1、RNA蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质RNADNA复制复制复制复制反转录反转录转录转录翻译翻译翻译翻译一、遗传信息传递的一、遗传信息传递的中心法则中心法则Reverse transcription合成体系：合成体系： 2020种氨基酸种氨基酸, , mRNA mRNA、tRNAtRNA、核糖体、核糖体、 酶和因子酶和因子, , 无机离子、无机离子、ATP ATP 、GTP GTP 合成方向：合成方向： NCNC端。端。 1.rRNA1.rRNA 与蛋白质一起构成核糖体与蛋白质一起构成核糖体蛋白质合成蛋白质合成“工厂工厂” 核糖体的基本功能核糖体的基本功能结合结合mRNAmRNA，在，在mRNAmRNA
2、上选择适当的区域开始翻译上选择适当的区域开始翻译密码子（密码子（mRNAmRNA）和反密码子（）和反密码子（tRNAtRNA）的正确配对）的正确配对肽键的形成肽键的形成 存在存在 核糖体可游离存在；真核中，也可同内质网结合，核糖体可游离存在；真核中，也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中，与形成粗糙的内质网。原核中，与mRNAmRNA形成串状形成串状多多核糖体核糖体l2. tRNA 特定特定的的tRNAtRNA搬运搬运特定特定的氨基的氨基酸，保证了酸，保证了遗传遗传信息传递信息传递的的准确准确 结合氨基酸：结合氨基酸：一一种氨基酸有几种种氨基酸有几种tRNAtRNA携带，结合携带，结合需要
3、需要ATPATP供能供能, ,氨氨基酸结合在基酸结合在tRNA3-CCAtRNA3-CCA的位的位置。置。 * 在在大肠杆菌大肠杆菌中中,与与Met特异结合的特异结合的tRNA有两种：有两种：tRNAfMet 和和 tRNAMetCH3SCH2CH2CHH2NCOO tRNAfMet转甲酰基酶转甲酰基酶N10-CHO-FH4CH3SCH2CH2CHH-C-HNCOO tRNAfMetO+ Met-tRNAMet上的上的Met则则不被甲酰化不被甲酰化！tRNAiMet: 真核真核细胞中起始细胞中起始tRNA,不被甲酰化不被甲酰化ltRNAtRNA在氨基酰在氨基酰-tRNA -tRNA 合成酶的帮
4、助下，合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过能够识别相应的氨基酸，并通过tRNAtRNA氨基酸臂的氨基酸臂的 3-OH 3-OH 与氨基酸的羧基形与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰成活化酯氨基酰-tRNA-tRNA。l氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的形成是一个两步反应过的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与程：第一步是氨基酸与 ATP ATP 作用作用, , 形形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；成氨基酰腺嘌呤核苷酸； 第二步是氨第二步是氨基酰基转移到基酰基转移到 tRNA tRNA 的的 3-OH 3-OH 端上端上, , 形成氨基酰形成氨基酰-tRNA-tRNA。氨基酰氨基酰tRNA 合成酶合
5、成酶ATPPPiAMP-E tRNA+AMPR O氨基酰氨基酰tRNA 合成酶合成酶tRNA消耗消耗2个高个高能磷酸键能磷酸键tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA -tRNA 合成酶合成酶l氨基酸氨基酸 + ATP + tRNA + H2O+ ATP + tRNA + H2O l氨基酰氨基酰-tRNA + AMP + PPi-tRNA + AMP + PPi氨基酰氨基酰tRNA合成酶合成酶高度特异性高度特异性氨基酸氨基酸tRNAl 3、 mRNA（messenger RNA） 蛋白质生物合成的蛋白质生物合成的直接模板直接模板DNAmRNA蛋白质蛋白质l 为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链为一个氨基酸
6、编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子（子（CodenCoden）或三联体密码。）或三联体密码。19541954年年, ,物理学家物理学家Gamouv GGamouv G首先对首先对遗传密遗传密码码进行探讨。他认为核酸分子中只有四种进行探讨。他认为核酸分子中只有四种碱基，显然碱基与氨基酸的关系不是一对碱基，显然碱基与氨基酸的关系不是一对一的关系。若两个碱基决定一个氨基酸只一的关系。若两个碱基决定一个氨基酸只能编码能编码1616种氨基酸，也是不够的；而三个种氨基酸，也是不够的；而三个碱基对一个氨基酸，四个碱基可产生碱基对一个氨基酸，四个碱基
7、可产生6464个个密码，足以编码密码，足以编码2020种氨基酸，所以编码氨种氨基酸，所以编码氨基酸的基酸的最低碱基数是最低碱基数是3 3，即密码子可能是，即密码子可能是三联体三联体。二、密码子的破译二、密码子的破译 三个不同的实验证明了遗传密码是三个不同的实验证明了遗传密码是mRNAmRNA上上3 3个连续的核苷酸残基构成的，下个连续的核苷酸残基构成的，下面给出了三个证明遗传密码是三联体密面给出了三个证明遗传密码是三联体密码的著名实验的示意图。码的著名实验的示意图。第一个实验第一个实验: :l统计学方法统计学方法l人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测
8、由哪一种氨基酸合成的多肽酸，推测由哪一种氨基酸合成的多肽l核糖体结合试验核糖体结合试验: 1961: 1961年，年，NirenbergNirenberg用用poly upoly u加入加入C14C14标记的标记的2020种种aa,aa,仅有苯丙氨仅有苯丙氨酸的寡肽酸的寡肽,UUU=,UUU=苯丙氨酸苯丙氨酸, , 类似的实验表明类似的实验表明, ,多聚多聚(A)(A)编码多聚编码多聚LysLys；多聚；多聚(C)(C)编码多聚编码多聚Pro (Pro (下图下图A)A)。19641964年也是由美国的年也是由美国的M.NirenbergM.Nirenberg等人完等人完成的。他们首先合成一个
9、已知序列的核苷酸成的。他们首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNAtRNA一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的合的tRNAtRNA上连接的是那一种氨基酸。上连接的是那一种氨基酸。该实验该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据的、最好的证据（下图（下图B B）。）。第二个实验第二个实验: :是由是由Jones,KhoranaJones,Khorana等人完成的。他们等人完成的。他们利用利用有机化学和酶法有机化学和酶法制备了已知的核苷酸
10、重复制备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外体外进进行蛋白质合成，行蛋白质合成，发现可以生成三种重复的发现可以生成三种重复的多肽链多肽链（下图（下图C C）。）。若从若从A A翻译，翻译，则合成出则合成出多聚多聚IleIle，即，即AUCAUC对应对应IleIle；若从若从U U翻译，翻译，则则合成出多聚合成出多聚SerSer，即，即UCAUCA对应对应SerSer；若从若从C C翻翻译，译，则合成出多聚则合成出多聚HisHis，即，即CAUCAU对应对应HisHis。这。这是因为体外合成是无调控的合成，可以随是因为体外合成是无调控的合成，可以随机
11、地从机地从A A、或、或U U、或、或C C翻译，所以有三种重复翻译，所以有三种重复的多肽链生成。的多肽链生成。第三个实验：第三个实验：三、三、 遗传密码的遗传密码的5 5个特点：个特点： 2 2、通用性：、通用性： 从简单生物到人类使用同一套密码子。从简单生物到人类使用同一套密码子。由此可推测所有生物来源于一个共同的祖先。由此可推测所有生物来源于一个共同的祖先。1、不重叠、不重叠 密码子是不重叠的，每个三密码子是不重叠的，每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用噬菌体苷酸不重叠使用噬菌体 x174x174中某些基因之中某些基因之间有重叠
12、现象间有重叠现象 3 3、 简并性：简并性： 除除MetMet，TrpTrp外，其余氨基酸由外，其余氨基酸由2 2个以上个以上密码子编码。同义密码子（密码子编码。同义密码子（但每一个密码子仅但每一个密码子仅对应一个氨基酸）对应一个氨基酸）生物学意义生物学意义：保证属的稳定性。 4 4、 摆动性：摆动性： 密码子的第一、第二两个碱基的配对密码子的第一、第二两个碱基的配对是标准配对，而第三个碱基为非标准配对。是标准配对，而第三个碱基为非标准配对。生物学意义生物学意义：减少突变频率 5、 连续性：连续性： 密码子的排列是连续的，不间隔，也不密码子的排列是连续的，不间隔，也不重叠。重叠。5. UCAC
13、GACAUAUG.35.UCAGCGACAUAUG.3丝丝精精组组蛋蛋丝丝丙丙苏苏酪酪5. UCAGACAUAUG.3丝丝天天 异亮异亮* 移码突变移码突变是最严重的突变！是最严重的突变！插入插入缺失缺失l以以mRNAmRNA为模板，氨基酸经活化获得为模板，氨基酸经活化获得的氨酰的氨酰tRNAtRNA为原料，为原料，GTPGTP、ATPATP供能，供能，在核糖体中完成在核糖体中完成。一）、蛋白质合成的起始一）、蛋白质合成的起始起始起始肽链延长肽链延长终止终止 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA 与与 mRNA 结合到核糖体上，形成起始复合物结合到核糖体上，形成起始复合物的过程的过程原料原料：fMe
14、t-tRNA，IF(1，2，3)，GTP，Mg2+1. 小亚基小亚基识别并结合识别并结合mRNA 30S50S50S+mRNA解聚解聚30S* 小亚基小亚基识别并结合识别并结合mRNA起始密码子上游起始密码子上游10nt富含嘌呤碱基的富含嘌呤碱基的SD序列序列，IF3加固这一作用。加固这一作用。 IF-1IF-3小亚基的小亚基的16S rRNA 3端的端的UCCU序列序列fMetIF-2，3. 大小亚基大小亚基聚合聚合IF-3GDP+Pi50S起始复合物起始复合物GTPAUGAUGfMetAUGfMetAUGfMetIF-1IF-2真核生物与原核生物的起始过程的不同点：真核生物与原核生物的起始
15、过程的不同点：. 1. 起始起始Met-tRNAMet不需甲酰化；不需甲酰化；. 2. 起始因子起始因子不少于不少于10种；种；. 3. 小亚基小亚基先与先与Met-tRNAMet结合，再与结合，再与 mRNA结合；结合；. 4. ATP供能。供能。二）二）、肽链延长：肽链延长：原料原料：各种：各种氨基酰氨基酰-tRNA，EF（Tu,Ts,G），）， GTP，Mg2+，K+。1. 进位进位Tu-GDPGDPTsTu-TsTu-GTPGTPPiTu-GTP特异的氨基酰特异的氨基酰-tRNA进入进入A位位pAAUGAUGTu-GTP2. 转肽转肽Mg2+， K+转肽酶转肽酶CH2CH2-CHOC=
16、 OCH-RNH2O=OCH2NCH3SAUGUAC给给 受受OCO =R-CHNHOHCO=H3CSCH2CH2-CHNH2AUGUAC给给受受转肽的 作用机制摘自：摘自：Science. Aug 2000, Volume 289: p. 920.3. 移位移位NoImageOHEFG，GTPAUGNoImageA2153NoImageNoImageOH21AUG53AUGNoImage21NoImage3AUGNoImageNoImage312AUGNoImage21NoImage3NoImage进位进位转肽转肽移位移位转肽转肽NC延长延长通过进位通过进位-转肽转肽-移位不断重复，移位不断
17、重复， 肽链自肽链自NC端不断延长端不断延长OHEFG，GTPOHA 每生成每生成1个肽键个肽键，要消耗，要消耗2分子分子GTP(进位进位和和移移位位), 而氨基酸活化需消耗而氨基酸活化需消耗2个个高能磷酸键，每增加高能磷酸键，每增加1个氨基酸残基实际消耗个氨基酸残基实际消耗4个个高能磷酸键高能磷酸键真核生物与原核生物肽链延长阶段的不同点：真核生物与原核生物肽链延长阶段的不同点：. 1. 进位时进位时延长因子是延长因子是EF-1， 可分为可分为 、 和和 三类；三类；. 2. 移位时移位时延长因子为延长因子为EF-2， 其活性可被其活性可被白喉毒素白喉毒素抑制抑制三三)、终止阶段、终止阶段RF
18、-3：促使：促使RF-1 或或RF-2从从核糖体核糖体上结合上结合* 真核生物真核生物仅有一个仅有一个释放因子释放因子：eRF， 可识别三种密码子可识别三种密码子, 并需并需GTP参与。参与。RF-1：UAA，UAGRF-2：UAA，UGA 当当mRNA的任一终止信号进入的任一终止信号进入A位时，位时，没有任何没有任何tRNA能与之识别，只有释放因子能与之识别，只有释放因子(RF)识别这种信号识别这种信号, 进入终止阶段进入终止阶段.1. 终止密码子的辨认终止密码子的辨认 RF-1或或RF-2UAAOCO =R-CHAUAAOCO =R-CHUAARFH-OH转肽酶转肽酶2. 肽链的水解和脱落
19、肽链的水解和脱落OHRFCO =R-CHORFR-CHC-OHO =3. tRNA、RF、mRNA的释放，核糖体的释放，核糖体 大小亚基的解聚大小亚基的解聚OHRF-3，IF-3 EF-GRFOHRF核糖体循环：核糖体循环：fMetAUG 1. 起始起始2. 肽链延长肽链延长3. 终止终止四、多核糖体多核糖体53意义：提高翻译效率。意义：提高翻译效率。 同时结合到同一条同时结合到同一条mRNA上多个成串的上多个成串的核糖体核糖体五五、 翻译后加工翻译后加工（一）（一）切割切割（二）（二）修饰修饰（三）（三） 新生肽链的折叠新生肽链的折叠1. 去除去除N末端蛋氨酸残基末端蛋氨酸残基2. 信号肽及
20、其他肽段的切除信号肽及其他肽段的切除 1. 二硫键的形成二硫键的形成 2. 辅助因子的连接和亚基聚合辅助因子的连接和亚基聚合 3. 多肽链中个别氨基酸的修饰多肽链中个别氨基酸的修饰（一）切割（一）切割 原核生物原核生物1. 去除去除N末端末端蛋氨酸残基蛋氨酸残基脱甲脱甲 酰基酶酰基酶Met-fMet-氨基肽酶氨基肽酶真核细胞真核细胞2. 信号肽及部分肽段的切除信号肽及部分肽段的切除分泌性蛋白前体的两个特点：分泌性蛋白前体的两个特点： 1. N端含有信号肽（端含有信号肽（signal peptide） 信号肽信号肽富含富含疏疏水氨基酸水氨基酸，其作用是，其作用是使新合成的多肽链使新合成的多肽链易
21、于穿过膜系统，易于穿过膜系统，随后被随后被信号肽酶信号肽酶切除。切除。 2. 往往还含有一段往往还含有一段与活性无关与活性无关的其的其 他肽段，必须将其切除才能形成他肽段，必须将其切除才能形成有有 活性的蛋白质活性的蛋白质。胰岛素的前体胰岛素的前体胰岛素胰岛素切去切去 C肽段肽段C肽段肽段A肽段肽段B肽段肽段分泌性蛋白穿过膜系统的两种机制分泌性蛋白穿过膜系统的两种机制 1. 分泌性蛋白分泌性蛋白 在在信号肽信号肽的的 介导下介导下 穿透膜系统穿透膜系统小亚基小亚基大亚基大亚基信号肽信号肽内质网膜内侧内质网膜内侧 2、分泌性蛋白在信号识别颗粒分泌性蛋白在信号识别颗粒(SRP)及其及其 受体（对接
22、蛋白）的介导下穿透内质网膜受体（对接蛋白）的介导下穿透内质网膜信号肽信号肽内质网膜内侧内质网膜内侧信号肽酶信号肽酶 SRP介导介导的的分泌性蛋分泌性蛋白白穿透穿透内质内质网网膜的机制膜的机制Gunter Blobel 70 年代提出了年代提出了“信号肽假信号肽假说说” ,1999年获年获诺贝尔生理学诺贝尔生理学医学奖医学奖 （二）修饰（二）修饰. 1. 二硫键二硫键的形成的形成CysSHCysSHCysSCysS-2H二硫键二硫键 异构酶等异构酶等. 2. 辅助因子的连接和亚基聚合辅助因子的连接和亚基聚合o 蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素等蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素等 辅助因子结合形成辅助
23、因子结合形成糖蛋白糖蛋白、脂蛋白脂蛋白、 核蛋白核蛋白、血红蛋白血红蛋白等等结合蛋白质结合蛋白质。o 具有具有四级结构四级结构的蛋白质需进行的蛋白质需进行亚基亚基之间之间 的聚合。如血红蛋白的聚合。如血红蛋白4个亚基的聚合。个亚基的聚合。. 3. 多肽链中多肽链中个别氨基酸个别氨基酸的修饰的修饰o 磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸o 羟基化：脯氨酸，赖氨酸羟基化：脯氨酸，赖氨酸o 酰基化：组氨酸酰基化：组氨酸o 甲基化：色氨酸甲基化：色氨酸o 核糖基化：精氨酸核糖基化：精氨酸意义：意义：或者是蛋白或者是蛋白 质所固有的，或者质所固有的，或者 在调节蛋白质功能在调节蛋
24、白质功能 时起重要作用。时起重要作用。（三）（三） 新生肽链的折叠（新生肽链的折叠（folding）* 蛋白质的生物活性不仅依赖于他们的氨基酸蛋白质的生物活性不仅依赖于他们的氨基酸 顺序，而且依赖于他们的空间结构。顺序，而且依赖于他们的空间结构。* 新生肽链必需经过一系列严格而复杂的折叠新生肽链必需经过一系列严格而复杂的折叠 过程，才能形成具有正确空间结构的有活性过程，才能形成具有正确空间结构的有活性 的蛋白质。的蛋白质。* 多肽链的氨基酸顺序如何决定蛋白质的空间多肽链的氨基酸顺序如何决定蛋白质的空间 结构结构第二遗传密码？第二遗传密码？ 中心法则研究中有待解决的重大问题中心法则研究中有待解决
25、的重大问题补充内容补充内容l一、抗菌素一、抗菌素l二、毒素二、毒素l三、抗代谢物三、抗代谢物一、一、抗菌素抗菌素对蛋白质合成的抑制作用：对蛋白质合成的抑制作用：抗生素抗生素 机理机理 靶点靶点四环素族四环素族 阻碍氨基酰阻碍氨基酰tRNAtRNA与小亚基结合与小亚基结合 小亚基小亚基 链霉素链霉素 抑制翻译起始；使读码错误抑制翻译起始；使读码错误 小亚基小亚基 卡那霉素卡那霉素氯霉素氯霉素 抑制转肽酶活性，阻止肽键形成抑制转肽酶活性，阻止肽键形成 大亚基大亚基放线菌素放线菌素 特异抑制真核生物转肽酶活性特异抑制真核生物转肽酶活性 大亚基大亚基OHOHEF-2ADPOHOHNCONH2+EF-2+OOHOADPN+CONH2OH白喉毒素白喉毒素NAD+核糖化的核糖化的EF-2尼克酰胺尼克酰胺白喉毒素白喉毒素 的作用机理的作用机理二、毒素二、毒素机理：机理：代替氨基酰代替氨基酰tRNAtRNA进入受位，进入受位， 使肽链合成过早终止。使肽链合成过早终止。靶点：靶点：嘌呤霉素：嘌呤霉素：大亚基大亚基
