第四章 翻译.docx

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第四章翻译

1、遗传密码

2、tRNA

3、核糖体

4、蛋白质合成的生物学机制

5、蛋白质运转机制

本章内容概述

中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息，到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译（translation）。

遗传信息传递的中心法则

遗传信息流动示意图

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。

4．1遗传密码――三联子

遗传密码:

DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。

•贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递给蛋白质。

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。

•1961年Crick等用遗传学方法也证实三联体密码子学说是正确的

•Nirenberg以均聚物为模板指导多肽的合成,寻找到了破译遗传密码的途径

•Khorana以共聚物指导多肽的合成，加快了破译遗传密码的步伐

以均聚物为模板指导多肽的合成

以特定的共聚物为模板指导多肽的合成

•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。

4·1·2遗传密码的性质

•一、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。

遗传密码字典

•简述密码的简并性（degeneracy）和同义密码子（synonymouscodon）

•武汉大学2003年试题

二、密码的普遍性与特殊性

•蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用，适合于一切生物。

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。

如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。

人线粒体中变异的密码子

三、密码子与反密码子的相互作用--摆动假说

•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。

1966年Crick根据立体化学原理提出：

反密码子与密码子之间的碱基配对

四、连续性

从mRNA5端起始密码子AUG到3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（openreadingframe,ORF）。

•五、方向性

•即解读方向为5′→3′

4·2tRNA的结构,功能与种类

•tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将活化的氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。

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。

（2）tRNA的倒L形三级结构

•tRNA的三级结构，都呈倒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。

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。

tRNA的种类

•1·起始tRNA和延伸tRNA

•2·同工tRNA

•3·校正tRNA

Ø1、无义突变的校正tRNA

Ø2、错义突变的校正tRNA

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。

•Prok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。

•Euk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。

3·校正tRNA

•1、无义突变的校正tRNA

•2、错义突变的校正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的作用是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。

错义抑制

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

第一步反应:

氨基酸的腺苷酰基化

第二步反应：

tRNA负载

•每种AA-tRNA合成酶连接一个氨基酸到一个或多个tRNA上。

但对于一个氨基酸而言，有且只有一种AA-tRNA合成酶将其连接到所有正确的tRNA上。

•tRNA合成酶分两类：

•Ⅰ类酶将氨基酸连接到tRNA的2‘羟基，这类酶一般为单聚体；

•Ⅱ类酶将氨基酸连接到tRNA的3‘羟基，这类酶一般为二聚体或四聚体。

•Val应该能轻易进入IletRNA合成酶的位点。

但tRNA合成酶与Ile额外的亚甲基作用能够产生额外的-2到-3kcal/mol的自由能，导致Ile与IletRNA合成酶的结合能力比Val和IletRNA合成酶的结合能力强100倍。

——Val与IletRNA合成酶的错配率为1%。

•提高AA-tRNA合成酶的保真度的一个普遍的机制是对负载反应的产物进行校对。

除了催化口袋，IletRNA合成酶在催化口袋附近还有一个编辑口袋（酶上的深裂缝）。

用以对腺苷酰基化的产物进行校对。

AMP-Val能够进入这样的编辑口袋，在那里被水解成自由的AMP和Val而释放出来。

相反，AMP-Ile因太大而无法进入编辑口袋。

•结果表现：

IletRNA合成酶能够对Val进行两次筛选：

4·3核糖体

•核糖体是由rRNA（ribosomalribonucleicasid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。

•一个细菌细胞内约有20000个核糖体，真核细胞内可达106个。

核糖体颗粒既可以游离状态存在于细胞内，也可与内质网结合，形成微粒体。

4·3·1核糖体的结构

•核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大小两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的二倍。

每个亚基都含有一个分子质量较大的rRNA和许多蛋白质分子。

这些大分子rRNA能在特定位点与蛋白质结合，从而完成核糖体不同亚基的组装。

•原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。

真核生物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。

4·3·3核糖体的功能

•核糖体存在于每个细胞中进行蛋白质的合成。

尽管在不同生物体内其大小有别，但组织结构基本相同，而且执行的功能完全相同。

●mRNA结合部位——小亚基

●结合或接受AA-tRNA部位（A位）——大亚基

●结合或接受肽基tRNA的部位——大亚基

●肽基转移部位（P位）——大亚基

●形成肽键的部位（转肽酶中心）——大亚基

原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图

大小亚基在翻译的每次循环过程中都经历结合与分离

•蛋白质合成一次，翻译机器就经历一系列特异事件：

核糖体的大小亚基相互之间与mRNA相结合，翻译mRNA，完成蛋白质合成后相互解离。

这种结合与分离相间的顺序称为核糖体循环。

4．4蛋白质合成的生物学机制

•蛋白质是生物活性物质中最重要的大分子组分，生物有机体的遗传学特性要通过蛋白质来得到表达。

•蛋白质的生物合成包括：

氨基酸活化、肽链的起始、伸长、终止以及新合成多肽链的折叠和加工。

4．4．1氨基酸的活化

•蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基、起始tRNA和几十个蛋白因子。

在mRNA编码区5'端形成核糖体-mRNA-起始tRNA复合物并将甲硫氨酸放入核糖体P位点。

•原核生物的起始tRNA是fMet-tRNAfMet，而真核生物是Met-tRNAMet。

•原核生物中30S小亚基首先与mRNA相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合。

•tRNA在氨基酰-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－氨基酰-tRNA。

氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：

第一步是氨基酸与ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；

第二步是氨基酰基转移到tRNA的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。

氨基酸的活化

N-甲酰甲硫氨酰-tRNAiMet的形成

氨基酸活化的总反应式

4．4．2翻译的起始

•细菌中翻译的起始需要如下7种成分:

•①30S小亚基，②模板mRNA，③fMet-tRNAfMet，④3个翻译起始因子（IF-l、IF-2和IF-3），⑤GTP，⑥50S大亚基，⑦Mg2＋。

2、30S小亚基在IF-l，IF-3的作用下通过SD序列与mRNA模板相结合。

S-D序列

•细菌核糖体上一般存在3个与氨酰－tRNA结合的位点，即A位点（aminoacylsite），P位点（Peptidylsite）和E位点（exitsite）。

只有fMet-tRNAfMet能与第一个P位点相结合，其他所有tRNA都必须通过A位点到达P位点，再由E位点离开核糖体。

•IF-2对于30S起始复合物与50S亚基的连接是必需的，IF-l在70S起始复合物生成后促进IF-2的释放，从而完成蛋白质合成的起始过程。

真核生物翻译起始的特点（与原核生物的差异性）

●核糖体较大,为８０Ｓ；

●起始因子比较多；

●mRNA5′端具有m7Gppp帽子结构

●Met-tRNAMet

●mRNA的5′端帽子结构和3′端polyA都参与形成翻译起始复合物。

4·4·3肽链的延伸

•当第一个氨基酸与核糖体结合以后，按照mRNA模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。

•每加一个AA是一个循环，每个循环包括：

AA-tRNA与核糖体结合、肽键的生成和移位。

延伸因子（elongationfactor,EF）：

原核生物：

EF-T（EF-Tu,EF-Ts）

EF-G

真核生物：

EF-1、EF-2

1、后续AA-tRNA与核糖体结合

•起始复合物形成以后，第二个AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNA·EF-Tu·GTP复合物，然后结合到核糖体的A位上。

2、肽键的生成

•经过上一步反应后，在核糖体mRNA·AA－tRNA复合物中，AA-tRNA占据A位，fMet-tRNAfMet占据P位。

在肽基转移酶的催化下，A位上的AA-tRNA转移到P位，与fMet-tRNAfMet上的氨基酸生成肽键。

A位点腾空准备接受新的AA-tRNA，进行下一轮合成反应。

起始tRNA则离开了核糖体P位点。

肽键形成

是由转肽酶/肽基转移酶催化

3·移位

•肽键延伸过程中最后一步，核糖体向mRNA3’端方向移动一个密码子。

此时，仍与第二个密码子相结合的二肽基tRNA，从A位进入P位，去氨酰-tRNA被挤入E位，mRNA上的第三位密码子则对应于A位。

延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3'侧移动。

4·4·4肽链的终止

•肽链在延伸过程中，当终止密码子出现在核糖体的A位时，没有相应的AA-tRNA能与之结合，而释放因子能识别终止密码子并与之结合，水解P位上多肽链与tRNA之间的酯键。

新生的肽链和tRNA从核糖体上释放，核糖体解体，蛋白质合成结束。

•释放因子RF催化GTP水解促使肽链与核糖体解离。

4．4．5蛋白质前体的加工

•新生多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工修饰才能转变为有活性的蛋白质。

•1．N端fMet或Met的切除

•2．二硫键的形成

•3．特定氨基酸的修饰

•4、切除新生链中非功能片段

•1．N端fMet或Met的切除：

细菌蛋白质N端的甲酰基能被脱甲酰化酶水解，原核生物和真核生物N端的甲硫氨酸在多肽链合成完毕之前被切除。

•脊髓灰质炎病毒的mRNA可翻译成很长的多肽链，蛋白酶在特定位置上水解得到几个有功能的病毒蛋白。

新生蛋白质经蛋白酶切后变成有功能的成熟蛋白质

•3．特定氨基酸的修饰氨基酸侧链的修饰包括磷酸化（如核糖体蛋白质）、糖基化（如各种糖蛋白）、甲基化（如组蛋白、肌肉蛋白质）、乙基化（如组蛋白）、羟基化（如胶原蛋白）和羧基化等。

糖蛋白是通过蛋白质中天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基侧链上加上糖基形成的，胶原蛋白上的脯氨酸和赖氨酸是经过羟基化的。

•内质网是蛋白质N-糖基化的主要场所。

4、切除新生链中非功能片段

•新合成得到的前胰岛素原，切去信号肽变成胰岛素原，再切去C-肽变成有活性的胰岛素。

•不少多肽类激素和酶的前体也要经过加工才能变为活性分子。

•蜂毒素能溶解动物细胞，也能溶解蜜蜂自身的细胞。

蜜蜂在细胞内合成没有活性的前毒素，分泌进入刺吸器后，N端的22个氨基酸残基被蛋白酶水解生成毒素。

前胰岛素原的加工

蜂毒资料

•来源和成分

•蜂毒素是蜜蜂工蜂毒腺和副腺分泌出的具有芳香气味的透明毒液，贮存在工蜂毒囊中，蜇刺时从蜇针排出，是蜜蜂在自然界自卫的武器。

蜂毒是一种成分复杂的混合物，除含有80％～88％水分外，还含有蜂毒素、多肽、活性酶、生物胺、碳水化合物和其它物质。

•药理功效

•蜂毒的药理作用非常广泛，对某些疾病的疗效堪称卓著。

由蜂毒制成针剂、软膏等对治疗高血压、风湿类风湿性关节炎、畸形脊椎炎、外周神经炎、肌肉炎、神经痛、偏头痛、坐骨神经痛、外周血管粥样硬化等均取得明显的疗效。

•蜂毒素（也称为蜂毒溶血肽、Melittin）占蜂毒干重的50％以上，由26个氨基酸组成，相对分子质量2984，不含二硫键，是蜂毒中的主要活性物质，具有抗菌、抗辐射和非常显著的抗炎镇痛作用。

蜂毒素能够抑制20～30种革兰氏阴性及革兰氏阳性病原微生物的发育，并能对抗对青霉素有耐药性的金黄色葡萄球菌。

•蜂毒素是迄今为止人类所知的抗炎活性最强的物质之一，其抗炎活性是氢化可的松的100倍。

由于许多疼痛是炎症导致的，因此蜂毒素在治疗关节炎、痛风等炎性疼痛方面，具有显著的成效。

近年来的研究表明，蜂毒素还具有抑制肿瘤生长的作用，进一步拓宽了蜂毒素的应用范围。

•1992年Wachinger研究发现：

蜂毒素及其六个衍生物都可改变受HIV感染的T淋巴细胞的功能，抑制HIV复制，降低病毒的感染力。

4·4·6蛋白质生物合成抑制剂

•主要是抗生素、核糖体灭活蛋白等。

是治疗细菌感染的重要药物。

•抗菌素对蛋白质合成的作用：

•1、阻止mRNA与核糖体结合；

•2、阻止AA-tRNA与核糖体结合；

•3、干扰AA-tRNA与核糖体结合而产生错读；

•4、作为竞争性抑制剂抑制蛋白质合成。

•氯霉素和嘌呤霉素既能与原核细胞核糖体结合，又能与真核生物核糖体结合，妨碍细胞内蛋白质合成，影响细胞生长。

氯霉素有时也用于治病，但剂量和周期受到较严控制。

蛋白质合成抑制剂

4．5蛋白质运转机制

•蛋白质的合成位点与功能位点常常被细胞内的膜所隔开，蛋白质需要运转到正确的位置发挥生物学功能。

•核糖体是真核生物细胞内合成蛋白质的场所，任何时候都有许多蛋白质被输送到细胞质、细胞核、线粒体和内质网等各个部分，补充和更新细胞功能。

细胞各部分都有特定的蛋白质组分，蛋白质必须准确无误地定向运送才能保证生命活动的正常进行。

4.5.1翻译-转运同步机制--信号肽假说

•分泌蛋白的生物合成开始于核糖体，翻译到大约50个氨基酸残基，信号肽开始从核糖体的大亚基露出，被内质网膜上的受体识别并与之结合。

信号肽过膜后被内质网腔的信号肽酶水解，新生肽随之通过蛋白孔道穿越疏水的双层磷脂。

当核糖体移到mRNA的"终止"密码子，蛋白质合成即告完成，翻译体系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖体重新处于自由状态。

●信号序列特点：

（1）一般带有10-15个疏水氨基酸；

（2）在靠近该序列N-端常常有1个或数个带正电荷的氨基酸；

（3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位点处常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（丙氨酸或甘氨酸）。

4．5．2翻译后运转机制

•叶绿体和线粒体中有许多蛋白质和酶是由细胞质提供的，其中绝大多数以翻译后运转机制进入细胞器内。

4·5·2·1线粒体蛋白质跨膜运转

•特征:

1、通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以前体形式存在，它由成熟蛋白质和位于N端的一段前导肽（leaderpeptide）共同组成，前导肽约含20～80个氨基酸残基，当前体蛋白过膜时，前导肽被多肽酶所水解，释放成熟蛋白质。

4·5·2·2前导肽的作用与性质

•拥有前导肽的线粒体蛋白质前体能够跨膜运转进人线粒体，在这一过程中前导肽被水解，前体转变为成熟蛋白，则失去继续跨膜能力。

因此，前导肽对线粒体蛋白质的识别和跨膜运转起着关键作用。

前导肽的特性:

Ø1.带正电荷的碱性氨基酸（特别是Arg）含量比较丰富，它们分散于不带电荷的氨基酸序列之间;（牵引作用）

Ø2.缺少带负电荷的酸性氨基酸；

Ø3.羟基氨基酸（特别是丝氨酸）含量较高;

Ø4.有形成两亲（既有亲水又有疏水部分）а-螺旋结构的能力。

4．5．3核定位蛋白的运转机制

•蛋白质一般通过核孔进入细胞核。

核糖体蛋白首先在细胞质中合成，运转到细胞核内，在核仁中被装配成40S和60S核糖体亚基，然后运转回到细胞质中去参与蛋白质合成。

RNA、DNA聚合酶、组蛋白、拓扑异构酶及大量转录、复制调控因子都必须从细胞质进入细胞核才能正常发挥功能。

蛋白质向核内运输的过程

•蛋白质向核内运输过程需要核运转因子а、β和一个GTP酶（Ran）。

а和β组成的异源二聚体是核定位蛋白的可溶性受体，与核定位序列相结合的是а亚基。

由上述3个蛋白组成的复合物停靠在核孔处，依靠RanGTP酶水解GTP提供的能量进入细胞核，а和β亚基解离，核蛋白与а亚基解离，а和β分别通过核孔复合体回到细胞质中，起始新一轮蛋白质运转。

4·5·4蛋白质的降解

•生物体内蛋白质的降解过程是一个有序的过程。

当细胞中出现错误的蛋白质或半衰期很短的蛋白质时，蛋白酶被激活。

本章小结

•1、遗传密码

•一、密码的简并性

•二、密码的普遍性与特殊性

•三、密码子与反密码子的相互作用--摆动假说

•四、连续性

•五、方向性

•2、tRNA的结构,功能与种类

•1·起始tRNA和延伸tRNA

•2·同工tRNA

•3·校正tRNA

–1、无义突变的校正tRNA

–2、错义突变的校正tRNA

•3、核糖体

•4．4蛋白质合成的生物学机制

•4．4．1氨基酸的活化

•4．4．2翻译的起始

•4.4.3肽链的延伸

•4.4.4肽链的终止

•4．5蛋白质运转机制

•1、翻译运转同步机制

•2、翻译后运转机制