分子遗传学第6章蛋白质翻译.ppt
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1、1,6.1 基本概念6.2 遗传密码6.3 tRNA的功能6.4 核糖体的结构6.5 原核生物的翻译过程6.6 真核生物的翻译过程6.7 翻译初始产物的后加工,第6章 蛋白质翻译(Protein Translation),2,3,4,典型的酶作用机制,酶等待着被作用的分子来临,成为一个新分子放出来,5,蛋白质的一级结构:又称初级结构或化学结构,是指组成蛋质分子的多肽链中氨基酸的数目、种类和排列顺序,多肽链的数目,同时也包括链内或键间二硫键的数目和位置等。,蛋白质的二级结构:是指多肽链本身折叠和盘绕方式,是指蛋白质分子中的肽链向单一方向卷曲而形成的有周期性重复的主体结构或构象。,蛋白质的三级结构
2、:是指在二级结构的基础上,进一步卷曲折叠,构成一个很不规则的具有特定构象的蛋白质分子。,蛋白质的四级结构:是由两条或两条以上的具有三级结构的多肽聚合而成特定构象的蛋白质分子。构成功能单位的各条肽链,称为亚基,一般地说,亚基单独存在时没有生物活力,只有聚合成四级结构才具有完整的生物活性。,6,7,基因表达的第二步,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,参与翻译的RNA分子有tRNA、rRNA和mRNA,tRNA 通过 anti-codon(反密码子)识别codon,6.1 基本概念,tRNA的功能是转运氨基酸,mRNA
3、作为翻译的 模板,rRNA与多种蛋白质组成核糖体作为蛋白 质合成的场所,翻译的起始,核糖体与mRNA结合并与氨基酰-tRNA生成起始复合物,蛋白质的生物合成是一个比DNA复制和转录更为复杂的过程。,Polycistronic transcripts in prokaryotes,9,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,肽链的延伸,10,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,11,6.2.1 通用遗传密码(Universal triplet codon),特征,codon是mRNA 上连续排列的三个核苷酸序
4、列,并编码一个氨基酸信息的遗传单位,codon具有四大生物系统(细菌、病毒、动物、植物)的通用性与保守性(除mt),在一个基因序列中 codon具有不重叠性和无标点性,6.2 遗传密码(genetic codon),遗传密码是三联体的推测 1954年俄裔美国大爆炸理论物理学家伽莫夫(G.Gamow)在自然杂志发表 脱氧核糖核酸与蛋白质之间的关系 论文,提出遗传密码的构想,认为在DNA的双螺旋结构中,四个碱基之间形成一定空穴,游离氨基酸进入空穴形成多肽链,四个碱基中由三个碱基决定一种氨基酸,因为氨基酸有20种。一个碱基决定一种氨基酸时只能决定41=4种 两个碱基决定一个氨基酸时只能决定42=16
5、种 三个碱基决定一个氨基酸时能决定43=64种 四个碱基决定一个氨基酸时能决定44=256种,13,遗 传 密 码,阅读方向为5-3,14,20种氨基酸侧链集团的大小和极性,15,起始密码的确定:1966年,剑桥分子研究中心等发现在体内进行合成的多肽链,其开头在细菌都为甲酰甲硫氨酸,在真核生物都为甲硫氨酸,且都是从AUG这个密码子开始,因此,把AUG定为起始密码子。,终止密码子的推测:Nirenberg、Khorana的试验都发现UAA、UAG、UGA三个密码子不能代表任何的氨基酸。E.Coli的Trp 突变株不能合成色氨酸合成酶蛋白,对他进行诱变可得到回复突变,回复突变有两种类型:个别氨基酸
6、发生了变化。另一种为完全回复,没有任何氨基酸组成的变化。说明Trp不是任何移码突变,从后一种推测可能存在终止密码,17,终止密码子的破译:1965年剑桥分子研究中心的Brenner,发现 E.coli一些无义突变型是在色氨酸位置上变化,由UGG 变成UGA,把UGA定为终止码 在酪氨酸位置上变化,由UAC、UAU变成UAA、UAG,所以把UAA、UAG码子也定为终止密码,密码子通用性的例外情况密码子 通用情况 例外情况 例外的生物UGA 终止子 色氨酸 人酵母线粒体支原体UGA 终止子 半胱氨酸 纤毛虫核基因组 CUA 亮氨酸 苏氨酸 酵母线粒体 AUA 异亮氨酸 甲硫氨酸 人线粒体AGA 精
7、氨酸 终止子 人线粒体AGG 精氨酸 终止子 人线粒体GUG 缬氨酸 丝氨酸 假丝酵母核基因组UAA 终止子 谷氨酸 草履虫四膜虫核G UAG 终止子 谷氨酸 草履虫核GAAA 赖氨酸 天冬氨酸 果蝇线粒体CUG 亮氨酸 终止子 圆柱念珠菌核GCUN 亮氨酸 苏氨酸 酵母线粒体,19,2、第二遗传密码(表观遗传密码)决定多肽链折叠形成有功能蛋白质的遗传信息,蛋白质一级结构决定其空间结构的密码,20,由DNA序列以外的化学标记编写的、控制表观遗 传印记的另一类遗传密码,遗传密码是遗传信息从DNA RNA 流向蛋白质,是明码,又叫第一遗传密码,是遗传信息传递的第 一层次 第二遗传密码是遗传信息从蛋
8、白质氨基酸序列到蛋 白质的空间结构功能,也既蛋白质分子折叠是遗传 信息传递的第二层次 中心法则解决了蛋白质的形成,但没有解决蛋白质 如何折叠形成功能蛋白质,给后人留下了新的难 题,从遗传信息到生物功能研究就是研究蛋白质分 子折叠机制,既破译第二遗传密码,22,我国中科院院士皱承鲁领衔此课题,有望破译。现已经发现第二遗传密码有三个特性简并性:不同序列对应相同结构多义性:类似序列具有不同结构全局性:局部序列改变会影响整个结构,23,6.2.2 Degeneracy of codon(密码子的简并性),(1)概念,密码子的简并性:多种codons编码一种氨基酸的现象,同义密码子(synonyms):
9、代表同一种氨基酸的密码子,61个密码子编码常规的20种氨基酸,3个为肽链终止密码子,简并性具有的生物学意义:允许生物体的DNA碱基有较大变异的余地,使基因突变可能造成的危害降至最低,而不影响物种性状的表达,对环境的适应性和物种遗传的稳定。,多个遗传密码编码同一种氨基酸的现象 简并的例子 氨基酸 密码子数 氨基酸 密码子数 丝氨酸 6 天冬氨酸 2 亮氨酸 6 酪氨酸 2 精氨酸 6 组氨酸 2 脯氨酸 4 谷氨酸 2 苏氨酸 4 赖氨酸 2 丙氨酸 4 谷氨酰胺 2 甘氨酸 4 天冬酰胺 2 缬氨酸 4 半胱氨酸 2 异亮氨酸 3 色氨酸 1 终止码 3 甲硫氨酸 1 苯丙氨酸 2,25,(2
10、)简并现象的机理,同功受体(Isoacceptor):负载同一氨基酸,但识别 不同密码子的tRNA。同功tRNA间存在结构上的差异,反密码子也可不同,Wobble hypothesis;tRNA 的 反密码子中:密码子 1th(Nt34):3 rd-Nt,3 isoacceptors,1 codon family 2 extra codons,26,Wobble base的摇摆配对原则,摆动假说由Crick.F 1966年 提出。即当tRNA的反密码子与mRNA的密码子配对时前两对严格遵守碱基互补配对法则,但第三对碱基有一定的自由度可以“摆动”。,27,3)简并性的相对性 双关密码子:(amb
11、iguous codon)多义密码子 能编码一种以上氨基酸的密码子 例如密码子UUU能编码笨丙氨酸,偶而 也能编码亮氨酸。机制在于UUU码子可 被一种以上tRNA识别,也说明很早以 前UUU就是亮氨酸的密码子,28,6.2.3 Anti-codon及其两侧碱基修饰对密码子 解读的生物学意义,Xo5U(5-羟基尿苷)Cmnm5U(5-羧甲基氨甲基尿苷)mCm5U(5-甲氧基羰甲基尿苷)Xm5s2U(5-甲基-2硫代尿苷)K2C(2-赖氨酸胞苷)Com5U(5(2)-羟羧甲基尿苷)I(Inosine次黄嘌呤),m7G(7-甲基鸟苷)m5C(5-甲基胞苷)m6A(6-甲基腺苷)s2C(2-硫代胞苷)
12、(假尿苷)Um(2-O-甲基尿苷)Q(Queuosine),a)Methylated Nt at anti-codon and flanked,29,Xo5U(5-羟基尿苷)Cmnm5U(5-羧甲基氨甲基尿苷)mCm5U(5-甲氧基羰甲基尿苷)Xm5s2U(5-甲基-2硫代尿苷)K2C(2-赖氨酸胞苷)Com5U(5(2)-羟羧甲基尿苷)Um(2-O-甲基尿苷)I(Inosine次黄嘌呤),30,c)tRNA中anti-codon碱基修饰的意义,限制对密码识读的随意性,以保证遗传的稳定,提高摇摆能力,防止突变效应,以保证遗传的稳定,保证正确的读码框架,以保证遗传的稳定,anti-codon两侧
13、的碱基亦被称为扩展的反密码子,31,6.3 tRNA的功能,为每个三联体密码子翻译成氨基酸提供了接合体 为准确无误将所需aa运送到核糖体提供了运送载体 tRNA种类繁多,并与多种蛋白质和核酸相互识 别,决定了它们在结构上存在大量的共性,tRNA的结构“四环一臂”倒L形的三级结构,33,沉降系数 S 生物大分子在离心场中沉降,受到三种力的影响,它们是离心力,浮力和摩擦力。物质在单位离心力场的沉降速度是个定值,称为沉降系数(sedimentation coefficient)。蛋白质、核酸等的沉降系数在1 X 10-13到 200 X 10-13秒 之间。为方便将10-13秒作为一个单位,称Sve
14、dberg单位,用S表示。其数值不仅与物质分子的质量有关,也与分子的形状有关。,34,小RNA;4S,tRNA phe,77Nt,cloverleaf form(1964 Holly R.),二级结构为三叶草形 5 arms&4 loops,Nt more modified by methylation,6.3.1 tRNA的高级结构,32 tRNA in universal codons,35,36,37,tRNA的“倒L”三维结构与功能,“L”构型的结构力,二级结构中双链区的碱基堆积力和氢键,二级结构中非双链区在“L”结构中,形成氢键结合,38,-aa accept arm 位于“L”的一
15、端,契合于核糖体的肽基 转移酶结合位点 P A,以利肽键的形成,-anti-codon arm 位于”L”另一端,与结合在核糖体 小亚基上的codon of mRNA配对,39,-“L”结构中碱基堆积力大 使其拓扑结构趋于稳定 wobble base 位于“L”结构末端 堆积力小 自由度大 使碱基配对摇摆,-TC loop&DHU loop 位于“L”两臂的交界处,利于“L”结构的稳定,40,6.3.2 tRNA的种类,(1)起始tRNA和延伸tRNA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),
16、真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸(Met)。(2)同功tRNA同功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AA-tRNA合成酶识别。(3)校正tRNA 校正tRNA分为无义突变及错义突变校正tRNA。,41,6.3.3 氨酰基tRNA合成酶 aa-tRNAaa synthetase(AARS),催化氨基酸与tRNA间的反应生物体有20种氨酰基tRNA合成酶,分子量相差很大一种合成酶只能识别一种氨基酸和该氨基酸的几种同功tRNA将tRNA分为20个同功tRNA组,42,氨酰tRNA合成酶有三个结合位点:氨基酸结合位点、ATP结合位点、tRNA结合位
17、点催化反应分两步:第一步:氨基酸和ATP形成相应腺苷酸化氨酰基,释放焦磷酸第二步:活化型的氨基酸被转移至tRNA,释放AMP,43,-由若干Nt组成,存在于tRNA不定位置上,-与AARS侧链基团的分子发生特异的“契合”,-成为tRNA准确负载氨基酸的机制之一,6.3.4 Paracodon(副密码子),定义:tRNA上被氨酰基tRNA合成酶所识别的碱基,功能是促进tRNA与所携带氨基酸的准确识别,44,paracodon 的特征,-被同一种AARS 所识别的一组同功受体具有相同的副密码子,-paracodon 是为AARS 特定氨基酸所识别的若干碱基(并非均为一对核苷酸),-paracodo
18、n位于tRNA 的各种环或臂上,不同tRNA 的 paracodon 的定位不同,-AARS 对paracodon 的识别与结合是通过氨基酸与碱基 之间的连接实现的,45,a)tRNA abundance 正相关 codon usege,b)需要量多的蛋白质(除mRNA转录速率高外),需要量少的蛋白质(除mRNA转录速率低外),6.3.5 tRNA 的丰富度与codon 的使用频率(bias),-识别同一氨基酸的不同tRNA(isoacceptor)量不等,-不同生物间同一isoacceptor的量不等,46,自然选择codon/anti-codon 间适度结合强度的codon usage以保
19、证最佳的蛋白质合成速率,tRNA abundance;codon usage(codon bias)是进化中形成的基因表达调控机制之一,47,1209 codons,48,Codon usage in the genes of Animals,2244 codons,49,6.3.6 two of three codon-reading in mitochondrial,a)线粒体中具有与通用密码不同的编码信息,线粒体中codon较为整齐(均为2/4/6),2 codon;F,I,Y,H,Q,N,E,k,D,W,M,C 1个tRNA4 codon;V,P,T,A,R,G,(family)Leu
20、,Ser(2 isoacceptors each)2个tRNA,In mt 22 tRNA only(32 tRNA in universal codons),线粒体“三中读二”方式可减少tRNA,50,51,Codon-reading,two of three reading,codon UCU-UCA-UCG-UCC,摇摆性的“三中读二”原则:密码子的1、2位碱基与反密码子能形成6个氢键 时,可三中读二,如:CCX,CGX,GCX,GGX 密码子的1、2位碱基与反密码子能形成4个氢键 时,不可三中读二,AAX,AUX,UAG,UUX 密码子的1、2位碱基与反密码子能形成5个氢键时 分两种情
21、况:当第二个碱基为嘧啶时可三中读二,如 UCX,ACX,CUX,GUX。当第二个碱基为嘌呤时 不可三中读二,如CAX,GAX,UGX,AGC 原核生物、真核生物只有大约30种反密码子,而密 码子却有61种,反密码子少的原因就在于反密码子 具有摇摆的特性,53,mt tRNA 与通用 密码 tRNA 的结构差异,-no TC loop in mt-tRNA,-no DHU loop in some mt-tRNA,-G+C/A+U=0.250.94 in mt-tRNA,G+C/A+U=12 in universal tRNA U含量高,二级结构松弛,对 codon family的识读具有更大的
22、摇摆性。,54,所有mRNA都具有两个必须特征:一段可翻译的密码子序列(开放阅读框,open reading frame,ORF)和一个核糖体结合位点(ribosome binding site,RBS)在原核生物和真核生物间有重要区别原核生物mRNA的第一个密码子AUG上游的重要特征是SD序列真核生物mRNA除第一个密码子AUG的上游是核糖体小亚基扫描AUG的信号序列(CCACC)外,5端非翻译区上游为帽子结构,3端非翻译区内有多聚腺苷化的信号AAUAAA以及其下游的多聚A尾巴,6.3.7 mRNA,55,In Prokaryote,Shine-Dalgarno seq.(S.D seq):
23、只存在于原核生物中,在mRNA起始密码子AUG的上游约10个核苷酸处含有一段富含嘌呤核苷酸的序列,能与16S rRNA3末端的富含嘧啶的序列结合。前导序列(leading sequence)不同基因的SD序列不完全相同,从而控制翻译产物的数量,poly-cistron:即参与一个代谢途径的若干基因编码在同一个转录单位内,具有多个ORF。ORF:按照一定的阅读框,从起始密码到终止密码子可连续解读遗传密码的区域。阅读框:解读mRNA中遗传密码的三联体方式。,56,57,In Eukaryote,58,In Eukaryote,mono-cistron,59,6.4 核糖体的结构,在一个生长旺盛的细
24、菌中,大约有2万个核糖体。其中蛋白质占细胞总蛋白的10,RNA占细胞总RNA的80 真核生物中核糖体的数量更多,蛋白质和RNA占细胞总蛋白质和总RNA相当大比例,60,核糖体的结构,61,62,核糖体:由几十种蛋白质和几种RNA组成的亚细胞颗粒,基本不含脂肪,核糖体的组装,所有核糖体蛋白都首先在细胞质中被合成,运转到细胞核内,在核仁中被装配成40S和60S核糖体亚基,然后运转到细胞质中行使作为蛋白质合成机器的功能,64,Ribosomes,70S(2.5M),80S(4.2M),50S(1.6M),30S(0.9M),60S(2.8M),40S(1.4M),5S rRNA(120 nt)23S
25、 rRNA(2900 nt)34 proteins,16S rRNA(1540 nt)21 proteins,5S rRNA(120 nt)28S rRNA(4700 nt)5.8S rRNA(160 nt)49 proteins,18S rRNA(1900 nt)33 proteins,Prokaryotes,Eukaryotes,65,Complete initiation Complex of translation,Translation domain,Exit domain menbrane,Exit site,5s site,转肽酶中心,形成肽键,P site,A site,EF-
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