第十二章第十二章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 翻译翻译袁洁袁洁yuanjiemail.sysu.edu.cnyuanjiemail.sysu.edu.cn第三篇 基因信息的传递蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成翻译翻译 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成，即，即翻译翻译，就是将核酸，就是将核酸 中由中由 4 4 种种核苷酸序列核苷酸序列编码的遗传信息，通编码的遗传信息，通 过过遗传密码遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级破译的方式解读为蛋白质一级 结构中结构中2020种种氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序 。中心法则：蛋白质生物合成的过程蛋白质生物合成的过程 翻译翻译 起始、延长、终止起始、延长、终止 翻译后修饰翻译后修饰 三维结构的折叠、一级结构的修饰、空间结构加工三维结构的折叠、一级结构的修饰、空间结构加工 成熟蛋白质的定向运输成熟蛋白质的定向运输 信号肽信号肽参与翻译的物质包括：参与翻译的物质包括： 三种三种RNARNA mRNAmRNA（messenger RNA, messenger RNA, 信使信使RNARNA） rRNArRNA（ribosomal RNA, ribosomal RNA, 核糖体核糖体RNARNA） tRNAtRNA（transfer RNA, transfer RNA, 转移转移RNARNA） 2020种氨基酸种氨基酸(AA)(AA)作为原料作为原料 酶及众多蛋白因子酶及众多蛋白因子 ATPATP、GTPGTP、无机离子、无机离子起始因子：起始因子：initiation factor,IFinitiation factor,IF延伸因子：延伸因子：elongation factor,EFelongation factor,EF释放因子：释放因子：release factorrelease factor，RFRF一、翻译模板一、翻译模板mRNAmRNA及遗传密码及遗传密码 mRNA mRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者 mRNAmRNA含有从含有从DNADNA转录的遗传信息，是蛋转录的遗传信息，是蛋 白质合成的模板。白质合成的模板。 mRNAmRNA包括包括 5 5 - -非翻译区非翻译区( (5 5 -untranslated region, -untranslated region, 5 5 -UTR)-UTR) 开放阅读框架区开放阅读框架区( (open readingopen reading frame, ORF) frame, ORF) 3 3 - -非翻译区非翻译区( (3 3 -untranslated region, -untranslated region, 3 3 -UTR)-UTR)PPPmG -5-3一、翻译模板一、翻译模板mRNAmRNA及遗传密码及遗传密码 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录 单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相 关的蛋白质，为多顺反子(polycistron) 。 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子 (single cistron) 。顺反子顺反子(cistron):(cistron):遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核糖体结合位点 起始密码子终止密码子编码序列PPP5-3蛋白质PPPmG -5-3蛋白质遗传密码子遗传密码子(genetic coden)(genetic coden) mRNAmRNA分子上从分子上从5 5 至至3 3 方向，由方向，由AUGAUG开始，每开始，每3 3个个 核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白 质合成的起始、终止信号，称为遗传密码、密码质合成的起始、终止信号，称为遗传密码、密码 子（子（codencoden），也称三联体密码），也称三联体密码 (triplet coden)(triplet coden)起始密码(initiation codon): AUG 终止密码(termination codon):UAA，UAG，UGA mRNA 氨基酸 碱基种类 密码子种类4 64 （43） 遗遗 传传 密密 码码 表表遗传密码的特点遗传密码的特点 1 1、连续性、连续性(commaless)(commaless) 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码中间无标编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码中间无标点，连续阅读，密码间既点，连续阅读，密码间既无间断无间断也也无交叉无交叉开放阅读框架开放阅读框架(open reading frame, ORF)(open reading frame, ORF)：从从mRNA mRNA 5 5 端起始密码子端起始密码子AUGAUG到到3 3 端终止密码子之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。白质多肽链，称为开放阅读框架。 框移突变框移突变(frameshift mutation)(frameshift mutation) 基因损伤引起基因损伤引起mRNAmRNA阅读框架内的碱基阅读框架内的碱基 发生插入或缺失，可能导致框移突变发生插入或缺失，可能导致框移突变mRNA editingmRNA editing 特定的碱基特定的碱基插入、缺失插入、缺失或或置换置换，使同，使同 一一mRNAmRNA前体翻译出前体翻译出序列、功能不同序列、功能不同的蛋白质，这种基因表达调节的方式的蛋白质，这种基因表达调节的方式 叫做叫做mRNAmRNA编辑编辑遗传密码的特点遗传密码的特点 2. 2. 简并性简并性(degeneracy)(degeneracy) 有多个密码子特异地编码同一个氨基酸有多个密码子特异地编码同一个氨基酸 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有外，其余氨基酸有2 2、3 3、4 4个或多至个或多至6 6个三联体为其个三联体为其编码。编码。 意义：减少有害突变，保证遗传的稳定性意义：减少有害突变，保证遗传的稳定性 不同生物对密码的使用有不同生物对密码的使用有“ “偏向性偏向性” ”简并性简并性 (degeneracy)(degeneracy)遗传密码的特点遗传密码的特点 3 3、方向性、方向性(direction)(direction) mRNAmRNA分子上由起始密码分子上由起始密码AUGAUG开始，从开始，从5 5 33 方向阅方向阅读密码子，直至终止密码读密码子，直至终止密码 4 4、通用性、通用性(universal)(universal) 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体的叶绿体 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先 遗传密码的特点遗传密码的特点 5 5、摆动性、摆动性(wobble)(wobble) 转运氨基酸的转运氨基酸的tRNAtRNA的反的反密码需要通过碱基互补与密码需要通过碱基互补与mRNAmRNA上的遗传密码反向上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动性基配对规律，称为摆动性U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tRNAtRNA反密码子反密码子 第第1 1位碱基位碱基I IU UGGA AC CmRNAmRNA密码子密码子 第第3 3位碱基位碱基U, C, AU, C, AA, GA, GU, CU, CU UGG二、二、tRNAtRNA是氨基酸的转运工具是氨基酸的转运工具 双重作用：双重作用： 以氨基酰以氨基酰-tRNA-tRNA的形的形式携带活化的氨基酸式携带活化的氨基酸 识别识别mRNAmRNA上的遗传上的遗传密码，带活化氨基酸密码，带活化氨基酸对号入座对号入座反密码环氨基酸臂 tRNAtRNA的三级结构示意图的三级结构示意图三、核糖体是蛋白质合成场所三、核糖体是蛋白质合成场所 原核生物核糖体原核生物核糖体 70S 70S 真核生物核糖体真核生物核糖体 80S80S核核 糖糖 体体 的的 组组 成成不同细胞核糖体的组成不同细胞核糖体的组成 原核生物原核生物真核生物真核生物核糖体核糖体小亚基小亚基大亚基大亚基核糖体核糖体小亚基小亚基大亚基大亚基S S70S70S30S30S50S50S80S80S40S40S60S60SrRNArRNA16S-rRNA16S-rRNA5S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质蛋白质rpS 21rpS 21种种rpL 36rpL 36种种rpS 33rpS 33种种rpL 49rpL 49种种核糖体在蛋白质合成中有主要作用：核糖体在蛋白质合成中有主要作用： 核糖体通过将核糖体通过将mRNAmRNA、氨基酰、氨基酰-tRNA-tRNA和相关和相关 的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质 的合成。的合成。 核糖体的成分可催化翻译过程的一部分化学核糖体的成分可催化翻译过程的一部分化学 反应反应三、核糖体三、核糖体RNARNA是蛋白质合成场所是蛋白质合成场所 小亚基：小亚基： 容纳容纳mRNAmRNA 结合起始结合起始tRNAtRNA 结合、水解结合、水解ATPATP 大亚基：大亚基： 三个三个tRNAtRNA的结合位点的结合位点 A A位：接受位（位：接受位（acceptor siteacceptor site ） P P位：肽酰位：肽酰tRNAtRNA占据的位置占据的位置 （peptidyl sitepeptidyl site） E E位：空载位：空载tRNAtRNA位（位（exit siteexit site ） 催化肽键形成催化肽键形成 结合结合IFIF、 EFEF、RFRF等因子等因子小结：蛋白质生物合成的体系小结：蛋白质生物合成的体系 原料：原料：2020种氨基酸种氨基酸 模板：模板：mRNAmRNA 场所：核糖体（核蛋白体）场所：核糖体（核蛋白体） 氨基酸的氨基酸的“ “搬运工具搬运工具” ”：tRNAtRNA 酶与蛋白质因子：酶与蛋白质因子： EFEF、IFIF、RFRF等因子等因子 能量：能量：ATPATP、GTPGTP 无机离子：无机离子：MgMg2+2+ ,K,K+ +蛋白质生物合成的过程蛋白质生物合成的过程翻译翻译 （一）氨基酸的活化与转运（一）氨基酸的活化与转运 （二）核糖体循环（二）核糖体循环 肽链合成的起始肽链合成的起始 肽链的延长肽链的延长 肽链合成的终止肽链合成的终止（一）氨基酸的活化与转运（一）氨基酸的活化与转运 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶催化催化