第五章 蛋白质的翻译

• 原核生物以及真核生物的RBS位点
原核生物
16S rRNA 3’ 配对
• 在真核生物中，通过Kozak 等的实验表明： 在起始密码子附近为下述序列 ： CCRCCAUGG where R is a purine(A and G), and the initiation codon is underlined。 5’的帽子结构以及3’端poly(A)均能增加翻译 的效率。
EF-G有移位酶( 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 。移位完成后， 核糖体激活GTPase.
Biochemical evidence that 23S rRNA had peptidyl transferase
Biochemical evidence that 23S rRNA had peptidyl transferase
5.1 蛋白质合成的装备
• • • • • 5.1.1 mRNA的结构和功能 mRNA 概念的提出 mRNA 两个特征 一段可翻译的密码序列（开放阅读框） 一个核糖体结合位点(ribosome binding site, RBS)
• 起始密码子开始、以终止密码子结束的一 段由连续的核苷酸序列构成的开放阅读框 (open reading frame,ORF)。ORF内的核 苷酸序列直接决定翻译出来的多肽链的氨 基酸序列。
第五章 蛋白质的翻译
主要内容
一、蛋白质合成的装备 mRNA, tRNA, 核糖体以及rRNA 二、遗传密码及其兼并 三、蛋白质的翻译(****)
• 翻译：以mRNA为模板，在核糖体上由 tRNA解读，将贮存于mRNA中的密码序列 转变为氨基酸序列，合成多肽链的过程。 • 多种酶和辅助因子参与该过程
核糖体的结构和化学组成
16S rRNA的结构
二级结构
三级结构
尽管不同的物种中，rRNA的一级核苷酸顺序有比较大的不同，但大部 分的二级结构是保守的
30S 亚基的三维结构
核糖体的主要作用： 1）提供mRNA，tRNA和相关蛋白质的结合位置，并保证它们 在核糖体上正确定位； 2）包括rRNA在内的组分具有催化功能，能执行翻译中的许多 化学反应。
5.2 遗传密码及其简并
• 遗传密码（genetic codon）:联系核苷酸 序列与蛋白质氨基酸序列之间的纽带，具 有三联体、非重叠、连续、无逗点的特点。 • 遗传密码子的破译是20世纪生物学重要发 现之一，依赖两项技术发明： • A、人工合成的核酸的体外翻译技术 • B、核糖体
IF3促进mRNA与30S小亚基结 合，使起始密码子调整到P位。
IF2结合到起始tRNA。IF2使起 始tRNA定位到P位。 30S预起始复合物→30S起始复合 物。
5.3.2.1 原核生物蛋白质翻译的起始过程
IF2 刺激 50S亚基参与形成 70S三元起始复合物。 IF1和IF3释放。IF2的活性 形式是IF2· GTP, 50S亚基作为 GTP酶活化蛋白，激发IF2的 GTP酶活性，GTP水解成 GDP和Pi， IF2释放。fMettRNAfmet占据着50S亚基的肽 酰位(P)。而A位则空着。
tRNA的功能 ①运输的工具，运载aa; ②解读mRNA的遗传信息。 • 同工受体tRNA （Isoacceptor tRNAs ） 携带同一种氨基酸的几种不同tRNA分子 Different tRNAs carrying the same aa
tRNAAla的一级结构、二级结构和三级结构
大亚基5s RNA 结合
5' 3' 3'
AUC UAI
5' 3'
AUA UAI
5'
3'
U
Ile
Ile
Ile
5.2.2.2 摇摆假说之外的“摇摆” A、有关起始 • UUG(亮氨酸) • GUG（缬氨酸），被错误判读为起始密码子 的现象 • AUG（起始密码子以及中间密码子） • tRNA 反密码子 CAU
起始tRNA（ Initiator tRNA）: tRNAf Met & tRNAiMet ：能特 异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA称起始tRNA。
3. 密码子的选定不是随机的，代表相同或相似氨基酸的 密码子在序列上倾向于相似。
同义密码子的差别在第3个核苷酸: GGX-Gly; UCX-Ser 第二位是嘌呤核苷酸的密码子编码极性氨基酸,如CGX-Arg; 第二位是嘧啶核苷酸的密码子编码疏水氨基酸 CUX-Leu
降低突变造成的危害 • 广义密码：遗传密码子的第二位核苷酸决定了氨基酸 性质和特点 4. 通用性和例外 5. 不重叠性，少数会由于核糖体移框，导致重复使用。 6. 无标点,通读
• 原核生物与真核生物翻译主要不同点： • 真核生物的mRNA为单顺反子，原核生物 的mRNA为多顺反子（图5-2）。 • 原核生物的翻译与转录同时进行， mRNA 寿命比较短；真核生物转录与翻译在细胞 的不同部位， mRNA寿命相对比较长。
原核生物mRNA和真核生物mRNA结构的比较
5.1.2 tRNA 的结构与功能
γII 区 B基因内
b1缺失 b1插入 b1 b2 b2 b2缺失 b1缺失 b1缺失 b1插入 b2缺失 b2插入 b2缺失 正常 缺陷
b1
b2插入
b1插入
b2插入
生物化学证据
• 人工合成的多核苷酸模板（已知序列，提供模板） • 大肠杆菌无细胞蛋白质合成系统：包括DNA、 mRNA、 tRNA、核糖体、氨酰tRNA合成酶以及 蛋白质因子（提供必须条件） • ATP，GTP，放射性标记的氨基酸（提供能量以 及方便检测） • 经过硝酸纤维滤膜的过滤，能截获核糖体-氨酰基 - tRNA- mRNA复合物，检测放射性标记物出现 • 破译了61中氨基酸密码子
预起始复合物与mRNA结 合，形成起始复合物
核糖体小亚基沿5‘-3’方向扫描，寻找起始密码子，起始 tRNAi与密码子正确配对
eIF2 and eIF3 解离，大 亚基结合到小亚基上
80S大亚基起始复合物 的形成，起始tRNAi 位于P 位
Poly A 结合蛋白（PABP）通过与起始因子的相互作用，使真 核mRNA在翻译过程中首尾相连。
核糖体的三维结构模型和主要的功能部位
核糖体的主要功能部位
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
A部位 ，A (acceptor) site – 氨酰tRNA aa-tRNAs 结合部位 ，也 称为受体部位 P部位， P (peptidyl-tRNA) site –肽酰tRNA 结合部位，也称为供 体部位 E部位， E (exit) site – 空载tRNA离开核糖体之前与核糖体临时结 合的部位. 肽酰转移酶（Peptidyl transferase）活性部位 – 该部位催化肽键 peptide bond的形成（23S rRNA in Prokaryotes） mRNA结合部位 -小亚基 多肽链离开通道Polypeptide exit channel 蛋白质因子结合部位
B、有关终止 终止密码子被携带硒代半胱氨酸tRNA识别
tRNAf Met 结构
摇摆假说之外的“摇摆”:指tRNA反密码子第三个 与其他 tRNAs 核苷酸的非正常配对，将位于起始密码子位置 不同点 UUG(亮氨酸)和GUG（缬氨酸），判读为起始密码 子，聚合甲硫氨酸的现象。
11— —24 配对 未被修 饰 摇摆配对 VS 被修饰
氨酰tRNA 合成 酶结合位点 假尿嘧啶环
摇摆位点
• 比较所有tRNA，其特点如下
• 长度从74~94 nt • 均含有多个修饰碱基 • 具有相似的二级和三级结构
假尿嘧啶 尿嘧啶 二氢尿嘧啶
5.1.3 rRNA 与核糖体的结构与功能
（1）核糖体的特点 A、一个细胞中有多个核糖体 B、翻译时，一条mRNA上可能结合多个核糖体，形 成多聚核糖体的结构（从mRNA 到蛋白质翻译过 程中的信号放大） C、核糖体是由多种蛋白质和rRNA组成的核糖核蛋 白（RNP）。 D、真核和原核生物的核糖体由均大小两个亚基组成， 其不同的是组成的蛋白种类和RNA种类有区别
• 物理学家Gamov通过概率的分析，认为至 少三个核苷酸决定一个氨基酸才能编码20 种氨基酸。 • 通过遗传学和生物化学支持了三联体假说 • 遗传学的证据：T噬菌体γII 位点B基因的缺 失和插入单核苷酸，获得b1和b2均为缺失 的重组，或b1和b2均为插入的重组个体， 均为严重缺陷型。
遗传学证据
对于无帽子结构的mRNA的翻译通常因其mRNA内部具有核糖体 进入位点（internal ribosome entry site,IRES)
• 5.3.2.3 多肽链的延伸
高度保守
肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基
酸就是一个循环，每个循环包括：进位、
转肽和 移位反应（translocation）。aa/12s
• 5.2.2.1 摇摆学说
• 转运氨基酸的tRNA上的反密码子需要通过 碱基互补与mRNA上的遗传密码子反向配 对结合，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”，这种 现象称为密码子的摆动性。
tRNA
5' 3'
mRNA
5' tRNA
AUU UAI
遗传密码破译的蛋白质体外合成体系
终止密码子的破译
• 通过遗传学的证据，突变，再经过回复突 变
5.2.2 遗传密码的兼并
1、密码子的兼并（degenerate） ：一个氨基酸由 多个密码子编码的现象 • 同义密码子：对应于同一氨基酸的密码子称为同 义密码子（synonymous codon）。
2. 明确的（unambiguous），而不是含糊的 没有1码两用或1码多用 • 密码子兼并性的生物学意义： • DNA多样性与遗传的稳定性