生物化學(xué)第十八章遺傳密碼

1、一、一、DNA是遺傳信息的攜帶者是遺傳信息的攜帶者（一）細(xì)胞含有（一）細(xì)胞含有恒定量的恒定量的DNA DNA含量含量不受不受外界環(huán)境外界環(huán)境、營養(yǎng)條件營養(yǎng)條件 和和細(xì)胞本身代謝狀態(tài)細(xì)胞本身代謝狀態(tài)的影響的影響 DNA含量含量與生物與生物機(jī)體的復(fù)雜性機(jī)體的復(fù)雜性有關(guān)有關(guān) C值矛盾值矛盾（重復(fù)序列、染色體外基因、細(xì)胞器基因（重復(fù)序列、染色體外基因、細(xì)胞器基因）（二）（二）DNA是細(xì)菌的轉(zhuǎn)化因子是細(xì)菌的轉(zhuǎn)化因子二、遺傳密碼的破譯二、遺傳密碼的破譯 4種堿基如何對應(yīng)種堿基如何對應(yīng)20種基本氨基酸？種基本氨基酸？ 1個堿基對應(yīng)一種個堿基對應(yīng)一種AA 4 2個堿基對應(yīng)一種個堿基對應(yīng)一種AA 16 3個堿基

2、對應(yīng)一種個堿基對應(yīng)一種AA 64密碼子為三聯(lián)體密碼子為三聯(lián)體插入插入/缺失核苷酸的突變體實(shí)驗(yàn)證明：缺失核苷酸的突變體實(shí)驗(yàn)證明： 三聯(lián)體密碼的正確性三聯(lián)體密碼的正確性 非重疊性非重疊性 連續(xù)性（無標(biāo)點(diǎn)符號）連續(xù)性（無標(biāo)點(diǎn)符號）Nirenberg均聚核苷酸實(shí)驗(yàn)均聚核苷酸實(shí)驗(yàn) Poly U 指導(dǎo)指導(dǎo)Phe的合成的合成 Poly C 指導(dǎo)指導(dǎo)Pro的合成的合成 Poly A 指導(dǎo)指導(dǎo)Lys的合成的合成 Poly G 易形成多股螺旋易形成多股螺旋 高濃度的高濃度的Mg2+使密碼子的閱讀起點(diǎn)為任意使密碼子的閱讀起點(diǎn)為任意 2/3種核苷酸的共聚物為模板種核苷酸的共聚物為模板Poly UG：UUU UUG U

3、GU GUUGUG GGU UGG GGG八種不同的三聯(lián)體八種不同的三聯(lián)體可根據(jù)底物的比例計(jì)算：可根據(jù)底物的比例計(jì)算：三聯(lián)體出現(xiàn)的頻率（標(biāo)記三聯(lián)體出現(xiàn)的頻率（標(biāo)記AA摻入頻率）摻入頻率）可確定可確定20種種AA密碼子組成，但排列順序未知密碼子組成，但排列順序未知 核糖體結(jié)合技術(shù)直接測定三聯(lián)體對應(yīng)的核糖體結(jié)合技術(shù)直接測定三聯(lián)體對應(yīng)的AA人工合成三核苷酸取代人工合成三核苷酸取代 mRNA無無GTP時不能合成時不能合成Pr三聯(lián)體及對應(yīng)的氨酰三聯(lián)體及對應(yīng)的氨酰tRNA結(jié)合于核糖體結(jié)合于核糖體反應(yīng)混合物通過硝酸纖維素膜留在膜上反應(yīng)混合物通過硝酸纖維素膜留在膜上 利用化學(xué)合成和酶促合成法的結(jié)合利用化學(xué)合成

4、和酶促合成法的結(jié)合UGUGUGUGUGUGUGUUGUGUGUGUGUGUGUUGUGUGUGUGUGUGUUGUGUGUGUGUGUGUUGU：Cys GUG：Val聚二核苷酸聚二核苷酸UUCUUCUUCUUCUUCUUC Phe Phe Phe Phe Phe PheUUCUUCUUCUUCUUCUUC Ser Ser Ser Ser SerUUCUUCUUCUUCUUCUUC Leu Leu Leu Leu Leu聚三核苷酸聚三核苷酸UUAC UUAC UUAC UUAC Leu Leu Thr Tyr UUA和和CUU：Leu ACU：Thr UAC: Tyr 聚四核苷酸聚四核苷酸三、

5、遺傳密碼的基本特性三、遺傳密碼的基本特性（1）簡并性簡并性（degeneracy） 一種一種AA有有2個或以上的密碼子個或以上的密碼子 同義密碼子同義密碼子 對應(yīng)于同一種對應(yīng)于同一種AA的不同密碼子的不同密碼子 Met 和和Trp僅一個密碼子僅一個密碼子 簡并性的生物意義在于減少有害突變簡并性的生物意義在于減少有害突變64個密碼子個密碼子 20個有意義、個有意義、44個無意義個無意義突變使肽鏈合成突變使肽鏈合成提前終止提前終止的概率大大提高的概率大大提高三個終止密碼子：三個終止密碼子：UAA、UAG、UGA 堿基的改變?nèi)杂锌赡芫幋a原來的堿基的改變?nèi)杂锌赡芫幋a原來的AA（2）變偶性變偶性（wob

6、ble）I：A、U、C“三配二三配二”反密碼子第反密碼子第1位與密碼子第位與密碼子第3位的位的任意任意4種堿基配對。種堿基配對。（3）密碼）密碼通用性通用性和和變異性變異性 生物界有共用的一套遺傳密碼生物界有共用的一套遺傳密碼 線粒體線粒體DNA具有獨(dú)特的編碼方式具有獨(dú)特的編碼方式 tRNA識別兩個或四個密碼子識別兩個或四個密碼子 2個：密碼子第三位為個：密碼子第三位為A/G、C/U 4個：密碼子第三位為個：密碼子第三位為A/U/C/G 線粒體中線粒體中Met具有具有 個密碼子？個密碼子？ 特定生物細(xì)胞特定生物細(xì)胞基因組密碼基因組密碼出現(xiàn)變異出現(xiàn)變異 UGA：Trp UAA/UAG： Gln

7、密碼子含義的變化密碼子含義的變化 大腸桿菌中大腸桿菌中GUG（Val）和）和UUG（Leu） 作為起始密碼子作為起始密碼子 翻譯過程摻入修飾翻譯過程摻入修飾AA 第第21個氨基酸個氨基酸（大腸桿菌中）（大腸桿菌中） 一類低豐度的絲氨酸一類低豐度的絲氨酸t(yī)RNA 識別識別ORF中的中的UGA絲氨酸絲氨酸t(yī)RNA攜帶攜帶Ser后后經(jīng)酶催化生成硒代半胱氨酸經(jīng)酶催化生成硒代半胱氨酸識別特定的二級結(jié)構(gòu)（識別特定的二級結(jié)構(gòu)（插入序列）插入序列）將將摻入蛋白質(zhì)摻入蛋白質(zhì)（4）密碼）密碼的防錯系統(tǒng)的防錯系統(tǒng) 密碼子密碼子第第2位位決定決定AA的極性的極性 U：非極性、疏水和支鏈的：非極性、疏水和支鏈的AA C

8、：非極性或不帶電荷的極性側(cè)鏈：非極性或不帶電荷的極性側(cè)鏈 A/G：親水性：親水性 A/C A/G 第第3位可以為任意堿基：位可以為任意堿基： 具有可解離極性側(cè)鏈的堿性具有可解離極性側(cè)鏈的堿性AA （AGN：酸性親水側(cè)鏈：酸性親水側(cè)鏈AA） 密碼子密碼子第第3位位決定決定簡并性簡并性 密碼子中一個堿基的置換導(dǎo)致：密碼子中一個堿基的置換導(dǎo)致：編碼相同的編碼相同的AA理化性質(zhì)接近的理化性質(zhì)接近的AA四、蛋白質(zhì)的生物合成四、蛋白質(zhì)的生物合成 合成場所：核糖體合成場所：核糖體 原料：原料：AA、tRNA 、mRNA 、rRNA 其他蛋白因子、其他蛋白因子、ATP、GTP 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（一）蛋白質(zhì)

9、合成的分子基礎(chǔ)（一）蛋白質(zhì)合成的分子基礎(chǔ)1、模板是模板是mRNA 含有密碼子含有密碼子 閱讀方向閱讀方向5到到3 起始密碼和終止密碼起始密碼和終止密碼 3端：真核生物有端：真核生物有PolyA尾巴尾巴 5端：決定起始密碼的選擇端：決定起始密碼的選擇原核生物原核生物mRNA 5端的端的SD序列序列識別識別16S rRNA核糖體結(jié)合位點(diǎn)序列核糖體結(jié)合位點(diǎn)序列 真核生物真核生物 5端有端有核糖體進(jìn)入部位核糖體進(jìn)入部位 帽子結(jié)構(gòu)幫助識別帽子結(jié)構(gòu)幫助識別 向向3掃描至掃描至AUG2、tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)活化的轉(zhuǎn)運(yùn)活化的AA到模板上到模板上 每種每種AA都都至少有一種至少有一種tRNA負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn) 書寫方式：

10、書寫方式：tRNAPhe、 tRNASer 通常一種通常一種AA具有幾種具有幾種tRNASee movietRNA分子具有：分子具有： 3CCA-OH氨基酸接受位點(diǎn)氨基酸接受位點(diǎn) 識別氨酰識別氨酰-tRNA合成酶位點(diǎn)合成酶位點(diǎn) 核糖體識別位點(diǎn)核糖體識別位點(diǎn) 反密碼子位點(diǎn)反密碼子位點(diǎn)Cys*半胱氨酰半胱氨酰tRNA合成酶合成酶tRNACys半胱氨酰半胱氨酰* - tRNACys丙氨酰丙氨酰* - tRNACysAla插入蛋白中插入蛋白中Cys的位置的位置形成氨酰形成氨酰tRNA后去向由后去向由tRNA決定決定3、核糖體是蛋白質(zhì)合成的工廠核糖體是蛋白質(zhì)合成的工廠（二）蛋白質(zhì)合成的步驟（二）蛋白質(zhì)合

11、成的步驟1、氨酰氨酰tRNA的生成的生成氨酰氨酰tRNA合成酶合成酶氨酰氨酰AMP形成形成2形式的酯形式的酯氨?；鶊F(tuán)在氨?；鶊F(tuán)在2 3間交換間交換形成形成3形式的酯形式的酯形成形成3形式的酯形式的酯2、氨酰氨酰tRNA合成酶合成酶識別：識別：AA、tRNA 、ATP型和型酶3、氨酰氨酰tRNA合成酶的校正功能合成酶的校正功能 水解非正確組合的水解非正確組合的AA和和tRNA 異亮氨酰異亮氨酰 tRNAIle 纈氨酰纈氨酰 tRNAVal纈氨酰纈氨酰 tRNAIle則被水解：則被水解：纈氨酸纈氨酸+ tRNAIle4、一個特殊的一個特殊的tRNA啟動蛋白的合成啟動蛋白的合成 翻譯起始于翻譯起始于

12、Met的參與的參與 tRNAMet：攜帶：攜帶Met摻入蛋白內(nèi)部摻入蛋白內(nèi)部 tRNAiMet ：起始：起始Met 摻入摻入 由同一種由同一種tRNA合成酶合成合成酶合成 起始因子識別起始因子識別tRNAiMet 延伸因子識別延伸因子識別tRNAMet原核生物中的甲酰原核生物中的甲酰Met fMet - tRNAiMet5、翻譯起始于翻譯起始于mRNA與核糖體的結(jié)與核糖體的結(jié)合合 原核生物借助原核生物借助SD序列序列6、蛋白因子幫助合成的起始蛋白因子幫助合成的起始 原核生物原核生物（大腸桿菌）（大腸桿菌） 三個起始因子（三個起始因子（initiation factor） IF1、IF2、IF3

13、 真核生物真核生物IF1、 IF3與與30S小亞基結(jié)合小亞基結(jié)合 IF3防止防止30S亞基與亞基與50S亞基過早結(jié)合亞基過早結(jié)合mRNA與小亞基結(jié)合與小亞基結(jié)合 fMet tRNAiMet進(jìn)入進(jìn)入50S大亞基的結(jié)合大亞基的結(jié)合 A：aminoacyl site P：peptide site E：exit site（大部分在大亞基上）（大部分在大亞基上）7、蛋白合成的延伸（蛋白合成的延伸（elongation）延伸因子延伸因子EF-Tu EF-Ts真核：真核：EF-1進(jìn)位進(jìn)位轉(zhuǎn)肽：肽酰轉(zhuǎn)移酶（核糖體參與催化）轉(zhuǎn)肽：肽酰轉(zhuǎn)移酶（核糖體參與催化）移位：移位：EF-G（EF-2）8、翻譯的終止（、翻譯

14、的終止（terminate） 沒有識別終止密碼子的沒有識別終止密碼子的tRNA 釋放因子釋放因子 核糖體釋放因子核糖體釋放因子肽酰轉(zhuǎn)移酶活性變?yōu)轷ッ富钚噪孽＾D(zhuǎn)移酶活性變?yōu)轷ッ富钚訰F1：UAA/UAGRF2：UGARF3：刺激活性：刺激活性多核糖體（多核糖體（polysome）多核糖體與核糖體循環(huán)多核糖體與核糖體循環(huán)合成完畢合成完畢的肽鏈的肽鏈多核糖體多核糖體3mRNA延伸中的肽鏈延伸中的肽鏈5核糖體循環(huán)核糖體循環(huán)9、蛋白質(zhì)合成的抑制劑、蛋白質(zhì)合成的抑制劑抗菌素抗菌素（antibiotics）毒素毒素抗代謝物抗代謝物干擾素干擾素（1 1）抗菌素）抗菌素鏈霉素、卡那霉素、新霉素鏈霉素、卡那霉素、

15、新霉素 主要抑制主要抑制G G- -菌菌PrPr合成三個階段：合成三個階段：起始起始復(fù)合物形成復(fù)合物形成使氨基酰使氨基酰tRNAtRNA從復(fù)合物脫落；從復(fù)合物脫落；肽鏈肽鏈延伸延伸階段階段使氨基酰使氨基酰tRNAtRNA與與mRNAmRNA錯配；錯配；終止終止階段階段阻礙終止因子與核蛋白體結(jié)合，阻礙終止因子與核蛋白體結(jié)合， 已合成的多肽鏈無法釋放，已合成的多肽鏈無法釋放， 抑制抑制70S70S核糖體的解離核糖體的解離四環(huán)素（土霉素、金霉素）四環(huán)素（土霉素、金霉素）作用于細(xì)菌作用于細(xì)菌30S小亞基，抑制起始復(fù)合物形成小亞基，抑制起始復(fù)合物形成抑制氨酰抑制氨酰tRNA進(jìn)入核糖體進(jìn)入核糖體A位，阻滯

16、肽鏈延伸；位，阻滯肽鏈延伸；影響終止因子與核糖體的結(jié)合影響終止因子與核糖體的結(jié)合四環(huán)素類抗生素對真核細(xì)胞核糖體也有抑制四環(huán)素類抗生素對真核細(xì)胞核糖體也有抑制但不能通過真核生物細(xì)胞膜但不能通過真核生物細(xì)胞膜對對70S核糖體的敏感性更高核糖體的敏感性更高氯霉素氯霉素廣譜抗生素廣譜抗生素與核糖體與核糖體A位緊密結(jié)合，阻礙氨基酰位緊密結(jié)合，阻礙氨基酰tRNA進(jìn)入進(jìn)入抑制抑制肽酰轉(zhuǎn)移酶肽酰轉(zhuǎn)移酶活性，肽鏈延伸受到影響活性，肽鏈延伸受到影響50S大亞基蛋白組分（2 2）毒素）毒素白喉霉素白喉霉素共價修飾使共價修飾使EF-2失活失活一條多肽單鏈，一條多肽單鏈，2個二硫鍵，個二硫鍵，2個結(jié)構(gòu)域個結(jié)構(gòu)域 結(jié)構(gòu)域

17、與細(xì)胞表面受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域與細(xì)胞表面受體結(jié)合毒素蛋白水解斷裂毒素蛋白水解斷裂二硫鍵還原，產(chǎn)生二硫鍵還原，產(chǎn)生A、B兩片段：兩片段：B協(xié)助協(xié)助A通過細(xì)胞膜，通過細(xì)胞膜，A為蛋白修飾酶為蛋白修飾酶催化蛋白發(fā)生催化蛋白發(fā)生ADP-核糖基化核糖基化（3 3）抗代謝物）抗代謝物 結(jié)構(gòu)與天然代謝物相似結(jié)構(gòu)與天然代謝物相似 競爭性抑制代謝中酶競爭性抑制代謝中酶/ /反應(yīng)反應(yīng)嘌呤霉素嘌呤霉素結(jié)構(gòu)與Tyr-tRNA Tyr相似，進(jìn)入核糖體A位連于肽鏈的C端，形成肽酰嘌呤霉素，容易脫落，肽鏈合成提前終止嘌呤霉素對原嘌呤霉素對原/真核生物翻譯過程均有干擾真核生物翻譯過程均有干擾用于腫瘤治療 （4）干擾素（）干擾素（i

18、nterferon，IFN） 病毒感染的宿主細(xì)胞產(chǎn)生病毒感染的宿主細(xì)胞產(chǎn)生 白細(xì)胞（白細(xì)胞（）、成纖維（）、成纖維（）、免疫（）、免疫（）干擾素結(jié)合于細(xì)胞膜，活化抗病毒蛋白基因干擾素結(jié)合于細(xì)胞膜，活化抗病毒蛋白基因誘導(dǎo)產(chǎn)生：誘導(dǎo)產(chǎn)生：蛋白激酶蛋白激酶使使eIF2磷酸化失活；磷酸化失活；25腺嘌呤寡聚核苷酸合成酶腺嘌呤寡聚核苷酸合成酶25A激活激活磷酸二酯酶磷酸二酯酶水解水解mRNA 真核和原核細(xì)胞參與翻譯的蛋白質(zhì)因子真核和原核細(xì)胞參與翻譯的蛋白質(zhì)因子階段階段原核原核 真核真核 功功 能能IF1IF2 eIF2 參與起始復(fù)合物的形成參與起始復(fù)合物的形成IF3 eIF3、eIF4C起始起始CBP

19、I 與與mRNA帽子結(jié)合帽子結(jié)合 eIF4A B F 參與尋找第一個參與尋找第一個AUGeIF5 協(xié)助協(xié)助eIF2 、 eIF3、eIF4C的釋放的釋放eIF6 協(xié)助協(xié)助60S亞基從無活性的核糖體上解離亞基從無活性的核糖體上解離EF-Tu eEF1 協(xié)助氨酰協(xié)助氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體進(jìn)入核糖體延長延長EF-Ts eEF1 幫助幫助EF-Tu 、 eEF1 周轉(zhuǎn)周轉(zhuǎn) EF-G eEF2 移位因子移位因子RF-1終止終止 eRF 釋放完整的肽鏈釋放完整的肽鏈RF-2五、蛋白質(zhì)的運(yùn)輸及翻譯后修飾五、蛋白質(zhì)的運(yùn)輸及翻譯后修飾1、真核細(xì)胞核糖體比原核細(xì)胞核糖體更大更復(fù)雜；2、起始氨基酸為Met，不是f

20、Met；3、肽鏈合成的起始：由40S核糖體亞基首 先識別mRNA的5端-帽子，然后沿mRNA移動尋找AUG；4、起始因子有12種，但只有2種延長因子和1種終止因子；5、真核細(xì)胞中線粒體、葉綠體的核糖體大小、組成及蛋白質(zhì)合成過程都類似于原核細(xì)胞。 肽鏈折疊是指從多肽鏈的氨基酸序列形成具肽鏈折疊是指從多肽鏈的氨基酸序列形成具有正確三維空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的過程。有正確三維空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的過程。 體內(nèi)多肽鏈的折疊目前認(rèn)為至少有兩類蛋白體內(nèi)多肽鏈的折疊目前認(rèn)為至少有兩類蛋白質(zhì)參與，稱為助折疊蛋白質(zhì)參與，稱為助折疊蛋白: （1）酶：蛋白質(zhì)二硫酶：蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶鍵異構(gòu)酶（PDI）； （2）分子伴侶分子伴侶 Lasky于于1978年首先提出分子伴侶（年首先提出分子伴侶（mulecular chaperone）的概念，這是一類在細(xì)胞內(nèi)能幫助新生肽）的概念，這是一類在細(xì)胞內(nèi)能幫助新生肽鏈正確折疊與裝配組裝成為成熟蛋白質(zhì)，但其本身并鏈正確折疊與裝配組裝成為成熟蛋白質(zhì)，但其本身并不構(gòu)成被介導(dǎo)的蛋白質(zhì)組成部分的一類蛋白因子，在不構(gòu)成