第四章蛋白質(zhì)合成

第四章蛋白質(zhì)合成一3/31/20231第一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日DNARNAproteintranslationtranscriptionReversetranscription翻譯(translation):包含在mRNA分子中以核苷酸順序形式排列的遺傳密碼，轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸排列順序的生化過(guò)程，也稱蛋白質(zhì)合成。第四章生物信息的傳遞(下)

------從mRNA到蛋白質(zhì)3/31/20232第二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

4.1遺傳密碼---三聯(lián)子

4.2蛋白質(zhì)生物合成體系

4.3蛋白質(zhì)合成的生物學(xué)機(jī)制

4.4蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制第四章生物信息的傳遞(下)

------從mRNA到蛋白質(zhì)3/31/20233第三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日4.1遺傳密碼---三聯(lián)子4.1.1三聯(lián)子密碼及其破譯4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)3/31/20234第四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日三聯(lián)子密碼(tripletcoden)

：簡(jiǎn)稱密碼，指mRNA上每3個(gè)核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個(gè)氨基酸，這3個(gè)核苷酸稱為密碼。4.1.1三聯(lián)子密碼及其破譯3/31/20235第五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日翻譯時(shí)，從起始密碼子開始，沿mRNA從5至3方向連續(xù)閱讀密碼子，直至終止密碼子為止，生成一條具有特定序列的多肽鏈--蛋白質(zhì)。作為基因的產(chǎn)物的蛋白質(zhì)最終是受基因控制。4.1.1三聯(lián)子密碼及其破譯3/31/20236第六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日4.1.1三聯(lián)子密碼及其破譯遺傳密碼的破譯，即確定代表每種氨基酸的具體密碼(數(shù)目和順序)。一.三個(gè)核苷酸決定一個(gè)氨基酸420(×)42=1620(×)43=6420(√)1.數(shù)學(xué)觀點(diǎn)：G.Gamov(1904-1968）

3/31/20237第七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日2.Crick,SydneyBrenner的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)化學(xué)誘變劑處理T4噬菌體DNA，DNA發(fā)生插入或缺失突變，當(dāng)連續(xù)插入或缺失三個(gè)核苷酸時(shí)，會(huì)導(dǎo)致多肽鏈中增加或缺失一個(gè)氨基酸，但序列不發(fā)生改變。3/31/20238第八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日3.病毒的mRNA煙草壞死衛(wèi)星病毒的外殼蛋白由大約400個(gè)氨基酸組成，其相應(yīng)的mRNA片段包括了1200個(gè)核苷酸。3/31/20239第九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日(1)人工RNA分子的合成1955年SeveroOchoa發(fā)現(xiàn)了多核苷酸磷酸化酶（PNP，ploynucleotidephosphorylase），在細(xì)胞內(nèi)降解RNA分子而在試管內(nèi)可催化合成RNA分子。無(wú)需DNA模板并且也與轉(zhuǎn)錄沒有關(guān)系。二、確定每種氨基酸的具體密碼1.破譯的技術(shù)基礎(chǔ)3/31/202310第十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日(2)無(wú)細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)無(wú)細(xì)胞（或體外）蛋白合成系統(tǒng)：包括蛋白合成的全部必須的細(xì)胞成分，但卻完全缺少內(nèi)源mRNA，利用人工合成的RNA分子作為信息轉(zhuǎn)譯。無(wú)細(xì)胞體系中Mg2+濃度很高，人工合成的多聚核苷酸不需起始密碼子就能指導(dǎo)多肽的生物合成，讀碼起始是隨機(jī)的。然而，在生理Mg2+條件下，無(wú)起始密碼子的多核苷酸不能被用作多肽合成的模板。

1.破譯的技術(shù)基礎(chǔ)3/31/202311第十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日2.遺傳密碼的破譯：確定每種氨基酸的具體密碼(1).以均聚物、隨機(jī)共聚物和特定序列的共聚物為模板指導(dǎo)多肽的合成(2).核糖體結(jié)合技術(shù)3/31/202312第十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日(1).以均聚物、隨機(jī)共聚物和特定序列的共聚物為模板指導(dǎo)多肽的合成制備大腸桿菌的無(wú)細(xì)胞合成體系在含DNA、mRNA、tRNA、核糖體、AA-tRNA合成酶及其他酶類的抽提物中加入DNase，降解體系中的DNA，耗盡mRNA時(shí)，體系中的蛋白質(zhì)合成即停止，當(dāng)補(bǔ)充外源mRNA或人工合成的各種均聚物或共聚物作為模板以及ATP、GTP、氨基酸等成分時(shí)又能合成新的肽鏈，新生肽鏈的氨基酸順序由外加的模板所決定。

因此，分析比較加入的模板和合成的肽鏈即可推知編碼某些氨基酸的密碼。3/31/202313第十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日(1).均聚核苷酸指導(dǎo)均聚肽的合成1967年5月27日，MarshallNirenberg和HeiurichMatthaei利用了E.Coli的無(wú)細(xì)胞蛋白合成體系首次獲得了以下結(jié)果：3/31/202314第十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日將兩種以上的核苷酸隨機(jī)地滲入來(lái)合成RNA分子，在無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中以這種比例合成的mRNA產(chǎn)生的氨基酸的比例也應(yīng)是相應(yīng)的，在無(wú)細(xì)胞蛋白合成體系中計(jì)算各種氨基酸的得出率，可以推測(cè)出密碼子的組成，從而估計(jì)氨基酸密碼子。以U.G為例，滲入比例為U(76%)和G(24%)，那么由此隨機(jī)共聚產(chǎn)生的各種三聯(lián)體的幾率和氨基酸的滲入情況如下：(2)共聚核苷酸指導(dǎo)多肽的合成3/31/202315第十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日三聯(lián)體幾率相對(duì)幾率UUU0.76×0.76×0.76=0.469100%UUG0.76×0.76×0.24=0.13931.6%UGU0.76×0.24×0.76=0.13931.6%GUU0.24×0.76×0.76=0.13931.6%UGG0.76×0.24×0.24=0.043810.0%GUG0.24×0.76×0.24=0.043810.0%氨基酸相對(duì)滲入量推算出的密碼子組合Phe100UUUVal372U.1GLeu362U.1GCys352U.1GTrp141U.2GGly121U.2G3/31/202316第十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日20種氨基酸的密碼子核苷酸組成問(wèn)題由此得到了解決，但不知密碼子的核苷酸排列順序。3/31/202317第十七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日2.核糖體結(jié)合技術(shù)1964年Nirenberg又采用三聯(lián)體結(jié)合實(shí)驗(yàn)(1)tRNA和氨基酸及三聯(lián)體的結(jié)合是特異的；(2)上述結(jié)合的復(fù)合體大分子是不能通過(guò)硝酸纖維濾膜的微孔，而tRNA-氨基酸的復(fù)合體是可以通過(guò)的。3/31/202318第十八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日3/31/202319第十九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

這個(gè)方法是以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等為模板，在含核糖體、AA-tRNA的適當(dāng)離子強(qiáng)度的反應(yīng)液中保溫，然后使反應(yīng)液通過(guò)硝酸纖維素濾膜。發(fā)現(xiàn)，游離的AA-tRNA因相對(duì)分子質(zhì)量小能自由通過(guò)濾膜，加入三核苷酸模板可以促使其對(duì)應(yīng)的AA-tRNA結(jié)合到核糖體上，體積超過(guò)膜上的微孔而被滯留，這樣就能把已結(jié)合到核糖體上的AA-tRNA與未結(jié)合的AA-tRNA分開。3/31/202320第二十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

3/31/202321第二十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

若用20種AA-tRNA做20組同樣的實(shí)驗(yàn)，每組都含20種AA-tRNA和各種三核苷酸，但只有一種氨基酸用14C標(biāo)記，看哪一種AA-tRNA被留在濾膜上，進(jìn)一步分析這一組的模板是哪個(gè)三核苷酸，從模板三核苷酸與氨基酸的關(guān)系可測(cè)知該氨基酸的密碼子。3/31/202322第二十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日M.Nirenberg&P.Leder(1964.Science145;1399)核糖體結(jié)合技術(shù)tRNAaaRibosomeNitrocellulosefilterUCU(trinucleotide)Ser-C14,Leu,Lys,Arg,…Ser,Leu-C14,Lys,Arg,…Ser,Leu,Lys-C14,Arg,………3/31/202323第二十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日Ser-C14….

Leu-C14….

Lys-C14….

Gly-C14….3/31/202324第二十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日3/31/202325第二十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日4.1遺傳密碼---三聯(lián)子

4.1.1三聯(lián)子密碼及其破譯4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)3/31/202326第二十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日按照1個(gè)密碼子由3個(gè)核苷酸組成的原則，4種核苷酸可組成64個(gè)密碼子，現(xiàn)在已經(jīng)知道其中61個(gè)是編碼氨基酸的密碼子，另外3個(gè)即UAA、UGA和UAG并不代表任何氨基酸，它們是終止密碼子，不能與tRNA的反密碼子配對(duì)，但能被終止因子或釋放因子識(shí)別，終止肽鏈的合成。4.1.2.1.密碼的簡(jiǎn)并性4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)3/31/202327第二十七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日4.1.2.1.密碼的簡(jiǎn)并性4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)3/31/202328第二十八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日因?yàn)榇嬖?1種密碼子而只有20種氨基酸，所以許多氨基酸有多個(gè)密碼子。實(shí)際上除色氨酸（UGG）和甲硫氨酸（Met）只有一個(gè)密碼子外，其他氨基酸都有一個(gè)以上的密碼子。簡(jiǎn)并(degeneracy)：由一種以上密碼子編碼同一個(gè)氨基酸的現(xiàn)象。同義密碼子(synonymouscodon)：編碼同一氨基酸的密碼子。3/31/202329第二十九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日氨基酸密碼子個(gè)數(shù)氨基酸密碼子個(gè)數(shù)丙氨酸4亮氨酸6精氨酸6賴氨酸2天門冬酰胺2甲硫氨酸1天門冬氨酸2苯丙氨酸2半胱氨酸2脯氨酸4谷氨酰胺2絲氨酸6谷氨酸2蘇氨酸4甘氨酸4色氨酸1組氨酸2酪氨酸2異亮氨酸3纈氨酸43/31/202330第三十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日同義密碼子一般都不是隨機(jī)分布的，因?yàn)槠涞谝?、第二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改變并不一定影響所編碼的氨基酸，這種安排減少了變異對(duì)生物的影響。一般說(shuō)來(lái)，編碼某一氨基酸的密碼子越多，該氨基酸在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的頻率也越高。3/31/202331第三十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)4.1.2.2密碼的普遍性與特殊性密碼的普遍性

密碼的特殊性3/31/202332第三十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日線粒體與核DNA密碼子使用情況的比較生物密碼子線粒體DNA編碼的氨基酸核DNA編碼的氨基酸所有UGA色氨酸終止子酵母CUA蘇氨酸亮氨酸果蠅AGA絲氨酸精氨酸哺乳類AGA/G終止子精氨酸哺乳類AUA甲硫氨酸異亮氨酸3/31/202333第三十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)4.1.2.3密碼子與反密碼子的相互作用在蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中，tRNA的反密碼子在核糖體內(nèi)是通過(guò)堿基的反向配對(duì)與mRNA上的密碼子相互作用的。1966年，Crick根據(jù)立體化學(xué)原理提出擺動(dòng)假說(shuō)（wobblehypothesis）。3/31/202334第三十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日擺動(dòng)性(wobble):

密碼子與反密碼子配對(duì)出現(xiàn)不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對(duì)規(guī)律的情況，第三對(duì)堿基有一定的自由度，稱為擺動(dòng)配對(duì)。3/31/202335第三十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日擺動(dòng)