导图社区 第4章 生物信息的传递（下）——从mRNA到蛋白质
第4章 生物信息的传递（下）——从mRNA到蛋白质的思维导图，从遗传密码——三联子、tRNA、核糖体、蛋白质的修饰，降解与稳定性研究、蛋白质运转机制蛋白质合成的生物学机制等方面作了梳理。
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第4章 生物信息的传递（下）——从mRNA到蛋白质
4.1 遗传密码—三联子
4.1.1 三联子密码及其破译
1. 密码子的定义
mRNA上每3个核苜酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为密码，也叫三联子密码即密码子。
2. 翻译特点
翻译时从起始密码子AUG开始，沿着mRNA 5'→3'的方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链一蛋白质。
3. 以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物与模板指导多肽的合成
4. 核糖体结合技术
5. mRNA上的遗传密码三联子
4.1.2 遗传密码的性质
1. 密码的连续性
翻译由mRNA的5'端的起始密码子开始，一个密码子接一个密码子连续阅读直到3, 终止密码子,密码间无间断也没有重叠，即起始密码子决定了所有后续密码子的位置,说明三联子密码是连续的。
2. 密码的简并性
除甲硫氨酸(AUG)和色氨酸(UGG)只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。
简并：由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并。
同义密码子：对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子。
3. 密码的通用型
遗传密码无论在体内还是体外，也无论是对病毒、细菌、动物还是植物而言都是通用的，所以密码子具有通用性。
4.1.3 密码子与反密码子的相互作用
1. 摆动假说
提出时间/提出者：1966年,Crick根据立体化学原理提出。
假说内容
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”，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。
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，反密码子第一位为A或C时只能识别1种密码子，为G或U时可以识别2种密码子，为I时可识别3种密码子。
如果有几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。
2. mRNA上的密码子和反密码子相互作用示意图
4.2 tRNA
4.2.1 tRNA的三叶草二级结构
1. 第二遗传密码
tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联密码子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运送载体，所以，它又被称为第二遗传密码。
2. tRNA的共同特征
存在经过特殊的修饰碱基,tRNA的3'端都以CCA-OH结束，该位点是tRNA与相应氨基酸结合的位点。
3. 三叶草形tRNA分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手臂。
4. 受体臂
主要由链两端序列碱基配对形成的杆状结构和3'端未配对的3~4个碱基所组成，其3'端的最后3个碱基序列永远是 CCA序列。伸出双链之外，最后一个碱基的3'或2'自由羟基（一0H）可以被氨酰化。
5. TΨC臂
是根据3个核苷酸命名的，其中Ψ表示尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不 常见核苷酸。
6. 反密码子臂
是根据位于套索中央的三联反密码子命名的。反密码子的两端由5'端的尿嘧啶和3'端的嘌呤界定。
7. D臂
根据它含有二氢尿嘧啶命名的。
4.2.2 tRNA的L-形三级结构
1. L-形三级结构的维持力：氢键。
2. tRNA的三级结构与AA-tRNA合酶对tRNA的识别有关。
3. tRNA的L-形三级结构示意图
4.2.3 tRNA的功能
1. 转录过程是信息从一种核酸分子（DNA）转移到另一种结构上极为相似的核酸分子 （RNA）的过程，信息转移靠的是碱基配对。
2. 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密码子形式存在的，在这里起作用的是tRNA的解码机制。
3. 氨基酸在合成蛋白质之前必须通过AA-tRNA合成酶活化，在消耗ATP的情况下结合到tRNA上.生成有蛋白质合成活性的AA-tRNA。
4. 只有tRNA上的反密码子能与mRNA上 的密码子相互识别并配对，而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。
4.2.4 tRNA的种类
1. 起始tRNA和延伸tRNA
起始tRNA
定义
一类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA。
特点
原核生物
起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸（fMet）。
真核生物
起始tRNA携带甲硫氨酸（Met）。
延伸tRNA
除起始tRNA外，其余的tRNA称为延伸tRNA。
2. 同工tRNA
由于一种氨基酸可能有多个密码子，因此有多个tRNA来识别这些密码子，即多 个tRNA代表一种氨基酸，我们将几个代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。
在一个同工tRNA组内，所有tRNA均专一于相同的氨基酰-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。
3. 校正tRNA
无义突变
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 种突变称为无义突变。
错义突变
错义突变是由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码。
错义突变的校正tRNA通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽链上合成正常的蛋白质。
校正效率
校正tRNA在进行校正过程中必须与正常的tRNA竞争结合密码子,无义突变的校正tRNA必须与释放因子竞争识别密码子，错义突变的校正tRNA必须与该密码的正常 tRNA竞争，这都会影响校正的效率。
影响因素
取决于反密码子与 密码子的亲和力。
取决于它在细胞中的浓度及竞争中的其他参数。
一般说来，校正效率不会超过50%。
4.2.5 氨酰tRNA合成酶
1. 氨酰tRNA合成酶是一类催化氨基酸连接于tRNA3'端的特异性酶。
2. 反应方程式
总反应方程式
AA + tRNA + ATP —► AA-tRNA + AMP + PPi
实际两步反应
第一步：氨基酸活化生成酶-氨酰腺甘酸复合物
AA + ATP + 酶（E） —► E-AA-AMP + PPi
第二步：氨酰基转移到tRNA3'末端腺苷残基的2'或3'-羟基上
E-AA-AMP + tRNA —► AA-tRNA + E + AMP
3. 蛋白质合成的真实性
主要取决于tRNA能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置上，而这一步主要取决于AA-tRNA合成酶是否能使氨基酸与对应的tRNA相結合。
4.3 核糖体
4.3.1 核糖体的结构
1. 核糖体由大小两个亚基构成
核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒,可以解离为两个亚基，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。
这些大分子rRNA能在特定位点与蛋白质结合,从而完成核糖体不同亚基的组装。
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。
2. 核糖体蛋白
核糖体上有多个活性中心,每个中心都由一组特殊的核糖体蛋白构成。核糖体是一个许多酶的集合体，单个酶或蛋白质只有在这个总体结构内才拥有催化性质,它们在这一结构中共同承担了蛋白质生物合成的任务。
功能
催化功能
调节功能
核糖体蛋白（RP）产生突变，能够调节p53的活性并影响人类疾病和肿瘤发生。
大多数核糖体蛋白位于核糖体的周边，核糖体RNA不单单是核糖体的结构成分，它们还直接承担了核糖体的某些关键功能。
3. 核糖体RNA（rRNA）
5S rRNA
细菌5S rRNA含有120个核苷酸（革兰氏阴性菌）或116个核苷酸（革兰氏阳性菌）。
5S rRNA有两个高度保守的区域，其中一个区域含有保守序列CGAAC。
这是与tRNA分子TΨC环上的GTΨCG序列相互作用的部位，是5S rRNA与tRNA相 互识别的序列。
16S rRNA
16S rRNA在蛋白质的合成中起若积极作用，它与mRNA、50S亚基以及P位和A位的tRNA的反密码子直接作用。
23S rRNA
作为核糖体大亚基的主要成分，23S rRNA能催化肽键的形成。
5.8S rRNA
是真核生物核糖体大亚基特有的rRNA,长度为160个核苷酸,含有修饰碱基。
18S rRNA
酵母18S rRNA由1789个核昔酸组成，它的3'端与大肠杆菌16S rRNA有广泛的同源性。
28S rRNA
28S rRNA长度为3 890 ~ 4 500 bp,目前还不清楚其功能。
4. 核糖体有3个tRNA结合位点
氨基酸由AA-tRNA运送到核糖体上并通过这个tRNA与携带上一个氨基酸的tRNA 的相互作用，将新的氨基酸加到正在生长的新生蛋白质链上。
结合位点
A位点
A位点是新到来的氨酰tRNA的结合位点
P位点
P位点是肽酰tRNA结合位点
E位点
E位点是延伸过程中的多肽链转移到氨酰tRNA上释放tRNA的位点，即去氨酰tRNA通过E位点脱出，被释放到核糖体外的细胞质中去。
结合位点示意图
tRNA的移动顺序
从A位点到P位点再到E位点，通过密码子与反密码子之间的相互作用，保证反应正向进行而不会倒转。
由于tRNA的氨酰末端被定位到大亚基上，而另一端的反密码子与结合小亚基的 mRNA相互识别，所以，每一个tRNA结合位点都横跨核糖体的两个亚基，位于大、小亚基的交界面。
4.3.2 核糖体的功能
1. 在多肽合成过程中,不同的tRNA将相应的氨基酸带到蛋白质合成部位，并与mRNA进行专一性的相互作用，以选择对信息专一的AA-tRNA。
2. 核糖体还必须能同时容纳另一种携带肽链的tRNA，即肽酰-tRNA，并使之处于肽键易于生成的位置。
3. 多个活性中心
mRNA结合部位
结合或接受AA-tRNA部位(A 位)
结合或接受肽酰-tRNA的部位(P位)
肽基转移部位
形成肽键的部位(转肽酶中心)
负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点
4. 核糖体小亚基的作用
负责对模板mRNA进行序列特异性识别，如起始部分的识别、密码子与反密码子的相互作用等。
mRNA的结合位点也在此亚基上。
5. 正常细胞可能通过调整待定核糖体的数量，来控制蛋白质的表达量。
4.6 蛋门质的修饰,降解与稳定性研究
4.6.1 泛素化修饰介导的蛋白质降解
1. 泛素
是一类低相对分子质量的蛋白质, 只有76个氨基酸残基，序列高度保守。
2. 泛素化
泛素化是指泛素分子在泛素激活酶、结合酶、连接酶等的作用下，对靶蛋白进行特异性修饰的过程。
在蛋白质分子的一个位点上可结合单个或多个泛素分子。
4.6.2 蛋白质的 SUMO化修饰
1. SUMO化修饰既能协同泛素化，又能拮抗泛素化修饰。
2. SUMO 阻碍泛素对底物蛋白的共价修饰，提高了底物蛋白的稳定性。
4.6.3 蛋白质的 NEDD化修饰
1. 在体内固有酶簇作用下被共价结合到底物蛋白上，参与蛋白质翻译后修饰，这 一过程被称为NEDD化修饰。
2. 不会引起蛋白质的降解，而主要通过该种修饰来调节蛋白质的功能
3. 参与细胞增殖分化、细胞发育、细胞周期、信号转导等重要生命过程的调控
4.6.4 蛋白质一级结构对稳定性的影响
1. 成熟蛋白N端的第一个氨基酸(除已被切除的N端甲硫氨酸之外，但包括翻译后修饰产物)在蛋白质的降解中有着举足轻重的影响。
2. 当某个蛋白质的N端是甲硫氨酸、甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸和缬氨酸时,表现稳定。
3. 其N端为赖氨酸、精氨酸时, 表现最不稳定。
4.5 蛋白质运转机制
4.5.1 翻译运转同步机制
1. 信号肽
在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域，这个 氨基酸序列就被称为信号肽。
一般带有10 ~ 15个疏水氨基酸
在靠近该序列N端常常有1个或数个带正电荷的氨基酸
在其C末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸,离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链（丙氨酸或甘氨酸）。
作用
完整的信号肽是保证蛋白质运转的必要条件。
仅有信号肽还不足以保证蛋白质运转的发生。
信号肽的切除并不是运转所必需的。
并非所有的运转蛋白质都有可降解的信号肽。
4.5.2 翻译后运转机制
1. 线粒体蛋白质跨膜运转
通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以前体形式存在。
蛋白质通过线粒体内膜的运转是一种需要能量的过程。
2. 前导肽的作用与性质
带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨酸）含量较为丰富，它们分散于不带电荷的氨基酸序列之间。
缺少带负电荷的酸性氨基酸;羟基敏基酸（特别是丝氨酸）含量较高。
有形成两亲（既有亲水又冇疏水部分）螺旋结构的能力。
带正电荷的碱性気基酸在前导肽中有重要的作用，如果它们被不带电荷的氨基酸所取代，就不能发挥牵引蛋白质过膜的作用。
3. 叶绿体蛋白质的跨膜运转
活性蛋白水解酶位于叶绿体基质内，这是鉴别翻译后运转的指标之一。
叶绿体膜能够特异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岀明显的差异。
4.5.3 核定位蛋向的运转机制
1. 入核信号与前导肽的区别
由含水的核孔通道来鉴别
入核信号是蛋白质的永久性部分，在引导入核过程中，并不被切除，可以反复使用，有利于细胞分裂后核蛋白重新入核。
4.4 蛋白质合成的生物学机制
4.4.1 氨基酸的活化
1. 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。
2. 至少存在20种以上具有氨基酸专一性的氨酰-tRNA合成酶，能够识别并通过氨基酸的液基与tRNA 3'端腺苷酸核糖基上3'-0H缩水形成二酯键。
3. 同一氨酰-tRNA合成酶具有把相同氨基酸加到两个或更多个带有不同反密码子tRNA分子上的功能。
4. 细菌中氨酰tRNA的合成
起始氨基酸
甲酰甲硫氨酸
分布反应方程式
第一步
第二步
4.4.2 翻译的起始
1.
2. 原核生物蛋白质合成的起始
所需成分
30S小亚基
模板mRNA
3个翻译起始因子,IF-l、IF_2和IF-3
GTP
50S大亚基
70S核糖体在IF-1作用下分解成大亚基和小亚基
IF-3与小亚基结合，与IF-1靠近并阻止大小亚基的结合
核糖体小亚基与mRNA5'端结合，识别起始位点的AUG
16S rRNA与起始位点前8~13个核苷酸处共有序列（S-D序列）互补配对
rPS-1与S-D序列后的小核苷酸序列识别结合
IF-2与GTP结合并运送甲硫氨酸-tRNAi到AUG起始位点上，IF-3被释放，此时的复合体称为30S起始复合体
50S亚基与上述复合体结合，替换出IF-1和IF-2，水解GTP，形成70S起始复合体
3. 真核生物蛋白质合成的起始
eIF种类多达12种
Met-tRNAi在eIF-2作用下与GTP结合后与跟eIF-3结合的40S小亚基结合
mRNA在eIF-4B和eIF-4F作用下依赖于ATP去除高级结构
40S小亚基与mRNA的5'帽子结合，在mRNA上移动寻找起始位点AUG
eIF-5替换掉eIF-2和eIF-3，使得大亚基能够与上述复合体结合并水解GTP
eIF-4C帮助60S大亚基与复合体结合后离去
eIF-2B帮助eIF-2-GDP复合物进入下一轮循环
起始循环的速率受到eIF-2的磷酸化调控
4.4.3 肽链的延伸
1. 原核生物蛋白质合成的延长
核糖体循环
进位
又称为注册，是指一个氨基酰tRNA按照mRNA模板指令进入并结合到核糖体A位的过程
延长因子T
Tu亚基
EF-T结合GTP后释放Ts，Tu与GTP,核糖体和氨基酰tRNA形成四元复合体
输送氨基酰tRNA到A位与mRNA密码子结合
GTP分解并释放出Tu-GDP和Pi
Ts亚基
在GTP供能下，Ts催化Tu-GDP重新生成Tu-GTP
成肽
肽酰基转移酶
催化P位上的Met-tRNAi（最初就结合在P位）与A位上新加入的氨基酰-tRNA形成肽键
本质是酯键转化为肽键
发生成肽后P位的tRNA变成空载的
移位
延长因子G
利用水解GTP供能将核糖体向3'端移动一个密码子的距离
空载的tRNA从E位解离
GTP在生成肽键中的作用
Tu将tRNA转入A位
EF-G将核糖体移位
生成一个肽键平均消耗4个高能磷酸键（合成氨基酰tRNA消耗两个高能磷酸键）
2. 真核生物蛋白质合成的延长
eEF-1α功能与EF-Tu类似
eEF-1β功能与EF-Ts类似
与原核生物类似
eEF-2功能与EF-G类似
4.4.4 肽链的终止
1. 原核生物蛋白质合成的终止
终止密码子进入核糖体A位点
RF结合GTP并识别终止密码子，结合于A位点
三类释放因子RF
RF-1识别UAA和UAG；RF-2识别UAA和UGA
RF-3激活前两种释放因子
释放因子识别A位点后，可以将位于大亚基上的肽酰基转移酶活性变为酯酶活性，催化P位上的肽酰基tRNA水解
mRNA、模板及各种蛋白因子、其他组分都可以被循环利用
2. 真核生物蛋白质合成的终止
只有一种释放因子eRF，可以识别三种终止密码子
4.4.5 多核糖体与蛋白质合成
1. 多核糖体
虽然一个核糖体一次只能合成一条多肽，但每个mRNA分子却能同时被多个核糖体结合同时进行翻译，结合多个核糖体的mRNA称为多核糖体。
4.4.6 蛋白质前体的加工
1. N端fMet或Met的切除
细菌蛋白质氨基端的甲酰基能被脱甲酰化酶水解，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链合成完毕之前就被切除。
2. 二硫键的形成
mRNA中没有胱氨酸的密码子,而不少蛋白质都含有二硫键。这是蛋白质合成后通过两 个半胱氨酸的氧化作用生成的。
二硫键的正确形成对稳定蛋白的天然构象具有重要的作用。
3. 特定氨基酸的修饰
氨基酸侧链的修饰作用
磷酸化(如核糖体蛋白)
糖基化(如各种糖蛋白)
甲基化 (如组蛋白、肌肉蛋白质)
乙酰化(如组蛋白)
泛素化(多种蛋白)
4. 切除新生肽链中的非功能片段
不少多肽类激素和酶的前体都要经过加工才能变为活性分子。
一般说来，由多个肽链及其他辅助成分构成的蛋白质,在多肽链合成后还需经过多肽链之间以及多肽链与辅基之间的聚合过程，才能成为有活性的蛋白质。
4.4.7 蛋白质的折叠
1. 多肽链的折叠是一个复杂的过程，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。
2. 分子伴侣
能够在细胞内辅助新生肽链正确折叠的蛋白质
3. 分类
热休克蛋白
伴侣素
4.4.8 蛋白质合成的抑制剂
1. 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。
原核生物肽链合成的终止
伴侣蛋白系统促进蛋白质折叠过程
蛋白质合成和转运过程示意图
细菌蛋白质运输
细胞核蛋白的转运
信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网
原核肽链合成终止过程
转位
核糖体大亚基结合
起始氨基酰tRNA与小亚基结合
核糖体大、小亚基分离
表1 密码子的简并性
翻译起始复合物的形成
