遗传信息的中心法则 Central Dogma

遗传信息的中心法则

Central Dogm

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第十五章 第十五章 蛋白质生物合成蛋白质生物合成 (( 翻译翻译 ))

S Synthesis of Protein (Translation)ynthesis of Protein (Translation)

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翻译：也称蛋白质的生物合成。 意思就是把核酸中由 A 、 C 、 G 、 T/U 四种符号组 成的遗传信息，破读为蛋

白质分子中的 20 种氨基酸排列顺序。

• 参与蛋白质生物合成的物质• 蛋白质的生物合成过程• 翻译后加工• 蛋白质生物合成的干扰和抑制

内 容

第一节参与蛋白质生物合成的物质

一、 mRNA 是翻译的直接模板• 开放读码框 (open reading frame ， ORF) ： mRNA 从 5’ 至 3’ 方向，若有 AUG 开始，可 以称为一个 ORF 。未鉴定读框（ URF ）• 编码序列 (codon sequence ， CDS) ： 一种蛋白质对应的 mRNA 序列，称为 CDS 。

也就是位于起始密码子和终止密码子之间的核糖核酸序列。

• ORF 和 CDS 的区别：

• TCAAGGATGCGGATGTCATCATCGTCACTGCAGGGGTGCCTCGGAAGCCAGGTATGTCTCGAAGAAAAATCGGCCTCATCGGCGGCGGCAACATCGGCGCCACGCTTGCCCTTCTCTCCGCTGTCAAGGAACTCGGCGACGTCGTCATGTTCGACGTCGTCCAGGACCTCCCGCAAGGAAAATGCCTCGATCTGTACCAGTTGACTCCGATCTCTGGAGTTGACGTTCGCTTCGAGGGCTCGAACGACTACAGCGTCCTCAAGGATGCGGATGTCATCATCGTCACTGCAGGGGTGCCTCGGAAGCCAGGTATGTCTCGCGACGACCTGCTGGCGATTAACGCGAAAATCATGGGCCAAGTTGGAGAAGCCATCAAGCAGTACTGCCCCAACGCATTCGTCATTTGCATCACGAATCCACTCGATGTGATGGTCTACATCCTCCGCGAAAAATGCGGCTTGCCTCCCCACAAAGTTTGCGGCATGGCCGGCGTCCTCGACTCAGCTCGGCTTCGCACGTTTCTCTCGGAGCGTCTCAACGTCTCCGTCGATGACATCCACGCCCTCGTCATGGGTGGCCATGGAGACACCATGGTGCCCCTCCCTCGATTCACCACTGTGGGAGGCATCCCCCTGCCTGAGCTGGTGAAGATGGGTATGATTTCTCAACAAGAAGTCGACGATATCGTCCAACGCACTCGCAATGGAGGTGGAGAAATCGTCTCATTGCTGAAGACGGGCTCTGCTTTCTTCGCTCCCGCGGCTGCGGGCGTCTTGATGGCCGAGGCGTACCTGAAGGACCGCAAACGCGTGCTGCCTTGTGCCGCCTATTTGAACGGAGAGTACGGTGTCAAGGACATGTATGTGGGCGTGCCGTGCGTGATCGGCGCGGGCGGCGTCGAGAAGATTGTCGAATTGGACTTGACGCCTGAGGAGAAGAAGATGTTCGAGCGCTCGGTTGAAAGTGTGAAGACGCTTCTCGCCGCTGCTCCAAAGTCAGCCTGA

• 密码子 codon ： 针对 CDS ； mRNA 上每 3 个相邻核苷酸组成一

个三联体 triplet ，编码一种氨基酸，三联体即称之为密码子。

遗传密码（ genetic codon) ：密码子的总和。

• ATG TCT CGA AGA AAA ATC GGC CTC ATC GGC GGC GGC AAC ATC GGC GCC ACG CTT GCC CTT CTC TCC GCT GTC AAG GAA CTC GGC GAC GTC GTC ATG TTC GAC GTC GTC CAG GAC CTC CCG CAA GGA AAA TGC CTC GAT CTG TAC CAG TTG ACT CCG ATC TCT GGA GTT GAC TCG CTT CGA GGG CTC GAA CGA CTA CAG CGT CCT CAA GGA TGC GGA TGC CAG GAC CTC TGA

• 密码子 codon ： 理论值： 43=64

起始密码子 start codon ： AUG ，编码甲硫氨酸 ( 真核 )

甲酰甲硫氨酸 ( 原核 )

终止密码子 stop codon ： UAA 、 UAG 、 UGA

• 遗传密码的基本特性：

通用性 universal

方向性 directional

连续性 commaless

简并性 degeneracy

摆动性 wobble

密码子与反密码子配对，有时会出现不遵从碱基配对规律的情况，称为遗传密码的摆动现象。

二、核糖体是肽链合成的场所• 核糖体 ribosome 的组成：

成分 原核生物 真核生物

小亚基

rRNA 16s-rRNA 18s-rRNA

RNP 21 种 33 种

大亚基

rRNA 5s/23s-rRNA 5s/28s/5.8s-rRNA

RNP 34 种 49 种

• 核糖体的组成： 原核核糖体为 70S ，有 30S 的小亚

基和 50S 的大亚基组成。 真核核糖体为 80S ，有 40S 的小亚

基和 60S 的大亚基组成。

• 核糖体的功能部位： 容纳 mRNA 的部位 - 小亚基上 结合氨基酰 tRNA 的部位 ( 受位， A 位 )

结合肽酰 tRNA 的部位 ( 给位， P 位 )

转肽酶存在的部位（核糖体大亚基）

三、 tRNA 是转接器 作为氨基酸受体的 tRNA 在结构

上必须具备以下识别位点 :

• 氨基酸接受位点• 氨基酰— tRNA 合成酶识别位点• 核糖体识别位点• 反密码子

tRNA 的三叶草形二级结构

密码子与反密码子的辨认

密码子——反密码子——氨基酸

翻译精确性的保证：

四、其他因子 • 起始因子—— IF1 、 IF2 、 IF3

• 延长因子—— EFTu 、 EFTs 、 EFG

• 释放因子（终止）—— RF1 、 RF2 、 RF3

• 氨酰— tRNA 合成酶• GTP 、 ATP 、 Mg2+ 参加

第二节 蛋白质的生物合成过程

一、氨基酸的活化与转运

• 酶酶

• 催化反应催化反应

• 氨基酰氨基酰 tRNAtRNA 合成酶合成酶• 绝对专一性绝对专一性 11 种氨基酸种氨基酸————对应对应 11 种氨基酰种氨基酰 tRNAtRNA 合成酶合成酶

• 活化氨基酸活化氨基酸 ------ 活化“活化“ -COOH”-COOH” 消耗消耗 22 个个 ATPATP• 活化氨基酸活化氨基酸 +tRNA +tRNA 氨基酰氨基酰 tRNAtRNA

第一步反应

第二步反应

消耗 2ATP

3’-CCA-OH

第二步反应

Met His

Ala

Ser

Asp

TyrThr

His

Ala

二、翻译的起始

★ 翻译起始 把带有甲酰甲硫氨酸 (formyl-N-

Met ， f-Met) 的起始 tRNA 连同 mRNA 结合到核糖体上，生成翻译起始复合物 translational initiation complex 。

1. 核糖体亚基的分离

2. mRNA 在核糖体小亚基上就位 S-D 序列：在翻译起始密码子 AUG 上游，相距约 8-

13 个核苷酸，往往有一段由 4-6 个核苷 酸组成的富含嘌呤的序列。这一序列以 AGGA 为核心，因发现者是 Shine-

Dalgamo 而得名为 S-D 序列。

16S-rRNA ：近 3’- 末端处，有一段序列以 UCCU 为 核心，与 S-D 序列的 AGGA 互补。

起始密码

SD 序列

3. f-Met-tRNA 的结合 与第二步同时发生， f-Met-tRNA 只

能辨认和结合于 mRNA 的起始密码子 AUG 上。

意义：保证 mRNA 就位准确性，推 动 mRNA 前移

4. 核糖体大亚基结合 起始复合物的形成： mRNA ； f-Met-tRNA ；小亚基；大亚基 P 位 peptidyl site( 给位 donor site) ： f-Met-tRNA 和 mRNA 的 AUG 占据 P 位点。再次成肽 时，肽从 P 位置转给 A 位，所以将 P 位 也称为给位。

A 位 aminoacyl site( 受位 acceptor site) ：氨基酰位称 为 A 位。因每次成肽时， A 位接受肽酰基 链，故又称受位。

70S 起始复合物

三、肽链的延伸 翻译过程的肽链延长，也称为

核糖体循环。 每次核糖体循环可分成三个步骤：进位或称注册、成肽、转位。循环一次，肽链延长一个氨基酸。

（一）进位 entrance或注册 registration• 概念：指氨基酰 -tRNA根据遗传密码的指引， 进入核糖体的 A 位。• 程序： EFT ：包含 EFTu 和 EFTs两个亚基。 EFT 结合 GTP ，释放出 Ts ， Tu-GTP 复

合物结合氨基酰 -tRNA 。氨基酰 -tRNA-Tu-GTP被送至核糖体与小亚基的 mRNA 结合，密码子与反密码子对应。 GTP 分解放出 Pi 。 Tu-GDP 与 Ts重新结合成 EFT ，进行下次反应。

（二）成肽 peptide bond formation

成肽由大亚基上的转肽酶催化。

P 位上的 f-Met-tRNAfmet 的酰基与 A 位

上的 AA-tRNA 的氨基进行反应。反应在 A位上进行，即 P 位上的甲硫氨酸退至 A 位。

成肽中甲硫氨酸退入 A 位成肽， P 位留下一个无负载的 tRNA 。成肽结束前， tRNA 从核糖体上脱落， P 位留空。

（三）转位 translocation

转位就是 A 位的二肽链连同 mRNA 从A 位进入 P 位。

实际是整个核糖体的相对位置移动。

反应由转位酶催化。

四、肽链合成的终止• 终止包括： 终止密码的辨认； 肽链从肽酰 -tRNA水解释出； mRNA 从核糖体中分离； 大小亚基的拆开。

• 参与终止的因子： RR ：把 mRNA 从核糖体上释放； RF-1 ：辨认 UAG ； RF-2 ：辨认 UGA ； RF-3 ：促进肽链 C 端与 tRNA3’-OH酯键水解。

• 终止过程： A 位出现 mRNA 的终止密码时，无

氨基酰 -tRNA 与之对应，即 A 位不能接纳氨基酰 -tRNA 。 RF-1或 RF-2 识别终止密码，进入 A 位。

RF-3激活核糖体上转肽酶，使 P 位上肽链与 tRNA 分离。

在 RR 作用下， tRNA 、 mRNA及RF均从核糖体脱落。然后在 IF 参与下，核糖体分出大小亚基，又可进入翻译过程。

五、多核糖体循环polyribosomes

一条一条 mRNAmRNA 链上链上同时具有同时具有许多个核糖体许多个核糖体（每隔（每隔 8080 核苷酸有一个核糖体）核苷酸有一个核糖体）

一条一条 mRNAmRNA 可同时合成可同时合成多条多肽链多条多肽链

◎ 蛋白质的生物合成消耗能 量，估计每生成一个肽键， 平均约消耗 5 个高能磷酸键。

★ 真核细胞蛋白质合成

7-Methyl GTP cap ：结合核糖体，增加稳定性

poly(A) tail ：增加稳定性，提高翻译效率

起始密码子 AUG 上游没有 S-D 序列

Met-tRNA

Met-tRNAi Met

f-Met-tRNAf Met

第三节 翻译后加工Post-Translational Processing

一、概念　　　肽链从核糖体释放后，经过细胞

内各种修饰处理过程，成为有活性的成熟蛋白质，称为翻译后加工。

二、修饰的分类• 高级结构的修饰：　　　一级结构的自动折叠、盘曲；　　　亚基聚合：　　　　　血红蛋白 (α2β2) 、原核 RNA聚合酶 镶嵌蛋白、跨膜蛋白　　　 辅基连接： 糖蛋白、脂蛋白、 色蛋白、带辅酶的酶蛋白　

• 一级结构的修饰：　　　去除 N- 甲酰基或蛋氨酸： 脱甲酰基酶，氨基肽酶 个别氨基酸的修饰： 羟脯氨酸、羟赖氨酸 磷酸化丝、苏、酪氨酸 胱氨酸（二硫键）　 水解修饰：

胰岛素胰岛素 insulininsulin 的加工过程的加工过程

• 蛋白质合成后的靶向输送 合成蛋白质的去向： 保留在胞浆； 进入胞核、线粒体或其他细胞器； 分泌到体液，输送到靶器官和靶细胞；

靶向输送（ protein targeting ）：蛋白质在合成以 后，定向到达其执行功能的目标 地点。

分泌性蛋白质（ secretary protein ）：穿出蛋白 质合成所在细胞，到达其他组织细胞发 挥作用的蛋白质。

信号肽 signal peptide ： 概念：分泌性蛋白质 mRNA 的 5` 端通常编

码一段富含疏水氨基酸的短肽，这 一短肽称信号肽。

结构： 碱性氨基 N 末端 疏水核中间区域 信号肽酶加工区

3’

5’

内质网腔

停泊蛋白信号肽酶

核糖体受体

①信号肽序列的合成

②SRP 识别信号肽，翻译暂停

③SRP 与停泊蛋白结合，信号肽插入内质网膜

⑤蛋白质的合成恢复，多肽链被引入内质网腔，信号肽被切除

⑥蛋白质释入内质网腔内，核糖体再循环

④SRP被释放

1.嘌呤霉素 puromycin2.四环素 tetracyclin3.链霉素 streptomycin4.氯霉素 chloromycin5.放线菌酮 actidione6.红霉素 erythromycin

第四节 蛋白质生物合成的抑制剂

＃真核蛋白质降解 Protein Degradation

• 泛素 ubiquitin ： 76 aa ， 8.5kD• 蛋白小体 proteasome

★ 复制 / 转录 / 翻译的比较 :

第四章 基因表达调控第四章 基因表达调控The regulation of Gene ExpressionThe regulation of Gene Expression

申川军 博士申川军 博士广州中医药大学生化教研室广州中医药大学生化教研室

• 基本概念与原理• 原核基因表达调控• 真核基因表达调控

第一节 基本概念与原理

一、基因表达 gene expression 的概念

• 基因组 genome ：一个生物体所携 带的全部遗传信息或者整套 基因，称为基因组。• 基因表达：就是基因转录及翻译 的过程。

重点

二、基因表达的时间性及空间性• 时间特异性 temporal/stage specificity ：按功能需 要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺 序发生，这就是基因表达的时间特异性。在多 细胞生物又称阶段特异性。

• 空间特异性 spatial/cell/tissue specificity ：　　　　　细胞特异性／组织特异性

重点

三、基因表达的方式• 组成性 constitutive表达与管家

基因 housekeeping gene ：• 诱导 induction表达和阻遏 rep

ression表达：• 协调 coordinate表达：

四、基因表达调控的生物学意义

• 对于原核生物／单细胞生物：　　　适应环境、维持生长和增值• 对于多细胞生物：　　　维持个体发育与分化

重点

五、基因表达调控的基本原理• 基因表达的多级调控：　　　　　基因激活；　　　　　 转录起始（基本控制点）； 转录后加工； ｍ RNA降解； 蛋白质翻译； 翻译后加工； 蛋白质降解；

重点

• 基因转录激活调节基本要素： 1. 特异 DNA 序列 主要指具有调控功能的 DNA 序列。 原核的操纵子结构： 启动序列 操纵序列 其他调节序列 真核生物：

2. 调节蛋白 原核调节蛋白分三类： 特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白 真核调节蛋白 ( 转录因子 ) ：

3. RNA聚合酶；

第二节 原核基因表达调控

一、特点• σ 因子决定 RNA聚合酶识别特异性 原核仅一种 RNA聚合酶，全酶 司职转录起始，不同的 σ 因子决定 特异基因的转录。• 操纵子模型的普遍性 操纵子：• 阻遏蛋白与阻遏调节的普遍性

二、乳糖操纵子调节机制• 乳糖操纵子的结构 含 Z 、 Y 、 A 三个结构基因，分别编 码 β-半乳糖酶、透酶、乙酰基转移酶； 操纵序列 O ； 启动序列 P ； 调节基因 I ； 分解物基因激活蛋白 (CAP) 结合位点； 调控区构成： P 、 O 、 CAP 结合位点

ii pp oo ZZ YY AA

操纵子模型

结构基因调节基因 操纵位点

操纵子

二、乳糖操纵子调节机制• 阻遏蛋白的负性调节 没有乳糖时， I 序列表达的 lac阻遏蛋白与 O

序列结合，阻遏 RNA聚合酶与 P 序列结合，抑制转录启动，使 lac操纵子处于阻遏状态。

乳糖存在时，经透酶、 β-半乳糖酶作用转变为半乳糖 (强诱导剂 ) ，结合阻遏蛋白，引发阻遏蛋白与 O 序列解离，使 lac操纵子转录。

二、乳糖操纵子调节机制• CAP 的正性调节 CAP 为同二聚体，含 DNA 结合区及

cAMP 结合位点。 没有葡萄糖及 cAMP浓度较高时，

cAMP 与 CAP 结合， CAP 与 lac操纵子上的 CAP 位点结合，刺激 RNA 转录。

葡萄糖存在时， cAMP浓度降低， cAMP 与 CAP 结合受阻， lac操纵子表达下调。

二、乳糖操纵子调节机制• 协调调节 lac阻遏蛋白负性调节与 CAP正性调节两种机制协调合作。

二、其他转录调节机制• 转录衰减• 基因重组• SOS 反应

第三节 真核基因表达调控

一、真核基因组结构特点

• 真核基因组结构庞大• 单顺反子• 重复序列： 高度重复序列 中度重复序列 单拷贝序列 反转重复序列• 基因不连续性

二、真核基因表达调控特点• 同原核一样，转录起始是调控的最基本环节• RNA聚合酶• 活性染色体结构变化： 对核酸酶敏感； DNA拓扑结构； DNA 碱基修饰 (CpG岛 ) ；组蛋白• 正性调节占主导： 有效性 ( 特异性和精确性 ) ；经济性• 转录与翻译分隔进行• 转录后修饰、加工

三、真核基因转录激活调节• 顺式作用元件 指可影响自身基因表达活性的 DNA 序

列。 分类—— 启动子： 增强子： 沉默子： 顺式作用 / 顺式作用蛋白：

三、真核基因转录激活调节• 反式作用因子（与顺式作用蛋白对应）； 分类： 基本转录因子 / 特异转录因子 结构： DNA结合域 转录激活域 二聚化结构域 反式作用：

三、真核基因转录激活调节• mRNA 转录激活及其调节 以 RNA聚合酶Ⅱ为例 TF DⅡ TATA盒结合蛋白（ TBP ） TBP 相关因子（ TAF ） TF AⅡ TF FⅡ TF BⅡ 前起始复合物 PIC/ 转录起始复合物

DNA结合域• 锌指结构 发现于 SP1 转录因子，结合 GC盒。锌指结构常串联排列与 DNA 的大沟结合，调控转录。

DNA结合域• 碱性亮氨酸拉链 荷正电的碱性氨基酸残基与 DNA 双螺旋链上带负电的磷酸集团结合， 调控转录。

• 螺旋 - 转角 -螺旋 DNA双螺旋的大沟• 螺旋 -环 -螺旋

释放因子

●● 多蛋白的加工多蛋白的加工

一条合成后的一条合成后的多肽链经加工多肽链经加工产生多种不同产生多种不同活性的蛋白质活性的蛋白质// 多肽多肽