生物信息的传递下--从mRNA到蛋白质

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1、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到蛋白质到蛋白质内容提要：内容提要： 概述概述 遗传密码遗传密码三联子三联子 tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、功能与种类 核糖体的结构与功能核糖体的结构与功能 蛋白质合成的过程蛋白质合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制翻译：指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每三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。蛋白质合成的场所是 核糖体蛋白质合成的模板是 mRNA模板与氨基酸之间的接合体是 tRNA蛋白质合成的原料是 20种氨基酸一、遗传密码一、遗传密码三联子三联子（一）三联子

2、密码定义mRNA链上每三个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为密码子或三联子密码。mRNA 5 GCU AGU ACA AAA CCU 3（二）三联子密码 破译mRNA5AUCGACCUGAGC3420 ()mRNA5 AUCGACCUGAGC342=1620 ()mRNA5AUCGACCUGAGC343=6420 ()核苷酸序列氨基酸序列三个突破性工作三个突破性工作 体外翻译系统的建立； 核糖体结合技术； 核酸的人工合成。 核糖体结合技术Nirenberg和Leder：核糖体结合技术以人工合成的三核苷酸三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板模板，在含核糖体、核糖体、A

3、A-AA-tRNAtRNA的适当离子强度的反应液中保温后通过硝酸纤维素滤膜硝酸纤维素滤膜。游离的AA-tRNA因相对分子质量小能自由过膜，与与模板对应的模板对应的AA-AA-tRNAtRNA能与核糖体结合能与核糖体结合，结合的因为体积超过膜上的微孔而被滞留而被滞留。从而把已结合到核把已结合到核糖体的与未结合的糖体的与未结合的AA-AA-tRNAtRNA 分开分开。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

4、的密码子。至1966年，20种氨基酸对应的61个密码子和三个终止密码子全部被查清。遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。（三）遗传密码的性质（三）遗传密码的性质1、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（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymous codon）。减少了 变异对 生物的 影响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就越高。Arg例外2、普遍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。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。生物密码子线粒体DNA编码 的氨基酸核DNA编

5、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甲硫氨酸异亮氨酸线粒体与核线粒体与核DNADNA密码子使用情况的比较密码子使用情况的比较3、连续性编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。 从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插 入或缺失，可能导致框移突变(frame shift mutation)。 4、摆动性转运氨

6、基酸的tRNA上的反密码子需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码子反向配对结合，在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动”，这种现象称为密码子的摆动性。 变偶假说变偶假说mRNA上的密码子的第一、第二个碱基与tRNA上的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一性主要是由于这两个碱基的作用。反密码子的第一个碱基决定一个tRNA所能解读的密码子数目。当一种氨基酸是由几个不同的密码子编码时，如密码子的头2个碱基的任何一个不同时，便必须有不同的tRNA。至少要有32种tRNA来与61个密码子相结合。U摆动摆动 配对配对Modification to

7、 inosine allows pairing with U, C, and A.tRNA contains modified bases that influence its pairing properties密码子、反密码子配对的摆动现 象tRNA反密码子 第1位碱基IUGACmRNA密码子 第3位碱基U, C, AA, GU, CUG二、二、tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、功能与种类（一） tRNA的结构1、二级结构：三叶草形tRNA的三叶草型二级结构123三片叶子三片叶子反密码子环反密码子载运氨基酸载运氨基酸臂臂稀有碱基稀有碱基tRNA分子富含稀有碱基，为转录后加工修饰而成

8、，多数分布在非配对区，往往G、A甲基化等；DHU环，含二氢尿嘧啶；TC环。含核糖胸苷和假尿嘧啶；附加环大小不同，可用来鉴别tRNA。反密码子环是根据位于套索中央的三联反密码子命名的；受体臂3端的最后3个碱基序列永远是CCA，最后一个碱基的3或2自由羟基（OH）可以被氨酰化。2 2、三级结构：、三级结构： “ “L”L”形形氢键、次级氢键、三级氢键氢键、次级氢键、三级氢键（二）（二） tRNAtRNA的功的功 能能1、解读mRNA的遗传信息2、运输的工具，运载氨基酸tRNA有两个关键部位： 3端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。 与mRNA结合部位反密码子部位3 5CCA- OH53CCA

9、-OHG G CC C GtRNA凭借自身的反密码子与mRNA链上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。tRNA在识别mRNA分子上的密码时具有接头作用。（三）（三） tRNAtRNA的种类的种类1、起始tRNA和延伸tRNA能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA称起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。真核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸是Met，起始AA-tRNA为Met-tRNAMet。原核生物：起始密码子AUG 所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸，起始AA-tRNA为fMet-tRNAfMet 。2、同工tRNA代表同一种氨基酸的tRNA

10、称为同工 tRNA。同工tRNA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 种结构上的共同性，能被相同的氨酰- tRNA合成酶识别。3、校正tRNA：校正tRNA通过改变 反密码子区校正突变。无义突变：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（UAG、UGA、UAA），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。 错义突变：由于结构基因中某个核甘酸的变化使一种氨基酸的密码子变为另一种氨基酸的密码子，这种基因突变叫错义突变。GGA（甘氨酸） AGA（精氨酸）无义突变校正tRNA通过改变反密码子区校正无义突变错

11、 义抑制如某大肠杆菌细胞色氨酸合成酶中的一个甘氨酸密码子GGA突变成了精氨酸AGA的密码子，指导合成错误的多肽。甘氨酸校正tRNA的校正基因突变使其反密码子从CCU变成UCU，它仍然是甘氨酸的反密码子，但不结合GGA而能与突变后的AGA相结合，把甘氨酸放到原来的位置上。氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶合成酶AA-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶。反应式如下：AA+tRNA+ATPAA-tRNA+AMP+PPi包括两步反应（1）氨基酸活化生成酶-氨基酰腺苷酸复合物。AA+ATP+酶（E）E-AA-AMP+PPi（2）氨酰基转移到tRNA 3 末端腺苷残基的2 或3-羟基

12、上。E-AA-AMP+tRNAAA-tRNA+E+AMP蛋白质的合成主要决定于tRNA能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置上，而这主要取决于AA-tRNA合成酶是否使氨基酸与对应的tRNA相结合。不同的tRNA有不同的碱基组成和空间结构，易被特异性氨酰-tRNA合成酶所识别，怎么识别结构相似的氨基酸呢？异亮氨酸比缬氨酸多一个甲烯基团，而异亮氨酸-tRNA合成酶对异亮氨酸的亲和力比对缬氨酸大225倍。但体内缬氨酸的浓度比异亮氨酸高5倍，缬氨酸被错误渗入到异亮氨酸位点上去的机率应是1/40，但实际误差率只有约1/10 000。表明存在其他重要的校正手段。科学家发现，被错误活化的缬氨酸不会被结

13、合到tRNAIle上，而是被酶本身水解了。酶可以水解错误活化的氨基酸Electron microscopic images of bacterial ribosomes and subunits reveal their shapes. Photographs kindly provided by James Lake.三、核糖体的结三、核糖体的结 构与功能构与功能（一）核糖体的结构（一）核糖体的结构核糖体是由几十种蛋白质和多种核糖体RNA（ rRNA）所组成的亚细胞颗粒。 一个细菌细胞内约有20 000个核糖体，而真核细 胞内可达106个。这些颗粒既可以游离状态存在于 细胞内，也可与内质网结

14、合，形成微粒体。89核糖体的结构核糖体的结构1、核糖体由大小两个亚基组成 核糖体可解离为两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质量 较大的rRNA和许多不同的蛋白质分子。 原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。 真核生物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。 2、核糖体蛋白（r-蛋白）几种不同生物核糖体及rRNA的组成核糖体结构模型及原核与真核细胞核糖体大小亚基比 较。（电镜数据模式图）核糖体RNA组成和功能特点（1）5S rRNA细菌5SrRNA含有120个核苷酸（革兰氏阴性菌）或116个核苷酸（革兰氏阳性菌），位于50S大亚基内。两个高度保守的区域：一个区域含有保守序列CG

15、AAC，是5S rRNA与tRNA相互识别的序列。另一个区域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，是5SrRNA与50S核糖体大亚基相互作用的位点。（2）16S rRNA在蛋白质合成中起着积极的作用。它与mRNA、50S亚基和P位和A位的tRNA的反密码子直接作用。长约1 4751 544个核苷酸之间，含有少量修饰碱基，位于30S小亚基内。16S rRNA的结构十分保守：3端一段ACCUCCUUA的保守序列，与mRNA 5端翻译起始区中富含嘌呤（SD）序列互补。在靠16SrRNA 3 端处还有一段与23SrRNA互补的序列，在30S与50S亚基的结合中起作用。 （3）23SrRNA（位于

16、50S大亚基内）。含与tRNA及5SrRNA互补序列。（4）5.8SrRNA是真核生物核糖体大亚基特有的rRNA，长度为160个核苷酸，含有修饰碱基。还含有与原核生物5SrRNA中的保守序列CGAAC相同的序列，可能是与tRNA作用的识别序列。说明5.8SrRNA可能与原核生物5SrRNA有相似的功能。4、核糖体有3个tRNA结合位点核糖体有3个tRNA结合位点。A位：新到来的氨酰-tRNA的结合位点；P位：肽酰-tRNA的结合位点；E位：延伸过程中的多肽链转移到氨酰-tRNA上释放tRNA的位点。tRNA的移动顺序：A位P位E位。每个tRNA结合位点横跨核糖体的大、小亚基。原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基 rRNAs 蛋白