9. 蛋白质翻译(1)

– 低GC含量的密码子离开核糖体时能耗低，但与tRNA 结合时较不稳定。
– 例：如果选择第1、2位为嘧啶碱基的密码子，其第3 位为嘌呤碱基，这种组合的密码子的缔合能较为适中， 其使用率较高。
T-loop（TψC环）
• 这个环中始终含有胸 腺嘧啶-假尿嘧啶-胞嘧 啶的序列。 • 它与核糖体大亚基的 5S rRNA结合，稳定 蛋白质的结构
D-loop (DHU环)
直接与氨基酰tRNA合成酶
结合，使氨基酸连接到 tRNA的受体位点上。
tRNA与氨基酰tRNA合成酶的结合
氨基酸连接到受体位点上的过程：
与帽子位点 结合
核糖体的作用：蛋白翻译的场所
• 提供tRNA，mRNA，相关蛋白质因子的结 合位置，使它们在核糖体上保持正确的相 对位置 • 包括rRNA在内的组分具有催化功能，能执 行翻译中许多关键的化学反应。
单个核糖体上，可化分8个功能活性中心（P184）
④
③
②
①
fMet fMet
Tu GTP
5'
AUG
3'
单个核糖体上，可化分8个功能活性中心 （P184）
① 小亚基与mRNA结合位点 ② 大亚基与氨酰tRNA结合的位点（A位） ③ 肽链延伸过程中大亚基与肽链结合的位点（P位）
④ 空载tRNA离开核糖体的出口位点（E位点）
●大亚基的肽基转移酶结构域，提供肽键形成的催化活性 ●延伸因子-氨基酰-tRNA-GTP复合体进入核糖体位点 ● 肽链转位因子结合位点（EF-G 位点） ● 核糖体大亚基与5S rRNA结合位点（5S rRNA位点）
蛋白质翻译的全过程
一、蛋白质合成的装备
蛋白质翻译（translation）
蛋白质的生物合成又称翻译。 它是以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。
tRNA如何解读mRNA的信息？
UAC
UAC
UAC UAC
M
L
A
R
蛋白质翻译的装置
摇摆的原因（摇摆假说）：
一般地，同义密码子的第１、２位是保守的，而第３位 则是可变的，意味着该可变位点的配对具有一定的灵活 性。
tRNA的反密码子在反密码环上呈弧状排列，与密码子 不能保持完全的平行排列；另外，反密码子的第1个核 苷酸位于非双链结构的松弛环内，摇摆的自由度较大， 从而导致密码子的第3位核苷酸和反密码子的第1位核苷 酸之间形成非标准的碱基配对。（反密码子的这个位点 称为摇摆位点） 如果tRNA的摇摆位点是被修饰的碱基，就可能出现更 多的选择配对关系。
参与蛋白质翻译的装置有：mRNA、tRNA和核糖体。此 外还有许多酶和辅助蛋白因子参与这一过程。 mRNA：携带密码的信使，翻译的模板； tRNA：转运氨基酸、识读密码子； 核糖体：由rRNA与多种核糖体蛋白构建核糖体，成为 翻译的场所。
翻译的模板:mRNA
5’UTR
（5’非翻译区） AUG 帽
Coding Region （编码区）
可变环，用于 tRNA的分类
与mRNA三联体 密码子配对
反密码子环
3’
5’
3’
mRNA
5’
CCG G G C
tRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相 识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。
氨基酸受体位点
tRNA的3’氨基酸受体位点含 有一个高度保守的CCA序列， 相应地氨基酸连接在这个位 点。
作为翻译的模板，mRNA必须具备两个特征： 1. 一段可翻译的密码序列（开放阅读框，ORF）; 2. 核糖体结合位点（ ribosome binding site, RBS）。
• 核糖体结合位点（ribosome binding site, RBS）: mRNA上的特异性序列，核糖体可 以识别并结合这一序列来启动翻译过程。 在原核生物中该序列称为SD(ShineDalgarno)序列，在真核生物中则称为 Kozak序列。
上次讲解内容
一、顺式作用元件与反式作用因子（重点） 二、真核生物RNA的转录过程 三、真核生物RNA转录后加工（重点） 1. 5’加帽； 2. 3’加尾; 3. 选择性剪接; 4. RNA编辑 四、RNA编辑
碱基的突变
C变为U
ApoB 基因有 29 个外显子
CAA
第 2153 个密码子编码 Glu 编辑
4. 密码子第二位决 定氨基酸的极性
密码子第二 位的碱基 U C 非极性、疏水、具有支链 非极性氨基酸 不带电荷的侧链 A、 G 亲水性 氨基酸性质
Wobbling of Anticodon 5. 反密码子的摇摆性
转 运 氨 基 酸 的 tRNA 上 的 反 密 码 子 需 要 通 过 碱 基 互 补 与
原核生物的核糖体结合位点（SD序列）
SD序列:在mRNA起始密码子AUG上游10个碱 基左右处，有一段富含嘌呤的碱基序列(保守序 列：AGGAGGU)，能与细菌16S rRNA3’端识别， 帮助从起始AUG处开始翻译。
16s rRNA
核糖体小亚基
3’
UCCUCCAUA
AGGAGGU
5’
AUG
mRNA
甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸，起始氨基酰tRNA为fMet-tRNAfMet
2、同工受体tRNA
能解读同义密码子的不同tRNA称为同工受体tRNA
（即转运相同氨基酸的不同tRNA）。
翻译的场所：核糖体
tRNA 的T loop 环结合位点 tRNA 的T loop 环结合位点
SD序列结合 位点
RNA编辑的生物学意义
1. mRNA编辑较大程度地改变了DNA的遗传信息， 对基因的进化等有一定的作用。（通过基因编辑 ，可能产生新的突变或恢复正确的阅读框，消除 基因移码突变等。） 2. mRNA编辑可以形成或删除AUG，UAA,UAG， UGA，改变编码信息，扩大编码的遗传信息量。 3. 是对中心法则的发展。
上次讲解内容
一、顺式作用元件与反式作用因子（重点） 二、真核生物RNA的转录过程 三、真核生物RNA转录后加工（重点） 四、RNA编辑
（一）转 录起始
TATA
TFIIH TFIIH
TFIIB
RNA-polⅡ的转录因子
因子 RNA pol II TFII D TFII A TFII B TFII H TFII E TFII F 功能 依赖模板合成RNA 通过TATA-box结合蛋白（TBP）识别TATA-box，与TATA-box 形成稳定复合物，使启动子进入转录起始状态中。 稳定TFII D与TATA-box的结合。 结合于TATA-box的下游，促使RNA酶组装到转录因子复合物内 磷酸激酶活性，可以使RNA酶II的CTD磷酸化，转化为高转录 活性的酶 ATPase，提供能量 解旋酶，解开DNA双螺旋
氨基酸 ＋ATP-E —→ 氨基酰-AMP-E ＋ AMP ＋ PPi
氨基 酸
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称起 始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。
真核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸是Met， 起始氨基酰-tRNA为Met-tRNAMet。 原核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸并不是
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”，这种现象称为反密码子的摇摆性。
Ile
摆动配对
U
Arg
Arg
摇摆位点
超摇摆
Gly Gly
Gly
Gly
超摇摆
对某些反密码子如UCU, 当其第1位核苷 酸（摇摆位点）为U时，它可以识别密 码子第三位为A, U，G,C，这使得密码 子第三位碱基没有任何遗传学含义，密 码子的遗传信息仅有前两位碱基决定， 这种现象称为“超摇摆”。这种现象常 发生于线粒体基因上。
子称为同义密码子（synonymous codon）。
CGA CGU CGC CGG AGA AGG
GGA GGU GGC GGG
Gly
Arg
密码子简并性的意义： 减少了变异对物种性状 的影响，对环境适应 性和物种遗传的稳定 性具有重要意义。
3、 连续性
编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密 码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。
4. RNA编辑造成的编码碱基的变化可以使得翻译后 的蛋白发生很大的改变。这是自然界产生功能多样 性的手段之一。自然界正是如此使一种功能蛋白， 略加修改形成另一种新的功能蛋白。通过这种方式 ，自然界利用有限数量的基因造成更大的复杂性与 多样性。
本次讲解内容
一、蛋白质合成的装备： 1. mRNA （模板） 2. tRNA（运载工具）（重点） 3. 核糖体（场所） 二、密码子与反密码子 三、复习题
锥虫coxII
基因的编辑
T
UAUAUGUUUUGUUGUUUAUUAUGUGAUUAUGGUUUUGUUUUUUAUUGGUAUUUUUUAUAUUUA UUUAAUUUGUUGAUAAAUACAUUUUAUUUGUUUGUUAAUUUUUUUGUUUUGUGUUUUUGGUU TT TTTT UAGGUUUUUUUGUUGUUGUUGUUUUGUAUUAUGAUUGAGUUUGUUGUUUGGUUUUUUGUUUU TT TTTT UUGUGAAACCAGUUAUGAGAGUUUGCAUUGUUAUUUAUUACAUUAAGUUGGUGUUUUUGGUUC 图 13-44 锥虫 (T.brucei) coxⅡ基因的部分 RNA 顺序。很多 U(红色)在 DNA 中未编码，而另一些在 DNA 中编码的 T(紫色)在 mRNA 中被删除了。(参考 B.Lewin:《GENES》 Ⅵ,1997，Fig31.16)
AAAAA 3’
5’
真核生物的核糖体结合位点
• 真核生物mRNA第一个密码子AUG的上游 通常是CCACC，它是核糖体结合的位点， 常称为Kozak序列
转运氨基酸 的工具：tRNA
氨基酸接 受位点
与氨基酰 tRNA 合成 酶结合，促 使形成氨基 酰tRNA
与核糖体大亚基 5s rRNA 结合， 稳定翻译装置
CAA 翻译
在肝中剪接后的 mRNA 编码了 4563aa 的载脂蛋白
UAA 翻译
肠中的 mRNA 经编辑 产生了终止密码子，在 2153aa 处终止合成
图 13-42 载脂蛋白的基因 ApoB 在肠中经过编辑， 引入终止密码子，不能翻译成完整的载脂蛋白。 (参考 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997，Fig31.14)
Codon 密码子
Triplet Code（三联体密码）
一、遗传密码——三联子密码 （一）三联子密码定义 mRNA链上每三个核甘酸翻译成蛋白质 多肽链上的一个氨基酸，这三个核甘酸就 称为密码子或三联子密码(triplet coden) 。
mRNA 5’ GCU AGU ACA AAA CCU 3’
举例：
DNwk.baidu.com编码链
DNA模板链
转录
mRNA 翻译 Protein
DNA编码链
遗传信息由DNA编码链流向蛋白质 Protein
移码突变
• 在正常DNA分子中,碱基缺失或增加非3的 倍数,造成这位置及之后的一系列编码发生 移位错误的改变，这种现象称为移码突变 (frame shift mutation)。
反密码子摇摆的生物学意义
• （产生多种同义密码子）仅需32种反密码子就可 以识读61种氨基酸密码，大大减少了tRNA基因 的种类数。
二、密码子的使用率（Codon Usage）
• 生物物种常常选择缔合能适中的密码子，以保证高速率， 低能耗的蛋白质合成。
– 高GC含量的密码子可以与tRNA稳定结合而满足氨基 酸高效运转的要求。但这类tRNA在离开核糖体时能 耗较高。
UAA
3’UTR
AAA
Open reading frame（开放阅读框）, ORF （3’非翻译区）
Stop codon(终止密码) UAG UGA UAA
开放阅读框（open reading frame, ORF）： mRNA中从起始密码子（AUG）到终止密 码子（UAA、UAG或UGA）的核酸序列， 它可以编码一条完整的多肽链。
（二）遗传密码的性质 1、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。 • 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植 物细胞的叶绿体。
普遍性
特殊性
Mitochondria 线粒体
Nuclear 细胞核(标准密码)
2、简并性
由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为
简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码