第37,38章遗传密码-蛋白质的合成及转运12.

1、第37章遗传密码Chapter 35 Genetic Code遗传密码(genetic code): DNA (或RNA)中的 核昔酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应 关系称为遗传密码。密码子(codon): mRNA上每3个相邻的核昔酸编 码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核昔 酸就称为一个密码子或三联体(triplet)密码。第一节遗传密码的破译 1954年Gamov确认核酸分子中三个碱基决定一个氨基酸。 1961年Crick等用遗传学方法，通过研究T4噬菌体丫11位 点的两个基因变异，证实三联体密码子学说是正确的， 并且三联体密码是:非重叠.连续的.无标点的。缺失或插入核昔酸引起三联

2、体密码的改变CATCATCATCATCATCAT1CATCAPATCATCATCATC1，+1CATCAPAXTCATCATCAT+3CAXTXCATXCATCATCAT证明三联体密码的三个著名实验1. 1961年美国的Nirenberg等人以均聚物为模板指导 多肽的合成，寻找到了破译遗传密码的途径。利用多核昔酸磷酸化酶合成一条由相同核昔酸组成的多核昔酸链，用它作模板，利用大肠杆菌体外蛋白质合成系统。以均聚物为模板指导多肽的合UUUUUUUUUUUUPh© - Pho . Phe . Ph«Pro - Pro - Pro ProPro - Pro - Pro ProAAAA

3、AAAAAAAA Ly$ Ly> Poly C为模板，产生的多肽链为Poly ProPoly U为模板，产生的多肽链为Poly PhePoly A为模板，产生的多肽链为Poly LysCCCCCCCCCCCCPro - Pro - Pro Pro的多肽，如以Poly UG为模板UGU GUG UGU合成产物为Poly Lys-Val-A以多聚三核昔酸作为模板,可得三种氨基酸组成的多肽 UCGUCGUCG .9Phe Phe PheSer Ser SerLeu Leu Leu到1966年，经过5年的努力 全部破译了 20种aa的密码2. 核糖体结合技术1964年N irenberg等人首先

4、合成一个已知序列的核昔酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA 起温育。由此确定与已知核昔酸三聚体结合的tRNA 上连接的是那一种氨基酸。该实验确定了 50多种 三联体密码，对于几 种密码编码同一个氨 基酸提供了直接的. 最好的证据3. 以特定的共聚物为模板指导多肽的合成1964年，Khorana以共聚物即含有重复序列的多聚核昔 酸指导多肽的合成，加快了破译遗传密码的步伐。A以多聚二核昔酸作模板可合成由2个氨基酸组成and its function inEstablished the chemical structureDevised methods to synthesize RNAs

5、with defined sequencesHar Cob I ndKhoranaUSAUniversity of Wisconsin Madison. WI. USA 1922 -Robert Hol leyLbACornel 1 UniversityIthaca, NY. USA1922 - 1993BiogrophyM-rshnii W. revealing the Nirenberg genetic Codes USAional In«t i tut«5 of HealthBethesda. MI). ISA1927 of tRNAEstablished the i

6、llvitro system forThe Nobel Prize in Physiology orMedicine 1968*for their interpretation of the genetic codeprotein synthesis*|>r(*sentut ion Speech遗传密码字典第一位(5")第二位第三位(3 )UcAG苯丙 MlR(Phe)丝 «tt(Ser)M«tt(Tyr)半Bt氮;酸(Cys)Uu苹丙氮酸(Phe)丝気酸(Ser)ttMW(Tyr)半 tt#C«(Cvs)c亮氮酸(Leu)丝 MW(Ser)终止密

7、码子眉止密码子A夷氨酸(Leu)丝 M®(Ser)终止密码子|色氛酸(Trp>G亮氨酸(Leu)脯氨酸(Pro)组氮酸(His)ftMM(Arg)Uc亮氨酸(Leu)腌氨酸(Pro)组氨酸(His)M Mitt (Arg)C亮氨酸(Leu)脯氨酸(Pro)谷気Bt胺(Gin)構氮酸(Arg)A竟氨酸(Leu)MM®(Pro)谷氮酰胺(Gin)MM«(Arg)G异亮氨酸(12苏氨酸(The)天冬酰胺(Asn)丝氮酸(Ser)uA异亮氨酸(lie)苏気酸(Thr)天冬联胺(Asn)丝氨酸(Ser)C异亮氨酸(lie)苏 ftf(Thr)赖氮酸(Lys)精氨酸(A

8、rg)A片硫氨酸(metl苏氮 *?(Thr)赖氨酸(Lys梢気酸(Arg)G禎氨酸(Vai)丙賈酸(Ala)天冬氨酸(Asp)甘氨酸(Gly)U丙氨 iW(Ala)天冬気酸(Asp)甘氮酸(Gly)CG海氨酸(Vai)丙氨酸(Ala)谷氨酸(Glu)甘氨酸(GlyAWMtt(Val)丙 Mltt(Ala)谷氮tt(Glu)甘氨酸(Gly)G第二节遗传密码的基本特性1、密码是无标点符号的、且相邻密码子互不重叠。2、密码的简并性：由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现 象称为简并性(degeneracy ),对应于同一氨基酸的密码子 称为同义密码子(Synonymous codon)。密码的简并性

9、可以减少 有害突变3、密码的摆动性(变偶性)：密码的专一性主要是由第一第 二个碱基所决定，tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时，密 码子的第一、二位碱基是严格的，第三位碱基可以有一定的变 动。Crick称这一为变偶性(wobble)4、密码的通用性和变异性5、64组密码子中，AUG既是Met的密码，又是起始密码；有三 组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子： UAG、 UAA、 UGA。6、密码的防错系统反密码子与密码子之间的碱基配对反密码子第一位碱基密码子第三位碱基ACUG3"5次黄嗥吟核昔酸(I)常常出现在 tRNA反密码子的5 ' 位，I可以与U, C

10、和A 形成氢键。带有反 密码子IGC的tRNAAia 分子可以与特异编码 Ala的三个密码(GCU, GCC, GCA)中的任一 个结合o(RNA5'XGCUmRNAy 5mRNAy 5GCA iVmRNA(h)人线粒体中变异的密码子密码子正常情况下编码线粒体DNA编码UGA终止信号TrpAUAHeMetAGAArg终止信号AGGArg终止信号密码子UGA编码了第21种氨基酸一硒代半胱氨酸,密码子UAG编码了第22种氨基酸一毗咯赖氨酸。关于密码的防错系统密码的简并性由第三个碱基决定 氨基酸的极性由第二个碱基决定如：中间U-非极性、疏水、和有支链的aa中间C-非极性或不带电极性侧链aa审

11、间A or G-*亲水的aa第一个A或C.第二个A或G.第三个任意f可离解. 亲水侧链碱性a a命两位AG、第三个任意f酸性亲水侧链aa结果：一个碱基变化后相同aa或性质相似aa,这是 进化的结果第38章蛋白质的合成及转运第一节蛋白质合成的分子基础蛋白质的生物合成（翻译）以氨基酸为原料以mRNA为模板以tRNA为运载工具以核糖体为合成场所起始.延长、终止各阶段蛋白因子参与合成后加工成为有活性蛋白质一、mRNA是蛋白质合成的模板mRNA （messenger RNA）是蛋白质生物合成过程中直接 指令氨基酸掺入的模板。_ AGGAGGU 一旦11D AUGUAA核糖体识别位点SD区顺反顺反子AUG

12、UAA AUGUAAt_I读码框架末端顺序先导区原核细胞mRNA的结构特点特点 半衰期短 许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在（3） AUW为起始密码；AUG上游712个核昔酸处有一被称为SD序列 的保守区，16S rRNA3-端反向互补而使mRNA与核糖体结合。真核细胞mRNA的结构特点真核生物的18S rRNA与原核生物的16S rRNA其3末端有很大的同源性。 由于18S rRNA缺少CCUCC序列(与mRNA上的SD序列互补)，因此真核生物mRNA 可能并不存在SD序列.大多数真核生物mRNA起始密码子AUG附近“上下文”为 CCACCAUGG.在帽子结构上形成的40S亚基起始复合物

13、向3,方向移动时，如发 现AUG密码子处于这样的“上下丈”中，就不再向前移动，而是与60S亚基结合成 为完整的核糖体，于是从AUG上开始合成蛋白质.二、tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上tRNA ( transfer ribonucleic as id )在蛋白质合成中起重要作用，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将活化氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上.1、tRNA的结构特征2、tRNA的功能(1) tRNA的接头(adaptor)作用 3端上的氨基酸接受位点识别氨酰tRNA合成酶的位点 反密码子位点（回复突变，reverse mutation）tRNA的突变

14、与校正基因三、核糖体是蛋白质合成的工场核糖体(ribosome )是由 rRNA ( ribosomal ribonucleic acid )和多种蛋白质结合而成的一种 大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是 在这种核糖体上进行的。1、核糖体的结构和组成2、核糖体的功能原核生物核 糖体的组成23S RNA 5S RNA34 protein70S ribosome30S s需unit iS subunit16S RNA原核生物核糖体结构示意图21 protein细胞类型核糖体类型£ 亚 大小rRNA査白质原核细胞及70S50S5S.23S34种真核细胞叶绿体、线粒体30S16S21种

15、真核细胞80S60S40S5S 2«S18S50种30种16S rRNA的二级结构多核糖体原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图Ptt （结合 肽基的部位 肽酰基佼 点）mRNA与m RNA结合部位Atfc （结合AA tRNA的部位一 （氨酰基位点）第二节蛋白质合成的步骤步氨基酸的活化与转运肽链合成的起始肽链的延长肽链合成的终止一.氨基酸的活化与转运氨酰- tRNA合成酶特点A专一性：1 ）对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专 一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。2）对tRNA具有极高专一性。氨酰-1RN A合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸

16、。二.肽链合成的起始所需的条件:游离的核糖体大小亚基 mRNA 5,端的起始信号起始 tRNA tRNAet（原核生物fmet-tRNA严et） GTP三种可溶性起始因子（IF）N甲酰甲硫氨酰tRNA严仪的形成4H2N-CH-COO-tRNACH2札SIcoo-转甲酰酶Nl0-CHO-FH4 fh4CHO-HN-CH-COO-tRNA毕SI coo-Met-tRNAiMetfMet-tRNAet三种起始因子 IF】 %与 IF? 起促进Fmet-tRNAifmct 与 诬皿及30$小亚基结合与 IF起促进fmet-tRNAifmet 与 mRNA及3 OS小亚基结合有GTP酶活性危始时消耗1G

17、TP）特异识别 f met-tRNAifmet形成fmet-tRNAJ1- IFi-GTP终止时：促使核糖体解离（真核生物起始因子一elF有9 一 H种）3 OS起始复合物形成1 核糖体亚基的拆离 IF32mRNA在小亚基上就位起始序列（SD序列） 3 OS小亚基与mRNA识别、 结合 IF】、IF3协助fmet-tRNA严*t的结合 fmet-tRNA/"1®1 -IF2-GTP 通过其反密码与mRNA上 的起始密码AUG相配对SD序列(shine-Dalgarno序列)：一原核生物1.位于起始密码上游10个核昔酸左右。2序列富含嗓吟(如AGGA /GAGG )的一段序列

18、。3能和原核生物16s rRNA3,端7个相应的富含 喀吹序列互补。4在IF3. IF】促进下和30S亚基结合。(bi(biE. ctxr trp A E. coli am BE. coll lac I <AX17«I ph.igt- proteinA phnifi* rroA U G G A G (A G G G UShinc-Dalarno sequence： pnirx with IKS rRNAAUG A9IM mu gAUGAUGInitiation codon: paint with fWcl-tRNABhc(bi(a):V End of16S rRN/Ideali

19、zed <5*>G A U U C C prokaryotic mRNA(bi70s起始复合物形成1. 舟3脱落2. 50S大亚基结合3. GTPGDP+Pi4. IF2. IF脱落7 Os起始复合物组成1.小亚基2mRNA3. fmet-tRNA严et 结合于核糖体的P位mRNA +30S 亚墓IF3IFi、30S 亚* mRNAIF?- IF 1复令物IFz-GTP fMet-tRNA、IF? t30S mRNA GTP fMet-tRNA-IFz- IF i复令物50S亚基JIF2+ IFi+GDP+Pi §70S棍妬复令物P位70S起始 复合物Pttttoantl

20、voclanIII三肽链的延长（进位.成肽、移位）所需的条件 7 OS起始复合物 tRNA转运氨基酸延长因子（EF）原核生物一EF - Tu、EF - Ts （真核生物EF1,多亚基， 具有Tu和Ts的功能） GTP1.进位 EF-Ts氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，进 入核糖体的A位。 EF-Tu协助AA-tRNA进入A位 具有GTP酶活性参与的延长因子促进EF-Tu的再利用RtbosorreTuTs循环2.转肽Ribosome with aa-tRNA转肽酶（大亚基上）催化形成肽键肽键 P位：f-met-（肽酰）的 a -COO'A位：氨基酰的a-NHf形成肽键位置 A位：反应

21、在此位上进行生成的二肽在A位上。P位：无负载tRNA肽基转移酶（peptidyltransferase ）使一个酯键变成了肽键。肽基转移酶的活性由核糖体大亚基的23srRNAc担（肽基转移酶是一种ribozyme ）。嗥吟霉素对 蛋白质的抑制作用就发生在肽键形成这一步。嗥吟霉素的结构非常类似于氨酰-tRNA的3,末端AMP的结构。因为结构上的相似，噤吟霉素可以进入核糖体 的A位。肽酰转移酶催化新生成的多肽转移至嗥吟霉素 的游离的氨基上。由于肽酰-嗥吟霉素在A位处的结合 弱，快就从核糖体上解离，因此就可终止蛋白质的合 成。(RNANILO=P O°O:NOH-|RN/3移位在A位的二肽

22、链连同mRN A进入P位移位 因子 EF-G （真核生物EF - 2 ）有GTP酶活性游离tRNA释放位置 P位： 肽-tRNA-mRNA A位：空留，下一个AA进入方向 mRNA：从5, 3,移动 1个带有肽链的tRNA：从A位一 P位肽链合成：从N端C端延长3. 肽链延长过程的能量消耗每合成一个肽键，消耗4个高能磷酸键 活化：2个ATP 进位：1个GTP 移位：1个GTP肽链的延长进位GTP(TuTs)转肽进位转肽GTP移位(EF-G)7肽链合成的终止终止密码的辨认肽链从肽酰-tRNA水 解出mRN A从核糖体中分离 及大小亚基的拆开 蛋白质因子的参与（释放因子） UAA、 UAG、 UGA GTP DP+Pi IF3结合30小亚基 RF：作用于UAA. UAG RF2：作用于UAA. UGARF3：刺激RF1、RF2活性肽链合成的终止(1) 释放因