遗传密码和蛋白质的生物合成

遗传密码及

蛋白质的生物合成和转运

当前1页，总共80页。DNADNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录

基因遗传基因表达

生物中心法则忠实复制忠实转录忠实翻译当前2页，总共80页。第一节遗传密码一、DNA是遗传信息的携带分子（一）细胞含有恒定量的DNAC值佯谬（矛盾）（Cvalueparadox）当前3页，总共80页。造成C值佯谬现象的原因：基因组DNA存在重复序列和染色体多倍性；此外，还有染色体外基因（质粒）和细胞器基因。当前4页，总共80页。（二）DNA是细菌的转化因子（三）病毒是游离的遗传因子

遗传单位基因，只是一段核酸分子，它可以存在染色体内，也可以存在染色体外；可以是细胞内相，也可以是细胞外相。当前5页，总共80页。二、RNA传递和加工遗传信息----基因表达依赖于RNA（一）RNA的拼接（二）RNA的编辑（三）RNA的译码(解码decoding)和再编码(recoding)当前6页，总共80页。三、遗传密码的破译1.遗传密码指mRNA中的核苷酸序列与多肽中氨基酸序列之间的对应关系,通常是指核苷酸三联体决定氨基酸的对应关系,故也称三联体密码或密码子.2.密码单位1954年物理学家GamovG首先对遗传密码进行探讨:41=4;42=16;43=64,足以编码20种氨基酸，密码（codon）应是三联体（triplet）.当前7页，总共80页。

密码子或称三联体密码，即mRNA上决定一个特定氨基酸的三个核苷酸。3.密码子的确定用各种人工合成模板在体外翻译蛋白质的方法确定用核糖体结合技术测定密码子中的核苷酸排列顺序1961年~1965年4年时间，完全确定了编码20种天然氨基酸的密码子，编出了遗传密码字典。

当前8页，总共80页。12当前9页，总共80页。当前10页，总共80页。四、遗传密码的基本特征（一）密码的基本单位

－－是按5′→3′方向编码、不重叠、无标点的三联体密码子密码子之间没有任何起“标点”作用的空格,阅读mRNA时是连续的,一次阅读3个核苷酸(碱基).当前11页，总共80页。在绝大多数生物中,阅读mRNA时是以密码子为单位，不重叠地阅读。少数大肠杆菌噬菌体的RNA基因组中部分基因的遗传密码是重叠的。不重叠密码重叠密码当前12页，总共80页。当前13页，总共80页。（二）密码的简并性（degeneracy）

(1)除Met(AUG)和Trp(UGG)外，每个氨基酸都有两个或更多的密码子，这种现象称为密码子的简并性（degenecy）。

(2)同义密码：同一个氨基酸的不同密码子称同义密码子（synonyms）。（3）简并性的生物学意义减少有害突变，对生物物种的稳定有一定意义。（4）密码的简并性往往表现在密码子的第三位碱基上。当前14页，总共80页。

当前15页，总共80页。（三）密码的变偶性——摆动性(wobble)mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子配对时，密码子的第一位、第二位的碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定变动，Crick称这种现象称为密码的摆动性或变偶性（wobble）。如tRNA反密码子第一位的IA、U、C配对。显然,密码子的专一性基本取决于前两位碱基，第三位碱基起的作用有限(有较大灵活性)。所以几乎所有氨基酸的密码子都可以用和来表示。

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当前17页，总共80页。

tRNA反密码子中除A、U、G、C四种碱基外,还经常在第一位出现次黄嘌呤(I).I可以与A、U、C三者之间形成碱基对,使带有次黄嘌呤的反密码子可以识别更多的简并密码子.

由于变偶性的存在,细胞内只需要32种tRNA,就能识别61个编码氨基酸的密码子.原核和真核细胞都只合成约30种带有反密码子的tRNA。当前18页，总共80页。（四）遗传密码的通用性和变异性

(1)通用性:指各种低等和高等生物,包括病毒、细菌及真核生物,基本上共用一套遗传密码.(2)密码的变异性:目前已知线粒体DNA(mtDNA)的编码方式与通用遗传密码子有所不同.（五）密码的防错系统在密码表中，氨基酸的极性通常由密码子的第二位碱基决定，简并性由第三位碱基决定。这使得密码子中一个碱基被置换，其结果或仍编码相同的氨基酸，或以物理化学性质最接近的氨基酸相取代。－－即：密码的编排具防错功能当前19页，总共80页。第二节蛋白质合成及转运当前20页，总共80页。一、蛋白质合成的分子基础当前21页，总共80页。（一）mRNA是蛋白质合成的模板当前22页，总共80页。（二）tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上在蛋白质合成中，tRNA起着运载氨基酸的作用，按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。tRNA有两个关键部位：

⑴3´端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA.需ATP提供活化氨基酸所需的能量；

⑵与mRNA结合部位—反密码子部位(tRNA的接头作用)。

此外,tRNA上尚有(3)识别氨酰tRNA合成酶的位点,(4)核糖体识别位点。当前23页，总共80页。当前24页，总共80页。当前25页，总共80页。3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG密码子与反密码子的阅读方向均为5’

3’，两者反向平行配对。当前26页，总共80页。大多数校正突变是发生在tRNA基因的突变上，从而使tRNA的反密码子在阅读mRNA的信息时发生了变化。当前27页，总共80页。（三）核糖体是蛋白质合成的工厂用放射性同位素标记氨基酸，注射到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离心，分离各细胞器，发现核糖体放射性最强，说明核糖体是蛋白质合成部位。当前28页，总共80页。1.核糖体RNA（rRNA）当前29页，总共80页。2.核糖体蛋白

大多数蛋白呈纤维状，只有极少数呈球形3.核糖体的结构模型原核生物真核生物当前30页，总共80页。当前31页，总共80页。当前32页，总共80页。当前33页，总共80页。当前34页，总共80页。4.核糖体的功能

参与多肽链的启动、延长、终止，并“移动”含有遗传信息的模板mRNA观点：“核糖体是一种核酶，它催化肽键的形成，将蛋白质合成牢牢地控制在RNA的手中。”当前35页，总共80页。万卡特拉曼-莱马克里斯南、托马斯-施泰茨和阿达-尤纳斯（从左至右）因对“核糖体结构和功能的研究”做出突出贡献而获得2009年诺贝尔化学奖。他们在原子水平上揭示了核糖体的形态和功能。当前36页，总共80页。二、翻译的步骤肽链延伸合成的方向和速度方向：N端→C端速度：肽链延伸的速度极快，一个核糖体合成一条完整的血红蛋白α-链(146个AA)3分钟,0.8AA/秒;大肠杆菌20个AA/秒。当前37页，总共80页。（一）氨酰-tRNA合成酶帮助使氨基酸结合到特定的tRNA上－－氨基酸的活化各种参加蛋白质合成的AA与携带它的相应的tRNA结合成氨酰-tRNA的过程。活化反应在氨酰-tRNA合成酶的催化下进行。氨基酸在掺入肽链前必须活化。活化部位:细胞质酶:氨酰-tRNA合成酶能量:消耗2ATP产物:氨酰-tRNA当前38页，总共80页。AA+ATP+EAA-AMP-E+PPiMg2+Mn2+AA-AMP-E+tRNA→氨酰-tRNA+AMP+E活化过程:1)氨基酸-AMP-酶复合物的形成2)氨基酸从氨基酸-AMP-酶复合物转移到相应的tRNA上氨基酸活化的总反应式是：氨酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨酰-tRNA+AMP+PPi※氨基酸与tRNA的3′端核糖之间形成的高能酯键，会在后面的反应中直接用来驱动肽键的形成。当前39页，总共80页。

20种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰-tRNA合成酶。

氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性，它既能识别相应的氨基酸（L-构型），又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA分子。这种高度的专一性保证了氨基酸与其特定的tRNA准确匹配，从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。（有时把氨酰-tRNA合成酶和与之对应的tRNA分子称作“遗传密码第二”。）（二）每一个氨酰-tRNA合成酶可识别一个特定的氨基酸和与此氨基酸对应的tRNA的特定部位

当前40页，总共80页。（三）氨酰-tRNA合成酶能够纠正酰化的错误

许多氨酰-tRNA合成酶似乎含有第二个活性部位－－校正部位，此部位具有水解酶功能，即使AA识别出现错误，可以将其水解掉。（四）一个特殊的tRNA启动了蛋白质的合成所有蛋白质的翻译开始于Met的参与；

tRNAiMet对所有蛋白质合成中起始AA－Met的掺入负责，也对选择mRNA在何位置开始翻译起重要作用。当前41页，总共80页。原核细胞中，起始的AA为fMet,tRNAifMet中的fMet是由特异的甲酰化酶使氨基甲酰化而来。（tRNAifMet

不参与肽链延伸过程）fMet起始因子识别tRNAiMet，延伸因子识别tRNAMet。当前42页，总共80页。原核生物，真核生物细胞器：甲酰甲硫氨酸(fMet)甲硫氨酸的2种tRNA：一种用于识别起始密码子AUG(tRNAiMet

)另一种识别阅读框内部的AUG密码子(tRNAmMet)

甲硫氨酰-tRNAi甲酰化后氨基被封闭，可防止

tRNAi误读框架内部密码子当前43页，总共80页。

翻译起始需要有一个接载fMet(原核生物)或Met(真核生物)的起始tRNA(tRNAi)。但因tRNAi的TΨC环没有与核糖体的A位处5SrRNA的一序列互补的保守序列，所以起始用的tRNAi只能进入核糖体的P位(也是唯一直接进入P位的氨酰-tRNA)。当前44页，总共80页。（五）翻译开始于mRNA与核糖体的结合高等真核生物（酵母除外）核糖体与mRNA的识别，为类似GCCGCCpurCCAUGG这样的序列所加强。当前45页，总共80页。起始密码子的识别原核翻译系统起始密码子的识别主要是依赖于mRNA5′-端的SD序列与16SrRNA3′-端的反SD序列之间的互补配对。SD序列位于起始密码子上游约7b的区域,由4~5b组成，富含嘌呤碱基，它是由JohnShine和LynnDalgarno在1974年通过比较多种原核细胞mRNA的5′-端核苷酸序列之后总结出来的。在16SrRNA3′-端有一段富含嘧啶碱基的序列，可以和SD序列互补配对,因而被称为反SD序列。许多实验证明，正是SD序列与反SD序列的互补关系，才使得位于mRNA的SD序列下游的第一个AUG用作起始密码子。

当前46页，总共80页。SD序列和反SD序列当前47页，总共80页。当前48页，总共80页。(六)蛋白质因子帮助的蛋白质合成起始当前49页，总共80页。当前50页，总共80页。细菌中的起始因子:IF-1:结合在30S亚基上作为完全起始复合物的一部分，起稳定此复合物的作用。IF-2:结合到特异的起始tRNA(fMet-tRNA),并将起始tRNA置于小亚基上。(IF-2属小G蛋白)

IF-3:30S小亚基特异地与mRNA起始部位结合需要IF-3。IF-3还作为70S核糖体的解离因素，产生30S亚基。当前51页，总共80页。当前52页，总共80页。当前53页，总共80页。(七)在氨基酸的掺入过程中有3个重复的延伸反应

肽链的延长分为3（4）个步骤：进位，转肽，(脱落，)移位。——由于肽链延长在核糖体上连续性循环式进行,又称为核糖体循环。每次核糖体循环肽链增加1个氨基酸。1.进位：1)一个新的氨酰-tRNA进入A位2)延长因子参加[如细菌的EF-Tu(GTP)、EF-Ts、EF-G(GTP)]3)消耗1个GTP

当前54页，总共80页。当前55页，总共80页。当前56页，总共80页。2.转肽：

1)肽酰基从P位转到A位，肽键的形成2)负责肽键合成的酶称为肽酰转移酶（peptityltransferase），简称转肽酶3)肽的转移是核糖体大亚基（50S或60S）的功能4)抗菌素嘌呤霉素抑制蛋白质合成,使新生的肽链在合成未完成之前就释放出来当前57页，总共80页。当前58页，总共80页。当前59页，总共80页。（3.脱落）转肽后，P部位上空载的tRNA经出口位点(E)脱落当前60页，总共80页。

4.

移位：1)核糖体向mRNA3′端移动一个密码子，移位导致肽酰-tRNA从A位点移出，进入P位点;空着的A位点为下一个密码子对应的氨酰-tRNA的进入作好准备。2)需要1个GTP

当前61页，总共80页。当前62页，总共80页。当前63页，总共80页。(八)核糖体反应中GTP的作用P.530(九)翻译的终止需要释放因子和终止密码子的参加1.终止信号1)终止密码子:UAA、UGA、UAG正常细胞不含能和终止密码子互补的反密码子的tRNA，这些终止密码子能被终止因子所识别。当前64页，总共80页。2)释放因子（releasefactor，RFs）：RF-1:识别UAA、UAGRF-2:识别UAA、UGARF-3:不识别终止密码子,但刺激另外两个因子的活性，协助肽链释放(RF-3属小G蛋白)

2.终止机制释放因子与终止密码子结合使转肽酶活性变成水解酶活性，水解了P位点上多肽与tRNA之间的键，释放出多肽和tRNA。当前65页，总共80页。当前66页，总共80页。当前67页，总共80页。当前68页，总共80页。原核生物转录与翻译相偶联当前69页，总共80页。（十）核糖体在翻译中能跳越式读码P.531（十一）蛋白质合成的抑制剂

抗菌素:氯霉素、四环素、链霉素抑制原核细胞翻译，不作用于真核细胞；链霉素、新霉素、卡那霉素与原核30S核糖体结合,引起密码错读亚胺环己酮:只作用于真核细胞80S核糖体

蓖麻毒素：使真核细胞的核糖体失活白喉霉素:与EF-2结合（真核延长因子催化部位)，抑制真核细胞蛋白质合成

嘌呤霉素:抑制原核和真核生物蛋白质合成当前70页，总共80页。小结：蛋白质合成的忠实性

1.蛋白质合成的忠实性需要消耗能量♦蛋白质合成是一个高耗能的过程，自由能不仅用来合成肽键，更多用来保证遗传信息表达的忠实性。♦每合成1个肽键，至少需水解4个高能磷酸键

GTP的水解保证了翻译的起始、延伸和终止与释放各阶段紧密地偶联在一起，大大提高了翻译的速度，同时也提高了翻译的准确性。当前71页，总共80页。2.合成酶的校对功能提高了忠实性氨酰-tRNA合成酶既要分辨出正确的氨基酸，又要分辨出正确的tRNA。一旦发生错误，可在一定程度上查出加以校正。3.核糖体对忠实性有影响核糖体存在某种机制以增强反密码子与密码子的相