第四章蛋白質(zhì)合成

第四章蛋白質(zhì)合成一5/5/20231第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三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)5/5/20232第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

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)5/5/20233第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4.1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)5/5/20234第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三三聯(lián)子密碼(tripletcoden)

：簡稱密碼，指mRNA上每3個核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個氨基酸，這3個核苷酸稱為密碼。4.1.1三聯(lián)子密碼及其破譯5/5/20235第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三翻譯時，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5/5/20236第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4.1.1三聯(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)。一.三個核苷酸決定一個氨基酸420(×)42=1620(×)43=6420(√)1.數(shù)學(xué)觀點(diǎn)：G.Gamov(1904-1968）

5/5/20237第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2.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)插入或缺失三個核苷酸時，會導(dǎo)致多肽鏈中增加或缺失一個氨基酸，但序列不發(fā)生改變。5/5/20238第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三3.病毒的mRNA煙草壞死衛(wèi)星病毒的外殼蛋白由大約400個氨基酸組成，其相應(yīng)的mRNA片段包括了1200個核苷酸。5/5/20239第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三(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)5/5/202310第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三(2)無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)無細(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)5/5/202311第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2.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)5/5/202312第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三(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，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。5/5/202313第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三(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的無細(xì)胞蛋白合成體系首次獲得了以下結(jié)果：5/5/202314第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三將兩種以上的核苷酸隨機(jī)地滲入來合成RNA分子，在無細(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，在無細(xì)胞蛋白合成體系中計算各種氨基酸的得出率，可以推測出密碼子的組成，從而估計氨基酸密碼子。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5/5/202315第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三三聯(lián)體幾率相對幾率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%氨基酸相對滲入量推算出的密碼子組合Phe100UUUVal372U.1GLeu362U.1GCys352U.1GTrp141U.2GGly121U.2G5/5/202316第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三20種氨基酸的密碼子核苷酸組成問題由此得到了解決，但不知密碼子的核苷酸排列順序。5/5/202317第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2.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硝酸纖維濾膜的微孔，而tRNA-氨基酸的復(fù)合體是可以通過的。5/5/202318第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5/5/202319第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

這個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)液通過硝酸纖維素濾膜。發(fā)現(xiàn)，游離的AA-tRNA因相對分子質(zhì)量小能自由通過濾膜，加入三核苷酸模板可以促使其對應(yīng)的AA-tRNA結(jié)合到核糖體上，體積超過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。5/5/202320第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

5/5/202321第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

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三核苷酸，從模板三核苷酸與氨基酸的關(guān)系可測知該氨基酸的密碼子。5/5/202322第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三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,………5/5/202323第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三Ser-C14….

Leu-C14….

Lys-C14….

Gly-C14….5/5/202324第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5/5/202325第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4.1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)5/5/202326第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三按照1個密碼子由3個核苷酸組成的原則，4種核苷酸可組成64個密碼子，現(xiàn)在已經(jīng)知道其中61個是編碼氨基酸的密碼子，另外3個即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，但能被終止因子或釋放因子識別，終止肽鏈的合成。4.1.2.1.密碼的簡并性4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)5/5/202327第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4.1.2.1.密碼的簡并性4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)5/5/202328第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三因?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密碼子。實(shí)際上除色氨酸（UGG）和甲硫氨酸（Met）只有一個密碼子外，其他氨基酸都有一個以上的密碼子。簡并(degeneracy)：由一種以上密碼子編碼同一個氨基酸的現(xiàn)象。同義密碼子(synonymouscodon)：編碼同一氨基酸的密碼子。5/5/202329第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三氨基酸密碼子個數(shù)氨基酸密碼子個數(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45/5/202330第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三同義密碼子一般都不是隨機(jī)分布的，因?yàn)槠涞谝弧⒌诙缓塑账嵬窍嗤?，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生物的影響。一般說來，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。5/5/202331第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4.1.2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5/5/202332第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三線粒體與核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5/5/202333第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4.1.2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)生物合成過程中，tRNA的反密碼子在核糖體內(nèi)是通過堿基的反向配對與mRNA上的密碼子相互作用的。1966年，Crick根據(jù)立體化學(xué)原理提出擺動假說（wobblehypothesis）。5/5/202334第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三擺動性(wobble):

密碼子與反密碼子配對出現(xiàn)不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對規(guī)律的情況，第三對堿基有一定的自由度，稱為擺動配對。5/5/202335第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三擺動