第4章-思考题解析

第4章思考题解析简述破译遗传密码的主要过程。答：遗传密码的破译是20世纪60年代分子生物学最辉煌的成就，先后经历了50年代的数学推理阶段和1961-1965年的实验研究阶段。1954年物理学家GeorgeGamow根据在DNA中存在四种核苷酸，在蛋白质中存在20种氨基酸的对应关系，通过数学推理，得出三个核苷酸编码一个氨基酸。1961年Brenner和Grick根据DNA链与蛋白质链的共线性（colinearity），首先肯定了三个核苷酸的推理。随后用各种人工合成的核苷酸均聚物或共聚物模板在体外翻译蛋白质的方法确定遗传密码子。1964年Nirenberg和Leder用核糖体结合技术测定密码子中的核苷酸排列顺序，历经4年时间，最终确定了编码20种天然氨基酸的密码子，编出了遗传密码字典。70年代以来，分子生物学技术如DNA、RNA序列测定及氨基酸序列测定技术的进步，使遗传密码的存在得到验证。遗传密码有哪些特性？说出遗传密码简并性的生物学意义。答：（1）遗传密码的特性有方向性、连续性、简并性、摆动性、通用性与特殊性。①方向性，遗传密码是三联子密码，即密码子（codon），1个密码子由3个核苷酸组成，它特异性地编码多肽链中的1个氨基酸；密码子是对mRNA分子的碱基序列而言的，它的阅读方向是与mRNA的合成方向或mRNA编码方向一致，即从5'端至3'端。②连续性，mRNA的读码方向从5'端至3'端方向，两个密码子之间无任何核苷酸隔开。mRNA链上碱基的插入、缺失和重叠，均造成移码突变（frame-shiftmutation）。③简并性（degeneracy），指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子，61个密码子编码20种氨基酸，多数氨基酸有2～4个密码子。同一氨基酸的不同密码子称为同义密码子（synonymscodon），密码虽有简并性，但它们使用的频率并不相等，有的密码子使用的机会较多，有的几乎不用。④摆动性，mRNA上的密码子与转移RNA（tRNA）上的反密码子配对时，大多数情况遵守碱基互补配对原则，但也可出现不严格配对，尤其是密码子的第三位碱基与反密码子的第一位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种现象称为摆动配对。1966年Crck根据立体化学原理提出摆动学说（wabblehypothesis），解释了反密码子中某些稀有成分（如I）的配对以及许多氨基酸有2个以上密码子的问题。⑤通用性与特殊性，蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。但已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体中的密码子有特殊性。⑥密码子有起始密码子和终止密码子，蛋白质合成的起始和终止信号含在密码子中，无论在真核生物还是在原核生物中AUG（Met）都是用作起始密码子,但在少数情况下也用GUG。遗传密码表中有3个终止密码子（stopcode），称为无义密码子（nonsensecodons）或链终止密码子（chain-terminatingcodons）。终止密码子没有相应的tRNA存在，只供释放因子识别来实现翻译的终止。遗传密码简并性的生物学意义：减少变异对生物的影响，对生物物种的稳定有一定意义。②简并性除了能降低突变所造成的损害外，还可减少所需的tRNA种类。密码子共有64种，但并不需64种tRNA。终止密码子主要有哪几种？答：有三种，即UAA、UGA和UAG。UAA叫赭石密码，UAG叫琥珀密码，UGA叫蛋白石密码。tRNA在组成和结构上有哪些特点？答：tRNA是由73～93个核苷酸组成的单股RNA，有利于与单股的模板mRNA进行酮基和氨基反应，形成氢键。它含大量稀有碱基，如假尿嘧啶核苷（ψ），各种甲基化的嘌呤和嘧啶核苷，二氢尿嘧啶（hU或D）和胸腺嘧啶（T）核苷等。所有的tRNA均有类似的三叶草结构，结构的共同特点如下：（1）一般由4臂4环组成，以76nt的tRNA分子为标准，超过76nt的tRNA增加的核苷酸位于17位20位和47位，均位于分子的单链环部分。（2）3′端氨基酸接受臂：5′端1～7位与3′端66～72位形成7bp的氨基酸臂，3′端有共同的CCA-OH序列，因为该序列是单股突伸出来，并且氨基酸总是接在该序列腺苷酸残基（A）上，所以CCA-OH序列称为氨基酸接受臂（aminoacidacceptorarm）。CCA通常接在3′端第4个可变核苷酸上。（3）TψC环（TψCloop）：TψC环是第一个环，由7个不配对的核苷酸残基组成，几乎总是含5′GTψC3′序列。该环涉及tRNA与核糖体表面的结合，有人认为GTψC序列可与5SrRNA的GAAC序列识别。（4）额外环或可变环（extrovariableloop）：位于44～48位，这个环的碱基种类和数量高度可变，有80%的tRNA可变环由4～5nt组成，20%的由13～21nt组成，富有稀有碱基。（5）反密码子环（anticodonloop）与反密码子臂（anticodonarm）：第27～43位有5bp的反密码子臂和7nt的反密码子环组成。其中34～36位是与mRNA相互作用的反密码子。毗邻反密码子的3′端碱基往往为烷基化修饰嘌呤，其5′端为U，即：-U-反密码子-修饰的嘌呤。（6）二氢尿嘧啶环（dihydrouracilloop）/D环（D-loop）：第10～25位形成3～4bp的臂和8～14nt的环。由于环上有（2+1或2-1）个修饰的二氢尿嘧啶（D），故称为二氢尿嘧啶环或D环。相应的臂称为D臂。（7）tRNA分子中含有多少不等的修饰碱基，某些位置的核苷酸在不同的tRNA分子中很少变化，称不变碱基。tRNA如何转运活化氨基酸至mRNA模板上？答：由于tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，可以为氨酰tRNA合成酶所识别，在该酶的催化下活化相应地氨基酸，形成氨酰tRNA（在细菌中，起始氨酰tRNA是甲酰甲硫氨酸tRNAfMet；真核生物中，起始氨酰tRNA是甲硫氨酰tRNAiMet），结合GTP的起始因子IF2-GTP（或延伸因子EF-Tu-GTP）与该活化氨基酸结合形成三元复合物，该氨酰tRNA上的反密码子通过碱基互补配对的原则识别mRNA上相应的密码子，与起始复合物的P（A）位点结合（只有第一个活化的氨基酸进入P位点，链延伸过程中，氨酰RNA均进入A位点），这样就将活化的氨基酸转运至mRNA模板上。原核生物与真核生物的核糖体组成有哪些异同点？答：核糖体（ribosome）亦称核蛋白体，由rRNA和蛋白质组成。单核糖体有二个亚基，分别称为大亚基和小亚基。在原核细胞和真核细胞中核糖体的组成见下表：表：原核生物和真核生物的核糖体组成原核生物真核生物沉降系数近似相对分子量沉降系数近似相对分子量核蛋白体70S2.7×10680S4.6×106小亚基30S0.9×10640S1.5×106rRNA16S0.6×10618S0.7×106蛋白质21种0.3×10633种0.78×106大亚基50S2.0×10660S3.0×106rRNA23S1.2×10628S1.7×1065.8S4.0×1045S3.2×1045S3.2×104蛋白质36种0.7×10649种1.37×104什么是SD序列，其功能是什么？答：SD序列（Shine-Dalgarnosequence）是存在于原核生物mRNA上起始密码子AUG上游7～12个核苷酸处的一种4～7个核苷酸的保守片段，它与16SrRNA3′端反向互补。SD序列的功能是将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译。SD序列与16SrRNA序列互补的程度，以及从起始密码子AUG到嘌呤片段的距离都强烈地影响翻译起始的效率。不同基因的mRNA有不同的SD序列，它们与16SRNA的结合能力也不同，从而控制着单位时间内翻译过程中起始复合物形成的数目，最终控制着翻译的速度。核糖体主要有哪些活性中心？答：核糖体至少有5个活性中心：（1）mRNA结合位点：位于核糖体30S亚基上，在肽基转移位点附近，其功能是结合mRNA和IF因子。（2）AA-tRNA结合位点（Aminoacyl-tRNAsite，A位点）：即氨酰基位点，是与新掺入的氨酰tRNA（aminoacyl-tRNA）结合的位点，又叫受位（entrysite），主要位于大亚基，是接受氨酰tRNA的部位。（3）肽酰-tRNA结合位点:（peptidyl-RNASite，P位点），又叫供位（donorsite），或肽酰基位点，主要位于大亚基，是与延伸中的肽酰tRNA结合位点。（4）转肽酶活性中心：位于P位和A位的连接处，是形成肽键的部位。（5）负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。真核生物与原核生物在翻译的起始过程中有哪些不同？答：真核生物与原核生物起始步骤基本相同，也包括核糖体的解离，小亚基起始复合物的形成和肽链起始复合物的形成。其主要区别在于：（1）真核生物起始tRNA为tRNAiMet，tRNAiMet未甲酰化，而原核生物起始tRNA为tRNAfMet，其中甲酰基是在甲酰化酶催化下加到甲硫氨酰tRNA上的。（2）原核生物的起始因子有3种，而真核生物有较多的起始因子参与。（3）在原核细胞中，mRNA首先与小亚基结合，才有起始tRNA加入形成起始复合物。而真核细胞中，起始tRNA首先结合于小亚基，形成复合物后，再在多种因子参与下结合mRNA，才形成大的起始复合物。（4）小亚基起始复合物在mRNA上寻找起始密码子的方式不同。原核细胞内，依靠小亚基内16SrRNA3′端序列与SD序列互补结合，才定位于mRNA。而真核细胞内，依靠5′帽子结构的起始因子结合小亚基，然后以滑动搜索机制寻找起始AUG。链霉素为什么能够抑制蛋白质的合成？答：链霉素是一种碱性三糖，能干扰tRNAfMet与核糖体的结合，从而阻止蛋白质合成的正确起始，也会导致mRNA的错读。主要抑制革兰氏阴性细菌蛋白质合成的三个阶段：（1）与30S核糖体结合，抑制起始复合物的形成，使氨酰tRNA从复合物中脱落；（2）在肽链延伸阶段，使氨酰tRNA与mRNA错配；（3）在终止阶段，阻碍终止因子与mRNA结合，使已合成的多肽链无法释放，而且还抑制70S核糖体的解离。哪些抗生素只能特异性地作用于原核生物核糖体？哪些只作用于真核生物核糖体？哪些能同时抑制原核和真核生物核糖体？答：抗生素对蛋白质合成的抑制作用可能是阻止mRNA与核糖体的结合，或阻止AA-tRNA与核糖体结合，或干扰AA-tRNA与核糖体结合而产生错读等。但不同的抗生素作用的对象并不完全相同：卡那霉素、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；放线菌酮则只作用于真核生物核糖体；而氯霉素、链霉素、蓖麻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体结合，妨碍细胞内蛋白质合成，影响细胞生长。什么是分子伴侣，有哪些重要功能？答：分子伴侣（molecularchaperone）是细胞中一类能够识别并结合到不完全折叠或装配的蛋白质上，以帮助这些多肽正确折叠、转运或防止它们聚集的蛋白质，其本身不参与终产物的形成。分子伴侣的功能：（1）在蛋白合成过程中，分子伴侣能识别与稳定多肽链的部分折叠的构象，参与新生肽链的折叠与装配；（2）在蛋白跨膜运送过程中，也有分子伴侣的参与，分子伴侣Hsp70家族在蛋白移位中就能打开前体蛋白的折叠，这时跨膜蛋白疏水基团外露，分子伴侣能够识别并与之结合，保护疏水面，防止相互作用而凝聚，直至跨膜运送开始；跨膜运送后，分子伴侣又参与重折叠与组装过程，分子伴侣通过恢复细胞转录与翻译，参与生物机体的应激反应；（3）分子伴侣能够使未正确折叠的蛋白质或被破坏的蛋白质加速降解，保证体内环境的稳定；（4）此外分子伴侣还参与生物信号转导、细胞器和细胞核结构的发生、细胞骨架的组装、细胞周期与凋亡的调控以及机体免疫等生命过程。什么是信号肽？它在序列组成上有哪些特点，有何功能？答：在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域，被称为信号肽序列。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，它在序列组成上的特点有：（1）一般带有10～15个疏水氨基酸；（2）常常在靠近该序列N-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C-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（Ala或Gly）。信号肽的功能是负责把蛋白质引导定位到细胞内不同膜结构的亚细胞器内。简述线粒体和叶绿体蛋白质的跨膜运转机制。答：线粒体蛋白质跨膜运转机制如下：通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以前体形式存在，它由成熟蛋白质和N端延伸出的一段20～80个氨基酸的导肽（leaderpeptide）共同组成；蛋白质通过线粒体内膜的运转是一种需能过程；蛋白质通过线粒体膜运转时，首先由外膜上的Tom受体复合蛋白识别，再与Hsp70或MSF等分子伴侣相结合，通过Tom和Tim复合体组成的膜通道进入线粒体内腔。定位于基质的蛋白质带有基质导向序列，指导其通过Tom和Tim复合体通道进入基质；定位于内膜的蛋白质通常含有两部分导向序列，有多种转运途径：若蛋白质前体的基质导向序列后有疏水性的停止转运序列，则定位于线粒体内膜；若机制导向序列外还含有数段可被Oxa1识别的序列，则嵌入线粒体内膜；若蛋白质前体不含机制导向序列，而含有多个内部导向序列，则定位于内膜外侧。叶绿体蛋白质跨膜运转机制如下：叶绿体多肽在胞质中的游离核糖体上合成后脱离核糖体并折叠成具有三级结构的蛋白质分子，多肽上某些特定位点结合于叶绿体膜上的特异受体位点。叶绿体定位信号肽一般有两部分：第一部分决定该蛋白质能否进入叶绿体基质，第二部分决定该蛋白质能否进入类囊体。叶绿体蛋白质的前体和存在于叶绿体膜上的特异性受体相结合，进入叶绿体基质，在位于叶绿体基质内的可溶性活性蛋白水解酶的作用下，切除第一部分跨膜信号肽，在第二部分信号肽的引导下，跨过类囊体膜，进入类囊体，切除第二部分信号肽而成为成熟的叶绿体蛋白质。蛋白质有哪些翻译后加工修饰，其作用机制和生物学功能是什么？答：新生的多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工修饰才能转变为有活性的蛋白质，翻译后的加工修饰主要包含：N端fMet或Met的切除、二硫键的形成、特定氨基酸的修饰、非功能片断的切除等等。（1）N端fMet或Met的切除：原核生物的肽链，其N-端不保留Met，其甲酰基被脱甲酰化酶水解，原核及真核细胞中端的Met往往在多肽链合成完毕之前就由氨肽酶水解而除去。新生蛋白质在去掉N端一部分残基后就变成有功能的蛋白质。（2）二硫键的形成：蛋白质中的二硫键由两个半胱氨酸残基通过氧化作用而形成。二硫键的正确形成对维持蛋白质的天然构象起重要作用。（3）特定氨基酸的修饰：生物体内发生的氨基酸侧链的修饰主要包括磷酸化、糖基化、甲基化、乙酰化等。磷酸化是由多种蛋白激酶催化，发生在Ser、Thr和Tyr等3种氨基酸的侧链-OH上的修饰。糖基化则是由内质网中的糖基化酶催化进行的。甲基化主要是由细胞质基质内的N-甲基转移酶催化完成，多发生在Arg、His和Gln的侧链基团的N-甲基化以及Glu和Asp侧链基团的O-甲基化；乙酰化是由N-乙酰转移酶催化多肽链的N端，发生在Lys侧链上的ε-NH2。蛋白质前体经过特定的化学修饰后才能成为成熟的蛋白质而参与正常的生理活动。（4）新生肽中非功能片断的切除：不少多肽类激素和酶的前体需要经过加工，切除不必要的肽段，才能成为有活性的分子。例如，新合成的胰岛素前体是前胰岛素原，必须先切除信号肽变成胰岛素原，再切除C肽，才能成为有活性的胰岛素。什么是核定位信号序列，其主要功能是什么？答：答：核定位序列（nuclearlocalizationsequence，NLS）是指分子量大于4×104以主动运转进出细胞核的蛋白质上，带有的特殊的氨基酸序列，能被相应的核运转蛋白识别，与核孔复合体相互作用，将蛋白质运进细胞核内，