生物化学 第十八章 遗传密码

1、一、一、DNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者（一）细胞含有（一）细胞含有恒定量的恒定量的DNA DNA含量含量不受不受外界环境外界环境、营养条件营养条件 和和细胞本身代谢状态细胞本身代谢状态的影响的影响 DNA含量含量与生物与生物机体的复杂性机体的复杂性有关有关 C值矛盾值矛盾（重复序列、染色体外基因、细胞器基因（重复序列、染色体外基因、细胞器基因）（二）（二）DNA是细菌的转化因子是细菌的转化因子二、遗传密码的破译二、遗传密码的破译 4种碱基如何对应种碱基如何对应20种基本氨基酸？种基本氨基酸？ 1个碱基对应一种个碱基对应一种AA 4 2个碱基对应一种个碱基对应一种AA 16 3个碱基

2、对应一种个碱基对应一种AA 64密码子为三联体密码子为三联体插入插入/缺失核苷酸的突变体实验证明：缺失核苷酸的突变体实验证明： 三联体密码的正确性三联体密码的正确性 非重叠性非重叠性 连续性（无标点符号）连续性（无标点符号）Nirenberg均聚核苷酸实验均聚核苷酸实验 Poly U 指导指导Phe的合成的合成 Poly C 指导指导Pro的合成的合成 Poly A 指导指导Lys的合成的合成 Poly G 易形成多股螺旋易形成多股螺旋 高浓度的高浓度的Mg2+使密码子的阅读起点为任意使密码子的阅读起点为任意 2/3种核苷酸的共聚物为模板种核苷酸的共聚物为模板Poly UG：UUU UUG U

3、GU GUUGUG GGU UGG GGG八种不同的三联体八种不同的三联体可根据底物的比例计算：可根据底物的比例计算：三联体出现的频率（标记三联体出现的频率（标记AA掺入频率）掺入频率）可确定可确定20种种AA密码子组成，但排列顺序未知密码子组成，但排列顺序未知 核糖体结合技术直接测定三联体对应的核糖体结合技术直接测定三联体对应的AA人工合成三核苷酸取代人工合成三核苷酸取代 mRNA无无GTP时不能合成时不能合成Pr三联体及对应的氨酰三联体及对应的氨酰tRNA结合于核糖体结合于核糖体反应混合物通过硝酸纤维素膜留在膜上反应混合物通过硝酸纤维素膜留在膜上 利用化学合成和酶促合成法的结合利用化学合成

4、和酶促合成法的结合UGUGUGUGUGUGUGUUGUGUGUGUGUGUGUUGUGUGUGUGUGUGUUGUGUGUGUGUGUGUUGU：Cys GUG：Val聚二核苷酸聚二核苷酸UUCUUCUUCUUCUUCUUC Phe Phe Phe Phe Phe PheUUCUUCUUCUUCUUCUUC Ser Ser Ser Ser SerUUCUUCUUCUUCUUCUUC Leu Leu Leu Leu Leu聚三核苷酸聚三核苷酸UUAC UUAC UUAC UUAC Leu Leu Thr Tyr UUA和和CUU：Leu ACU：Thr UAC: Tyr 聚四核苷酸聚四核苷酸三、

5、遗传密码的基本特性三、遗传密码的基本特性（1）简并性简并性（degeneracy） 一种一种AA有有2个或以上的密码子个或以上的密码子 同义密码子同义密码子 对应于同一种对应于同一种AA的不同密码子的不同密码子 Met 和和Trp仅一个密码子仅一个密码子 简并性的生物意义在于减少有害突变简并性的生物意义在于减少有害突变64个密码子个密码子 20个有意义、个有意义、44个无意义个无意义突变使肽链合成突变使肽链合成提前终止提前终止的概率大大提高的概率大大提高三个终止密码子：三个终止密码子：UAA、UAG、UGA 碱基的改变仍有可能编码原来的碱基的改变仍有可能编码原来的AA（2）变偶性变偶性（wob

6、ble）I：A、U、C“三配二三配二”反密码子第反密码子第1位与密码子第位与密码子第3位的位的任意任意4种碱基配对。种碱基配对。（3）密码）密码通用性通用性和和变异性变异性 生物界有共用的一套遗传密码生物界有共用的一套遗传密码 线粒体线粒体DNA具有独特的编码方式具有独特的编码方式 tRNA识别两个或四个密码子识别两个或四个密码子 2个：密码子第三位为个：密码子第三位为A/G、C/U 4个：密码子第三位为个：密码子第三位为A/U/C/G 线粒体中线粒体中Met具有具有 个密码子？个密码子？ 特定生物细胞特定生物细胞基因组密码基因组密码出现变异出现变异 UGA：Trp UAA/UAG： Gln

7、密码子含义的变化密码子含义的变化 大肠杆菌中大肠杆菌中GUG（Val）和）和UUG（Leu） 作为起始密码子作为起始密码子 翻译过程掺入修饰翻译过程掺入修饰AA 第第21个氨基酸个氨基酸（大肠杆菌中）（大肠杆菌中） 一类低丰度的丝一类低丰度的丝氨酸氨酸tRNA 识别识别ORF中的中的UGA丝氨酸丝氨酸tRNA携带携带Ser后后经酶催化生成硒代半胱氨酸经酶催化生成硒代半胱氨酸识别特定的二级结构（识别特定的二级结构（插入序列）插入序列）将将掺入蛋白质掺入蛋白质（4）密码）密码的防错系统的防错系统 密码子密码子第第2位位决定决定AA的极性的极性 U：非极性、疏水和支链的：非极性、疏水和支链的AA C

8、：非极性或不带电荷的极性侧链：非极性或不带电荷的极性侧链 A/G：亲水性：亲水性 A/C A/G 第第3位可以为任意碱基：位可以为任意碱基： 具有可解离极性侧链的碱性具有可解离极性侧链的碱性AA （AGN：酸性亲水侧链：酸性亲水侧链AA） 密码子密码子第第3位位决定决定简并性简并性 密码子中一个碱基的置换导致：密码子中一个碱基的置换导致：编码相同的编码相同的AA理化性质接近的理化性质接近的AA四、蛋白质的生物合成四、蛋白质的生物合成 合成场所：核糖体合成场所：核糖体 原料：原料：AA、tRNA 、mRNA 、rRNA 其他蛋白因子、其他蛋白因子、ATP、GTP 粗面内质网粗面内质网（一）蛋白质

9、合成的分子基础（一）蛋白质合成的分子基础1、模板是模板是mRNA 含有密码子含有密码子 阅读方向阅读方向5到到3 起始密码和终止密码起始密码和终止密码 3端：真核生物有端：真核生物有PolyA尾巴尾巴 5端：决定起始密码的选择端：决定起始密码的选择原核生物原核生物mRNA 5端的端的SD序列序列识别识别16S rRNA核糖体结合位点序列核糖体结合位点序列 真核生物真核生物 5端有端有核糖体进入部位核糖体进入部位 帽子结构帮助识别帽子结构帮助识别 向向3扫描至扫描至AUG2、tRNA转运活化的转运活化的AA到模板上到模板上 每种每种AA都都至少有一种至少有一种tRNA负责转运负责转运 书写方式：

10、书写方式：tRNAPhe、 tRNASer 通常一种通常一种AA具有几种具有几种tRNASee movietRNA分子具有：分子具有： 3CCA-OH氨基酸接受位点氨基酸接受位点 识别氨识别氨酰酰-tRNA合成酶位点合成酶位点 核糖体识别位点核糖体识别位点 反密码子位点反密码子位点Cys*半胱氨酰半胱氨酰tRNA合成酶合成酶tRNACys半胱氨酰半胱氨酰* - tRNACys丙氨酰丙氨酰* - tRNACysAla插入蛋白中插入蛋白中Cys的位置的位置形成氨酰形成氨酰tRNA后去向由后去向由tRNA决定决定3、核糖体是蛋白质合成的工厂核糖体是蛋白质合成的工厂（二）蛋白质合成的步骤（二）蛋白质合

11、成的步骤1、氨酰氨酰tRNA的生成的生成氨酰氨酰tRNA合成酶合成酶氨酰氨酰AMP形成形成2形式的酯形式的酯氨酰基团在氨酰基团在2 3间交换间交换形成形成3形式的酯形式的酯形成形成3形式的酯形式的酯2、氨酰氨酰tRNA合成酶合成酶识别：识别：AA、tRNA 、ATP型和型酶3、氨酰氨酰tRNA合成酶的校正功能合成酶的校正功能 水解非正确组合的水解非正确组合的AA和和tRNA 异亮氨酰异亮氨酰 tRNAIle 缬氨酰缬氨酰 tRNAVal缬氨酰缬氨酰 tRNAIle则被水解：则被水解：缬氨酸缬氨酸+ tRNAIle4、一个特殊的一个特殊的tRNA启动蛋白的合成启动蛋白的合成 翻译起始于翻译起始于

12、Met的参与的参与 tRNAMet：携带：携带Met掺入蛋白内部掺入蛋白内部 tRNAiMet ：起始：起始Met 掺入掺入 由同一种由同一种tRNA合成酶合成合成酶合成 起始因子识别起始因子识别tRNAiMet 延伸因子识别延伸因子识别tRNAMet原核生物中的甲酰原核生物中的甲酰Met fMet - tRNAiMet5、翻译起始于翻译起始于mRNA与核糖体的结与核糖体的结合合 原核生物借助原核生物借助SD序列序列6、蛋白因子帮助合成的起始蛋白因子帮助合成的起始 原核生物原核生物（大肠杆菌）（大肠杆菌） 三个起始因子（三个起始因子（initiation factor） IF1、IF2、IF3

13、 真核生物真核生物IF1、 IF3与与30S小亚基结合小亚基结合 IF3防止防止30S亚基与亚基与50S亚基过早结合亚基过早结合mRNA与小亚基结合与小亚基结合 fMet tRNAiMet进入进入50S大亚基的结合大亚基的结合 A：aminoacyl site P：peptide site E：exit site（大部分在大亚基上）（大部分在大亚基上）7、蛋白合成的延伸（蛋白合成的延伸（elongation）延伸因子延伸因子EF-Tu EF-Ts真核：真核：EF-1进位进位转肽：肽酰转移酶（核糖体参与催化转肽：肽酰转移酶（核糖体参与催化）移位：移位：EF-G（EF-2）8、翻译的终止（、翻译的

14、终止（terminate） 没有识别终止密码子的没有识别终止密码子的tRNA 释放因子释放因子 核糖体释放因子核糖体释放因子肽酰转移酶活性变为酯酶活性肽酰转移酶活性变为酯酶活性RF1：UAA/UAGRF2：UGARF3：刺激活性：刺激活性多核糖体（多核糖体（polysome）多核糖体与核糖体循环多核糖体与核糖体循环合成完毕合成完毕的肽链的肽链多核糖体多核糖体3mRNA延伸中的肽链延伸中的肽链5核糖体循环核糖体循环9、蛋白质合成的抑制剂、蛋白质合成的抑制剂抗菌素抗菌素（antibiotics）毒素毒素抗代谢物抗代谢物干扰素干扰素（1 1）抗菌素）抗菌素链霉素、卡那霉素、新霉素链霉素、卡那霉素、新

15、霉素 主要抑制主要抑制G G- -菌菌PrPr合成三个阶段：合成三个阶段：起始起始复合物形成复合物形成使氨基酰使氨基酰tRNAtRNA从复合物脱落；从复合物脱落；肽链肽链延伸延伸阶段阶段使氨基酰使氨基酰tRNAtRNA与与mRNAmRNA错配；错配；终止终止阶段阶段阻碍终止因子与核蛋白体结合，阻碍终止因子与核蛋白体结合， 已合成的多肽链无法释放，已合成的多肽链无法释放， 抑制抑制70S70S核糖体的解离核糖体的解离四环素（土霉素、金霉素）四环素（土霉素、金霉素）作用于细菌作用于细菌30S小亚基，抑制起始复合物形成小亚基，抑制起始复合物形成抑制氨酰抑制氨酰tRNA进入核糖体进入核糖体A位，阻滞肽

16、链延伸；位，阻滞肽链延伸；影响终止因子与核糖体的结合影响终止因子与核糖体的结合四环素类抗生素对真核细胞核糖体也有抑制四环素类抗生素对真核细胞核糖体也有抑制但不能通过真核生物细胞膜但不能通过真核生物细胞膜对对70S核糖体的敏感性更高核糖体的敏感性更高氯霉素氯霉素广谱抗生素广谱抗生素与核糖体与核糖体A位紧密结合，阻碍氨基酰位紧密结合，阻碍氨基酰tRNA进入进入抑制抑制肽酰转移酶肽酰转移酶活性，肽链延伸受到影响活性，肽链延伸受到影响50S大亚基蛋白组分（2 2）毒素）毒素白喉霉素白喉霉素共价修饰使共价修饰使EF-2失活失活一条多肽单链，一条多肽单链，2个二硫键，个二硫键，2个结构域个结构域 结构域与

17、细胞表面受体结合结构域与细胞表面受体结合毒素蛋白水解断裂毒素蛋白水解断裂二硫键还原，产生二硫键还原，产生A、B两片段：两片段：B协助协助A通过细胞膜，通过细胞膜，A为蛋白修饰酶为蛋白修饰酶催化蛋白发生催化蛋白发生ADP-核糖基化核糖基化（3 3）抗代谢物）抗代谢物 结构与天然代谢物相似结构与天然代谢物相似 竞争性抑制代谢中酶竞争性抑制代谢中酶/ /反应反应嘌呤霉素嘌呤霉素结构与Tyr-tRNA Tyr相似，进入核糖体A位连于肽链的C端，形成肽酰嘌呤霉素，容易脱落，肽链合成提前终止嘌呤霉素对原嘌呤霉素对原/真核生物翻译过程均有干扰真核生物翻译过程均有干扰用于肿瘤治疗 （4）干扰素（）干扰素（in

18、terferon，IFN） 病毒感染的宿主细胞产生病毒感染的宿主细胞产生 白细胞（白细胞（）、成纤维（）、成纤维（）、免疫（）、免疫（）干扰素结合于细胞膜，活化抗病毒蛋白基因干扰素结合于细胞膜，活化抗病毒蛋白基因诱导产生：诱导产生：蛋白激酶蛋白激酶使使eIF2磷酸化失活；磷酸化失活；25腺嘌呤寡聚核苷酸合成酶腺嘌呤寡聚核苷酸合成酶25A激活激活磷酸二酯酶磷酸二酯酶水解水解mRNA 真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子阶段阶段原核原核 真核真核 功功 能能IF1IF2 eIF2 参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成IF3 eIF3、eIF4C起始起始CBP I

19、 与与mRNA帽子结合帽子结合 eIF4A B F 参与寻找第一个参与寻找第一个AUGeIF5 协助协助eIF2 、 eIF3、eIF4C的释放的释放eIF6 协助协助60S亚基从无活性的核糖体上解离亚基从无活性的核糖体上解离EF-Tu eEF1 协助氨酰协助氨酰-tRNA进入核糖体进入核糖体延长延长EF-Ts eEF1 帮助帮助EF-Tu 、 eEF1 周转周转 EF-G eEF2 移位因子移位因子RF-1终止终止 eRF 释放完整的肽链释放完整的肽链RF-2五、蛋白质的运输及翻译后修饰五、蛋白质的运输及翻译后修饰1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2、起始氨基酸为Met，不是fM

20、et；3、肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首 先识别mRNA的5端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG；4、起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子；5、真核细胞中线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。 肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具肽链折叠是指从多肽链的氨基酸序列形成具有正确三维空间结构的蛋白质的过程。有正确三维空间结构的蛋白质的过程。 体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白体内多肽链的折叠目前认为至少有两类蛋白质参与，称为助折叠蛋白质参与，称为助折叠蛋白: （1）酶：蛋白质二硫酶：蛋白质二硫键异构酶键异构酶（PDI）； （2）分子伴侣分子伴侣 Lasky于于1978年首先提出分子伴侣（年首先提出分子伴侣（mulecular chaperone）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在不构成