1.3.3 分子生物学基础3-生物体内的蛋白质的如何形成的-基因表达的翻译和调控在线视频

同学们 现在我们讲解

分子生物学最后的部分

翻译以及调控

翻译是在核糖体中进行的

以20种氨基酸为原料

以mRNA为模板

以tRNA为运载工具

以三联体密码为翻译语言

包含起始 延伸和终止三个主要步骤

合成后加工成为有活性的蛋白质

蛋白质的合成方向为氮端到碳端

遗传密码的证实在生物学发展史上

是惊天动地的大事件

不仅为提出中心法则做了准备

而且为基因表达提供了理论基础

为基因工程奠定了技术基础

克里克花了15年参与遗传密码的研究

他的论文一半都是与遗传密码有关

在实验室中他曾经对同事说

现在世界上只有我们两个人知道

遗传密码是三联的

大家能想象得到当时的场景吗

伟大的科学家

得到了伟大的发现时的兴奋与激动

后来多位科学家

通过人工合成多种寡核苷酸

作为模板RNA

建立无细胞翻译系统

以及核糖体结合技术

这三方面的技术进步

破译了三联遗传密码

遗传密码是指mRNA链上

三个连续的核苷酸决定一个特定的氨基酸

mRNA上特定的核苷酸序列

对应蛋白质链上特定的氨基酸序列

遗传密码有以下特点

首先遗传密码是连续的 没有逗号

不能跳过mRNA中任何核苷酸

第二 mRNA以密码子为单位

连续阅读

任何核苷酸在编码一个肽链时

不能重叠使用

第三 遗传密码在生物界是共同语言

不同生物使用相同的遗传密码

这也是基因工程在一个物种中

表达其他物种的外源基因的基础

第四 遗传密码具有简并性

除了甲硫氨酸的密码子是AUG

色氨酸的密码子是UGG之外

其他每个氨基酸都有多个密码子

这就是密码子的简并性

同一氨基酸的不同密码子又称为同义密码子

不同物种在密码子的选择上有偏好

在基因工程上表达外源基因时

也要考虑到宿主细胞的密码子偏好

最后要求大家牢记的是

起始密码子和三个终止密码子

大多数情况下

无论原核生物还是真核生物

都使用AUG作为起始密码子

在64个遗传密码中

有三个终止密码子

不对应相应的tRNA

无论原核生物还是真核生物

在翻译开始之前

有两个准备工作需要进行

第一个是tRNA负载

mRNA密码子识别的是

tRNA的反密码子环

而不是被携带的氨基酸

所以tRNA的氨酰化

是氨基酸参与蛋白质生物合成的活化过程

首先 氨基酸和ATP

反应形成活化的氨基酸中间体

然后 氨基酸从中间体

转移到tRNA的3’末端

在氨基酸的羧基与tRNA3’末端

最后一个核苷酸残基的羟基之间连接

每种氨基酸有一种氨基酸 tRNA合成酶

可以识别一种氨基酸的

几种不同的同工tRNA

同工tRNA结合的氨基酸一样

但是反密码子不同

第二个准备工作核糖体大小亚基

需要在翻译起始因子的协助下解离

暴露mRNA和tRNA结合位点

核糖体大小亚基通过23S rRNa

和16S rRNA一部分序列互补而结合

两个亚基之间形成空腔

中间有许多连接的桥

完整的核糖体包含两个能嵌入

tRNA分子的空位

一个是能嵌入氨酰tRNA的A位点

一个是能嵌入肽酰tRNA的P位点

原核生物的肽链合成起始于30S亚基

整个起始过程经历了三个步骤

首先 mRNA的5’末端

与16S核糖体RNA3’末端互补

通过核糖体结合序列中的SD序列

的碱基互补来结合到核糖体上

第二 tRNA携带起始的甲硫氨酸

结合到核糖体的P位点

第三 形成70S起始复合物

真核生物翻译起始有几点与原核不同

第一 真核生物的翻译起始于甲硫氨酸

而不是甲酰化的甲硫氨酸

第二真核生物mRNA不含有SD序列

不能依靠SD序列决定什么位置开始翻译

所以在真核生物当中

核糖体小亚基先于tRNA结合

再通过帽子结合蛋白

与mRNA的5’末端帽子结合

在mRNA上滑动搜索

找到起始密码子AUG

随后大小亚基合并 开始翻译

延伸阶段在原核和真核细胞中大致相似

肽链合成的延伸是指

第二个和以后的密码子编码的氨基酸

进入核糖体并形成肽键的过程

这个过程有三个步骤

第一步 进位反应

是延伸的开始步骤

起始tRNA已经进入P位点

需要另一个氨酰 tRNA

按照mRNA密码子上的要求进入A位点

第二步 转位反应和肽键的形成

催化这一步骤的酶是肽酰转移酶

核糖体大亚基中的23S rRNA

来完成这一工作

这又是一个核霉

把P位点中的氨基酸

从它的tRNA转移到A位点的氨酰tRNA上

形成了肽键

此时 多肽在A位点

P位点是不荷载氨基酸的tRNA

第三步 移位反应

是tRNA和mRNA相对于核糖体

移动一个密码子

移位之后二肽酰tRNA移到P位点

A位点空载

准备接收下一个氨酰tRNA

经过上述三个步骤

完成第一个循环形成第一个肽键

然后进入第二个循环

翻译的延伸反应时一系列循环的过程

直到A位点上出现终止密码子

释放因子参与翻译的终止

核糖体大小亚基分离开始下一轮翻译

新生多肽链不具备蛋白质活性

需要进行剪切 折叠 修饰等后加工过程

才能运输到相应细胞结构中去

真核生物的翻译后加工

比原核生物要复杂的多

这也是我们在基因工程操作中

需要考虑到的问题

基因表达的调控是多层次多方面的

尤其是真核生物的表达调控

非常复杂而且没有太共同的规律

所以我们就以原核生物的乳糖操纵子为例

讲一下原核生物最基本的调控模型

乳糖操纵子在基因工程中

有非常广泛的应用

需要大家掌握好

大肠杆菌在有葡萄糖作为碳源的时候

是不会利用乳糖的

一旦葡萄糖耗尽

生长停止一段时间后会继续生长

这就是大肠杆菌的二次生长现象

为什么发生这一现象呢

我们来看看乳糖操纵子是怎么工作的

首先乳糖操纵子一般是关闭的

在结构基因的上游存在着调控基因

其表达产物是阻遏蛋白

可以结合在结构基因的启动子

和结构基因之间的操纵基因上

这样一来RNA聚合酶的工作就受到影响

不能开始转录

一旦细胞里面有了诱导物

阻遏蛋白就与诱导物结合

转录就可以进行了

这个诱导物可以是乳糖

也可以是不被消耗的其他物质

比如基因工程实验中常用的IPTG

转录进行后

表达出一系列降解乳糖的酶

乳糖被迅速降解掉

阻遏蛋白可以重新结合在操纵基因上

结构基因关闭

这叫做负反馈

乳糖操纵子就像停在车库里的汽车

需要使用它时

我们必须松掉刹车

但是仅仅没有刹车是不行的

汽车以怠速行使依然非常缓慢

需要给它一个油门

乳糖操纵子的启动子是个弱启动子

即使没有阻遏蛋白

起始转录能力也非常低

这就需要一个

分解代谢产物基因激活蛋白CAP

这就是乳糖操纵子的油门

这个蛋白的活性是受到葡萄糖浓度影响的

含有葡糖糖的时候

Cap是没有活性的

没有葡萄糖的情况下

cAMP形成 激活Cap

结合在启动子上游

使得转录效率提高50倍

好了

关于基因工程的分子生物学基础

就讲到这里

希望大家常常复习

牢固掌握基础知识

才能更好地指导我们在基因工程上的学习