遺傳密碼和蛋白質(zhì)的生物合成

遺傳密碼及

蛋白質(zhì)的生物合成和轉(zhuǎn)運(yùn)

當(dāng)前1頁，共80頁，星期一。第一頁，共八十頁。DNADNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄

基因遺傳基因表達(dá)

生物中心法則忠實(shí)復(fù)制忠實(shí)轉(zhuǎn)錄忠實(shí)翻譯當(dāng)前2頁，共80頁，星期一。第二頁，共八十頁。第一節(jié)遺傳密碼一、DNA是遺傳信息的攜帶分子（一）細(xì)胞含有恒定量的DNAC值佯謬（矛盾）（Cvalueparadox）當(dāng)前3頁，共80頁，星期一。第三頁，共八十頁。造成C值佯謬現(xiàn)象的原因：基因組DNA存在重復(fù)序列和染色體多倍性；此外，還有染色體外基因（質(zhì)粒）和細(xì)胞器基因。當(dāng)前4頁，共80頁，星期一。第四頁，共八十頁。（二）DNA是細(xì)菌的轉(zhuǎn)化因子（三）病毒是游離的遺傳因子

遺傳單位基因，只是一段核酸分子，它可以存在染色體內(nèi)，也可以存在染色體外；可以是細(xì)胞內(nèi)相，也可以是細(xì)胞外相。當(dāng)前5頁，共80頁，星期一。第五頁，共八十頁。二、RNA傳遞和加工遺傳信息----基因表達(dá)依賴于RNA（一）RNA的拼接（二）RNA的編輯（三）RNA的譯碼(解碼decoding)和再編碼(recoding)當(dāng)前6頁，共80頁，星期一。第六頁，共八十頁。三、遺傳密碼的破譯1.遺傳密碼指mRNA中的核苷酸序列與多肽中氨基酸序列之間的對應(yīng)關(guān)系,通常是指核苷酸三聯(lián)體決定氨基酸的對應(yīng)關(guān)系,故也稱三聯(lián)體密碼或密碼子.2.密碼單位1954年物理學(xué)家GamovG首先對遺傳密碼進(jìn)行探討:41=4;42=16;43=64,足以編碼20種氨基酸，密碼（codon）應(yīng)是三聯(lián)體（triplet）.當(dāng)前7頁，共80頁，星期一。第七頁，共八十頁。

密碼子或稱三聯(lián)體密碼，即mRNA上決定一個特定氨基酸的三個核苷酸。3.密碼子的確定用各種人工合成模板在體外翻譯蛋白質(zhì)的方法確定用核糖體結(jié)合技術(shù)測定密碼子中的核苷酸排列順序1961年~1965年4年時間，完全確定了編碼20種天然氨基酸的密碼子，編出了遺傳密碼字典。

當(dāng)前8頁，共80頁，星期一。第八頁，共八十頁。12當(dāng)前9頁，共80頁，星期一。第九頁，共八十頁。當(dāng)前10頁，共80頁，星期一。第十頁，共八十頁。四、遺傳密碼的基本特征（一）密碼的基本單位

－－是按5′→3′方向編碼、不重疊、無標(biāo)點(diǎn)的三聯(lián)體密碼子密碼子之間沒有任何起“標(biāo)點(diǎn)”作用的空格,閱讀mRNA時是連續(xù)的,一次閱讀3個核苷酸(堿基).當(dāng)前11頁，共80頁，星期一。第十一頁，共八十頁。在絕大多數(shù)生物中,閱讀mRNA時是以密碼子為單位，不重疊地閱讀。少數(shù)大腸桿菌噬菌體的RNA基因組中部分基因的遺傳密碼是重疊的。不重疊密碼重疊密碼當(dāng)前12頁，共80頁，星期一。第十二頁，共八十頁。當(dāng)前13頁，共80頁，星期一。第十三頁，共八十頁。（二）密碼的簡并性（degeneracy）

(1)除Met(AUG)和Trp(UGG)外，每個氨基酸都有兩個或更多的密碼子，這種現(xiàn)象稱為密碼子的簡并性（degenecy）。

(2)同義密碼：同一個氨基酸的不同密碼子稱同義密碼子（synonyms）。（3）簡并性的生物學(xué)意義減少有害突變，對生物物種的穩(wěn)定有一定意義。（4）密碼的簡并性往往表現(xiàn)在密碼子的第三位堿基上。當(dāng)前14頁，共80頁，星期一。第十四頁，共八十頁。

當(dāng)前15頁，共80頁，星期一。第十五頁，共八十頁。（三）密碼的變偶性——擺動性(wobble)mRNA上的密碼子與tRNA上的反密碼子配對時，密碼子的第一位、第二位的堿基配對是嚴(yán)格的，第三位堿基可以有一定變動，Crick稱這種現(xiàn)象稱為密碼的擺動性或變偶性（wobble）。如tRNA反密碼子第一位的IA、U、C配對。顯然,密碼子的專一性基本取決于前兩位堿基，第三位堿基起的作用有限(有較大靈活性)。所以幾乎所有氨基酸的密碼子都可以用和來表示。

當(dāng)前16頁，共80頁，星期一。第十六頁，共八十頁。

當(dāng)前17頁，共80頁，星期一。第十七頁，共八十頁。

tRNA反密碼子中除A、U、G、C四種堿基外,還經(jīng)常在第一位出現(xiàn)次黃嘌呤(I).I可以與A、U、C三者之間形成堿基對,使帶有次黃嘌呤的反密碼子可以識別更多的簡并密碼子.

由于變偶性的存在,細(xì)胞內(nèi)只需要32種tRNA,就能識別61個編碼氨基酸的密碼子.原核和真核細(xì)胞都只合成約30種帶有反密碼子的tRNA。當(dāng)前18頁，共80頁，星期一。第十八頁，共八十頁。（四）遺傳密碼的通用性和變異性

(1)通用性:指各種低等和高等生物,包括病毒、細(xì)菌及真核生物,基本上共用一套遺傳密碼.(2)密碼的變異性:目前已知線粒體DNA(mtDNA)的編碼方式與通用遺傳密碼子有所不同.（五）密碼的防錯系統(tǒng)在密碼表中，氨基酸的極性通常由密碼子的第二位堿基決定，簡并性由第三位堿基決定。這使得密碼子中一個堿基被置換，其結(jié)果或仍編碼相同的氨基酸，或以物理化學(xué)性質(zhì)最接近的氨基酸相取代。－－即：密碼的編排具防錯功能當(dāng)前19頁，共80頁，星期一。第十九頁，共八十頁。第二節(jié)蛋白質(zhì)合成及轉(zhuǎn)運(yùn)當(dāng)前20頁，共80頁，星期一。第二十頁，共八十頁。一、蛋白質(zhì)合成的分子基礎(chǔ)當(dāng)前21頁，共80頁，星期一。第二十一頁，共八十頁。（一）mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板當(dāng)前22頁，共80頁，星期一。第二十二頁，共八十頁。（二）tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)活化的氨基酸至mRNA模板上在蛋白質(zhì)合成中，tRNA起著運(yùn)載氨基酸的作用，按照mRNA鏈上的密碼子所決定的氨基酸順序?qū)被徂D(zhuǎn)運(yùn)到核糖體的特定部位。tRNA有兩個關(guān)鍵部位：

⑴3′端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA.需ATP提供活化氨基酸所需的能量；

⑵與mRNA結(jié)合部位—反密碼子部位(tRNA的接頭作用)。

此外,tRNA上尚有(3)識別氨酰tRNA合成酶的位點(diǎn),(4)核糖體識別位點(diǎn)。當(dāng)前23頁，共80頁，星期一。第二十三頁，共八十頁。當(dāng)前24頁，共80頁，星期一。第二十四頁，共八十頁。當(dāng)前25頁，共80頁，星期一。第二十五頁，共八十頁。3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG密碼子與反密碼子的閱讀方向均為5’

3’，兩者反向平行配對。當(dāng)前26頁，共80頁，星期一。第二十六頁，共八十頁。大多數(shù)校正突變是發(fā)生在tRNA基因的突變上，從而使tRNA的反密碼子在閱讀mRNA的信息時發(fā)生了變化。當(dāng)前27頁，共80頁，星期一。第二十七頁，共八十頁。（三）核糖體是蛋白質(zhì)合成的工廠用放射性同位素標(biāo)記氨基酸，注射到小鼠體內(nèi)，經(jīng)短時間后取出肝臟，制成勻漿，離心，分離各細(xì)胞器，發(fā)現(xiàn)核糖體放射性最強(qiáng)，說明核糖體是蛋白質(zhì)合成部位。當(dāng)前28頁，共80頁，星期一。第二十八頁，共八十頁。1.核糖體RNA（rRNA）當(dāng)前29頁，共80頁，星期一。第二十九頁，共八十頁。2.核糖體蛋白

大多數(shù)蛋白呈纖維狀，只有極少數(shù)呈球形3.核糖體的結(jié)構(gòu)模型原核生物真核生物當(dāng)前30頁，共80頁，星期一。第三十頁，共八十頁。當(dāng)前31頁，共80頁，星期一。第三十一頁，共八十頁。當(dāng)前32頁，共80頁，星期一。第三十二頁，共八十頁。當(dāng)前33頁，共80頁，星期一。第三十三頁，共八十頁。當(dāng)前34頁，共80頁，星期一。第三十四頁，共八十頁。4.核糖體的功能

參與多肽鏈的啟動、延長、終止，并“移動”含有遺傳信息的模板mRNA觀點(diǎn)：“核糖體是一種核酶，它催化肽鍵的形成，將蛋白質(zhì)合成牢牢地控制在RNA的手中。”當(dāng)前35頁，共80頁，星期一。第三十五頁，共八十頁。萬卡特拉曼-萊馬克里斯南、托馬斯-施泰茨和阿達(dá)-尤納斯（從左至右）因?qū)Α昂颂求w結(jié)構(gòu)和功能的研究”做出突出貢獻(xiàn)而獲得2009年諾貝爾化學(xué)獎。他們在原子水平上揭示了核糖體的形態(tài)和功能。當(dāng)前36頁，共80頁，星期一。第三十六頁，共八十頁。二、翻譯的步驟肽鏈延伸合成的方向和速度方向：N端→C端速度：肽鏈延伸的速度極快，一個核糖體合成一條完整的血紅蛋白α-鏈(146個AA)3分鐘,0.8AA/秒;大腸桿菌20個AA/秒。當(dāng)前37頁，共80頁，星期一。第三十七頁，共八十頁。（一）氨酰-tRNA合成酶幫助使氨基酸結(jié)合到特定的tRNA上－－氨基酸的活化各種參加蛋白質(zhì)合成的AA與攜帶它的相應(yīng)的tRNA結(jié)合成氨酰-tRNA的過程。活化反應(yīng)在氨酰-tRNA合成酶的催化下進(jìn)行。氨基酸在摻入肽鏈前必須活化?；罨课?細(xì)胞質(zhì)酶:氨酰-tRNA合成酶能量:消耗2ATP產(chǎn)物:氨酰-tRNA當(dāng)前38頁，共80頁，星期一。第三十八頁，共八十頁。AA+ATP+EAA-AMP-E+PPiMg2+Mn2+AA-AMP-E+tRNA→氨酰-tRNA+AMP+E活化過程:1)氨基酸-AMP-酶復(fù)合物的形成2)氨基酸從氨基酸-AMP-酶復(fù)合物轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的tRNA上氨基酸活化的總反應(yīng)式是：氨酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨酰-tRNA+AMP+PPi※氨基酸與tRNA的3′端核糖之間形成的高能酯鍵，會在后面的反應(yīng)中直接用來驅(qū)動肽鍵的形成。當(dāng)前39頁，共80頁，星期一。第三十九頁，共八十頁。

20種氨基酸中每一種都有各自特異的氨酰-tRNA合成酶。

氨酰-tRNA合成酶具有高度的專一性，它既能識別相應(yīng)的氨基酸（L-構(gòu)型），又能識別與此氨基酸相對應(yīng)的一個或多個tRNA分子。這種高度的專一性保證了氨基酸與其特定的tRNA準(zhǔn)確匹配，從而使蛋白質(zhì)的合成具有一定的保真性。（有時把氨酰-tRNA合成酶和與之對應(yīng)的tRNA分子稱作“遺傳密碼第二”。）（二）每一個氨酰-tRNA合成酶可識別一個特定的氨基酸和與此氨基酸對應(yīng)的tRNA的特定部位

當(dāng)前40頁，共80頁，星期一。第四十頁，共八十頁。（三）氨酰-tRNA合成酶能夠糾正?；腻e誤

許多氨酰-tRNA合成酶似乎含有第二個活性部位－－校正部位，此部位具有水解酶功能，即使AA識別出現(xiàn)錯誤，可以將其水解掉。（四）一個特殊的tRNA啟動了蛋白質(zhì)的合成所有蛋白質(zhì)的翻譯開始于Met的參與；

tRNAiMet對所有蛋白質(zhì)合成中起始AA－Met的摻入負(fù)責(zé)，也對選擇mRNA在何位置開始翻譯起重要作用。當(dāng)前41頁，共80頁，星期一。第四十一頁，共八十頁。原核細(xì)胞中，起始的AA為fMet,tRNAifMet中的fMet是由特異的甲?；甘拱被柞；鴣?。（tRNAifMet

不參與肽鏈延伸過程）fMet起始因子識別tRNAiMet，延伸因子識別tRNAMet。當(dāng)前42頁，共80頁，星期一。第四十二頁，共八十頁。原核生物，真核生物細(xì)胞器：甲酰甲硫氨酸(fMet)甲硫氨酸的2種tRNA：一種用于識別起始密碼子AUG(tRNAiMet

)另一種識別閱讀框內(nèi)部的AUG密碼子(tRNAmMet)

甲硫氨酰-tRNAi甲酰化后氨基被封閉，可防止

tRNAi誤讀框架內(nèi)部密碼子當(dāng)前43頁，共80頁，星期一。第四十三頁，共八十頁。

翻譯起始需要有一個接載fMet(原核生物)或Met(真核生物)的起始tRNA(tRNAi)。但因tRNAi的TΨC環(huán)沒有與核糖體的A位處5SrRNA的一序列互補(bǔ)的保守序列，所以起始用的tRNAi只能進(jìn)入核糖體的P位(也是唯一直接進(jìn)入P位的氨酰-tRNA)。當(dāng)前44頁，共80頁，星期一。第四十四頁，共八十頁。（五）翻譯開始于mRNA與核糖體的結(jié)合高等真核生物（酵母除外）核糖體與mRNA的識別，為類似GCCGCCpurCCAUGG這樣的序列所加強(qiáng)。當(dāng)前45頁，共80頁，星期一。第四十五頁，共八十頁。起始密碼子的識別原核翻譯系統(tǒng)起始密碼子的識別主要是依賴于mRNA5′-端的SD序列與16SrRNA3′-端的反SD序列之間的互補(bǔ)配對。SD序列位于起始密碼子上游約7b的區(qū)域,由4~5b組成，富含嘌呤堿基，它是由JohnShine和LynnDalgarno在1974年通過比較多種原核細(xì)胞mRNA的5′-端核苷酸序列之后總結(jié)出來的。在16SrRNA3′-端有一段富含嘧啶堿基的序列，可以和SD序列互補(bǔ)配對,因而被稱為反SD序列。許多實(shí)驗(yàn)證明，正是SD序列與反SD序列的互補(bǔ)關(guān)系，才使得位于mRNA的SD序列下游的第一個AUG用作起始密碼子。

當(dāng)前46頁，共80頁，星期一。第四十六頁，共八十頁。SD序列和反SD序列當(dāng)前47頁，共80頁，星期一。第四十七頁，共八十頁。當(dāng)前48頁，共80頁，星期一。第四十八頁，共八十頁。(六)蛋白質(zhì)因子幫助的蛋白質(zhì)合成起始當(dāng)前49頁，共80頁，星期一。第四十九頁，共八十頁。當(dāng)前50頁，共80頁，星期一。第五十頁，共八十頁。細(xì)菌中的起始因子:IF-1:結(jié)合在30S亞基上作為完全起始復(fù)合物的一部分，起穩(wěn)定此復(fù)合物的作用。IF-2:結(jié)合到特異的起始tRNA(fMet-tRNA),并將起始tRNA置于小亞基上。(IF-2屬小G蛋白)

IF-3:30S小亞基特異地與mRNA起始部位結(jié)合需要IF-3。IF-3還作為70S核糖體的解離因素，產(chǎn)生30S亞基。當(dāng)前51頁，共80頁，星期一。第五十一頁，共八十頁。當(dāng)前52頁，共80頁，星期一。第五十二頁，共八十頁。當(dāng)前53頁，共80頁，星期一。第五十三頁，共八十頁。(七)在氨基酸的摻入過程中有3個重復(fù)的延伸反應(yīng)

肽鏈的延長分為3（4）個步驟：進(jìn)位，轉(zhuǎn)肽，(脫落，)移位?！捎陔逆溠娱L在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行,又稱為核糖體循環(huán)。每次核糖體循環(huán)肽鏈增加1個氨基酸。1.進(jìn)位：1)一個新的氨酰-tRNA進(jìn)入A位2)延長因子參加[如細(xì)菌的EF-Tu(GTP)、EF-Ts、EF-G(GTP)]3)消耗1個GTP

當(dāng)前54頁，共80頁，星期一。第五十四頁，共八十頁。當(dāng)前55頁，共80頁，星期一。第五十五頁，共八十頁。當(dāng)前56頁，共80頁，星期一。第五十六頁，共八十頁。2.轉(zhuǎn)肽：

1)肽?；鶑腜位轉(zhuǎn)到A位，肽鍵的形成2)負(fù)責(zé)肽鍵合成的酶稱為肽酰轉(zhuǎn)移酶（peptityltransferase），簡稱轉(zhuǎn)肽酶3)肽的轉(zhuǎn)移是核糖體大亞基（50S或60S）的功能4)抗菌素嘌呤霉素抑制蛋白質(zhì)合成,使新生的肽鏈在合成未完成之前就釋放出來當(dāng)前57頁，共80頁，星期一。第五十七頁，共八十頁。當(dāng)前58頁，共80頁，星期一。第五十八頁，共八十頁。當(dāng)前59頁，共80頁，星期一。第五十九頁，共八十頁。（3.脫落）轉(zhuǎn)肽后，P部位上空載的tRNA經(jīng)出口位點(diǎn)(E)脫落當(dāng)前60頁，共80頁，星期一。第六十頁，共八十頁。

4.

移位：1)核糖體向mRNA3′端移動一個密碼子，移位導(dǎo)致肽酰-tRNA從A位點(diǎn)移出，進(jìn)入P位點(diǎn);空著的A位點(diǎn)為下一個密碼子對應(yīng)的氨酰-tRNA的進(jìn)入作好準(zhǔn)備。2)需要1個GTP

當(dāng)前61頁，共80頁，星期一。第六十一頁，共八十頁。當(dāng)前62頁，共80頁，星期一。第六十二頁，共八十頁。密碼子之間沒有任何起“標(biāo)點(diǎn)”作用的空格,閱讀mRNA時是連續(xù)的,一次閱讀3個核苷酸(堿基).當(dāng)前5頁，共80頁，星期一。酶:氨酰-tRNA合成酶第三十六頁，共八十頁。酸，又要分辨出正確的tRNA。（二）DNA是細(xì)菌的轉(zhuǎn)化因子“核糖體是一種核酶，它催化肽鍵的形成，將蛋白質(zhì)合成牢牢地控制在RNA的手中。起始因子識別tRNAiMet，延伸因子識別tRNAMet。（二）密碼的簡并性（degeneracy）子的簡并性（degenecy）。當(dāng)前18頁，共80頁，星期一。當(dāng)前53頁，共80頁，星期一。2)釋放因子（releasefactor，RFs）：當(dāng)前27頁，共80頁，星期一。－－是按5′→3′方向編碼、不重疊、無標(biāo)點(diǎn)的三聯(lián)體密碼子當(dāng)前63頁，共80頁，星期一。第六十三頁，共八十頁。(八)核糖體反應(yīng)中GTP的作用P.530(九)翻譯的終止需要釋放因子和終止密碼子的參加1.終止信號1)終止密碼子:UAA、UGA、UAG正常細(xì)胞不含能和終止密碼子互補(bǔ)的反密碼子的tRNA，這些終止密碼子能被終止因子所識別。當(dāng)前64頁，共80頁，星期一。第六十四頁，共八十頁。2)釋放因子（releasefactor，RFs）：RF-1:識別UAA、UAGRF-2:識別UAA、UGARF-3:不識別終止密碼子,但刺激另外兩個因子的活性，協(xié)助肽鏈釋放(RF-3屬小G蛋白)

2.終止機(jī)制釋放因子與終止密碼子結(jié)合使轉(zhuǎn)肽酶活性變成水解酶活性，水解了P位點(diǎn)上多肽與tRNA之間的鍵，釋放出多肽和tRNA。當(dāng)前65頁，共80頁，星期一。第六十五頁，共八十頁。當(dāng)前66頁，共80頁，星期一。第六十六頁，共八十頁。當(dāng)前67頁，共80頁，星期一。第六十七頁，共八十頁。當(dāng)前68頁，共80頁，星期一。第六十八頁，共八十頁。原核生物轉(zhuǎn)錄與翻譯相偶聯(lián)當(dāng)前69頁，共80頁，星期一。第六十九頁，共八十頁。（十）核糖體在翻譯中能跳越式讀碼P.531（十一）蛋白質(zhì)合成的抑制劑

抗菌素:氯霉素、四環(huán)素、鏈霉素抑制原核細(xì)胞翻譯，不作用于真核細(xì)胞；鏈霉素、新霉素、卡那霉素與原核30S核糖體結(jié)合,引起密碼錯讀亞胺環(huán)己酮:只作用于真核細(xì)胞80S核糖體

蓖麻毒素：使真核細(xì)胞的核糖體失活白喉霉素:與EF-2結(jié)合（真核延長因子催化部位)，抑制真核細(xì)胞蛋白質(zhì)合成

嘌呤霉素:抑制原核和真核生物蛋白質(zhì)合成當(dāng)前70頁，共80頁，星期一。第七十頁，共八十頁。小結(jié)：蛋白質(zhì)合成的忠實(shí)性

1.蛋白質(zhì)合成的忠實(shí)性需要消耗能量?蛋白質(zhì)合成是一個高耗能的過程，自由能不僅用來合成肽鍵，更多用來保證遺傳信息表達(dá)的忠實(shí)性。?每合成1個肽鍵，至少需水解4個高能磷酸鍵

GTP的水解保證了翻譯的起始、延伸和終止與釋放各階段緊密地偶聯(lián)在一起，大大提高了翻譯的速度，同時也提高了翻譯的準(zhǔn)確性。當(dāng)前71頁，共80頁，星期一。第七十一頁，共八十頁。2.合成酶的校對功能提高了忠實(shí)性氨酰-tRNA合成酶既要分辨出正確的氨基酸，又要分辨出正確的tRNA。一旦發(fā)生錯誤，可在一定程度上查出加以校正。3.核糖體對忠實(shí)性有影響核糖體存在某種機(jī)制以增強(qiáng)反密碼子與密碼子的相互作用：

一是核糖體在結(jié)構(gòu)上能識別是否正確配對；二是使不正確配對的氨酰-tRNA在多個步驟上可以脫離。

當(dāng)前72頁，共80頁，星期一。第七十二頁，共八十頁。三、蛋白質(zhì)的運(yùn)輸及翻譯后修飾（一）蛋白質(zhì)通過其信號肽引導(dǎo)到目的地當(dāng)前73頁，共80頁，星期一。第七十三頁，共八十頁。當(dāng)前74頁，共80頁，星期一。第七十四頁，共八十頁。（二）一些線粒體葉綠體蛋白質(zhì)是翻譯完成后被運(yùn)輸?shù)漠?dāng)前75頁，共80頁，星期一。第七十五頁，共八十頁。（三）分泌型的真核蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）內(nèi)合成(四)高爾基體中多肽的糖基化修飾及多肽的分類（五）大腸桿菌蛋白質(zhì)在