第四章_蛋白质合成

1、2021-11-241第四章第四章 生物信息的传递生物信息的传递( (下下) ) -从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质2021-11-242DNARNAproteintranslationtranscriptionReverse transcription翻译翻译(translation):(translation):包含在包含在mRNAmRNA分子中以核分子中以核苷酸顺序形式排列的遗传密码，转变成蛋白质苷酸顺序形式排列的遗传密码，转变成蛋白质多肽链中氨基酸排列顺序的生化过程，也称蛋多肽链中氨基酸排列顺序的生化过程，也称蛋白质合成。白质合成。第四章第四章 生物信息的传递生物信息的传递( (下

2、下) ) -从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质2021-11-243 4.1 4.1 遗传密码遗传密码-三联子三联子 4.2 4.2 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 4.3 4.3 蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制 4.4 4.4 蛋白质运转机制蛋白质运转机制第四章第四章 生物信息的传递生物信息的传递( (下下) ) -从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质2021-11-244 4.1 4.1 遗传密码遗传密码-三联子三联子 4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质2021-11-245三联子密码三联

3、子密码(triplet (triplet codencoden) ) ：简称密码，：简称密码，指指mRNAmRNA上每上每3 3个核苷个核苷酸翻译成蛋白质多肽酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，链上的一个氨基酸，这这3 3个核苷酸称为密个核苷酸称为密码。码。 4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译2021-11-246翻译时，从起始密码子开始，沿翻译时，从起始密码子开始，沿mRNAmRNA从从5 5 至至3 3 方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链生成一条具有特定序列的多肽链-蛋白质。蛋白质。作为基因

4、的产物的蛋白质最终是受基因控制。作为基因的产物的蛋白质最终是受基因控制。 4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译2021-11-247 4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码具体密码( (数目和顺序数目和顺序) )。一一. . 三个核苷酸决定一个氨基酸三个核苷酸决定一个氨基酸420 ()42=1620 ()43=6420 ()1. 1. 数学观点：数学观点：G.Gamov(1904-1968） 2021-11-2482. Crick,Sydney2. Crick,Sy

5、dney Brenner Brenner的遗传学实验的遗传学实验化学诱变剂处理化学诱变剂处理T4T4噬菌体噬菌体DNADNA，DNADNA发生插入或缺失突发生插入或缺失突变，当连续插入或缺失三个核苷酸时，会导致多肽链变，当连续插入或缺失三个核苷酸时，会导致多肽链中增加或缺失一个氨基酸，但序列不发生改变。中增加或缺失一个氨基酸，但序列不发生改变。2021-11-2493.3.病毒的病毒的mRNAmRNA烟草坏死卫星病毒的外壳蛋白由大约烟草坏死卫星病毒的外壳蛋白由大约400400个氨基酸组成，其相应的个氨基酸组成，其相应的mRNAmRNA片段片段包括了包括了12001200个核苷酸。个核苷酸。20

6、21-11-2410(1)(1)人工人工RNARNA分子的合成分子的合成19551955年年SeveroSevero Ochoa Ochoa发现了发现了多核苷酸磷多核苷酸磷酸化酶酸化酶（PNPPNP，ploynucleotide ploynucleotide phosphorylasephosphorylase），在细胞内降解），在细胞内降解RNARNA分分子而在试管内子而在试管内可催化合成可催化合成RNARNA分子分子。无。无需需DNADNA模板并且也与转录没有关系。模板并且也与转录没有关系。二、确定每种氨基酸的具体密码二、确定每种氨基酸的具体密码1.1.破译的技术基础破译的技术基础2021

7、-11-2411(2)(2)无细胞蛋白合成系统无细胞蛋白合成系统 无细胞（或体外）蛋白合成系统：包括蛋白合成无细胞（或体外）蛋白合成系统：包括蛋白合成的全部必须的细胞成分，但却完全缺少内源的全部必须的细胞成分，但却完全缺少内源mRNAmRNA，利用利用人工合成的人工合成的RNARNA分子分子作为信息转译。作为信息转译。无细胞体系中无细胞体系中MgMg2+2+浓度很高，人工合成的多聚核苷浓度很高，人工合成的多聚核苷酸不酸不需起始密码子需起始密码子就能指导多肽的生物合成，读码就能指导多肽的生物合成，读码起始是随机的。起始是随机的。 然而，在生理然而，在生理MgMg2+2+条件下，无起始密码子的多核

8、条件下，无起始密码子的多核苷酸不能被用作多肽合成的模板。苷酸不能被用作多肽合成的模板。 1.1.破译的技术基础破译的技术基础2021-11-24122. 遗传密码的破译：确定每种氨基酸的具遗传密码的破译：确定每种氨基酸的具体密码体密码(1). (1). 以均聚物、随机共聚物和特定序列以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成的共聚物为模板指导多肽的合成(2). (2). 核糖体结合技术核糖体结合技术2021-11-2413(1). (1). 以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成物为模板指导多肽的合成制备大肠杆菌的无细胞合

9、成体系制备大肠杆菌的无细胞合成体系 在含在含DNADNA、mRNAmRNA、tRNAtRNA、核糖体、核糖体、AA-AA-tRNAtRNA合成酶及其他酶类的抽提物中加入合成酶及其他酶类的抽提物中加入DNaseDNase，降解体系中的，降解体系中的DNADNA，耗尽，耗尽mRNAmRNA时，体时，体系中的蛋白质合成即停止，当补充外源系中的蛋白质合成即停止，当补充外源mRNAmRNA或人工合成的各种均聚物或共聚物作为模板或人工合成的各种均聚物或共聚物作为模板以及以及ATPATP、GTPGTP、氨基酸等成分时又能合成新、氨基酸等成分时又能合成新的肽链，新生肽链的氨基酸顺序由外加的模的肽链，新生肽链的

10、氨基酸顺序由外加的模板所决定。板所决定。 因此，分析比较加入的模板和合成的肽链即因此，分析比较加入的模板和合成的肽链即可推知编码某些氨基酸的密码。可推知编码某些氨基酸的密码。2021-11-2414(1).(1).均聚核苷酸指导均聚肽的合成均聚核苷酸指导均聚肽的合成 1967 1967年年5 5月月2727日，日，Marshall NirenbergMarshall Nirenberg和和Heiurich MatthaeiHeiurich Matthaei利用了利用了E E. . Coli Coli 的无细胞蛋的无细胞蛋白合成体系首次获得了以下结果：白合成体系首次获得了以下结果：2021-11

11、-2415 将两种以上的核苷酸随机地渗入来合成将两种以上的核苷酸随机地渗入来合成RNARNA分子，分子，在无细胞系统中以这种比例合成的在无细胞系统中以这种比例合成的mRNAmRNA产生的氨基酸产生的氨基酸的比例也应是相应的，在无细胞蛋白合成体系中计算的比例也应是相应的，在无细胞蛋白合成体系中计算各种氨基酸的得出率，可以推测出密码子的组成，从各种氨基酸的得出率，可以推测出密码子的组成，从而估计氨基酸密码子。而估计氨基酸密码子。以以U. GU. G为例，渗入比例为为例，渗入比例为U(76%)U(76%)和和G(24%)G(24%)，那么由此，那么由此随机共聚产生的各种三联体的几率和氨基酸的渗入情随

12、机共聚产生的各种三联体的几率和氨基酸的渗入情况如下：况如下：(2)(2)共聚核苷酸指导多肽的合成共聚核苷酸指导多肽的合成2021-11-2416三联体三联体 几率几率 相对几率相对几率UUU 0.760.760.76=0.469 100%UUG 0.760.760.24=0.139 31.6%UGU 0.760.240.76=0.139 31.6%GUU 0.240.760.76=0.139 31.6%UGG 0.760.240.24=0.0438 10.0%GUG 0.240.760.24=0.0438 10.0%氨基酸氨基酸 相对渗入量相对渗入量 推算出的密码子组合推算出的密码子组合Phe

13、 100 UUUVal 37 2U.1GLeu 36 2U.1GCys 35 2U.1GTrp 14 1U.2GGly 12 1U.2G2021-11-24172020种氨基酸的密码子种氨基酸的密码子核苷酸组成核苷酸组成问题由问题由此得到了解决，但不知密码子的核苷酸此得到了解决，但不知密码子的核苷酸排列顺序排列顺序。2021-11-24182. 2. 核糖体结合技术核糖体结合技术19641964年年NirenbergNirenberg又采用又采用三联体结合实验三联体结合实验(1) tRNA(1) tRNA和氨基酸及三和氨基酸及三联体的结合是特异的；联体的结合是特异的；(2) (2) 上述结合的

14、复合体上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸大分子是不能通过硝酸纤 维 滤 膜 的 微 孔 ， 而纤 维 滤 膜 的 微 孔 ， 而tRNAtRNA- -氨基酸的复合体是氨基酸的复合体是可以通过的。可以通过的。2021-11-24192021-11-2420这个方法是以人工合成的三核苷酸如这个方法是以人工合成的三核苷酸如UUUUUU、UCUUCU、UGUUGU等为模板，在含核糖体、等为模板，在含核糖体、AA-tRNAAA-tRNA的的适当离子强度的反应液中保温，然后使反应适当离子强度的反应液中保温，然后使反应液通过硝酸纤维素滤膜。液通过硝酸纤维素滤膜。发现，游离的发现，游离的AA-tRNAAA-

15、tRNA因相对分子质量小能自因相对分子质量小能自由通过滤膜，加入三核苷酸模板可以促使其由通过滤膜，加入三核苷酸模板可以促使其对应的对应的AA-tRNAAA-tRNA结合到核糖体上，体积超过膜结合到核糖体上，体积超过膜上的微孔而被滞留，这样就能把已结合到核上的微孔而被滞留，这样就能把已结合到核糖体上的糖体上的AA-tRNAAA-tRNA与未结合的与未结合的AA-tRNAAA-tRNA分开。分开。2021-11-24212021-11-2422 若用若用2020种种AA-tRNAAA-tRNA做做2020组同样的实验，组同样的实验，每组都含每组都含2020种种AA-AA-tRNAtRNA和各种三核

16、苷酸，和各种三核苷酸，但只有一种氨基酸用但只有一种氨基酸用1414C C标记，看哪一种标记，看哪一种AA-tRNAAA-tRNA被留在滤膜上，被留在滤膜上，进一步分析这一组的进一步分析这一组的模板是哪个三核苷酸，模板是哪个三核苷酸，从模板三核苷酸与氨从模板三核苷酸与氨基酸的关系可测知该基酸的关系可测知该氨基酸的密码子。氨基酸的密码子。2021-11-2423M. Nirenberg & P. Leder (1964. Science 145;1399) 核糖体结合技术核糖体结合技术 tRNAaaRibosomeNitrocellulose filter UCU(trinucleotid

17、e)Ser-C14, Leu, Lys, Arg,Ser, Leu-C14, Lys, Arg,Ser, Leu, Lys-C14, Arg, 2021-11-2424Ser-C14. Leu-C14 . Lys-C14 . Gly-C14 . 2021-11-24252021-11-2426 4.1 4.1 遗传密码遗传密码-三联子三联子 4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质2021-11-2427 按照按照1 1个密码子由个密码子由3 3个核苷酸组成的原则，个核苷酸组成的原则，4 4种核种核苷酸可组成苷酸可组成6

18、464个密码子，现在已经知道其中个密码子，现在已经知道其中6161个个是编码氨基酸的密码子是编码氨基酸的密码子，另外，另外3 3个个即即UAAUAA、UGAUGA和和UAGUAG并不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，并不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与不能与tRNAtRNA的反密码子配对，但能被终止因子或的反密码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。释放因子识别，终止肽链的合成。4.1.2.1. 4.1.2.1. 密码的简并性密码的简并性 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质2021-11-24284.1.2.1. 4.1.2.1. 密码的简并性密码的简

19、并性 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质2021-11-2429因为存在因为存在6161种密码子而只有种密码子而只有2020种氨基酸，种氨基酸，所以许多氨基酸有多个密码子。实际上除所以许多氨基酸有多个密码子。实际上除色氨酸（色氨酸（UGGUGG）和甲硫氨酸（）和甲硫氨酸（MetMet）只有一）只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。密码子。简并简并(degeneracy)(degeneracy)：由一种以上密码子编：由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象。码同一个氨基酸的现象。同义密码子同义密码子(synonymous codon

20、(synonymous codon) )：编码同：编码同一氨基酸的密码子。一氨基酸的密码子。2021-11-2430氨基酸氨基酸密码子个数密码子个数氨基酸氨基酸密码子个数密码子个数丙氨酸丙氨酸4亮氨酸亮氨酸6精氨酸精氨酸6赖氨酸赖氨酸2天门冬酰胺天门冬酰胺2甲硫氨酸甲硫氨酸1天门冬氨酸天门冬氨酸2苯丙氨酸苯丙氨酸2半胱氨酸半胱氨酸2脯氨酸脯氨酸4谷氨酰胺谷氨酰胺2丝氨酸丝氨酸6谷氨酸谷氨酸2苏氨酸苏氨酸4甘氨酸甘氨酸4色氨酸色氨酸1组氨酸组氨酸2酪氨酸酪氨酸2异亮氨酸异亮氨酸3缬氨酸缬氨酸42021-11-2431同义密码子一般同义密码子一般都不是随机分布都不是随机分布的，因为其第一的，因为其

21、第一、第二位核苷酸、第二位核苷酸往往是相同的，往往是相同的，而第三位核苷酸而第三位核苷酸的改变并不一定的改变并不一定影响所编码的氨影响所编码的氨基酸，这种安排基酸，这种安排减少了变异对生减少了变异对生物的影响。一般物的影响。一般说来，编码某一说来，编码某一氨基酸的密码子氨基酸的密码子越多，该氨基酸越多，该氨基酸在蛋白质中出现在蛋白质中出现的频率也越高的频率也越高。2021-11-2432 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质4.1.2.2 4.1.2.2 密码的普遍性与特殊性密码的普遍性与特殊性密码的普遍性密码的普遍性密码的特殊性密码的特殊性2021-11-2433线粒体与核线

22、粒体与核DNADNA密码子使用情况的比较密码子使用情况的比较生物生物密码子密码子线粒体线粒体DNADNA编码的氨基酸编码的氨基酸核核DNADNA编码的氨基酸编码的氨基酸所有所有UGAUGA色氨酸色氨酸终止子终止子酵母酵母CUACUA苏氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸果蝇果蝇AGAAGA丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸哺乳类哺乳类AGA/GAGA/G终止子终止子精氨酸精氨酸哺乳类哺乳类AUAAUA甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸异亮氨酸2021-11-2434 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质4.1.2.3 4.1.2.3 密码子与反密码子的相互作用密码子与反密码子的相互作用 在蛋白质生物合成过程中，在蛋白质生物合成过程中，tRNAtRNA的反密码子在的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与核糖体内是通过碱基的反向配对与mRNAmRNA上的密码子上的密码子相互作用的。相互作用的。 19661966年，年，CrickCrick根据立体化学原理提出摆动假说根据立体化学原理提出摆动假说（wobble hypothesiswobble hypothesis）。）。2021-11-2435摆动性摆动性(wobble):(wobble): 密码子与反密码子配对出现不严格遵密码子与反密码子配对出现不严格遵守常见的碱基配对规律的情况，守常