翻译：从mRNA到蛋白质思维导图

U329149362

2023-04-22

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mRNA

蛋白质

从mRNA到蛋白质

翻译：从mRNA到蛋白质

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思维导图大纲

tRNA

tRNA的三叶草二级结构

受体臂：氨基酸的结合位点

TψC臂：含不常见核苷酸拟尿嘧啶

反密码子臂：含反密码子

D臂：含二氢尿嘧啶

tRNA的L-形三级结构

结构呈L形折叠式

三级结构靠氢键维持

与AA-tRNA合成酶的识别有关

tRNA的功能

运输工具：为将每个三联子密码翻译成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了载体。

解读mRNA的遗传信息:翻译阶段遗传信息从mRNA分子转移到结构极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联子密码形式存在的，在这里起作用的是解码机制。

tRNA的种类

起始tRNA和延伸tRNA：能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。

同工tRNA：几个负载相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA，同工tRNA

校正tRNA：在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子(UAG、UGA、 UAA)，使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变就称为无义突变。无义突变的tRNA可通过改变反密码子区校正无义突变

氨酰tRNA合成酶

连接于tRNA3'端的特异性酶

只与正确的氨基酸相偶联

核糖体

核糖体的结构

核糖体由大小两个亚基组成

真核

大亚基：60SrRNA

25SrRNA/20-29SrRNA

5SrRNA

5.8SrRNA

小亚基：40SrRNA

18SrRNA

原核

大亚基：50SrRNA

23SrRNA

小亚基：30SrRNA

16SrRNA

细菌分类的依据

核糖体蛋白质

核糖体的功能

通过密码子与反密码子的配对，识别并结合模板 mRNA，蛋白质合成中A位、P位、E位的一部分等。

结合多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中A位、 P位、E位的一部分等。

蛋白质修饰、降解及稳定性研究

泛素化介导的蛋白质降解

泛素

由76个氨基酸组成的结构高度保守的蛋白质

泛素化

细胞内即将被降解的蛋白首先在ATP的作用下与泛素相连，并将该复合体运送到特定的蛋白降解体系中直到完全降解。

目标蛋白的泛素化标记

泛素活化酶(E1)：激活泛素分子

泛素结合酶(E2) ：泛素分子被激活后被送到E2 上。E2 负责把泛素分子绑在被降解的蛋白质上。

泛素蛋白连接酶(E3): 但E2 并不认识被降解的蛋白质, 而E3 具有辨认被降解蛋白质的功能。当E2 携带泛素分子在E3 的指引下接近被降解的蛋白质时, E2 就将泛素分子绑在被降解的蛋白质上。

泛素化蛋白的降解

泛素化蛋白水解在26S蛋白酶体中完成

泛素化调控的细胞活动

细胞周期

细胞凋亡

转录调控

DNA修复

免疫应答

蛋白质降解及质量控制

蛋白质合成的生物学机制

新配（配时间长和I2→紫红色物质）

遗传密码

三联子密码

mRNA上每三个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为一个密码，也叫三联子密码。

三联子密码及其破译

以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成

分析比较加入的模板和合成的肽链即可推知编码某些氨基酸的密码

核糖体结合技术

以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板，在含核糖体、AA-tRNA的适当离子强度是反应液中保温，然后使反应液通过硝酸纤维素滤膜。

遗传密码的性质

密码的连续性

翻译时从起始密码子AUG开始，沿mRNA5’ 到3’ 的方向连续阅读密码子，直到终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链。

密码的简并性

由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并

密码的通用性与特殊性

密码子与反密码子的相互作用

在蛋白质生物合成过程中，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。

蛋白质转运机制

翻译运转同步机制（蛋白质的合成与运转同步发生）

信号肽假说

mRNA编码蛋白质跨膜转运信号。起始密码子后一段RNA区域编码的疏水性氨基酸序列为信号序列，该序列在结合核糖体上合成后便与膜上特定受体相互作用形成通道，使多肽在延长的同时穿过膜结构。

信号肽特点

一般带有10～15个疏水氨基酸

在靠近该序列N端常有1个或数个带正电荷的氨基酸

C端靠近蛋白酶切割位点常带有数个极性氨基酸，离切割位点最近的氨基酸往往有短侧链（丙氨酸或甘氨酸）

作用过程，见书本P153图4-32

在蛋白质运输中发挥的作用

保证蛋白运转的必要条件。信号序列中若疏水性氨基酸突变为亲水性后将阻止蛋白质运转。

除了信号肽，还要求运转蛋白质其他部分有相应的结构变化。

信号肽的切除不是运转所必需

可降解的信号肽不是所有运转蛋白质都有的。如，卵清蛋白

SRP（信号识别蛋白）和DP（停靠蛋白）介导的蛋白质跨膜转运过程

SRP作用：同时识别正在合成需要通过内质网进行运转的新生肽和自由核糖体

DP作用：与SRP-信号肽-多核糖体复合物结合，恢复进行多肽合成。

具体过程，见书本p154图4-33

翻译后运转机制（蛋白质从核糖体后释放才发生运转）

线粒体蛋白质跨膜运转

通过线粒体膜的蛋白质运转之前大多数以前体形式存在，由成熟蛋白质与N端前导链组成，过膜后被多肽酶水解，释放成熟蛋白质。

通过线粒体内膜的运转需要能量

运转过程见书本p155图4-34

前导肽的作用与性质

前导肽的特性

带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨酸）含量丰富，分散于不带电荷的氨基酸序列之间，且在前导链中有重要的作用

缺少带负电荷的酸性氨基酸

羟基氨基酸（特别是丝氨酸）含量较高

有形成两亲α螺旋的能力

Tom受体：线粒体蛋白质跨膜转运时最主要的受体蛋白。

前导肽的不同部位可能在蛋白质跨膜运输中发挥不同的作用，见书本p156图4-35

止运入”肽段：使其所运输的多肽在该肽段被受体蛋白识别时被定位在膜上

叶绿体蛋白质的跨膜运转

叶绿体蛋白质的来源：在胞质中的游离核糖体合成后脱离核糖体并折叠形成的蛋白质分子

叶绿体定位信号肽的组成

决定该蛋白质能否进入叶绿体基质

决定该蛋白质能否进入类囊体

叶绿体蛋白质的运转过程

具体过程，见p157图4-36

特点

活性蛋白水解酶（具有可溶性）位于叶绿体基质内，鉴别翻译后运转的指标之一

叶绿体膜能够特异性地与叶绿体蛋白的前体结合

叶绿体蛋白质前体内可降解序列因植物和蛋白质种类不同而表现明显差异

蛋白质合成的生物学机制

氨基酸的活化

氨基酸必须在氨酰tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸一AA-tRNA。

同一氨酰tRNA合成酶具有把相同氨基酸加到带有不同反密码子tRNA分子上的功能。

细菌的起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸

真核生物中，任何一个多肽合成都是从生成甲硫氨酰tRNAiMet开始的，因为甲硫氨酸的特殊性，所以体内存在两种tRNAMet。只有甲硫氦酰tRNAiMet才能与40S小亚基相结合，起始肽链合成，普通tRNAMet中携带的甲硫氨酸只能被掺入正在延伸的肽链中。

翻译的起始

蛋白质合成的起始需要核糖体大、小亚基，起始tRNA和几十个蛋白因子的参与，在模板mRNA 编码区5'端形成核糖体-mRNA-起始tRNA复合物并将甲酰甲硫氨酸放入核糖体P位点。

原核生物的起始tRNA是fMet-tRNAfMet, 真核生物是Met-tRNAiMet。

原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合,再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合，真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNAMet结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80S. mRNA . Met-tRNAMet起始复合物。

原核生物翻译的起始：起始复合物--- 70S 三元复合物，起始因子(Initiation factor，IF）E. coli 三种: IF1、IF2、IF3 ，30S 亚基与mRNA的结合，起始 tRNA 的结合，70S 起始复合物的形成过程。

真核生物翻译的起始：真核机制与原核基本相同，差异：a. 核糖体较大，80S（60S +40S）； b. mRNA 是单顺反子；c. 有较多的起始因子； d. mRNA 有5’帽子结构，起始识别需要起始因子eIF-4E的帮助；e. Met---tRNAMet不甲酰化； f. 形成小亚基复合物的顺序不同于原核的：先形成40S.Met-tRNAimet.GTP三元复合物，然后再加入mRNA。

肽链的延伸

蛋白质合成的延伸机制在原核细胞和真核细胞是非常相似的

肽链延伸包括: AA-tRNA与核糖体结合(进位)、肽键的生成(转肽)和移位。

延伸因子(Elongation factor，EF）

延伸的三个阶段： ⑴ 进位反应：主要是密码子-反密码子的识别； ⑵ 转肽反应：肽链的形成； ⑶ 移位反应：核糖体相对tRNA和mRNA的移动。

肽链的终止

包括：肽链释放， tRNA释放，核糖体与mRNA解聚。

终止过程

RF1、RF2 作用于A 位点（P 位被肽酰-tRNA 所占据），识别终止密码子；

RF3 作用改变肽基转移酶构象，从而改变肽基转移特性，发挥水解酶作用，将肽链从结合在核糖体上的tRNA的CCA末端上水解下mRNA与核糖体分离，tRNA脱落。

RF3 与 GTP 结合为肽基转移及随后的核糖体释放提供能量。

同时核糖体在IF-3作用下，解离出大、小亚基

真核细胞肽链的终止释放因子eRF1和eRF3, 识别三种终止密码子 UAA、UAG、UGA。终止机制与Prok相同：识别终止密码子；肽基转移酶构象改变，发挥水解酶作用，使得肽基-tRNA水解。肽基转移，核糖体与 mRNA解聚，肽链释放，tRNA逐出。

多核糖体与蛋白质合成

蛋白质合成的三个阶段

起始在mRNA结合位点上的30S小亚基通过50S大亚基和氨基酰tRNA结合而与大亚基连接延伸核糖体沿着mRNA移动

肽链通过从肽酰tRNA转移到氨酰tRNA 而延伸

终止多肽链从tRNA上释放。核糖体从mRNA上解离下来

多聚核糖体

在蛋白质合成过程中，同一条mRNA分子能够同多个核糖体结合，同时合成若干条蛋白质多肽链，结合在同一条mRNA上的核糖体就称为多聚核糖体。意义：少量的mRNA分子可迅速合成大量的蛋白质。

蛋白质前体的加工

二硫键的形成

mRNA上没有胱氨酸的密码子，多肽链中的二硫键是在肽链合成后，通过二个半胱氨酸的硫氢基氧化而形成的。

N-端f-Met或Met的切除

脱甲酰酶（deformylase）:除去N-端 fMet甲酰基，留下Met作为第一个氨基酸；不管是原核生物还是真核生物，N端的甲硫氨酸往往在多肽合成完毕之前就被切除。动物病毒的mRNA可翻译成很长的多肽链，含多种病毒蛋白，经蛋白酶在特定位置水解后得到几个有功能的蛋白分子。

特定氨基酸的修饰

a 磷酸化：由蛋白激酶催化，发生在多肽链丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的羟基上；b 糖基化：真核细胞蛋白质的特征之一。大多数糖基化是由内质网中的糖基化酶催化进行的。所有的分泌蛋白和膜蛋白几乎都是糖基化蛋白质。c 甲基化：由N-甲基转移酶催化的，该酶主要存在于细胞质基质内。甲基化包括发生在Arg、His和Gln的侧基的N-甲基化以及Glu和Asp侧基的O-甲基化。d 乙酰化：由N-乙酰转移酶催化多肽链的N端乙酰化，发生在Lys侧链上的ε-NH2.

蛋白质的折叠

新生多肽一般首先折叠成二级结构，然后再进一步折叠盘绕成三级结构或四级结构。

有些蛋白质折叠需要分子伴侣：在细胞内辅助新生肽链正确折叠的蛋白质。

蛋白质合成的抑制剂

u蛋白质生物合成的抑制剂主要是一些抗生素，如嘌呤霉素、链霉素、四环素、氯霉素、红霉素等。

此外，5-甲基色氨酸、环已亚胺、白喉毒素、蓖麻蛋白和其他核糖体灭活蛋白都能抑制蛋白质的合成。