遗传密码和遗传信息的翻译系统

1、第十四章 遗传密码和遗传信息的翻译系统 第一节第一节 遗传密码的破译遗传密码的破译 一一. 遗传密码的试拼遗传密码的试拼1954年g.gamov对破译密码首先提出了设想 若一种碱基对应与一种氨基酸，那么只可能产生4种氨基酸; 若2 个碱基编码一种氨基酸的话，4种碱基共有42=16种不同的排列组合; 3个碱基编码一种氨基酸，经排列组合可产生43=64种不同形式 若是四联密码，就会产生44=256种排列组合。三联密码的证实。三联密码的证实。 1961年crick和brenner.s等证实了三联密码的真实性。 他们用t4染色体上的一个基因（r位点）通过用原黄素（proflavin）处理，可以使dna

2、脱落或插入单个碱基，插入叫“ 加字加字”突变突变，脱落叫“ 减字减字”突变突变.无论加字和减字都可以引起移码突变。 crick小组用这种方法获得一系列的t4“加字”和“减字”突变，再进行杂交来获得加入或减少一个，二个，三个的不同碱基数的系列突变。 插入 atctagtct tagatcagaatc tgtcttagacaga a ctgtct 缺失 t gacaga 图 141 “加字”和“减字”突变 它们只能在b菌株上生长形成噬菌斑 开始用原黄素诱导的突变称fco， 他们再用原黄素诱导产生回复突变，在e.coli k（）菌株中出现了噬菌斑。 用遗传学的方法和野生型杂交发现它们并不是真正的野生

3、型。 校正突变校正突变（a suppressor mutation）抵消或抑制了前一次突变的效应， r 回复突变 r r 野生型 fco sup 表 型 突变型 表型 sun 图 142 抑制基因所产生的回复突变型和野生型杂交后，经交换可产生原有的突变型(仿 griffiths a.j.f.et al： an introduction to genetic analysis 校正突变的特点如下：校正突变的特点如下： (1) 校正突变是在第一次突变不同位点将它抵消的。因此原来的突变可以通过野生型和回复突变型之间的杂交又恢复为突变型； (2) 校正突变可能发生相同的基因中，抑制原来的突变（如刚举的

4、例子），称基因内抑制基因内抑制，或发生在不同的基因中称基因外抑制基因外抑制。 (3) 不同的抑制可能作用的方式不同。如有的抑制是在转录和翻译水平，有的可能是通过细胞生理功能来实现。 图 14- 基因内抑制 鸟氨酸转氨甲酰酶(otc) co2 氨甲酰磷酸 瓜氨酸 精氨酸 (在线粒体中) + b (su-) nh4 天冬氨酸转氨甲酰酶 atp 氨甲酰磷酸 氨甲酰天冬氨酸 嘧啶(在核中) a (m-) atc(1) 以是否合成嘧啶为表型的标准;(2) otc 突变仍有 23 %的活性. 图 14- 代谢抵偿效应产生的基因外抑制 三.利用突变来解读密码 1960 a. tsugita,h.fraenk

5、el-connrat小组和h.g. wittmann小组试图通过用亚硝酸来对tmv进行诱变。 当时根据亚硝酸诱变的原理，mrna中的ag或cu的缘故。 当时已搞清了tmv肽链的一级结构由158个氨基酸组成， 将突变型和野生型进行比较就能确定肽链上氨基酸取代的位点和类型。四四.无细胞系统的建立无细胞系统的建立 1961年nirenberg建立了无细胞系统 这一新技术又是在多核苷酸磷酸化酶发现的基础上建立起来的。 1955 s.ocha在细菌中分离了多核苷酸磷酸化酶（polynucleotide phosphorylase）,它催化核糖核苷二磷酸的聚合， 它不需要任何dna模板就可合成. 他们的方

6、法是: (1) 去模板：用dnaase处理e.coli抽提物，使dna降解，除去原有的细菌模板。 (2) 加入pol u：合成了多聚苯丙氨酸， 这一结果不仅证实了无细胞系统的成功，同时还表明uuu是苯丙氨酸的密码子。 分别加入polya，polyc 和polyg 结果相应地获得了多聚赖氨酸，多聚脯氨酸和多聚甘氨酸。 (3) 按比例加入种核苷混合的多聚物 由于当时还未分离rna pol酶，无法按设计的模板来合成rna，nirenberg又想出了一种新的方法，就是按一定的碱基比例来合成rna。 比如在底物中加5份的udp和1份的gdp， 碱基比为u：g5：1， 它们能组成8种三联体： uuu，uu

7、g，ugu，guu， ggg，ggu，gug，ugg。 u和g将随机地加入到三联体中，这样按比例各个位于上进入u和g 的概率不同，。如氨基酸测定结果： 如uuu：ugg（555）:（511） 25 ： 1 同理uuu：uug 5 ：1， 根据检测结果推测: 苯丙氨酸（uuu）：半胱氨酸（ugu） 5 ： 1 苯丙氨酸（uuu）：缬氨酸（guu） 5 ： 5 苯丙氨酸（uuu）：甘氨酸（guu） 24 ： 1五.三联体结合实验 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

8、- 氨基酸的复合体是可以通过的。 a c a u g u a g a ser a c a thr a g a a c a a c a u g u ser thr nc ser u c u u c u u g u u c u a g a thr u c u u g u a g a thr ser nc thr 图 14-3 三联体结合实验。(上)输入翻译系统的 rna 和标记的氨基酸(以灰色表示)不符。(下) 输入翻译系统的 rna 和标记的氨基酸(以灰色表示)相符。六. 利用重复共聚物破译密码khorara 采用了有机合成一条短的单链dna重复顺序， 然后用dna pol 1合成其互补链， 再

9、用rna pol及不同的底物合成两条重复的rna共聚物（图143），作为翻译的mrna ，加入到体外表达系统中， 5t a c t a c t a c t a c3 3 at g a t g a t g a t g 5 rna pol +gtp +ctp +utp +utp +atp +atp 5 guaguaguagua 3 5uacuacuacuac 3图 14-4 重复共聚体 rna 的合成途径。(仿 watson,j.d.et almolecular biology of the gene4th ed.1987,fig.15.4)表 14-1 用二个或三个、四个核苷酸构造重复共聚体来确

10、 定密码子重复顺序可组成的三联密码多肽的氨基酸组成(uc)nucu-cucser-leu(uuc)n(uuc); (ucu); (cuu)poly phe, poly ser,poly leu(uuac)n(uua-cuu-acu-uac)leu-leu-thr-tye第二节 遗传密码的证实和特点 一一. 遗传密码的证实遗传密码的证实 1966年sterisinger等用噬菌体t4证实了遗传密码是完全正确的。 他们采用的方法跟crick的原黄素诱发移码突变的方法相同，使t4溶菌酶产生了移码突变，根据突变后的蛋白质一级结构和野生型溶菌酶氨基酸顺序进行了比较， n thr lys ser pro

11、ser leuasn ala c 5 ac aa agu cca uca cuu aau gc 3 野生型 5 ac aaa guc cau cac uua aug gc 3 突变型 n thr lys val his his leumet ala c a (缺失) g(插入插入) 图 14 9 t4 溶菌酶基因经原黄素诱发的插入突变和缺失突二遗传密码在纤毛虫和线粒体中的改变 表 14-3 密码子在原核生物和真核生物线粒体及原生动物中的改变生物auaaugugauguuaauagcuacaauagagaaggaaa一般生物ilemet(起始)终止trp终止终止argglnglnargargly

12、s枝原体trptrp纤毛虫gluglu四膜虫gluglugluglu游仆虫cys哺乳动物(线粒体)trp终止终止asp果蝇(线粒体)serasp酵母(线粒体)thr一. 遗传密码的特点 (1) 遗传密码是三联体三联体密码密码。 (2)遗传密码无逗号无逗号。 (3)遗传密码是不重迭不重迭的。 (4)遗传密码具有通用性通用性。 (5)遗传密码具有简并性简并性(degeneracy (synonyms)。 (6) 密码子有起始密码子起始密码子和终止密码子终止密码子。 (7) 反密码子中的“ 摆动摆动”（wobble）表示第三个碱基摆动的模式。在八成员组成的密码子家族中，每个成员的四个密码子意思相同，

13、那么第三个碱基u、c、a、g对氨基酸起不到特异的作用。在七个成员组成的密码子的意思相同。第三个碱基都是py，含u或c。在五个成员组成的密码子家族中，每个成员的二个密码子都是相同的，第三碱基都是pu，含a或g 。由一个成员组成的密码子家族中，有3个密码子的意思相同，第三个碱基含有u、c和a。 摆动假说(wobble hypothesis)是由crick.f（1966年）提出的。即当trna的反密码子与mrna的密码子配对时前两对严格遵守碱基互补配对法则，但第三对碱基有一定的自由度可以“摆动”。摆动假说也称为三中读二三中读二（2 out of 3 reading）。 表 144 遗传密码中的摆动反

14、密码子 5端碱基密码子 3端可配对碱基gu 或 ccgauua 或 gi（次黄嘌呤）a、u 或 c 三中读二一般可分为三种情况： (1) 第,两个碱基形成个氢键时，可三中读二。 如，和。 (2) 第1 ,2两个碱基形成4个氢键时,不可三中读二。 如aax，x 和。 (3) 第，两个碱基形成个氢键时, 当第二个碱基为嘧啶时，可三中读二； 如，和。 当第二个碱基为嘌呤时则不能三中读二， 如， ，和x。第三节 trna的结构和功能 一一. trna的结构的结构 （一）三叶草型的二维结构 (1)各种trna均含有7080个碱基，其 中22个碱基是恒定的。 (2) 5端和3端配对（常为7bp）形成茎区，

15、称为受体臂受体臂（acceptor arm）或称氨基酸臂氨基酸臂 。在3端永远是4个碱基（xcca）的单链区，在其末端有2-oh或3-oh，是被氨基酰化位点。此臂负责携带特异的氨基酸。 （3）tc常由5bp的茎和7nt和环组成。此臂负责和核糖体上的rrna 识别结合； (4)反密码子臂(anticodon arm)常由5bp的茎区和7nt的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。 (5)d环 (d arm)的茎区长度常为4bp，也称双氢尿嘧啶环。负责和氨基酰trna聚合酶结合; (6)额外环(extra arm)可变性大，从4 nt到21 nt不等，其功能是在trna的l型三维结构中负责连接两个

16、区域（d环反密码子环和tc-受体臂）。 胰腺癌护理： （二） trna的三维结构三叶草二级结构具有四个臂 l 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直3 tc 环 氨基酸茎 3 5 氨基酸茎 5 d 环d 环 tc 环 可变环可变环反密码子环 反密码子环 图 14-15 trna 由三叶草型折叠成 l 型三维结构 酵母苯丙氨酸trna的三级氢键trna 的碱基 堆积l型结构 (2)d环和tc环形成了“ l” 的转角。 (1)氨基酸受体臂位于l型的一侧，距反密码子环约70 a (3)在一些保守和半保守的碱基之间形成很多的三级氢键,使分子形成l形b,并使结构稳定。 (4)使得三维结构得以形成的这些碱基配对

17、涉及到与磷酸核糖主链相互作用的三级结构的磷酸二酯键分布在核糖的2-oh上。 (5)几乎所有的碱基平面之间产生堆积的作用。 (6)在反密码子茎中仅有很少的三级氢键。二.校正trna抑制基因抑制基因（suppressor）或称校正基因校正基因 （一）无义抑制（nonsense suppressor） 1. trna反密码子的突变 2. trna其它结构的改变无义突变使 uug 变为 uag tyr-trna 阅读 uag 密码子aug uug uaa aug uag uaa aug uag uaa uacaac auc aug 释放因子 抑制突变 leu tyr tyr图 1417 带有突变反密码

18、子的 trna 可抑制无义突变表 14-6 由反密码子突变而产生的无义抑制基因 野生型 抑制基因基因trna识别的密码子反密码子反密码子识别的密码子supd(su1)serucgcgacuauagsupe(su2)glncagcugcuauagsupf(su3)tyruac, uauguacuauagsupc(su4)tyruac/uauguauuauaa/uagsupg(su5)lysaaa/aaguuuuuauaa/uagsupu(su7)trpuggccaucauga/ugg （二）错义抑制 错义突变 错义突变aug aga uaa aug gga uaa aug aga uaaucu

19、ccu ucu 抑制突变 arg gly gly图 14-18 反密码子发生突变可抑制错义突变抑制突变的特点: 1.不是所有抑制基因都能产生有功能的蛋白质，关键是要看氨基酸取代的情况。 2. 校正的作用不可能是完全的。 校正的trna分子是有限的而且还要和释放 因子竞争； 若是错义抑制的话，由于氨基酸发生取 代,使得蛋白质的活性有所降低。 3. 每种抑制trna一般都只识别uag终止密码子，而不再识别原来相应的密码子。 4.赭石突变抑制基因不仅可以识别赭石密码子（uua），也可以抑制琥珀突（am）码子uag。但反过来am抑制基因（cua）就不能抑制赭石突变（uaa），这是由于摆动缘故所造成。

20、5. 当细胞中含有多个trna拷贝时，抑制才能发挥作用。 6. 有的抑制基因，不仅可以识别终止密码子，而且还可以识别原来的密码子。如野生型trnatrp的反密码子是cca，它可以识别原来的密码子ugg，而且还可以识别终止密码子uga。7.校正基因一般不会影响正常的终止(1)校正基因识别的终止密码子不一定和正常终止的密码子相同。有时正常终止位点有两个连续的终止密码子，而且结构不同，如uag-uaa；(2)释放因子将和抑制基因竞争和终止密码子的结合；(3)抑制基因的效率很低，通常为15%，所以常不会抑制正常终止。三. trna对氨基酸的识别 （1） trna怎样接受特定的氨基酸， 氨基酰 trna

21、合成酶怎样识别trna； （2） trna中的哪些结构和接受特定氨 基酸有关。 1988年hou ya-ming（候雅明）和schimmel首先取得突破。他们采用的方法是： (1) 选用e.coli (trp-)来进行研究； (2) trna，携带ala，反密码子突变成cua，可以 和终止密码子uag相配对,可校正色氨酸的琥 珀突变. (3) 用点突变的方法来改变校正trna（ala）上的 各个位点，观察对识别ala有何影响，他们证明 了ala trna的g3:u70碱基对，仅一对碱基决定了 丙氨酰trna合成酶与trna的识别。 这种小元件称为trna的“ identity”，或称为副密副密

22、码子码子（paracodon）。表 14-5 每种合成酶通过几个特殊碱基来识别其同质 trnatrna合成酶识别的碱基一类氨基酰 trna 合成酶val反密码子上的三个碱基met反密码子上的三个碱基ile反密码子上的 c34 修饰碱基glnu35（反密码子）; u1-a72 和 g73（受体臂）二类氨基酰 trna 合成酶phe（酵母）反密码子上的三个碱基，g20(d 环); a73(末端)serg1-c72; g2-c71; a3-u70(受体臂); c11-g24(d 环)alag3-u70(受体臂) 表14-7 原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基 rrnas 蛋白 rna的特异顺序和功能 细菌 70s 50s 23s=2904b 31种(l1-l31）含cgaac和gtcg互补2.5106