遺傳密碼和遺傳信息的翻譯系統(tǒng)

1、第十四章 遺傳密碼和遺傳信息的翻譯系統(tǒng) 第一節(jié) 遺傳密碼的破譯 一. 遺傳密碼的試拼1954年G.Gamov對破譯密碼首先提出了設想若一種堿基對應與一種氨基酸，那么只可能產(chǎn)生4種氨基酸;若2 個堿基編碼一種氨基酸的話，4種堿基共有42=16種不同的排列組合;3個堿基編碼一種氨基酸，經(jīng)排列組合可產(chǎn)生43=64種不同形式若是四聯(lián)密碼，就會產(chǎn)生44=256種排列組合。三聯(lián)密碼的證實。1961年Crick和Brenner.S等證實了三聯(lián)密碼的真實性。他們用T4染色體上的一個基因（r位點）通過用原黃素（proflavin）處理，可以使DNA脫落或插入單個堿基，插入叫“ 加字”突變，脫落叫“ 減字”突變.

2、無論加字和減字都可以引起移碼突變。Crick小組用這種方法獲得一系列的T4“加字”和“減字”突變，再進行雜交來獲得加入或減少一個，二個，三個的不同堿基數(shù)的系列突變。它們只能在B菌株上生長形成噬菌斑開始用原黃素誘導的突變稱FCO，他們再用原黃素誘導產(chǎn)生回復突變，在E.coli K（）菌株中出現(xiàn)了噬菌斑。用遺傳學的方法和野生型雜交發(fā)現(xiàn)它們并不是真正的野生型。校正突變（A suppressor mutation）抵消或抑制了前一次突變的效應，校正突變的特點如下：(1) 校正突變是在第一次突變不同位點將它抵消的。因此原來的突變可以通過野生型和回復突變型之間的雜交又恢復為突變型； (2) 校正突變可能發(fā)

3、生相同的基因中，抑制原來的突變（如剛舉的例子），稱基因內抑制，或發(fā)生在不同的基因中稱基因外抑制。 (3) 不同的抑制可能作用的方式不同。如有的抑制是在轉錄和翻譯水平，有的可能是通過細胞生理功能來實現(xiàn)。三.利用突變來解讀密碼1960 A. Tsugita,H.Fraenkel-Connrat小組和H.G. Wittmann小組試圖通過用亞硝酸來對TMV進行誘變。當時根據(jù)亞硝酸誘變的原理，mRNA中的AG或CU的緣故。當時已搞清了TMV肽鏈的一級結構由158個氨基酸組成，將突變型和野生型進行比較就能確定肽鏈上氨基酸取代的位點和類型。四.無細胞系統(tǒng)的建立1961年Nirenberg建立了無細胞系統(tǒng)這

4、一新技術又是在多核苷酸磷酸化酶發(fā)現(xiàn)的基礎上建立起來的。1955 S.Ocha在細菌中分離了多核苷酸磷酸化酶（polynucleotide phosphorylase）,它催化核糖核苷二磷酸的聚合，它不需要任何DNA模板就可合成.他們的方法是: (1) 去模板：用DNAase處理E.coli抽提物，使DNA降解，除去原有的細菌模板。 (2) 加入pol U：合成了多聚苯丙氨酸，這一結果不僅證實了無細胞系統(tǒng)的成功，同時還表明UUU是苯丙氨酸的密碼子。分別加入polyA，polyC 和polyG 結果相應地獲得了多聚賴氨酸，多聚脯氨酸和多聚甘氨酸。 (3) 按比例加入種核苷混合的多聚物由于當時還未分

5、離RNA pol酶，無法按設計的模板來合成RNA，Nirenberg又想出了一種新的方法，就是按一定的堿基比例來合成RNA。比如在底物中加5份的UDP和1份的GDP，堿基比為U：G5：1，它們能組成8種三聯(lián)體： UUU，UUG，UGU，GUU， GGG，GGU，GUG，UGG。U和G將隨機地加入到三聯(lián)體中，這樣按比例各個位于上進入U和G 的概率不同，。如氨基酸測定結果：如UUU：UGG（555）:（511） 25 ： 1同理UUU：UUG 5 ：1，根據(jù)檢測結果推測:苯丙氨酸（UUU）：半胱氨酸（UGU） 5 ： 1苯丙氨酸（UUU）：纈氨酸（GUU） 5 ： 5苯丙氨酸（UUU）：甘氨酸（G

6、UU） 24 ： 1五.三聯(lián)體結合實驗1964年Nirenberg又采用三聯(lián)體結合實驗(1) tRNA和氨基酸及三聯(lián)體的結合是特異的；(2) 上述結合的復合體大分子是不能通過硝酸纖維濾膜的微孔，而tRNA- 氨基酸的復合體是可以通過的。六. 利用重復共聚物破譯密碼Khorara 采用了有機合成一條短的單鏈DNA重復順序，然后用DNA pol 1合成其互補鏈，再用RNA pol及不同的底物合成兩條重復的RNA共聚物（圖143），作為翻譯的mRNA ，加入到體外表達系統(tǒng)中，第二節(jié) 遺傳密碼的證實和特點一. 遺傳密碼的證實1966年Sterisinger等用噬菌體T4證實了遺傳密碼是完全正確的。他們

7、采用的方法跟Crick的原黃素誘發(fā)移碼突變的方法相同，使T4溶菌酶產(chǎn)生了移碼突變，根據(jù)突變后的蛋白質一級結構和野生型溶菌酶氨基酸順序進行了比較，二遺傳密碼在纖毛蟲和線粒體中的改變一. 遺傳密碼的特點(1) 遺傳密碼是三聯(lián)體密碼。(2)遺傳密碼無逗號。(3)遺傳密碼是不重迭的。(4)遺傳密碼具有通用性。(5)遺傳密碼具有簡并性(degeneracy (synonyms)。(6) 密碼子有起始密碼子和終止密碼子。(7) 反密碼子中的“ 擺動”（wobble）表示第三個堿基擺動的模式。在八成員組成的密碼子家族中，每個成員的四個密碼子意思相同，那么第三個堿基U、C、A、G對氨基酸起不到特異的作用。在七

8、個成員組成的密碼子的意思相同。第三個堿基都是Py，含U或C。在五個成員組成的密碼子家族中，每個成員的二個密碼子都是相同的，第三堿基都是Pu，含A或G 。由一個成員組成的密碼子家族中，有3個密碼子的意思相同，第三個堿基含有U、C和A。擺動假說(wobble hypothesis)是由Crick.F（1966年）提出的。即當tRNA的反密碼子與mRNA的密碼子配對時前兩對嚴格遵守堿基互補配對法則，但第三對堿基有一定的自由度可以“擺動”。擺動假說也稱為三中讀二（2 out of 3 reading）。三中讀二一般可分為三種情況：(1) 第,兩個堿基形成個氫鍵時，可三中讀二。 如，和。(2) 第1 ,

9、2兩個堿基形成4個氫鍵時,不可三中讀二。 如AAX，X 和。(3) 第，兩個堿基形成個氫鍵時, 當?shù)诙€堿基為嘧啶時，可三中讀二； 如，和。 當?shù)诙€堿基為嘌呤時則不能三中讀二， 如， ，和X。第三節(jié) tRNA的結構和功能 一. tRNA的結構 （一）三葉草型的二維結構(1)各種tRNA均含有7080個堿基，其 中22個堿基是恒定的。(2) 5端和3端配對（常為7bp）形成莖區(qū)，稱為受體臂（acceptor arm）或稱氨基酸臂 。在3端永遠是4個堿基（XCCA）的單鏈區(qū)，在其末端有2-OH或3-OH，是被氨基酰化位點。此臂負責攜帶特異的氨基酸。 （3）TC常由5bp的莖和7Nt和環(huán)組成。此臂

10、負責和核糖體上的rRNA 識別結合； (4)反密碼子臂(anticodon arm)常由5bp的莖區(qū)和7Nt的環(huán)區(qū)組成，它負責對密碼子的識別與配對。 (5)D環(huán) (D arm)的莖區(qū)長度常為4bp，也稱雙氫尿嘧啶環(huán)。負責和氨基酰tRNA聚合酶結合; (6)額外環(huán)(extra arm)可變性大，從4 Nt到21 Nt不等，其功能是在tRNA的L型三維結構中負責連接兩個區(qū)域（D環(huán)反密碼子環(huán)和TC-受體臂）。胰腺癌護理： （二） tRNA的三維結構 酵母苯丙氨酸t(yī)RNA的三級氫鍵tRNA 的堿基 堆積L型結構(2)D環(huán)和TC環(huán)形成了“ L” 的轉角。(1)氨基酸受體臂位于L型的一側，距反密碼子環(huán)約7

11、0 A(3)在一些保守和半保守的堿基之間形成很多的三級氫鍵,使分子形成L形b,并使結構穩(wěn)定。(4)使得三維結構得以形成的這些堿基配對涉及到與磷酸核糖主鏈相互作用的三級結構的磷酸二酯鍵分布在核糖的2-OH上。(5)幾乎所有的堿基平面之間產(chǎn)生堆積的作用。(6)在反密碼子莖中僅有很少的三級氫鍵。二.校正tRNA抑制基因（suppressor）或稱校正基因 （一）無義抑制（nonsense suppressor） 1. tRNA反密碼子的突變 2. tRNA其它結構的改變 （二）錯義抑制抑制突變的特點: 1.不是所有抑制基因都能產(chǎn)生有功能的蛋白質，關鍵是要看氨基酸取代的情況。 2. 校正的作用不可能是

12、完全的。 校正的tRNA分子是有限的而且還要和釋放 因子競爭； 若是錯義抑制的話，由于氨基酸發(fā)生取 代,使得蛋白質的活性有所降低。 3. 每種抑制tRNA一般都只識別UAG終止密碼子，而不再識別原來相應的密碼子。4.赭石突變抑制基因不僅可以識別赭石密碼子（UUA），也可以抑制琥珀突（Am）碼子UAG。但反過來Am抑制基因（CUA）就不能抑制赭石突變（UAA），這是由于擺動緣故所造成。5. 當細胞中含有多個tRNA拷貝時，抑制才能發(fā)揮作用。6. 有的抑制基因，不僅可以識別終止密碼子，而且還可以識別原來的密碼子。如野生型tRNATrp的反密碼子是CCA，它可以識別原來的密碼子UGG，而且還可以識別

13、終止密碼子UGA。7.校正基因一般不會影響正常的終止(1)校正基因識別的終止密碼子不一定和正常終止的密碼子相同。有時正常終止位點有兩個連續(xù)的終止密碼子，而且結構不同，如UAG-UAA；(2)釋放因子將和抑制基因競爭和終止密碼子的結合；(3)抑制基因的效率很低，通常為15%，所以常不會抑制正常終止。三. tRNA對氨基酸的識別（1） tRNA怎樣接受特定的氨基酸， 氨基酰 tRNA合成酶怎樣識別tRNA；（2） tRNA中的哪些結構和接受特定氨 基酸有關。1988年Hou Ya-ming（候雅明）和Schimmel首先取得突破。他們采用的方法是： (1) 選用E.coli (trp-)來進行研究

14、； (2) tRNA，攜帶Ala，反密碼子突變成CUA，可以 和終止密碼子UAG相配對,可校正色氨酸的琥 珀突變. (3) 用點突變的方法來改變校正tRNA（Ala）上的 各個位點，觀察對識別Ala有何影響，他們證明 了Ala tRNA的G3:U70堿基對，僅一對堿基決定了 丙氨酰tRNA合成酶與tRNA的識別。這種小元件稱為tRNA的“ identity”，或稱為副密碼子（paracodon）。表14-7 原核和真核生物核糖體的組成及功能核糖體亞基 rRNAs 蛋白 RNA的特異順序和功能 細菌 70S 50S 23S=2904b 31種(L1-L31）含CGAAC和GTCG互補2.5106D 5S=120b66%RNA 30S 16S=1542b 21種(S1-S21) 16