分子生物学2
生物信息的传递——从mRNA到蛋白质
蛋白质是基因表达的最终产物，它的生物合成包括：
1，翻译的起始
2，肽链的延伸
3，肽链的终止及释放
密码子的简并性
按照1个密码子由3个核苷酸组成的原则，4种核苷酸可组成64个密码子，现在已经知道其中61个编码氨基酸的密码子，另外3个即UAA, UGA, UAG并不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与tRNA的反密码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。细菌中终止密码子常用UAA, UGA比UAG使用频率更高点，但UGA出错的可能性更大。
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图片发自App 实际上，除了甲硫铵酸( ATG)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。由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并，对应于同一种氨基酸的密码子称为同义密码子(synonymous codon)。另外，AUG和GUG既是甲硫铵酸及缬氨酸的密码子又是起始密码子，这种双重功能在生物学上的意义尚不清楚。
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图片发自App 同义密码子一般不是随机分布的，因为其第一，第二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变并不一定影响所编码的氨基酸，这种安排减少了变异对生物的影响。一般来说，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率越高，只有精氨酸是个例外，因为CG双联子出现的频率较低，所以尽管有6个同义密码子，蛋白质中精氨酸的出现频率仍不高。
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图片发自App 密码子虽具有通用性，但也发现极少数例外。
摆动假说 
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图片发自App 根据摆动假说，在密码子与反密码子配对中，前两对严格尊守碱基配对原则，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。
反密码子第一位(位数看上图)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。
tRNA：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。
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tRNA的三叶草形二级结构 。。。。。。
tRNA的L形三级结构
tRNA的种类：1，起始tRNA和延伸tRNA
2，同工tRNA多个tRNA来识别同一种氨基酸的密码子。
3，校( jiao)正tRNA
核糖体
在真核生物中，大多数正在进行蛋白质合成的核糖体都不是细胞质基质内自由漂浮，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。与内质网结合，形成微粒体。
核糖体包括两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的两倍。按照惯例，大，小亚基的命名是根据离心时的沉降速率而定的。原核生物：50S和30S, 完整核糖体70S
真核生物：60S和40S 两个亚基组成80S的核糖体。
蛋白质合成的生物学机制
1，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——AA-tRNA。
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续表
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图片发自App 2，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铵酸放入核糖体P位点。
原核生物的起始tRNA是。。，真核生物是甲硫铵酸。原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合.....( page137)
5'-AGGAGGU-3'序列，这个富嘌呤区被命名为SD序列(ShineDalgarno sequence),它与30S亚基上16S rRNA 3'末端的富嘧啶区序列5'-GAUCACCUCCUUA-3'相互补。
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翻译起始复合物的形成 mRNA的，与核糖体结合位点结合的，，能与16S rRNA配对的核苷酸的数目及这些核苷酸到起始密码子之间的距离是不一样的，反映了起始信号的不均一性。(也就是SD序列，与16S rRNA结合的核苷酸其数目及到起始密码子的距离都是不同的)。一般来说，相互补的核苷酸越多，30S亚基与mRNA起始位点结合的效率也越高。互补的核苷酸与AUG之间的距离也会影响mRNA-核糖体复合物的形成及其稳定性。page138
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图片发自App 肽链的延伸
与翻译的起始不同，蛋白质延伸机制在原核细胞和真核细胞之间是非常相似的。起始复合物生成，第一个氨基酸( fMet/Met-tRNA)与核糖体结合以后，肽链开始伸长。按照mRNA模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，每个循环包括AA-tRNA与核糖体结合，肽键的生成和移位。
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图片发自App 后续AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNA·EF-Tu·GTP复合物，然后结合到核糖体的A位点上。这时GTP被水解释放，通过延伸因子EF-Ts再生GTP，形成EF-Tu·GTP复合物，进入新一轮循环。
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细菌中肽链延伸的第一步反应：第二个氨酰-tRNA的结合:该氨酰-tRNA首先与EF-Tu·GTP形成复合物，进入核糖体的A位点，水解产生GDP并在EF-Ts的作用下释放GDP并使EF-Tu结合另一分子GTP,进入新一轮循环 模板上的密码子决定了那种AA-tRNA能被结合到A位点上。由于EF-Tu只能与fMet-tRNA以外的其他AA-tRNA起反应，所以起始tRNA不会被结合到A位点上，这就是mRNA内部的AUG不会被起始tRNA读出，肽链中间不会出现甲酰甲硫铵酸的原因。
肽键的形成：
经过上一步反应后，在核糖体·mRNA·AA-tRNA 复合物中，AA-tRNA占据A位点，fMet-tRNA^fMet占据P位点。在肽基转移酶(peptidyl transferase)的催化下，A位点上的AA-tRNA转移到P位点，与fMet-tRNA^fMet上的氨基酸生成肽键。起始tRNA在完成使命后离开核糖体P位点，A位点准备接受新的AA-tRNA,开始下一轮合成反应。
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细菌中肽链延伸的第二步反应：肽链的生成 移位
肽键延伸过程中最后一步反应是移位，即核糖体向mRNA 3'端方向移动一个密码子。此时，仍与第二个密码子相结合的二肽酰-tRNA2从A位点进入P位点，去氨酰tRNA被挤入E位点，mRNA上的第三位密码子则对应于A位点。EF-G是移位所必需的蛋白质因子，移位的能量来自另一分子GTP水解。
肽链的终止
肽链的延伸过程中，当终止密码子UAA,UAG,或UGA出现在核糖体的A位点时，没有相应的AA-tRNA能与之结合，而释放因子( release factor,RF)能识别这些密码子并与之结合，水解P位点上多肽链与tRNA之间的二脂键。
释放因子有两类:Ⅰ类释放因子，Ⅱ类释放因子
蛋白质前体的加工
1，N端fMet或Met的切除
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左：新生蛋白质在去掉N端一部分残基后变成变成有功能的蛋白质；右：某些病毒或细菌可合成无活性的多聚蛋白质，经蛋白酶切割后成为有活性的蛋白质。 2，二硫键的形成
mRNA中没有胱氨酸的密码子，而不少蛋白质都好有二硫键，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作用。
3，特定氨基酸的修饰
氨基酸侧链的修饰作用包括磷酸化，糖基化，甲基化，乙酰化，泛素化，羟基化，羧基化。
4，切除新生肽链中的非功能片段
蛋白质的折叠
。。。有些蛋白质只有在另一些蛋白质存在的情况下才能正确完成折叠过程，形成功能蛋白质。分子伴侣(molecular chaperone)是目前研究比较多的能够在细胞内辅助新生肽链正确折叠的蛋白质。它是一类序列上没有相关性但有共同功能的保守性蛋白质，它们在细胞内能帮助其他多肽进行正确的折叠，组装，运转和降解。目前认为细胞内至少有两类分子伴侣家族，即热休克蛋白(heat shock protein)家族和伴侣素( chaperonin)
蛋白质合成的抑制剂
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，如5-甲基色氨酸，环己亚胺，白喉毒素，干扰素，蓖麻蛋白和其他核糖体灭活蛋白等都能抑制蛋白质的合成。
蛋白质的运转机制
核糖体是真核生物细胞内合成蛋白质的场所，几乎在任何时候，都有数以百计或千计的蛋白质离开核糖体并被运输到细胞质基质，细胞核，线粒体，内质网和溶酶体，叶绿体等各个部分，补充和更新细胞功能。
蛋白质运转可分为两大类：若某个蛋白质的合成和运转是同时发生的，则属于翻译运转同步机制；若蛋白质从核糖体上释放后才发生运转，则属于翻译后运转机制。如下表，分泌蛋白大多是以翻译-运转同步机制运输的。
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蛋白质合成和运转过程示意图 翻译-运转同步机制
信号肽假说：这一假说认为，蛋白质跨膜运转信号也是由mRNA编码的。在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域，这个氨基酸序列被称为信号肽( single peptide)。信号序列在结合核糖体上合成后便与膜上特定受体相互作用，产生通道，允许这段多肽在延长的同时穿过膜结构，因此，这种方式是边翻译边跨膜运转。
绝大部分被运入内质网的蛋白质都带有一个信号肽，该序列常常位于蛋白质的氨基末端，长度一般为13~36个残基，有如下3个特点：1，一般带有10~15个疏水氨基酸；2，在靠近该序列N端常常有1个或数个带正电荷的氨基酸；3，在其C末端靠近蛋白酶切割位点处常常有数个极性氨基酸，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)。
根据信号肽假说，同细胞质基质中其他蛋白质的合成一样，分泌蛋白的生物合成开始于结合核糖体，当翻译进行到50~70个氨基酸残基之后，信号肽开始从核糖体的大亚基露出，被糙面内质网膜上的受体识别，并与之相结合。信号肽过膜后被内质网腔的信号肽酶水解，正在合成的新生肽随之通过蛋白孔道穿越疏水的双层磷脂。一旦核糖体移到mRNA的"终止"密码子，蛋白质合成即告完成，翻译体系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖体重新处于自由状态。
关于信号肽：
1，完整的信号肽是保证蛋白质运转的必要条件
2，仅有信号肽还不足以保证蛋白质运转的发生
3，信号肽的切除并不是运转所必须的
4，并非所有的运转蛋白质都有可降解信号肽
下图中：SRP：signal relognition particle,信号识别颗粒。DP：停靠蛋白docking protein,又称SRP受体。SRP能同时识别正在合成需要通过内质网膜进行运转的新生肽和自由核糖体，它与这类核糖体上新生蛋白的信号肽结合是多肽正确运转的前提，但同时也导致了该多肽合成的暂时终止(此时新生肽一般长70和残基左右)。SRP-信号肽-多核糖体复合物即被引向内质网膜并与SRP的受体——DP相结合。
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图片发自App 翻译后运转机制：
线粒体DNA信息含量有限，大部分线粒体蛋白质都是由核DNA编码的。在自由核糖体上合成。通过翻译后运转机制
核定位蛋白的运转机制：
泛素化修饰介导的蛋白质降解：
泛素(ubiquitin)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(从酵母和人细胞中提取的泛素几乎是完全相同的!)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，在该过程中，泛素C端甘氨酸残基通过酰胺键与底物蛋白的赖氨酸残基的ε氨基结合。在蛋白质分子的一个位点上可结合单个或多个泛素分子。
泛素化修饰涉及泛素激活酶E1，泛素结合酶E2和泛素连接酶E3等3个酶的级联反应：首先在ATP提供能量的情况下，泛素激活酶E1黏附在泛素分子尾部的Cys(半胱氨酸)残基上激活泛素，E1酶再将激活的泛素分子转移到泛素结合酶E2上，再由E2酶和一些种类不同的泛素连接酶E3酶共同识别靶蛋白，对其进行泛素化修饰。根据E3与靶蛋白的相对比例可以对靶蛋白进行单泛素化修饰和多泛素化修饰。E3酶的外形就像一个夹子，将靶蛋白固定在中间的空隙内。蛋白质被泛素化以后，被标记的蛋白质常被运送到相对分子质量高达1*10^6的蛋白降解体系中直到该蛋白被完全降解。蛋白质的泛素化修饰是翻译后修饰的一种常见形式。
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图片发自App 蛋白质的SUMOylation
蛋白质的NEDDylation
蛋白质的一级结构对蛋白质稳定性的影响
【分子生物学2】成熟蛋白N端的第一个氨基酸(除已被切除的N端甲硫铵酸之外，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。当某个蛋白质的N端是甲硫铵酸，甘氨酸，丙氨酸，丝氨酸，苏氨酸和缬氨酸时，表现稳定。其N端为赖氨酸，精氨酸时，表现最不稳定，平均2~3min就被降解了。
原核基因表达调控
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