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1、第五章 蛋白质翻译 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蛋白质合成的模板是模板与氨基酸之间的接合体是蛋白质合成的原料是核糖体mRNAtRNA20种氨基酸5.1 蛋白质合成装备 5.2 遗传密码及其性质遗传密码及其性质5.3 蛋白质的翻译蛋白质的翻译 5.4 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制5.5 中心法则的发展中心法则的发展Contents5.1.1.mRNAInProkaryote5-end;300Ntleadingseq.(A/G-AUG)S.Dseq-AUGpoly-cistron79Nt
2、betterrichA,U,Shine-Dalgarnoseq.(S.Dseq)GGAGGGmut.translationgodownInEukaryotemono-cistron5m7Gppp-CCACC-A-3-A1U2G3G4leadingseq.核糖体小亚基扫描核糖体小亚基扫描AUG的信号序列的信号序列至关准确翻译至关准确翻译5.1.2.tRNAminiRNA,4s,(70-80Nt)tRNAphe,77Ntcloverleafform(1964HollyR.)5arms&4loopsNtmoremodifiedbymethylation（一）tRNA的结构 1、二级结构：三叶草形T
3、T T TC C C C环环环环附加环附加环附加环附加环反密码子环反密码子环反密码子环反密码子环D D D D环环环环 aa接受臂接受臂 2、三级结构：“L”形氢键“L”结构域的功能结构域的功能-aaacceptarm位于位于“L”的一端，契合于核糖体的的一端，契合于核糖体的肽肽基基转移酶转移酶结合位点结合位点PA,以利肽键的形成以利肽键的形成-anti-codonarm位于位于”L”另一端，与结合在核糖另一端，与结合在核糖体体小亚基上的小亚基上的codonofmRNA配对配对APaa-tRNAaa-“L”结构中碱基堆积力大结构中碱基堆积力大使其拓扑结构趋于稳定使其拓扑结构趋于稳定wobble
4、base位于位于“L”结构末端结构末端堆积力小堆积力小自由度大自由度大使碱基配对摇摆使碱基配对摇摆-TCloop&DHUloop位于位于“L”两臂的交界处，两臂的交界处，利于利于“L”结构的稳定结构的稳定（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35ICCA-OH53CCA-OHGGCCCGtRNA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。3.tRNA对氨基酸的识别-副密码子（Paracodon）(1)tRNA怎样接受特定的氨基酸
5、，氨基酰tRNA合成酶（AARS）怎样识别tRNA；(2)tRNA中的哪些结构和接受特定氨基酸有关。副密码子（Paracodon）：tRNA中决定负载特定氨基酸的空间密码。a、1988.Schimmel和侯雅明和侯雅明G3:U70是决定是决定tRNA负负载载Ala的特异密码信息的特异密码信息b、1991.schumman L.证明；证明；tRNAmetf的的paracodon位于位于anti-codonc、paracodon 的特征的特征-为同一种为同一种AARS所识别的一组同功受体具有相同的所识别的一组同功受体具有相同的副密码子副密码子-paracodon 是为是为AARS所识别的若干碱基（
6、并非均为一所识别的若干碱基（并非均为一对核苷酸）对核苷酸）-AARS对对paracodon 的的识别与结合是通过氨基酸与识别与结合是通过氨基酸与碱基之间的连接实现的。碱基之间的连接实现的。tRNAAla(GGC)tRNAAla(UGC)具有具有G3：U70paracodond、按氨基酸序列将、按氨基酸序列将AARS分为两类分为两类typeI包括包括Val,Arg,Gln,Glu,Ile,Leu,Met,Trp,Tyrparacodon大多位于反密码子臂大多位于反密码子臂typeIIparacodon大多位于氨基酸接受臂大多位于氨基酸接受臂个别还同时在附加臂上有相应碱基个别还同时在附加臂上有相应
7、碱基1、起始tRNA和延伸tRNA（三）tRNA的种类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA称起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。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-tRNAfMet2、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。3、校正tRNA基因或密码子发生的突变，
8、tRNA能经过其反密码子上发生某种突变，以“代偿”或校正原有突变所产生的不良后果，这种tRNA称为校正tRNA。校正tRNA分为无义突变校正和错义突变校正。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-带有突变反密码子的tRNA可抑制无义突变错义抑制-反密码子发生突变可抑制错义突变 have GC c
9、ontent of 60%&Rich methylation each cell contains from several hundred to over 20,000 copies of rDNA gene rRNA synthesized in nucleolus and was stimulated by low ionic strength&Mg+2Ribosomal genes(rDNA)are different in several ways from other nuclear gene5.1.3.rRNA核核糖糖体体的的组组成成原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基rR
10、NAs蛋白RNA的特异顺序和功能细菌70S50S23S=2904b31种(L1-L31）含CGAAC和GTCG互补2.5106D5S=120b66%RNA30S16S=1542b21种(S1-S21)16SRNA(CCUCCU)和S-D顺序(AGGAGG)互补哺乳动物80S60S28S=4718b49种有GAUC和tRNAfMat的TCG互补4.2106D5S=120b60%RNA5.8S=160b40S18S=1874b33种和Capm7G结合Two-dimensionalgelelectrophoresisofribosomeproteinsfromprokaryote(a)E.coil3
11、0Ssubunits(b)E.coil50Ssubunits.Kaltschmidt&WittmannPNAS67(1970)f.1-2,pp.1277-78.)21proteins31proteins5sRNA与与TCloopoftRNA部分同源，并可配对部分同源，并可配对InProk.3-endof16srRNArichCCUplementarywith5leadingseq.ofmRNAShine-Dilgarnoseq.ofrichAGG23srRNA-6domains-有的与对抗生素的抗性有关有的与对抗生素的抗性有关-2660Ntregion-Iloop(alphaSarcin)bi
12、ndingwithcomplexofaa-tRNAaa(EF)-TuGTP(引起核糖体变构！引起核糖体变构！)G2661C,aa-tRNAaaintoAsitegodown-G2252,G2253双突变为双突变为C,将对转肽酶的活性产生抑制将对转肽酶的活性产生抑制InEuk.3-endof18srRNA与原核生物高度相似与原核生物高度相似,但无但无与与S.D.seq.互补的保守序列互补的保守序列在在mRNA的的AUG上游存在上游存在CCACC核糖体核糖体scanningseq成为核糖体识别第一个成为核糖体识别第一个AUG的信号的信号AMEAMECCUGCGGUUGGAUGACCUCCUUAME
13、AMECCUGCGGAAGGAUGAUUA16SBacterial18srRNAMammalian高度相似高度相似5.1 5.1 蛋白质合成装备蛋白质合成装备 5.2 遗传密码及其性质遗传密码及其性质5.3 蛋白质的翻译蛋白质的翻译 5.4 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制5.5 中心法则的发展中心法则的发展Contents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(tripletcoden)。mRNA 5 GCU AGU ACA AAA CCU 3（二）三联子密码破译核甘酸序列氨基酸序列遗传密码的破译
14、，即确定代表每种氨基酸的具体密码。蛋白质中的氨基酸序列是由mRNA中的核苷酸序列决定的，所以，要知道它们之间的关系就要弄清核苷酸和氨基酸数目的对应关系。mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸。mRNA5AUCGACCUGAGC3420()mRNA5AUCGACCUGAGC342=1620()mRNA5AUCGACCUGAGC343=6420()Crick等人首先证实三联子密码的构想是正确的等人首先证实三联子密码的构想是正确的用吖啶类试剂处理用吖啶类试剂处理T4噬菌体噬菌体DNAmRNA5-GUAGCCUACGGAU-3插入插入5-GUAGCCUCACGGAU-3删除删除5-GUAC
15、CUACGGAU-3同时进行同时进行插入和删除插入和删除5-GUAAGCCACGGAU-3一次删除一次删除5-GUAUACGGAU-3(+)(-)(+)(-)读码框恢复读码框恢复(-)(-)(-)读码框不变读码框不变以共聚物为模板指导多肽的合成以共聚物为模板指导多肽的合成制备大肠杆菌的无细胞合成体系：制备大肠杆菌的无细胞合成体系：在含在含DNADNA、mRNAmRNA、tRNAtRNA、核糖体、核糖体、AA-AA-tRNAtRNA合成酶及其他酶类的抽提物中加入合成酶及其他酶类的抽提物中加入DNaseDNase，降解体降解体系中的系中的DNADNA，耗尽耗尽mRNAmRNA时，体系中的蛋白质合时
16、，体系中的蛋白质合成即停止，当补充外源成即停止，当补充外源mRNAmRNA或人工合成的各种均或人工合成的各种均聚物或共聚物作为模板以及聚物或共聚物作为模板以及ATPATP、GTPGTP、氨基酸等氨基酸等成分时又能合成新的肽链，成分时又能合成新的肽链，新生肽链的氨基酸顺序新生肽链的氨基酸顺序由外加的模板所决定。由外加的模板所决定。因此，分析比较加入的模板和合成的肽链即可推知因此，分析比较加入的模板和合成的肽链即可推知编码某些氨基酸的密码。编码某些氨基酸的密码。Marshall Nirenberg(1961)In vitro Poly(U)poly(Phe)peptidePoly(C)poly(P
17、ro)peptidePoly(A)poly(Lys)peptidePoly(G)poly(Gly)peptideButpoly(UCUCUC)poly(Ser-Leu-Ser-Leu)UCU/CUCSer/Leu?无细胞体系中无细胞体系中MgMg2+2+浓度很高，人工合成的多聚核苷酸不需浓度很高，人工合成的多聚核苷酸不需要起始密码子就能指导多肽的生物合成，读码起始是随机的。要起始密码子就能指导多肽的生物合成，读码起始是随机的。然而，在生理然而，在生理MgMg2+2+条件下，没有起始密码子的多核苷酸不能条件下，没有起始密码子的多核苷酸不能被用作多肽合成的被用作多肽合成的模板。模板。(1968.n
18、obelprize)以多聚三核苷酸作为模板可得到有3种氨基酸组成的多肽。如以多聚（UUC）为模板，可能有3种起读方式：5UUC UUC UUC UUC UUC3或 5UCU UCU UCU UCU UCU3或 5CUU CUU CUU CUU CUU3根据读码起点不同，产生的密码子可能是UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu），所以得到的多肽可能是多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸或多聚亮氨酸，由此可知UUC、UCU、CUU分别是苯丙氨、丝氨酸及亮氨酸的密码子。以多聚三核苷酸为模板时也可能只合成以多聚三核苷酸为模板时也可能只合成2 2种均聚多肽，以种均聚多肽，以多聚（多聚（GUAGUA）为例
19、：为例：5 5GUA GUA GUA GUA GUA3GUA GUA GUA GUA GUA3或或 5 5UAG UAG UAG UAG UAG3UAG UAG UAG UAG UAG3或或 5 5AGU AGU AGU AGU AGU3AGU AGU AGU AGU AGU3由第二种读码方式产生的密码子由第二种读码方式产生的密码子UAGUAG是终止密码，不编是终止密码，不编码任何氨基酸，因此，只产生码任何氨基酸，因此，只产生2 2种密码子种密码子GUAGUA（ValVal）或或AGUAGU（SerSer），），所以合成的多肽要么是多聚缬氨酸，要么所以合成的多肽要么是多聚缬氨酸，要么是多聚丝氨
20、酸。是多聚丝氨酸。Thereadingframeproblem核糖体结合技术核糖体结合技术19641964年年NirenbergNirenberg又采用三联又采用三联体结合实验体结合实验(1)(1)tRNAtRNA和和氨氨基基酸酸及及三三联联体体的结合是特异的；的结合是特异的；(2)(2)上上述述结结合合的的复复合合体体大大分分子子是是不不能能通通过过硝硝酸酸纤纤维维滤滤膜膜的的微微孔孔，而而tRNAtRNA-氨氨基基酸酸的的复复合体是可以通过的。合体是可以通过的。这个方法是以人工合成的三这个方法是以人工合成的三核苷酸如核苷酸如UUUUUU、UCUUCU、UGUUGU等为模板，在含核糖体、等为
21、模板，在含核糖体、AA-AA-tRNAtRNA的适当离子强度的的适当离子强度的反应液中保温，然后使反应反应液中保温，然后使反应液通过硝酸纤维素滤膜。液通过硝酸纤维素滤膜。发现，游离的发现，游离的AA-AA-tRNAtRNA因相因相对分子质量小能自由通过滤对分子质量小能自由通过滤膜，加入三核苷酸模板可以膜，加入三核苷酸模板可以促使其对应的促使其对应的AA-AA-tRNAtRNA结合结合到核糖体上，体积超过膜上到核糖体上，体积超过膜上的微孔而被滞留，这样就能的微孔而被滞留，这样就能把已结合到核糖体上的把已结合到核糖体上的AA-AA-tRNAtRNA与未结合的与未结合的AA-AA-tRNAtRNA分
22、开。分开。若若用用2020种种AA-AA-tRNAtRNA做做2020组组同同样样的的实实验验，每每组组都都含含2020种种AA-AA-tRNAtRNA和和各各种种三三核核苷苷酸酸，但但只只有有一一种种氨氨基基酸酸用用1414C C标标记记，看看哪哪一一种种AA-AA-tRNAtRNA被被留留在在滤滤膜膜上上，进进一一步步分分析析这这一一组组的的模模板板是是哪哪个个三三核核苷苷酸酸，从从模模板板三三核核苷苷酸酸与与氨氨基基酸酸的的关关系系可测知该可测知该氨基酸的密码子氨基酸的密码子。例例如如，模模板板是是UUUUUU时时，Phe-Phe-tRNAtRNA结结合合于于核核糖糖体体上上，可可知知U
23、UUUUU是是PhePhe的密码子。的密码子。Ser-C14.Leu-C14.Lys-C14.Gly-C14.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2、普遍性与特殊性蛋白质生物合成
24、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。生物密码子线粒体DNA编码的氨基酸核DNA编码的氨基酸所有UGA色氨酸终止子酵母CUA苏氨酸亮氨酸果蝇AGA丝氨酸精氨酸哺乳类AGA/G终止子精氨酸哺乳类AUA甲硫氨酸异亮氨酸线粒体与核DNA密码子使用情况的比较3、连续性编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密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。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
25、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)。4、摆动性转转运运氨氨基基酸酸的的tRNA上上的的反反密密码码子子需需要要通通过过碱碱基基互互补补与与mRNA上上的的遗遗传传密密码码子子反反向向配配对对结结合合，在在密密码码子子与与反反密密码码子子的的配配对对中中，前前两两对对严严格格遵遵守守碱碱基基配配对对原原则则，第第三三对对碱碱基基有有一一定定的的自自由由度度，可可以以“摆摆动动”，这这种现象称为密码子的摆动性。种现象称为密码子的摆动性。U摆动配对摆动配对密码子、反密码子配对的摆动现象密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG