-tRNACys，再把[14C]-Ala-tRNACys加进含血红蛋白mRNA的兔网织细胞核糖体的蛋白质合成系统中，结果发现[14C]-Ala-tRNACys插入了血红蛋白分子通常由半胱氨酸占据的位置上，这表明在这里起识别作用的是tRNA而不是氨基酸。1·起始tRNA和延伸tRNA有一类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸(fMet)，原核生物中Met-tRNAfMet必须首先甲酰化生成fMet一tRNAfMet才能参与蛋白质的生物合成。真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸(Met)。2·同工tRNA一种氨基酸可能有多个密码子，代表一种氨基酸的多个tRNA以不同的反密码子为特征，从而可以识别mRNA上代表一种氨基酸的多个密码子。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，即在一个同工tRNA组内tRNA只专一地结上一种氨基酸。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AA－tRNA合成酶识别。同工tRNA组内具备了区分其他tRNA组的特异构造，保证合成酶准确无误进行选择。tRNA的二级和三级结构对它的专一性起了重要作用。3·校正tRNA1、无义突变的校正tRNA：在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变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，这种突变称为无义突变。无义突变的校正tRNA可通过改变其反密码子区校正无义突变而依然合成原氨基酸。2、错义突变的校正tRNA错义突变是由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码。错义突变的校正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。如某大肠杆菌细胞色氨酸合成酶中的一个甘氨酸密码子GGA错义突变成AGA(编码精氨酸)，指导合成错误的多肽链。甘氨酸校正tRNA的校正基因突变使其反密码子从CCU变成UCU，它仍然是甘氨酸的反密码子但不结合GGA而能与突变后的AGA密码子相结合，把正确的氨基酸(甘氨酸)放到AGA所对应的位置上。无义突变的校正tRNA会与释放因子竞争识别密码子；错义突变的校正tRNA则与该密码的正常tRNA竞争。这些都会影响校正的效率。无义突变的校正基因tRNA不仅能校正无义突变，也会抑制该基因3’末端正常的终止密码子，导致翻译过程的通读，合成更长的蛋白质，这对细胞会造成伤害。一个基因错义突变的校正也可能使另一个基因错误翻译，因为如果一个校正tRNA在突变位点通过取代一种氨基酸的方式校正了一个突变，它也可以在另一位点这样做，从而在正常位点上引入与前述突变位点对应的氨基酸，造成错误。4·2·4氨酰-tRNA合成酶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:第一步是氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。AA+ATP+酶(E)→E－AA－AMP+PPi第二步是氨酰基转移到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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。核糖体是由几十种蛋白质和几种核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA)组成的亚细胞颗粒。一个细菌细胞内约有20000个核糖体，