翻译―从mRNA到蛋白质

第八章蛋白质的翻译1遗传密码2蛋白质合成中使用的RNA3核糖体4蛋白质合成中使用的20种氨基酸5蛋白质合成的生物学机制6蛋白质合成的抑制7小结重点内容：①基本概念：遗传密码、密码子、摇摆假说；②遗传密码的性质；③核糖体结构组成及几个活性部位生物学功能；④原核生物蛋白质合成起始的深刻理解；⑤真核生物蛋白质合成起始时几种复合物变换；⑥原核生物和真核生物蛋白质合成起始性比较；⑦肽链延伸的机理；⑧释放因子终止肽链合成的机理。1遗传密码1.1两个概念1.2破译简史1.3遗传密码字典1.4遗传密码性质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。1.1两个概念（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。1.2遗传密码破译简史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）1.3遗传密码字典1.4遗传密码的性质1.4.1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。Aminoacidshave1-6codonseach1.4.2普遍性与特殊性普遍性：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。ChangesinthegeneticcodeusuallyinvolveStop/Nonesignals1.4.3密码子-反密码子识别的摇摆性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”。Thirdbaseshaveleastmeaning密码子与反密码子的识别r在密码子第三位碱基与反密码子第一位碱基之间，碱基配对的摆动允许形成G-U配对。G-UpairsformatthethirdcodonbaseAnticodon3`G-C-IG-C-IG-C-I5`Codon5`C-G-AC-G-UC-G-C3`I:次黄嘌呤1.4.4读码的连续性生物合成过程中，mRNA的编码方向是5`→3`，从N端向C端延伸肽链。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，直到终止。2蛋白质合成中使用的RNA概述2.1mRNA2.2tRNA2.3rRNAmRNA：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。概述ProteinsynthesisusesthreetypesofRNA5`3`2.1mRNA2.1.1原核生物mRNA与真核生物mRNA结构比较核糖体可以不从mRNA上解离连续合成三个蛋白质EukaryoticmRNAProkaryoticmRNA2.1.2原核生物mRNA与真核生物mRNA生命周期比较2)ThelifecycleofEukaryoticmRNAmessengerRNA:expressionofmRNAinanimalcellsrequirestranscription,modification,processing,nucleo-cytoplasmictransport,andtranslation.EukaryoticmRNAismodifiedandexported2.2tRNA2.2.1tRNA的基本结构tRNA折叠为紧凑的L型三级结构。tRNAisanadaptor2.2.2tRNA的生物学功能tRNA特异性只取决于反密码子,与携带的氨基酸无关P1112.2.3tRNA的分类（1）起始tRNA和延伸tRNA：一类能特异识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA；其它tRNA称为延伸tRNA。（2）同工tRNA:代表相同氨基酸的tRNA称同工tRNA。（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分子中的核苷酸置换后改变了mRNA上遗传密码，从而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。3.1核糖体的基本结构3.2核糖体在细胞中的占有比例3.3核糖体的生物学功能3核糖体/80S/40S/60S3.1核糖体的基本结构SizecomparisonsshowthattheribosomeislargeenoughtobindtRNAsandmRNA.RibosomesarelargeribonucleoproteinparticlesthatcontainmoreRNAthanproteinanddissociateintolargeandsmallsubunits.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。NOTE：3.2核糖体在细胞中的占有比例3.3核糖体的生物学功能①mRNA结合部位；②结合AA-tRNA部位（A位）；③结合肽基tRNA部位（P位）；④空载tRNA移出部位（E位）；⑤形成肽键的部位。此外，还有用于起始和延伸的各种蛋白质因子结合部位。核糖体发挥生物学功能的5个基本部位大小亚基的生物学功能小亚基：通过密码子与反密码子的配对，识别并结合模板mRNA，蛋白质合成中A位、P位、E位的一部分等。大亚基：结合多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中A位、P位、E位的一部分等。Ala（A）Val（V）Leu（L）Ile（I）Pro（P）Met（M）His（H）Gly（G）Ser（S）Thr（T）Cys（C）Phe（F）Trp（W）Asp（D）Glu（E）Lys（K）Gln（Q）Arg（R）Tyr（Y）Asn（N）4蛋白质合成中使用的20种氨基酸5蛋白质合成的生物学机制5.1氨基酸活化5.2基本过程5.3蛋白质合成起始5.4蛋白质合成延伸5.5蛋白质合成终止5.1氨基酸活化5.1.1氨酰-tRNA合成酶的生物学功能5.1.2氨酰-tRNA合成酶引入的两种错误5.1.1氨酰-tRNA合成酶的生物学功能总反应：aminoacyl-tRNAsynthetaseAA+tRNA+ATP→AA-tRNA+AMP+PPi实际反应：第一步：AA+ATP+E→E-AA-AMP+PPi第二步：E-AA-AMP+tRNA→AA-tRNA+E+AMPAA:aminoacid;AA-tRNA:aminoacyl-tRNAE:aminoacyl-tRNAsynthetaseAnaminoacyl-tRNAsynthetasechargestRNAwithanaminoacidThechargingreactionusesATP它可将tRNA和氨基酸进行分类。每一种氨酰-tRNA合成酶识别一种氨基酸和所有能装载该氨基酸的tRNA。关于氨酰-tRNA合成酶◆蛋白质合成真实性主要决定于：tRNA能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置。◆氨酰-tRNA合成酶会引入两种错误：一种是将错误的氨基酸加在正确的tRNA上；另一种是将正确的氨基酸加在错误的tRNA上。前者现错的可能性更大。5.1.2氨酰-tRNA合成酶引入的两种错误Errorratesdifferateachstageofgeneexpression5.2蛋白质合成的基本过程5.2.1tRNA和mRNA的行进路线5.2.2核糖体活性部位5.2.3蛋白质合成的三个阶段5.2.4蛋白质合成中核糖体循环5.2.1tRNA和mRNA的行进路线5.2.2核糖体活性部位核糖体有三个tRNA结合位点：氨酰-tRNA进入A位（除用于起始的那个）肽酰-tRNA和起始氨酰-tRNA进入P位去氨酰-tRNA通过E位脱出肽链从P位肽酰-tRNA上转移到A位氨酰-tRNA上，这样一个氨基酸就被加到肽链上。5.2.3蛋白质合成的三个阶段简介Initiation30SsubunitonmRNAbindingsiteisjoinedby50Ssubunitandaminoacyl-tRNAbindsElongationRibosomemovesalongmRNA，extendingproteinbytransferfrompeptidyl-tRNAtoaminoacyl-tRNATerminationPolypeptidechainisreleasedfromtRNA,andribosomedissociatesfrommRNA5.2.3蛋白质合成的三个阶段简介5.2.4蛋白质合成中核糖体循环I：游离核糖体可解离为不同亚基；II：合成起始并非完整核糖体所为；III：细菌核糖体以70S复合体形式延伸。核糖体循环与蛋白质合成5.3蛋白质合成的起始5.3.1原核生物蛋白质合成起始5.3.2真核生物蛋白质合成起始5.3.3原核和真核生物蛋白质合成起始比较5.3.1原核生物蛋白质合成起始（1）起始总反应式（2）细菌中三种重要的起始因子（3）起始反应第一个氨基酸及第一个氨酰-tRNA（4）起始密码子的选用（5）起始位点及其实验分析（6）多顺反子mRNA的翻译起始(1)原核生物起始总反应式：30S+50S+mRNA+fMet-tRNAfIF-1、IF-2、IF-3GTP[70S•mRNA•fMet-tRNAf]+GDP+Pi(2)细菌中有三种起始因子IF-3：稳定30S亚基；辅助30S亚基与mRNA上起始点特异性结合；IF-1：与30S亚基结合在A位，阻止氨酰-tRNA进入；阻止30S与50S亚基结合。IF-2：结合特定起始因子tRNA，控制它进入核糖体；有核糖体依赖GTP酶活性；Initiationrequiresfactorsandfreesubunits在细菌和真核生物细胞器中：起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸，与小亚基结合的是氨甲酰甲硫氨酰-tRNA(N-formyl-methionyl-tRNA，fMet-tRNAfMet或fMet-tRNAf)，由两步反应合成：第一步：Met+tRNAfMet+ATP→Met-tRNAfMet+AMP+PPi第二步：甲酰基转移酶N10-甲酰四氢叶酸+Met-tRNAfMet→四氢叶酸+fMet-tRNAfMet（3）起始反应的第一个氨基酸及第一个氨酰-tRNA甲酰基转移酶fMet-tRNAf结构特征fMet-tRNAf与30S-mRNA复合体结合需IF-2参与。50S亚基结合后，GTP能量被释放，所有IF都被释放。Initiationiscontrolledbythreefactors30Ssubunitsinitiate；ribosomesenongate(4)起始遗传密码的选用所有蛋白质合成由同一氨基酸-甲硫氨酸开始。多肽合成起始信号是一个ORF开始的独特密码子。常为AUG。但细菌中也可GUG和UUG。三种密码子被识别的效率不一样：AUG=2GUG=4UUG（5）起始位点及其实验分析细菌mRNA起始点包括AUG起始密码子及其上游10个碱基处Shine-Dalgarno嘌呤六聚体；在起始过程中，细菌核糖体30S亚基的16SrRNA3