北大分子生物学讲义朱玉贤

1、北大分子生物学讲义朱玉贤北大生命科学院分子生物学课程教学讲义朱玉贤第一讲 序论 略二、现代分子生物学中的主要里程碑分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。当人们意识到同一生物不同世代之间的连续性是由生物体自身所携带的遗传物质所决定的，科学家为揭示这些遗传密码所进行的努力就成为人类征服自然的一部分，而以生物大分子为研究对像的分子生物学就迅速成为现代社会中最具活力的科学。从 1847 年和提出"细胞学说"，证明动、植物都是由细

2、胞组成的到今天，虽然不过短短一百多年时间， 我们对生物大分子细胞的化学组成却有了深刻的认识。孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识，而的基因学说则进一步将"性状 "与 "基因"相耦联， 成为分子遗传学的奠基石。和所提出的脱氧核糖酸双螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。在蛋白质化学方面， 继在 1936 年证实酶是蛋白质之后，利用纸电泳及层析技术于1953 年首次阐明胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析的先河。而和利用X 射线衍射技术解析了肌红蛋白（）及血红蛋白（） 的三维结构，论证了这些蛋白质在输送分子氧过程中的特殊作用，成

3、为研究生物大分子空间立体构型的先驱。1910 年，德国科学家第一个分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。1959 年，美国科学家第一次合成了核糖核酸，实现了将基因内的遗传信息通过翻译成蛋白质的过程。同年，实现了试管内细菌细胞中的复制。1962 年， （美）和（英）因为在1953 年提出的反向平行双螺旋模型而与共获生理医学奖，后者通过 X 射线衍射证实了模型。1965 年，法国科学家和提出并证实了操纵子（）作为调节细菌细胞代谢的分子机制。此外，他们还首次推测存在一种与序列相互补、能将它所编码的遗传信息带到蛋白质合成场所（细胞质）并翻译产生蛋白质的（信使核糖核酸）。1972 年， （美）第一次进行了重组

4、。1977 年，和（英）第一次进行了序列分析。1988 年，由于在50 年代提出并发现了可移动遗传因子（或称 ）而获得奖。1993 年，美国科学家和因发现断裂基因（）而获得奖。由于发明仪而与加拿大学者（第一个设计基因定点突变）共享化学奖。此外， （ 1928 ）及（1944 ）等人关于致病力强的光滑型（S 型）肺炎链球菌导致致病力弱的粗糙型（ R 型）细菌发生遗传转化的实验；和（1952 ）关于是遗传物质的实验；于1954 年所提出的遗传信息传递规律（即中心法则）和（1958 ）关于半保留复制的实验以及和（1961 ）年关于遗传密码三联子的设想都为分子生物学的发展做出了重大贡献。我国生物科学家

5、吴宪20 世纪 20 年代初回国后在协和医科大学生化系与汪猷、张昌颖等人一道完成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究，成为我国生物化学界的先驱。20 世纪 60 年代、 70 年代和 80 年代，我国科学家相继实现了人工全合成有生物学活性的结晶牛胰岛素，解出了三方二锌猪胰岛素的晶体结构，采用有机合成与酶促相结合的方法完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成，在酶学研究、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有世所瞩目的建树。三、分子生物学的主要研究内容所有生物体中的有机大分子都是以碳原子为核心，并以共价键的形式与氢、氧、 氮及磷以不同方式构成的。不仅如此，一切生物体中

6、的各类有机大分子都是由完全相同的单体，如蛋白质分子中的20 种氨基酸、及中的8 种碱基所组合而成的，由此产生了分子生物学的3 条基本原理：1 构成生物体有机大分子的单体在不同生物中都是相同的；2 生物体内一切有机大分子的建成都遵循着各自特定的规则；3 某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。分子生物学研究内容:重组技术基因工程基因表达调控核酸生物学生物大分子结构功能结构分子生物学重组技术（又称基因工程）这是 20 世纪 70 年代初兴起的技术科学，目的是将不同片段（如某个基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的

7、新的遗传性状。严格地说，重组技术并不完全等于基因工程，因为后者还包括其他可能使生物细胞基因组结构得到改造的体系。重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结晶，而限制性内切酶连接酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。重组技术有着广阔的应用前景重组技术可用于定向改造某些生物基因组结构，使它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百上千倍的地提高。重组技术还被用来进行基础研究。如果说，分子生物学研究的核心是遗传信息的传递和控制，那么根据中心法则，我们要研究的就是从到，再到蛋白质的全过程，也即基因的表达与调控。在这里，无论是对启动子的研究（包括调控元件或

8、称顺式作用元件） ，还是对转录因子的克隆及分析，都离不开重组技术的应用。基因表达调控研究因为蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）。原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开， 且在转录和翻译后都有复杂的信

9、息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。基因表达调控主要表现在信号传导研究、转录因子研究及剪辑3 个方面。转录因子是一群能与基因5' 端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。真核基因在结构上的不连续性是近10 年来生物学上的重大发现之一。当基因转录成后，除了在5' 端加帽及3' 端加多聚A 之外，还要将隔开各个相邻编码区的内含子剪去，使外显子（编码区）相连后成为成熟。研究发现，有许多基因不是将它们的内含子全部剪去，而是在不同的细胞或不同的发育阶段有选择地剪接其中部分内含子，因此生成不同的及蛋白质分子。结构分

10、子生物学生物大分子的结构功能研究（又称结构分子生物学）一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前提: 首先，它拥有特定的空间结构（三维结构）；其次，在它发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。 它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关系的建立3 个主要研究方向。最常见的研究三维结构及其运动规律的手段是X 射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是用二维核磁共振和多维核磁研究液相结构，也有人用电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生

11、物高分子的空间结构。义第二讲 染色体与3 / 24北大分子生物学讲义朱玉贤的组成与结构在1944年的研究报告中写道："当溶液中酒精的体积达到 9/10时，有纤维状物质析出。如稍加 搅拌，它就会象棉线在线轴上一样绕在硬棒上，溶液中的其它成份则呈颗粒状沉淀。溶解纤维状物质并重复数次，可提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，初步实验证实，它很可能就是（谁能想到！）"。对分子的物理化学研究导致了现代生物学翻天覆地的革命，这更是所没有想到。所谓的一级结构，就是指4种核昔酸的连接及其排列顺序， 表示了该分子的化学构成。核昔酸序列对高级结构的形成有很大影响，如中多聚（）区易出现左手螺

12、旋（），而反向重复的片段易出现发卡式结构等。不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式存 在，其基本特点是：1、分子是由两条互相平行的脱氧核昔酸长链盘绕而成的。2、分子中的脱氧核糖和姿蟒惶媪樱 旁谕瞭峨 钩苫 竟羌堤 量 帕性谀讴晴3、两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律。这就是嗯吟与嗑咤配对，而且腺嗯 吟（A）只能与胸腺嗑咤（T）配对，鸟嗯吟（G）只能与胞嗑咤（C）配对。如一条链上某一碱基 是C,另一条链上与它配对的碱基必定是 Go碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。组成分子的碱基虽然只有 4种，它们的配对方式也只有 A与T

13、, C与G两种，但是，由于碱基可 以任何顺序排列，构成了分子的多样性。例如，某分子的一条多核昔酸链有100个不同的碱基组成，它们的可能排列方式就是 4100 o 二、聚合酶与的合成10-8-1010.-11000, -10-6（）1 ,；,. a .2 , , a ,. a .三、的生理意义及成分分析早在1928年英国科学家等人就发现肺炎链球菌使小鼠残废的原因是引起肺炎。细菌的毒性（致病力）是由细胞表面荚膜中的多糖所决定的。具有光滑外表的S型肺炎链球菌因为带有荚膜多糖而都能使小鼠发病，而具有粗糙外表的R型因为没有荚膜多糖而失去致病力（荚膜多糖能保护细菌免受运动白细胞攻击）。首先用实验证明基因就

14、是分子的是美国著名的微生物学家。等人将光滑型致病菌（ S型）烧煮杀灭 活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌自然丧失了致病能力。再用活的粗糙型细菌（ R型）来侵染 小鼠，也不能使之发病，因为粗糙型细菌天然无致病力。当他们将经烧煮杀死的 S型细菌和活的R型细菌混合再感染小鼠时，实验小鼠每次都死了。解剖死鼠，发现有大量活的S型（而不是R型）细菌。他们推测，死细菌中的某一成分素转化源（）将无致病力的细菌转化成病原细菌。美国冷泉港卡内基遗传学实验室科学家和他的学生在1952年从事噬菌体侵染细菌的实验。噬菌体专门寄生在细菌体内。它的头、尾外部都有由蛋白质组成的外壳，头内主要是。噬菌体侵染细菌的过程可以分为以

15、下5个步骤：噬菌体用尾部的末端（基片、尾丝）吸附在细菌表面；噬菌体通过尾轴把全部注入细菌细胞内，噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞外面；噬菌体的一旦进入细菌体内，它就能利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的和蛋白质；新合成的和蛋白质外壳， 能组装成许许多多与亲代完全相同的子噬菌体；子代噬菌体由于细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他细菌。他们发现被感染的细菌中带有70%的噬菌体，但只带有 20%的噬菌体蛋白质。子代噬菌体中带有50%标记的，却只有1%的标记蛋白质。四.和1/2a1/250% X .五、染色体结构“”,& a.任何一条染色体上都带有许多基因，一条高等生物的染色体上可能带有成千上万个基

16、因，一个细胞中的全部基因序列及其间隔序列统称为（基因组）。 如果设想将人体细胞中的分子绕地球一周，那么，每个碱基大约只占1 5 厘米，而一个2 3 的基因只相当于地球上一条数十米长，数厘米宽的线段！（ 基因型） ：a（ 指某个特定生物体细胞内的全部遗传物质） 。（ 表现型） ：（ 某个特定生物体中可观察到的物理或生理现象） 。： 染色体中可遗传的核苷酸序列变化。六、 染色体的组成1 染色质和核小体染色质的值比自由高，说明在染色质中极可能与蛋白质分子相互作用；在染色质状态下，由聚合酶和聚合酶催化的复制和转录活性大大低于在自由中的反应；酶I （）对染色质的消化远远慢于对纯的作用。 染色质的电子显微

17、镜图显示出由核小体组成的念珠状结构，可以看到由一条细丝连接着的一连串直径为10 的球状体。核小体是由H2A 、 H2B 、 H3 、 H4 各两个分子生成的八聚体和由大约200 组成的。 八聚体在中间，分子盘绕在外，而H1 则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1 。在核小体中盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成1/7 ， 200 的长度约为68 ， 却被压缩在10的核小体中。但是，人中期染色体中含 3.3 X 109碱基对，其理论长度应是 180 ,这么长的被包含 在46个51Mm长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为 104 o2 染色体中的核酸组成 不重复序列在单倍体基因组里，这些序列一

18、般只有一个或几个拷贝，它占总量的40% 80% 。不重复序列长约750 2000 ，相当于一个结构基因的长度。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质，如一个蚕丝心蛋白基因可作为模板合成104 个丝心蛋白，每个可存活4d ，共合成105 个丝心蛋白，这样， 在几天之内，一个单拷贝丝心蛋白基因就可以合成109 个丝心蛋白分子。 中度重复序列这类重复序列的重复次数在10 104 之间，占总的10% 40% 。各种、及组蛋白基因等都属这一类。非洲爪蟾的18S 、 5.8S 及 28 基因是连在一起的，中间隔着不转录的间隔区，这些单位在链上串联重复约5000次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次

19、不同比例的复制，产生2X 106个拷贝，使占卵细胞的75% ，从而使该细胞能积累1012 个核糖体。 高度重复序列 卫星 这类只在真核生物中发现，占基因组的10% 60% ，由 6 100 个碱基组成，在链上串联重复几百万次。由于碱基的组成不同，在密度梯度离心中易与其他分开，形成含量较大的主峰及高度重复序列小峰，后者又称卫星区带（峰）。高等真核生物无论从结构还是功能看都极为复杂，以小鼠为例：1. 小鼠总的10 是小于10 的高度重复序列，重复数十万到上百万次。2. 总的20 是重复数千次、长约数百的中等重复序列。3. 总的70 是不重复或低重复序列, 绝大部分功能基因都位于这类序列中。： 是细

20、胞有丝分裂期间纺锤体蛋白质与染色体的结合位点（） ，这种结合对于染色体对在子细胞中的有序和平均分配至关重要。在酵母中，的功能单位长约130 ，富含 碱基对。在高等真核细胞中，都是由长约5 10 、方向相同的高度重复序列所组成。 酵母一般以100 左右不精确重复序列所组成。5 （）n3 （）n其中X、Y一般为1 4,单细胞真核生物中 n常为20 100 ,高等真核生物中1500 。染色体末端的线性重复序列不能被所准确复制，它们一般在复制完成以后由合成后加到染色体末端。（长约 300 ）是人类高度重复序列,因为该序列中带有的识别序列而得名。数十万个重复序列散布于整个人类基因组中，达到总序列的1 3

21、 。与其它高度重复序列共占人类的10 以上。3 染色体中的蛋白质染色体上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与组成核小体。通常可以用 2 或 0.25 的 24 处理使组蛋白与分开。组蛋白分为H1 、 H2A 、 H2B 、 H3 及 H4 。这些组蛋白都含有大量的赖氨酸和精氨酸，其中H3 、 H4 富含精氨酸，H1 富含赖氨酸；H2A 、 H2B 介于两者之间。 组蛋白的一般特性进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的H4 氨基酸序列完全相同。牛的H4 序列与豌豆序列相比只有两个氨基酸的差异（豌豆H4中的异亮氨基酸60-缴氨酸60,精氨酸-赖氨酸）。H3的保守性也很大，鲤鱼与

22、小牛胸腺的H3 只差一个氨基酸，小牛胸腺与豌豆H3 只差 4 个氨基酸。无组织特异性。到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1 而带有 H5 ，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸集中分布在N 端的半条链上。例如，N 端的半条链上净电荷为+16 ， C 端只有 +3 ，大部分疏水基团都分布在C 端。组蛋白的修饰作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及核糖基化等。 非组蛋白的一般特性染色体上除了存在大约与等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白。非组蛋白的多样性。非组蛋白的量大约是组蛋白的 60%70% ,但它的种类却很多，约在 20-100 种之间，其

23、中常见的有 15-20 种。 非组蛋白的组织专一性和种属专一性。（3） 几类常见的非组蛋白蛋白（） 。这是一类能用低盐（0.35 ）溶液抽提、能溶于2% 的三氯乙酸、相对分子质量较低的非组蛋白，相对分子质量都在3.0X104以下。b. 结合蛋白。用 2 除去全部组蛋白和70% 非组蛋白后，还有一部分蛋白必须用2 和 5 尿素才能与解离。这些蛋白分子量较低，约占非组蛋白的20% ，染色质的8% 。七 . 原核与真核染色体比较原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因如基因是以多拷贝形式存在；整个染色体几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序

24、列呈线性对应状态。= 9000Q0 = 4200100>E. 4639221= 1.7, 850 倍细菌本身长度。细菌中常常带有质粒。果蝇带有25 倍于 E. 的 ,人类带有600 倍于 E. 的 . 中基因密度明显低于原核和病毒。如人中平均每毫米只带有50 个基因 , 而 E. 中基因密度每毫米带有2400 个基因！ 一个人细胞中所带有的约有21.7细菌。成人带有1X10A14个细胞，成人体内全部的总长度（）=2X10A11第三讲 蛋白质合成一 . 基因与基因表达的一般概念基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生理学功能以蛋白质形式得到表达。序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制

25、得到永存，并通过转录生成，翻译生成蛋白质的过程控制所有生命现象。编码链（）又称 ，是指与序列相同的那条链。非编码链（） ，又称 ，是指那条根据碱基互补原则指导生物合成的链。（复制）a.基因表达包括转录（）和翻译（）两个阶段。转录是指拷贝出一条与链序列完全相同（除了T-U之外）的单链的过程，是基因表达的核心步骤。翻译是指以新生的为模板，把核苷酸三联子遗传密码翻译成氨基酸序列、合成蛋白质多肽链的过程，是基因表达的最终目的。只有所携带的遗传信息才被用来指导蛋白质生物合成，所以人们一般用U 、 C、 A、 G 这 4 种核苷酸而不是T、 C、 A、 G 的组合来表示遗传性状。所谓翻译是指将链上的核苷酸

26、从一个特定的起始位点开始，按每3 个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。二 . 遗传密码 三联子上每 3 个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3 个核苷酸就称为一个密码，也叫三联子密码。翻译时从起始密码子开始，沿5'f3'的方向连续阅读直到终止密码子，生成一条具有特定序列的多肽链。中只有 4 种核苷酸，而蛋白质中有20 种氨基酸，若以一种核苷酸代表一种氨基酸，只能代表4 种（41=4） 。 若以两种核苷酸作为一个密码（二联子）， 能代表 42=16 种氨基酸。而假定以3 个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有43=64 种密码，满足了编码20 种氨基酸的需要

27、。50-60 年代破译遗传密码方面的三项重要成果：（ 1 ） 等人证实细胞中蛋白质合成的场所。他们把放射性标记的氨基酸注射到大鼠体内，经过一段时间后收获其肝脏，进行蔗糖梯度沉淀并分析各种细胞成份中的放射性蛋白质。如果注射后经数小时（或数天）收获肝脏，所有细胞成份中都带有放射性标记的蛋白质;如果注射后几分钟内即收获肝脏，那么，放射性标记只存在于含有核糖体颗粒的细胞质成份中。（ 2 ） 等人第一次证实只有用三联子密码的形式才能把包含在由四个字母组成遗传信息（核酸） 准确无误地翻译成由20 种不同氨基酸组成的蛋白质序列，实现遗传信息的表达。实验 1:用吖啶类试剂（诱导核苷酸插入或丢失）处理 T4 噬

28、菌体位点上的两个基因，使之发生移码突变（），就生成完全不同的、没有功能的蛋白质。实验 2:研究烟草坏死卫星病毒发现，其外壳蛋白亚基由400 个氨基酸组成，相应的片段长1200 个核苷酸，与密码三联子体系正好相吻合。实验 3:以均聚物为模板指导多肽的合成。在含有、核糖体、合成酶及其它蛋白质因子的细胞抽提物中加入或人工合成的均聚物作为模板以及、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板来决定。1961年，等以（U）作模板时发现合成了多聚苯丙氨酸，从而推出代表苯丙氨酸（） 。以（C）及 （A）做模板分别得到多聚脯氨酸和多聚赖氨酸。实验 4:以特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成

29、。以多聚二核苷酸作模板可合成由2 个氨基酸组成的多肽，5'3',不管读码从U开始还是从G开始，都只能有（）及（）两种密码子。实验 5:以共聚三核苷酸作为模板可得到有3 种氨基酸组成的多肽。如以多聚（）为模板，可能有3 种起读方式：5'3或5'3或5'3'分别产生（）、（）或（）.多聚三核昔酸为模板时也可能只合成2种多肽：5'3'或5'3或5'3'由第二种读码方式产生的密码子是终止密码，不编码任何氨基酸，因此，只产生（）或（）。实验6:以随机多聚物指导多肽合成。等及等又用各种随机的多聚物作模板合成多肽。例如，

30、以只含A、 C的多聚核苷酸作模板，任意排列时可出现8 种三联子，即、 、 、 、 、 、 ，获得由、 、 、 、等 6 种氨基酸组成的多肽。（ 3 ）氨基酸的“ 活化”与核糖体结合技术。如果把氨基酸与和肝脏细胞质共培养，氨基酸就会被固定在某些热稳定且可溶性分子（， ）上。现将氨基酸活化后的产物称为氨基酰（），并把催化该过程的酶称为氨基酰合成酶（） 。以人工合成的三核苷酸如、等为模板，在含核糖体、的反应液中保温后通过硝酸纤维素滤膜，只有游离的因相对分子质量小而通过滤膜，而核糖体或与核糖体结合的则留在滤膜上，这样可把已结合与未结合的分开。当体系中带有多聚核苷酸模板时，从大肠杆菌中提取的核糖体经常与

31、特异性氨基酰相结合。如果把核糖体与（U）和共温育，核糖体就能同时与（ U）和相结合。4 种核苷酸组成61 个编码氨基酸的密码子和3 个终止密码子，它们不能与的反密码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（） ，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（） 。三密码子和反密码子的相互作用蛋白质生物合成过程中，的反密码子通过碱基的反向配对与的密码子相互作用。1966 年，根据立体化学原理提出摆动假说（） ， 解释了反密码子中某些稀有成分如I 以及许多有2 个以上同源密码子的配对问题。 任意一个密码子的前两位碱基都与中的相应碱基形成碱基配对

32、。 反密码子第一位是A 或 C 时，只能识别一个密码子。当反密码子第一位是U 或 G 时，能识别两个密码子。当（I ）作为反密码子第一位时，能识别三个密码子。 如果数个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不相同的密码子都对应于各自的。 根据上述规则，至少需要32 种不同的才能翻译61 个密码子。四在蛋白质合成中处于关键地位，被称为第二遗传密码。它不但为将每个三联子密码翻译成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了载体。所有的都能够与核糖体的P 位点和 A 位点结合，此时，分子三叶草型顶端突起部位通过密码子：反密码子的配对与相结合，而其3 末端恰好将所转运的氨基

33、酸送到正在延伸的多肽上。代表相同氨基酸的称为同工。在一个同工组内，所有均专一于相同的氨基酰- 合成酶。1 、的三叶草型二级结构受体臂 （ ） 主要由链两端序列碱基配对形成的杆状结构和3 端末配对的3-4 个碱基所组成，其 3端的最后3个碱基序列永远是，最后一个碱基的3'或2'自由羟基（一）可以被氨酰化。T<H 臂是根据3个核昔酸命名的，其中小表示拟尿嗑咤，是分子所拥有的不常见核昔酸。反密码子臂是根据位于套索中央的三联反密码子命名的。D 臂是根据它含有二氢尿嘧啶（）命名的。最常见的分子有76个碱基，相对分子质量约为2.5X104。不同的分子可有74-95个核昔酸不等，分子长

34、度的不同主要是由其中的两条手臂引起的。的稀有碱基含量非常丰富，约有70 余种。每个分子至少含有2 个稀有碱基，最多有 19 个， 多数分布在非配对区，特别是在反密码子3' 端邻近部位出现的频率最高，且大多为嘌呤核苷酸。这对于维持反密码子环的稳定性及密码子、反密码子之间的配对是很重要的。2 的L 形三级结构酵母和大肠杆菌的三级结构都呈L 形折叠式。这种结构是靠氢键来维持的，的三级结构与合成酶的识别有关。受体臂和 T<H臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，D臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。的 L 形高级结构反映了其生物学功能，因为它上所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的

35、多肽合成位点，而它的反密码子必须与小亚基上的相配对，所以两个不同的功能基团最大限度分离。3 的功能转录过程是信息从一种核酸分子（）转移至另一种结构上极为相似的核酸分子（）的过程，信息转移靠的是碱基配对。翻译阶段遗传信息从分子转移到结构极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联子密码形式存在的，在这里起作用的是解码机制。4 的种类（ 1 ）起始和延伸能特异地识别模板上起始密码子的叫起始，其他统称为延伸。原核生物起始携带甲酰甲硫氨酸（），真核生物起始携带甲硫氨酸（）。（ 2 ）同工代表同一种氨基酸的称为同工，同工既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同

36、性，能被合成酶识别。（ 3 ）校正校正分为无义突变及错义突变校正。在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子（、 ） ，使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变就称为无义突变。五 合成酶 是一类催化氨基酸与结合的特异性酶，其反应式如下：它实际上包括两步反应：第一步是氨基酸活化生成酶-氨基酰腺苷酸复合物。酶（E）-第二步是氨酰基转移到3 末端腺苷残基上，与其2 或 3 - 羟基结合。蛋白质合成的真实性主要决定于合成酶是否能使氨基酸与对应的相结合。合成酶既要能识别，又要能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性。不同的有不同碱基组成和空间结构，

37、容易被合成酶所识别，困难的是这些酶如何识别结构上非常相似的氨基酸。有两道关口:a .核糖体像一个能沿模板移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。它是由几十种蛋白质和几种核糖体（， ）组成的亚细胞颗粒。一个细菌细胞内约有20000 个核糖体，而真核细胞内可达106 个，在未成熟的蟾蜍卵细胞内则高达1012 。核糖体和它的辅助因子为蛋白质合成提供了必要条件。1. 核糖体的组成原核生物核糖体由约2/3 的及 1/3 的蛋白质组成。真核生物核糖体中占3/5 ，蛋白质占2/5 。核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质量较大的和许多不同的蛋白质分子。大肠杆菌核糖体小

38、亚基由21种蛋白质组成，分别用S1S21表示，大亚基由33种蛋白质组成，分别用L1L33表示。真核生物细胞核糖体大亚基含有49种蛋白质，小亚基有 33种蛋白质。2.3. 核糖体的功能核糖体包括至少5 个活性中心，即结合部位、结合或接受部位（ A 位） 、结合或接受肽基的部位、肽基转移部位（P 位）及形成肽键的部位（转肽酶中心），此外还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。小亚基上拥有结合位点，负责对序列特异的识别过程，如起始位点的识别和密码子与反密码子的相互作用。大亚基负责氨基酸及携带的功能，如肽键的形成、肽基 - 的结合等。A位、 P 位、转肽酶中心等主要在大亚基上。核糖体可解离为亚基或结

39、合成7080S 颗粒。翻译的起始阶段需要游离的亚基，随后才结合成7080S 颗粒，继续翻译进程。体外反应体系中，核糖体的解离或结合取决于2+ 离子浓度。在大肠杆菌内，2+ 浓度在 10-3 以下时，70S 解离为亚基，浓度达10-2 时则形成稳定的70S 颗粒。细胞中大多数核糖体处于非活性的稳定状态，单独存在，只有少数与一起形成多聚核糖体。它从的5' 末端向 3' 末端阅读密码子，至终止子时合一条完整的多肽链。上核糖体的多少视的长短而定，一般40 个核苷酸有一个核糖体。七 . 信使核糖核酸.虽然在所有细胞内执行着相同的功能，即通过三联子密码翻译生成蛋白质，其生物合成的具体过程和

40、成熟的结构在原核和真核生物细胞内是不同的。八、蛋白质的生物合成核糖体是蛋白质合成的场所，是蛋白质合成的模板，是模板与氨基酸之间的接合体。此外，有20种以上的及合成酶、10 多种起始因子、延伸因子及终止因子，30 多种及各种、和100 种以上翻译后加工酶参与蛋白质合成和加工过程。蛋白质合成消耗了细胞中90% 左右用于生物合成反应的能量。细菌细胞中的2 万个核糖体，10万个蛋白质因子和20 万个 约占大肠杆菌干重的35% 。在大肠杆菌中合成一个100 个氨基酸的多肽只需5 分钟。1. 蛋白质生物合成的主要步骤：翻译的起始 核糖体与结合并与氨基酰生成起始复合物。肽链的延伸 核糖体沿5 端向3 端移动

41、，导致从N 端向 C 端的多肽合成。肽链的终止以及肽链的释放 核糖体从上解离，准备新一轮合成反应。主要分为五步1、 、（,）.2、 .3、 .4、 .a .5、 .肽链延伸分为三步 . . .2. 与蛋白质合成有关的因子起始因子（）延伸因子（）终止因子。原核中有1-3 。 1 识别 和 ; 2 识别 和 ; 3 仅能促进1和 2 的功能。终止因子行使功能时需要。真核生物中只有一个，能识别3 个终止子。3. 、蛋白质合成的起始蛋白质合成的起始复合物:30S 核糖体小亚基模板起始因子50S 核糖体大亚基2+合成的起始可分为三步:1、30S核糖体小亚基与起始因子1和3相结合，诱发模板与小亚基结合。2

42、、由30S小亚基、起始因子1和3及模板所组成的复合物立即与2及相结合。反密码子与密码子配对。3 、上述六组分复合物再与50S 大亚基结合，水解生成并释放和。释放三个起始因子。表 27-9 真核细胞中参与翻译起始的蛋白质因子及其功能真核因子功能2 促进与核糖体40S 小亚基结合。2B3是最早与核糖体40S 小亚基结合的促进因子，蛋白质合成反应的正常进行。4A 具有解旋酶活性，解除模板的次级结构并使之与40S 小亚基结合，形成4F 复合物。4B 与模板相结合，协助核糖体扫描模板序列，定位。4E 与 5' 的帽子结构相结合，形成4F 复合物。4G与4E和（A）结合蛋白（）相结合，形成 4F复

43、合物。5 促使多个蛋白因子与40S 小亚基解体，以此帮助大小亚基结合形成80 核糖体，形成翻译起始复合物。6 促进没有蛋白质合成活性的80S 核糖体解离成40S 和 60S 两个亚基。4 、肽链的延伸肽链延伸的基本要求是：有完整的起始复合物，有氨基酰，有延伸因子, 和，有。肽链延伸也可被分为三步：第一步， 与新进来的氨基酰相结合。氨基酰首先必须与复合物相结合，形成氨基酰复合物并与70S中的 A 位点相结合。此时，水解并释放复合物。第二步，肽键形成。肽键形成之初，两个氨基酸仍然分别与各自的相结合，仍然分别位于A 位点和P位点上。A位点上的氨基酸（第二个氨基酸）中的纺氨基作为亲核基团取代了P位点上

44、的，并与起始氨基酸中的基团形成肽键。本反应可能由催化。第三步，移位（）。 核糖体向的3 方向移动一个密码子，使得带有第二个氨基酸（现已成为二肽）的从 A 位进入 P 位，并使第一个从P 位进入 E 位。此时模板上的第三个密码子正好在A 位上。核糖体的移位需要（）和另一分子水解提供能量。5 、肽链的终止当终止密码子进入核糖体A 位点时，在释放因子1-3 的作用下：（ 1 ）水解末端肽基；（ 2 ）释放新生肽和；（ 3 ）使 70S 核糖体解离成30S 和 50S 两个亚基。6 、蛋白质合成的抑制剂抗菌素对蛋白质合成的作用可能是阻止与核糖体结合（氯霉素）， 或阻止与核糖体结合（四环素类），或干扰与

45、核糖体结合而产生错读（链霉素、新霉素、卡那霉素等），或作为竞争性抑制剂抑制蛋白质合成。链霉素是一种碱性三糖，干扰与核糖体的结合，从而阻止蛋白质合成的正确起始，并导致的错读。若以（U）作模板，则除苯丙氨酸（）外，异亮氨酸（）也会掺入。对链霉素敏感位点在30S亚基上。嘌呤霉素是的结构类似物，能结合在核糖体的A 位上，抑制的进入。它所带的氨基与上的氨基一样，能与生长中肽链上的羧基生成肽键，这个反应的产物是一条3' 羧基端挂了一嘌呤霉素。青霉素、 四环素和红霉素只与原核细胞核糖体发生作用，从而阻遏原核生物蛋白质的合成，抑制细菌生长。 氯霉素和嘌呤霉素既能与原核细胞核糖体结合，又能与真核生物核糖

46、体结合，妨碍细胞内蛋白质合成，影响细胞生长。因此，前3 种抗生素被广泛用于人类医学，后两种则很少在医学上使用。第四讲 、和蛋白质代谢是贮藏遗传信息的最重要的生物大分子。分子中的核苷酸排列顺序不但决定了胞内所有及蛋白质的基本结构，还通过蛋白质（酶）的功能间接控制了细胞内全部有效成份的生产、运转和功能发挥。贮藏在任何基因中的生物信息都必须首先被转录生成，才能够得到表达。和虽然很相似，只有T或 U 及核糖的第二位碳原子上有所不同，但它们的生物学活性却很不同。主要以单链形式存在于生物体内，其高级结构很复杂；既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。蛋白质是生物信息通路上的

47、终产物，一个活细胞在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。因此，活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运转和降解反应。一、核苷酸的合成与代谢核苷酸是和的前体是细胞内化学能流通领域中的载体（，） , 是、 、及 A 等的重要成份。在糖代谢中也有重要作用，如生成和等。 , 还是第二信使。1 、 嘌呤核苷酸的生物合成始于（1 ）这一途径的第一步是由谷氨酰胺捐献一个氨基到的1 位上，生成5。其次，把甘氨酸中的三个基团加到上。第三，由N10- 甲基四氢叶酸提供一个甲基。第四，谷氨酰胺提供另一个N。第五，脱水环化形成咪唑环。第六，羧基化第七，通过分子重排将羧基从咪唑第4 碳的环外氨基上转移到第5 位碳

48、原子上。第八-九，由天门冬酰胺把另一个氨基加到第5 位碳原子上。第十，再由N10- 甲基四氢叶酸提供一个甲基。第十一，脱水环化，形成嘌呤。参与合成的是 腺苷琥珀酸合成酶和 腺苷琥珀酸裂解酶。参与合成的是 脱氢酶和 谷氨酰胺酰胺转移酶。2 . 嘌呤核苷酸合成中的反馈调节3 嘧啶核苷酸是由天门冬酰胺、和氨基甲酰磷酸等共同形成的嘧啶从头合成途径不同于嘌呤的合成，6- 原子嘧啶环首先被合成，然后才与核糖-5- 磷酸相连。这个反应需要氨基甲酰磷酸（） 。4 核苷单磷酸转化为核苷三磷酸反应生成的可通过糖酵解酶或氧化磷酸化途径被进一步磷酸化。能够把磷酸基团加到其它所有核苷单磷酸上生成核苷三磷酸。核苷二磷酸可

49、通过一个公用的核苷二磷酸激酶被进一步磷酸化生成核苷三磷酸。5 核糖核苷酸（） 是脱氧核糖核苷酸（）的前体。所有都直接来自于（其实是）。 这个反应很特殊，因为核糖上的还原反应发生于一个没有活化的碳原子上。催化该反应的酶是核糖核苷酸还原酶。大肠杆菌核苷酸还原酶有两大特征，它的生物学活性和底物特异性同时受效应子（）的影响。每个 R1 亚基上都有两个调节位点，当影响整体酶活性的那个位点与相结合时，酶活性增加；而当它与结合时，酶活性消失。第二个调节位点控制了底物特异性。当与该位点相结合时，和的还原反应优先进行。当与该位点相结合时，的还原反应优先进行。核糖核苷酸还原反应的主要过程1. 还原酶R2亚基处于氧

50、化态 向核糖3'位碳原子上的H发起攻击，生成3位自由基。2. R1 亚基上的基团为2' 提供一个H 原子，使之生成2 基团。3. 脱水后，3' 位自由基帮助维持2' 位基团。4. R1 亚基上的另一个基团为2' 提供一个H 原子5. 2'上的C .向R2亚基上的发起攻击。6. 2' 上的失去氧原子，生成。其中，（）来自于和，其直接前体是，由胸苷酸合酶（）将转化为；反应中的甲基来自于N5 ， N10 。7. 、嘌呤和嘧啶降解后分别生成和。嘌呤核苷酸降解第一步是在5'- 核苷酸酶（5' ）的作用下消去磷酸基团，由变成，或从变成

51、。二、在的作用下生成；三、在的作用下生成或由生成；四、在或作用下生成；五、在的作用下生成。嘌呤代谢突变会引起重要疾病。如人体内缺失， 会引发严重的免疫缺失性疾病，因为此时淋巴和淋巴细胞不能正常发育。缺失后，细胞内的含量将高达正常细胞中的100 倍，而过量的则抑制了其余在淋巴细胞中的合成。许多化疗（）药剂都针对核苷酸合成途径。如和都是类似物，被用于阻断核苷酸的生物合成。胸苷合成中的主要抑制剂有（氟脲）、 （氨甲基叶酸）和（氨喋呤）。氟脲本身不是抑制剂，但它在细胞中被转化为以后，就能直接与相结合并使之失活。氨甲基叶酸和氨喋呤都是的抑制剂，氨甲基叶酸与该酶的亲和力比底物高100 倍。二、氨基酸代谢按

52、所占的质量比例计算，N 在生物体内的重要性排在之后，列第4 位。大量N 元素都是有机氮，被结合于氨基酸或核苷酸分子中。地球上的动植物共含氮约1.5X1010t ,而每年通过硝化细菌以气态氮的形式释放到大气中的氮就有2X 108 -5X 108t。全世界氮肥厂每年生产的化肥仅含氮约108t ,所以，如果没有生物固氮，生命很快就不复存在了。1.镂通过谷氨酸-谷氨酰胺被结合到有机物质中。主要有两步反应：（1） - 丫（2） 丫 4+>总结：4 -因此，谷氨酰胺合成酶是氮代谢中的主要调控位点。在大肠杆菌中，由12 个相同的亚基（50 ）聚合而成，其活性既通过构象变化，也能通过共价修饰的方式得到调

53、节。，和其它至少6 种代谢产物都是活性的变构抑制剂，每个抑制剂都只有部分抑制作用。除变构抑制之外，活性还受共价修饰调节。当第397 位酪氨酸被腺苷化后（加上），该酶更容易受变构抑制剂的反馈调节。2. 氨基酸的生物合成高等动物不能合成大约一半氨基酸，只能从食物中直接获取这些必需氨基酸（）。表18-1 人体必需氨基酸（*. 哺乳期至幼儿期必需）表 22-1 氨基酸合成的六条主要途径3. 氨基酸脱羧基化后生成有机胺。许多重要的神经递质都是胺或其次生代谢产物。降解产物有（多巴胺） ， （肾上腺素）， ，统称为（儿茶酚胺）。4. 精氨酸降解产生.（ 本世纪 80 年代，科学家发现是人体内重要的信号分子，

54、它参与神经传递、凝血和血压调控等一系列生理反应。虽然它是气体，极易扩散，但由于它十分活跃，其扩散半径一般只有1 。三、氨基酸及功能蛋白质合成后的修饰1. 蛋白质刚刚被合成时，都以（原核）或（真核）开始，多肽合成后，N 端的 、残基，有时还包括 N 揣多个残基或C 端的残基都会被切除。50% 的真核蛋白中，端残基的氨基酸会被乙基化。2. 切除信号肽。许多蛋白质都带有15-30 个残基的，负责指导蛋白质在细胞中的精确定位。3. 特定氨基酸的修饰。4. 氨基酸的糖苷化5. 氨基酸的异戊烯化（）6. 有些蛋白质还要与辅基（ ） 相结合；C 只有与血红素（）相结合才有功能。此外，羧化酶常与分子相结合。有些蛋白质必须经蛋白酶切割后才有功能。有些蛋白质只有在形成二硫键之后才有功能。四、蛋白质的运输和降解1 、绝大部分被运入内腔的蛋白质都带有一个。该序列常常位于蛋白质的氨基末端，长度一般在13-36 个残基之间，有三个特点：（ 1 ）一般带有10-15 个疏水氨基酸；（ 2）常常在靠近该序列端疏水氨基酸区上游带有1 个或数个带正电荷的氨基酸；（ 3 ）在其末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链（或）。研究发现，