蛋白质合成一

蛋白质合成一第1页/共41页2023/4/262第四章生物信息的传递(下)

------从mRNA到蛋白质第2页/共41页2023/4/263DNARNAproteintranslationtranscriptionReversetranscription翻译(translation):包含在mRNA分子中以核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，也称蛋白质合成。第四章生物信息的传递(下)

------从mRNA到蛋白质第3页/共41页2023/4/2644.1遗传密码---三联子

4.2蛋白质生物合成体系

4.3蛋白质合成的生物学机制

4.4蛋白质运转机制第四章生物信息的传递(下)

------从mRNA到蛋白质第4页/共41页2023/4/2654.1遗传密码---三联子4.1.1三联子密码及其破译

4.1.2遗传密码的性质第5页/共41页2023/4/266三联子密码(tripletcoden)

：简称密码，指mRNA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个核苷酸称为密码。4.1.1三联子密码及其破译第6页/共41页2023/4/267翻译时，从起始密码子开始，沿mRNA从5至3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--蛋白质。作为基因的产物的蛋白质最终是受基因控制。4.1.1三联子密码及其破译第7页/共41页2023/4/2684.1.1三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具体密码(数目和顺序)。一.三个核苷酸决定一个氨基酸420(×)42=1620(×)43=6420(√)1.数学观点：G.Gamov(1904-1968）

第8页/共41页2023/4/2692.Crick,SydneyBrenner的遗传学实验化学诱变剂处理T4噬菌体DNA，DNA发生插入或缺失突变，当连续插入或缺失三个核苷酸时，会导致多肽链中增加或缺失一个氨基酸，但序列不发生改变。第9页/共41页2023/4/26103.病毒的mRNA烟草坏死卫星病毒的外壳蛋白由大约400个氨基酸组成，其相应的mRNA片段包括了1200个核苷酸。第10页/共41页2023/4/2611(1)人工RNA分子的合成1955年SeveroOchoa发现了多核苷酸磷酸化酶（PNP，ploynucleotidephosphorylase），在细胞内降解RNA分子而在试管内可催化合成RNA分子。无需DNA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1.破译的技术基础第11页/共41页2023/4/2612(2)无细胞蛋白合成系统

无细胞（或体外）蛋白合成系统：包括蛋白合成的全部必须的细胞成分，但却完全缺少内源mRNA，利用人工合成的RNA分子作为信息转译。无细胞体系中Mg2+浓度很高，人工合成的多聚核苷酸不需起始密码子就能指导多肽的生物合成，读码起始是随机的。然而，在生理Mg2+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。

1.破译的技术基础第12页/共41页2023/4/26132.遗传密码的破译：确定每种氨基酸的具体密码(1).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(2).核糖体结合技术第13页/共41页2023/4/2614(1).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制备大肠杆菌的无细胞合成体系在含DNA、mRNA、tRNA、核糖体、AA-tRNA合成酶及其他酶类的抽提物中加入DNase，降解体系中的DNA，耗尽mRNA时，体系中的蛋白质合成即停止，当补充外源mRNA或人工合成的各种均聚物或共聚物作为模板以及ATP、GTP、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所决定。

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。第14页/共41页2023/4/2615(1).均聚核苷酸指导均聚肽的合成1967年5月27日，MarshallNirenberg和HeiurichMatthaei利用了E.Coli的无细胞蛋白合成体系首次获得了以下结果：第15页/共41页2023/4/2616

将两种以上的核苷酸随机地渗入来合成RNA分子，在无细胞系统中以这种比例合成的mRNA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。以U.G为例，渗入比例为U(76%)和G(24%)，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况如下：(2)共聚核苷酸指导多肽的合成第16页/共41页2023/4/2617三联体几率相对几率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%氨基酸相对渗入量推算出的密码子组合Phe100UUUVal372U.1GLeu362U.1GCys352U.1GTrp141U.2GGly121U.2G第17页/共41页2023/4/261820种氨基酸的密码子核苷酸组成问题由此得到了解决，但不知密码子的核苷酸排列顺序。第18页/共41页2023/4/26192.核糖体结合技术1964年Nirenberg又采用三联体结合实验(1)tRNA和氨基酸及三联体的结合是特异的；(2)上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸纤维滤膜的微孔，而tRNA-氨基酸的复合体是可以通过的。第19页/共41页2023/4/2620第20页/共41页2023/4/2621

这个方法是以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板，在含核糖体、AA-tRNA的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。发现，游离的AA-tRNA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对应的AA-tRNA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糖体上的AA-tRNA与未结合的AA-tRNA分开。第21页/共41页2023/4/2622

第22页/共41页2023/4/2623

若用20种AA-tRNA做20组同样的实验，每组都含20种AA-tRNA和各种三核苷酸，但只有一种氨基酸用14C标记，看哪一种AA-tRNA被留在滤膜上，进一步分析这一组的模板是哪个三核苷酸，从模板三核苷酸与氨基酸的关系可测知该氨基酸的密码子。第23页/共41页2023/4/2624M.Nirenberg&P.Leder(1964.Science145;1399)核糖体结合技术tRNAaaRibosomeNitrocellulosefilterUCU(trinucleotide)Ser-C14,Leu,Lys,Arg,…Ser,Leu-C14,Lys,Arg,…Ser,Leu,Lys-C14,Arg,………第24页/共41页2023/4/2625Ser-C14….

Leu-C14….

Lys-C14….

Gly-C14….第25页/共41页2023/4/2626第26页/共41页2023/4/26274.1遗传密码---三联子

4.1.1三联子密码及其破译

4.1.2遗传密码的性质第27页/共41页2023/4/2628

按照1个密码子由3个核苷酸组成的原则，4种核苷酸可组成64个密码子，现在已经知道其中61个是编码氨基酸的密码子，另外3个即UAA、UGA和UAG并不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与tRNA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。4.1.2.1.密码的简并性4.1.2遗传密码的性质第28页/共41页2023/4/26294.1.2.1.密码的简并性4.1.2遗传密码的性质第29页/共41页2023/4/2630因为存在61种密码子而只有20种氨基酸，所以许多氨基酸有多个密码子。实际上除色氨酸（UGG）和甲硫氨酸（Met）只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。简并(degeneracy)：由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象。同义密码子(synonymouscodon)：编码同一氨基酸的密码子。第30页/共41页2023/4/2631氨基酸密码子个数氨基酸密码子个数丙氨酸4亮氨酸6精氨酸6赖氨酸2天门冬酰胺2甲硫氨酸1天门冬氨酸2苯丙氨酸2半胱氨酸2脯氨酸4谷氨酰胺2丝氨酸6谷氨酸2苏氨酸4甘氨酸4色氨酸1组氨酸2酪氨酸2异亮氨酸3缬氨酸4第31页/共41页2023/4/2632同义密码子一般都不是随机分布的，因为其第一、第二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变并不一定影响所编码的氨基酸，这种安排减少了变异对生物的影响。一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。第32页/共41页2023/4/26334.1.2遗传密码的性质4.1.2.2密码的普遍性与特殊性密码的普遍性

密码的特殊性第33页/共41页2023/4/2634线粒体与核DNA密码子使用情况的比较生物密码子线粒体DNA编码的氨基酸核DNA编码的氨基酸所有UGA色氨酸终止子酵母CUA苏氨酸亮氨酸果蝇AGA丝氨酸精氨酸哺乳类AGA/G终止子精氨酸哺乳类AUA甲硫氨酸异亮氨酸第34页/共41页2023/4/26354.1.2遗传密码的性质4.1.2.3密码子与反密码子的相互作用

在蛋白质生物合成过程中，tRNA的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与mRNA上的密码子相互作用的。

1966年，Crick根据立体化学原理提出摆动假说（wobblehypothesis）。第35页/共41页2023/4/2636摆动性(wobble):

密码子与反密码子配对出现不严格遵