从mRNA到蛋白质分子生物学.ppt
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2021/4/9,1,生物信息的传递(下)从mRNA到蛋白质,2021/4/9,2,Crick的中心法则,DNA,1957年,transcription,translationProtein,DNA,1970年,Reverse,transcriptionRNA,RNAProtein,2021/4/9,3,蛋白质是生物信息通路上的终产物,一个活细胞在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。
活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运转和降解反应。
2021/4/9,4,翻译是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始,按每3个核苷酸代表一个氨基酸的原则,依次合成一条多肽链的过程。
2021/4/9,5,蛋白质的生物合成,场所:
核糖体;模板:
mRNA;,转移RNA(tRNA)是模板与氨基酸之间的接合,体。
蛋白质合成需要多种蛋白质、酶和其他生物,大分子的参与(50%ofthecellsdryweight)。
蛋白质合成是一个需能反应(80-90%ofthe,cellsenergy)。
2021/4/9,6,遗传密码三联子,贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上,mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。
遗传密码:
mRNA上每3个核苷酸翻译成多肽链上的一个氨基酸,这3个核苷酸就称为一个密码子(三联子密码)。
2021/4/9,7,Thegeneticcodeistriplet,-Keyterms,Codonisatripletofnucleotidesthatrepresentsanamino,acidoraterminationsignal.,Geneticcodeisthecorrespondencebetweentripletsin,DNA(orRNA)andaminoacidsinprotein.,Initiationcodonisaspecialcodon(usuallyAUG)usedto,startsynthesisofaprotein.,ORFisanopenreadingframe;presumedlikelytocodefor,aprotein.,Readingframeisoneofthreepossiblewaysofreadinga,nucleotidesequenceasaseriesoftriplets.,Terminationcodonisoneofthree(UAG,UAA,UGA)that,causesproteinsynthesistoterminate.,2021/4/9,8,Polypeptidechainsarespecified,byORF,TheproteincodingregionofeachmRNAiscomposedofacontiguous,non-overlappingstringofcodonscalledanopeningreadingframe(ORF).,EachORFbeginswithastartcodonandendswitha,stopcodon.,2021/4/9,9,一个RNA分子可以以三种可能的阅读框进行翻译,只有一种阅读框编码实际信息,2021/4/9,10,三联子密码及其破译,若以3个核苷酸代表一个氨基酸,,有43=64种密码子,满足了编码20种氨基酸的需要。
2021/4/9,11,(-)(-)(-),一次删去5-GUAUACGGAU3,读码框不变,用核苷酸的插入或删除实验证明mRNA模板上每三个核苷酸组成一个密码子。
2021/4/9,12,三联子密码的破译,制备E.coli无细胞合成体系,以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物模板指导多肽的合成。
核糖体结合技术。
2021/4/9,13,2021/4/9,14,1.CelllysatetreatedbyDNasetoprevent,newtranscription,E.coli无细胞蛋白合成体系,(cell-freeproteinsynthesizingsystem),2.AddhomopolymericsyntheticmRNAspoly(U)+19cold(non-labeled)andonelabeledaminoacids,3.Invitrotranslation,4.Analyzethetranslatedpolypeptides,2021/4/9,15,均聚物为模板,Nirenberg把多聚(N)作为模板加入到无细胞体系,时发现,新合成的多肽链是:
poly(U)-UUU-polyphenylalanine,poly(C)-CCC-polyprolinepoly(A)-AAA-polylysine,poly(G)-didnotworkbecauseof,thecomplexsecondarystructure,多核苷酸磷酸化酶:
在没有模版的情况下将核苷酸连接起来,2021/4/9,16,Poly(UG)-poly(Cys-Val):
5UGUGUGUGUGUGUGUGUG3,无论读码从U开始还是从G开始,都只能有UGU(Cys),及GUG(Val)两种密码子。
随机和特定序列共聚物为模板-ByGobindKhorana,2021/4/9,17,以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板,在含核糖体、同位素标记的AA-tRNA的适当离子强度的反应液中保温后通过硝酸纤维素滤膜。
游离的AA-tRNA因相对分子质量小能自由过膜,与14C标记模板对应的AA-tRNA能与核糖体结合,体积超过膜上的微孔而被滞留。
核糖体结合技术-诱捕三核苷酸,-byNirenberg&Leder,2021/4/9,18,三核苷酸密码子能使特定的氨基酰-tRNA结合到核糖体上,密码子,与核糖体相结合的14C标记的氨基酰-tRNA,Phe-tRNAPhe,Lys-tRNALys,Pro-tRNAPro,UUUAAACCC,4.6*00,07.70,003.1,*数字代表特定氨基酰tRNA与带有模板三核苷酸的核糖体相结合的效率。
2021/4/9,19,遗传密码的性质,1.密码的连续性(commaless)2.密码的简并性(degeneracy)3.密码的普遍性(universality)4.密码的特殊性(specificity),5.密码子与反密码子的相互作用,2021/4/9,20,密码的连续性(commaless),三个核苷酸编码一个氨基酸。
三联子密码是非重叠(non-overlapping)和连,续的(commaless)。
2021/4/9,21,密码的简并性(degeneracy),4种核苷酸可组成64个密码子:
61个是编码氨基酸的密码子;,3个即UAA、UGA和UAG是终止密码子,由一种以上密码子编码同一个氨基酸的,现象称为简并(degeneracy),2021/4/9,22,通用遗传密码及相应的氨基酸,2021/4/9,23,通用遗传密码及相应的氨基酸,除色氨酸(UGG)只有一,个密码子外,其他氨基酸都有一个以上的密码子:
9种氨基酸有2个密码子,1种氨基酸有3个密码子,5种氨基酸有4个密码子,3种氨基酸有6个密码子。
同义密码子,(synonymouscodon):
对应于同一氨基酸的密码子,2021/4/9,24,Thirdbasedegeneracy,describesthelesser,effectoncodonmeaningofthenucleotidepresentinthethirdcodonposition.,2021/4/9,25,突变的影响,1.Transition(转换):
purinepurineorpymidinepymidine,Atthirdposition:
noeffectexceptforMet(AUG)Ile(AUA,AUC,AUU);,Trp(UGG)stop(UGA),Atsecondposition:
resultsinsimilar,chemicaltypeofaminoacids.,2021/4/9,26,2.Transversions(颠换):
purinepymidine,Atthirdposition:
overhalfhavenoeffectandresultinasimilartypeofaminoacid.,Asp(GAU,GAC)Glu(GAA,GAG),Atsecondposition:
changethetypeof,aminoacid.,突变的影响,2021/4/9,27,Inthefirstposition,bothtransitionandtransvertionspecifyasimilartypeofaminoacid,andinafewcasesitisthesameaminoacid,(Leu:
CUAorUUA).,2021/4/9,28,AUG甲硫氨酸及起始密码子GUG缬氨酸及起始密码子,UAA终止密码子(Ochre赭石密码子)UAG终止密码子(Amber琥珀密码子)UGA终止密码子(Opal)蛋白石密码子),起始密码子和终止密码子,2021/4/9,29,2021/4/9,30,密码的普遍性,生物界基本共用同一套遗传密码。
2021/4/9,31,Thestandardcodonsaretrueformostorganisms,butnotforall,密,码,的,特,殊,性,2021/4/9,32,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。
密码子与反密码子的相互作用,Codon5ACG3Anticodon3UGC5,isusuallywrittenascodonACG/anticodonCGU,ACGandCGU,2021/4/9,33,1966年,Crick提出摆动假说(wobblehypothesis),解,释了反密码子中某些稀有成,分(如I)的配对,以及许,多氨基酸有2个以上密码子的问题。
Wobblehypothesis,5-anticodonbaseisabletoundergomoremovementthantheothertwobasesandcanthusformnon-standardbasepairsaslongasthedistancesbetweentheriboseunitsareclosetonormal.,2021/4/9,34,WobbleinbasepairingallowsG-Upairstoformbetweenthethirdbaseofthe,codonandthefirst,baseoftheanticodon.,2021/4/9,35,密码子与反密码子的配对,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”,因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。
Basein5Anticodonin3Codon,一个tRNA究竟能识别多少个密码子是由反密码子的第一位碱基的性质决定的。
2021/4/9,36,多个密码子同时编码一个氨基酸,凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的tRNA。
原核生物中大约有30-45种tRNA,,真核细胞中可能存在50种tRNA。
2021/4/9,37,为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体,,tRNA,为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体。
又被称为第二遗传密码,2021/4/9,38,tRNA,tRNA一级结构(PrimaryStructure)tRNA二级结构(SecondaryStructure)tRNA三级结构(TertiaryStructure)tRNA的功能,2021/4/9,39,长度:
60-95nt(commonly76),残基:
15个invariant(恒定)和8个semi-,invariant(半恒定).invariant和semi-,variant核苷的位置在二级结构和三级结构中起着重要的作用。
tRNA一级结构(primarystructure),含有修饰碱基(Modifiedbases):
有时一个tRNA分子的20%的碱基是经过修饰的。
已发现有超过50种不同类型的修饰碱基。
2021/4/9,40,tRNA中所有4种碱基都能被修饰,2021/4/9,41,3个环(loop),tRNA二级结构(secondarystructure)不同tRNA在结构上存在大量的共性,由小片段碱基互补配对形成三叶草形分子结构:
4条手臂(armorstem),Dloop,Tloop,Anticodonarm,Acceptorstem,Darm,TCarm,Variablearm,2021/4/9,42,受体臂(acceptorarm)由链两端序列配对形成的杆状结构和3端未配对的34个碱基所组成。
其3端的最后3个碱基序列永远是CCA,最后一个碱基的3或2自由羟基(OH)可以被氨酰化。
Aminoacidacceptorstem,2021/4/9,43,D臂中存在多至3个可变核苷酸位点,17:
1及20:
1、20:
2。
最常见的D臂缺失这3个核苷酸,而最小的D臂中第17位核苷酸也缺失了。
D-armandD-loop,D臂是根据它含有二氢尿嘧啶(dihydrouracil)命名的。
2021/4/9,44,Anticodonloop,反密码子臂是根据位于套索中央的三联反密码子命名的。
由5bp的臂和7个核苷的环组成。
在环中有与密码子互补的由3个核苷组成的反密码子。
2021/4/9,45,VariablearmandT-arm,T(Psi)C臂是根据3个核苷酸命名的,其中表示,拟尿嘧啶;由5bp臂和含,有GTC的环组成。
可变臂(多余臂)是由3到21个核苷组成,可能会形成多达7bp的臂。
2021/4/9,46,tRNA的稀有碱基含量非常丰富,约有70余种。
每个tRNA分子至少含有2个稀有碱基,最多有19个,多数分布在非配对区,特别是在反密码子3端邻近部位出现的频率最高,且多为嘌呤核苷酸。
对于维持反密码子的稳定性及密码子、反密码子间的配对很重要。
2021/4/9,47,在L形三级结构中:
受体臂顶端的碱基位于“L”的一个端点,反密码子臂的套索状结构生成了“L”的另一个端点。
这个结构形式满足了蛋白质合成过程中对tRNA的各种要求而成为tRNA的通式。
tRNA的L-形三级结构,2021/4/9,48,tRNA三级结构主要由在二级结构中未配对碱基间形成的9个氢键(三级氢键)而引发的。
大部分恒定或半恒定核苷酸都参与三级氢,键的形成。
tRNA三级结构的形成,2021/4/9,49,模板mRNA只能识别特异的tRNA,而不是氨基酸:
只有tRNA上的反密码子能与mRNA上的密码子相互识别并配对;,氨基酸本身不能识别密码子,只有结合到tRNA上生成AA-tRNA,才能被带到mRNA-核糖体复合物上,插入到正在合成的多肽链的适当位置上。
tRNA的功能,2021/4/9,50,1.起始tRNA和延伸tRNA2.同工tRNA3.校正tRNA,tRNA的种类,2021/4/9,51,起始tRNA:
能特异性识别mRNA模板上起始密码子的tRNA;,延伸tRNA:
其他tRNA统称为延伸tRNA。
真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸(Met),,原核生物起始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-tRNAfMet才能参与蛋白质的生物合成。
1.起始tRNA和延伸tRNA,2021/4/9,52,同工tRNA:
代表相同氨基酸的不同tRNA。
2.同工tRNA,在一个同工tRNA组内,所有tRNA均专一于相同的氨酰-tRNA合成酶。
同工tRNA既要有不同的反密码子以识别该氨基酸,的各种同义密码,又要有某种结构上的共同性,能,被AA-tRNA合成酶识别。
2021/4/9,53,校正tRNA通过改变反密码子区校正无义突变,和错义突变。
3.校正tRNA,2021/4/9,54,AA-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA,结合的特异性酶:
AA+tRNA+ATPAAtRNA+AMP+PPi,氨酰-tRNA合成酶,aminonacyl-tRNAsynthetase(ARS),2021/4/9,55,包括两步反应:
第一步是氨基酸活化生成氨酰-腺苷酸。
AA+ATP+酶(E)E-AA-,AMP+PPi,Aminoacylation(腺苷酰化)oftRNAs,第二步是氨酰基转移到tRNA3末端腺苷残基的2或3-羟基上,生成氨酰-tRNA。
E-AA-AMP+tRNAAA-,tRNA+E+AMP,2021/4/9,56,tRNA-synthetases和chargedtRNAs的命名,Aminoacid:
serine,CognatetRNA:
tRNAser,Cognateaminoacyl-tRNAsynthetase:
seryl-tRNAsynthetase,Aminoacyl-tRNA:
seryl-tRNAser,Aminoacyl-tRNAsynthetases,2021/4/9,57,2021/4/9,58,遗传密码通过两个接头分子的先后作用,得以翻译,1.氨酰-tRNA合成酶2.tRNA,装料,2021/4/9,59,核糖体(ribosome),protein-synthesizingmachines,2021/4/9,60,核糖体是由几十种蛋白质和多种核糖体,RNA(ribosomalRNA,rRNA)所组成的亚细胞颗粒。
它像一个沿着mRNA模板移动的工厂,执行着蛋白质合成的功能。
一个细菌细胞内约有20,000个核糖体,真核细胞内可达106个。
这些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。
2021/4/9,61,核糖体及其他组分在大肠杆菌细胞内的分布,组分细胞壁细胞膜DNAmRNAtRNArRNA核糖体蛋白可溶性蛋白小分子,占细胞总量10%10%2%2%3%21%9%40%3%,细胞内数量1213.51031.6105810521041067.5106,2021/4/9,62,真核生物中,大多数正在进行蛋白质合成的核糖体都不是在细胞质内自由漂浮,而是直接或间接与细胞骨架结构有关联或者与内质网膜结构相连的。
细菌核糖体大都通过与mRNA相互作用,被固定在核基因组上。
2021/4/9,63,核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒,可解离为两个亚基,每个亚基都含有一个相对分子质量较大的rRNA和许多不同的蛋白质分子。
核糖体的结构,2021/4/9,64,核糖体是一个大型复合物,由4个RNA和超过80个蛋白质组成,2021/4/9,65,2009年诺贝尔化学奖,solvedthe“phaseproblem”thestrong-willedpioneer,2021/4/9,66,SSUfromRamakrishnanworkwithA-siteAnticodonStemLoopboundaswellasmRNAanalaogshow.,LSUfromSteitzandMoorelabsworkshown,核糖体的大小亚基,2021/4/9,67,2021/4/9,68,Svedberg(S):
theunitusedtomeasure,sedimentationvelocity,Sedimentationvelocityisdeterminedbybothshapeandsizeandhenceisnotameasureofmass,2021/4/9,69,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。
2021/4/9,70,原核与真核细胞核糖体大小亚基比较,Eukaryotes,Prokaryotes,2021/4/9,71,2021/4/9,72,大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成,分别用S1S21表示,大亚基由36种蛋白质组成,分别用L1L36表示。
真核生物细胞核糖体蛋白质中,大亚基含有49种蛋白质,小亚基有33种蛋白质,它,们的相对分子质量在810,34.0104之间。
2021/4/9,73,RibosomalRNA(rRNA)transcriptionandribosomalproteins(RPs)expression(actinomycinDor5-Fluorouraciltreament)Processingofpre-rRNAAssemblyofribosome,Ribosomalstressandp53pathwayRibosomalstressresultsfrom:
p53:
人体内最重要的抑癌蛋白,Normal,StressCaldarola,2009,FEBSJournal,2021/4/9,74,核糖体亚基蛋白调控HDM2-p53信号通路,p53信号通路,(Chakrabortyetal.,2011,WileyInterdiscipRev),2021/4/9,75,核糖体亚基蛋白RPs-HDM2-p53通路,RPs-MDM2(HDM2)-p53pathway,(DeisenrothandZhang,2010,Oncogene),10,2021/4/9,76,acutemyeloidleukemiaBlood,2010,115:
3196-3205,Simplifiedschematicofeukaryoticribosomebiogenesisacutemyeloidleukemia,Bonemarrowfailure,2021/4/9,77,2021/4/9,78,2021/4/9,79,2021/4/9,80,SizecomparisonsshowthattheribosomeislargeenoughtobindtRNAsandmRNA.,2021/4/9,81,核糖体分子中可容纳两个tRNA和约40bp长的mRNA。
核糖体结构模型,2021/4/9,82,Incells,thesmallandlargeribosomesubunitsassociatewitheachotherandthemRNA,translateit,andthen,dissociateaftereachroundoftranslation.Thissequenceofassociationand,dissociationiscalledtheribosomecycle.,Ribosomecycles,2021/4/9,83,Overviewoftheeventsoftranslation/ribosomecycle,Thelargeandthesmallsubunitsundergoneassociation,an
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- mRNA 蛋白质 分子生物学