第32章 遗传密码

null第三十七章 遗传密码和蛋白质的生物合成第三十七章 遗传密码和蛋白质的生物合成一、DNA是遗传信息的携带者一、DNA是遗传信息的携带者（一）细胞含有恒定量的DNA DNA含量不受外界环境、营养条件 和细胞本身代谢状态的影响 DNA含量与生物机体的复杂性有关 C值矛盾 （重复序列、染色体外基因、细胞器基因）null（二）DNA是细菌的转化因子null二、遗传密码的破译 4种碱基如何对应20种基本氨基酸？ 1个碱基对应一种AA 4 2个碱基对应一种AA 16 3个碱基对应一种AA 64 ——密码子为三联体 null插入/缺失核苷酸的突变体实验证明： 三联体密码的正确性 非重叠性 连续性（无标点符号） nullnullnullNirenberg均聚核苷酸实验 Poly U —— 指导Phe的合成 Poly C —— 指导Pro的合成 Poly A —— 指导Lys的合成 Poly G ——易形成多股螺旋 高浓度的Mg2+使密码子的阅读起点为任意 null2/3种核苷酸的共聚物为模板 Poly UG： UUU UUG UGU GUU GUG GGU UGG GGG 八种不同的三联体 可根据底物的比例计算： 三联体出现的频率（标记AA掺入频率） 可确定20种AA密码子组成，但排列顺序未知null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 mRNA ↓ 无GTP时不能合成Pr 三联体及对应的氨酰tRNA结合于核糖体 ↓ 反应混合物通过硝酸纤维素膜留在膜上null利用化学合成和酶促合成法的结合 ……UGUGUGUGUGUGUGU…… ……UGUGUGUGUGUGUGU…… ……UGUGUGUGUGUGUGU…… ……UGUGUGUGUGUGUGU…… UGU：Cys GUG：Val聚二核苷酸null…UUCUUCUUCUUCUUCUUC… Phe Phe Phe Phe Phe Phe …UUCUUCUUCUUCUUCUUC… Ser Ser Ser Ser Ser …UUCUUCUUCUUCUUCUUC… Leu Leu Leu Leu Leu聚三核苷酸null…UUAC UUAC UUAC UUAC … Leu Leu Thr Tyr UUA和CUU：Leu ACU：Thr UAC: Tyr 聚四核苷酸nullnull三、遗传密码的基本特性 （1）简并性（degeneracy） 一种AA有2个或以上的密码子 同义密码子 ——对应于同一种AA的不同密码子 Met 和Trp仅一个密码子 简并性的生物意义在于减少有害突变null64个密码子 20个有意义、44个无意义 突变使肽链合成提前终止的概率大大提高 三个终止密码子：UAA、UAG、UGA 碱基的改变仍有可能编码原来的AA nullnull（2）变偶性 （wobble） nullnullnullI：A、U、C “三配二”反密码子第1位与密码子第3位的 任意4种碱基配对。 null（3）密码通用性和变异性 生物界有共用的一套遗传密码 线粒体DNA具有独特的编码方式 ——tRNA识别两个或四个密码子 2个：密码子第三位为A/G、C/U 4个：密码子第三位为A/U/C/G 线粒体中Met具有 个密码子？ nullnull特定生物细胞基因组密码出现变异 UGA：Trp UAA/UAG： Gln 密码子含义的变化 大肠杆菌中GUG（Val）和UUG（Leu） 作为起始密码子 翻译过程掺入修饰AA 第21个氨基酸null硒代半胱氨酸null（大肠杆菌中） 一类低丰度的丝氨酸tRNA 识别ORF中的UGA 丝氨酸tRNA携带Ser后 ↓ 经酶催化生成硒代半胱氨酸 ↓ 识别特定的二级结构（∽插入序列） ↓ 将∽掺入蛋白质null（4）密码的防错系统 密码子第2位决定AA的极性 U：非极性、疏水和支链的AA C：非极性或不带电荷的极性侧链 A/G：亲水性 A/C A/G 第3位可以为任意碱基： 具有可解离极性侧链的碱性AA （AGN：酸性亲水侧链AA）null密码子第3位决定简并性 密码子中一个碱基的置换导致： 编码相同的AA 理化性质接近的AAnull四、蛋白质的生物合成 合成场所：核糖体 原料：AA、tRNA 、mRNA 、rRNA 其他蛋白因子、ATP、GTPnull粗面内质网 null（一）蛋白质合成的分子基础 1、模板是mRNA 含有密码子 阅读方向5’到3’ 起始密码和终止密码 3’端：真核生物有PolyA尾巴 5’端：决定起始密码的选择 null原核生物mRNA 5’端的SD序列 ——识别16S rRNA核糖体结合位点序列null真核生物 5’端有核糖体进入部位 帽子结构帮助识别 向3’扫描至AUGnullnull2、tRNA转运活化的AA到模板上 每种AA都至少有一种tRNA负责转运 书写方式：tRNAPhe、 tRNASer 通常一种AA具有几种tRNAnullnullnullSee movienullnulltRNA分子具有： 3’CCA-OH氨基酸接受位点 识别氨酰-tRNA合成酶位点 核糖体识别位点 反密码子位点nullCys*半胱氨酰tRNA合成酶tRNACys半胱氨酰* - tRNACys↓↓丙氨酰* - tRNACys↓Ala插入蛋白中Cys的位置形成氨酰tRNA后去向由tRNA决定nullnull3、核糖体是蛋白质合成的工厂 nullnullnullnullnullnull（二）蛋白质合成的步骤 1、氨酰tRNA的生成 null氨酰tRNA合成酶氨酰AMPnull形成2’形式的酯null氨酰基团在2’ 3’间交换null形成3’形式的酯null形成3’形式的酯nullnull2、氨酰tRNA合成酶识别：AA、tRNA 、ATPⅠ型和Ⅱ型酶null3、氨酰tRNA合成酶的校正功能 ——水解非正确组合的AA和tRNAnull异亮氨酰 – tRNAIle 缬氨酰 – tRNAVal 缬氨酰 – tRNAIle则被水解： 缬氨酸+ tRNAIlenull4、一个特殊的tRNA启动蛋白的合成 翻译起始于Met的参与 tRNAMet：携带Met掺入蛋白内部 tRNAiMet ：起始Met 掺入 ——由同一种tRNA合成酶合成 起始因子识别tRNAiMet 延伸因子识别tRNAMet null原核生物中的甲酰Met fMet - tRNAiMetnull5、翻译起始于mRNA与核糖体的结合 原核生物借助SD序列 6、蛋白因子帮助合成的起始 原核生物（大肠杆菌） 三个起始因子（initiation factor） IF1、IF2、IF3 真核生物nullnullnull①IF1、 IF3与30S小亚基结合 IF3防止30S亚基与50S亚基过早结合mRNA与小亚基结合null② fMet – tRNAiMet进入nullnull③50S大亚基的结合nullA：aminoacyl site P：peptide site E：exit site（大部分在大亚基上）nullnullnull7、蛋白合成的延伸（elongation）延伸因子EF-Tu EF-Ts 真核：EF-1nullnull①进位null②转肽：肽酰转移酶（核糖体参与催化）nullnullnull③移位：EF-G（EF-2）nullnullnullnull8、翻译的终止（terminate） 没有识别终止密码子的tRNA 释放因子 核糖体释放因子 肽酰转移酶活性变为酯酶活性nullRF1：UAA/UAG RF2：UGA RF3：刺激活性nullnull多核糖体（polysome）多核糖体（polysome） null多核糖体与核糖体循环多核糖体与核糖体循环合成完毕的肽链核糖体循环9、蛋白质合成的抑制剂9、蛋白质合成的抑制剂抗菌素（antibiotics） 毒素 抗代谢物 干扰素（1）抗菌素（1）抗菌素链霉素、卡那霉素、新霉素 主要抑制G-菌Pr合成三个阶段： ①起始复合物形成—使氨基酰tRNA从复合物脱落； ②肽链延伸阶段—使氨基酰tRNA与mRNA错配； ③终止阶段—阻碍终止因子与核蛋白体结合， 已合成的多肽链无法释放， 抑制70S核糖体的解离 null四环素（土霉素、金霉素） ①作用于细菌30S小亚基，抑制起始复合物形成 ②抑制氨酰tRNA进入核糖体A位，阻滞肽链延伸； ③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 但不能通过真核生物细胞膜 对70S核糖体的敏感性更高null氯霉素——广谱抗生素 ①与核糖体A位紧密结合，阻碍氨基酰tRNA进入 ②抑制肽酰转移酶活性，肽链延伸受到影响50S大亚基蛋白组分（2）毒素（2）毒素白喉霉素 共价修饰使EF-2失活 一条多肽单链，2个二硫键，2个结构域 β 结构域与细胞表面受体结合→ 毒素蛋白水解断裂 二硫键还原，产生A、B两片段： B协助A通过细胞膜，A为蛋白修饰酶 催化蛋白发生ADP-核糖基化（3）抗代谢物（3）抗代谢物结构与天然代谢物相似 竞争性抑制代谢中酶/反应 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/真核生物翻译过程均有干扰 用于肿瘤治疗 nullnull（4）干扰素（interferon，IFN）（4）干扰素（interferon，IFN）病毒感染的宿主细胞产生 白细胞（α）、成纤维～（β）、免疫～（γ） 干扰素结合于细胞膜，活化抗病毒蛋白基因 诱导产生： 蛋白激酶使eIF2磷酸化失活； 2’—5’腺嘌呤寡聚核苷酸合成酶 2’—5’A激活磷酸二酯酶水解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　原核　 真核 功 能 　　　IF1 　　　IF2　　 eIF2 参与起始复合物的形成　 　　　IF3　　 eIF3、eIF4C 起始　　　　　CBP I 与mRNA帽子结合 　　　　　　　eIF4A B F 参与寻找第一个AUG 　　　　　　　eIF5 协助eIF2 、 eIF3、eIF4C的释放 　　　　　　　eIF6 协助60S亚基从无活性的核糖体上解离 　　　EF-Tu　 eEF1 协助氨酰-tRNA进入核糖体 延长　EF-Ts　 eEF1  帮助EF-Tu 、 eEF1周转 　　　EF-G　 eEF2 移位因子 　　　RF-1 终止　 eRF 释放完整的肽链 　　　RF-2null五、蛋白质的运输及翻译后修饰 真核生物多肽链的合成（自学）真核生物多肽链的合成（自学）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fMet； 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 的 折 叠 肽 链 的 折 叠 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。 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: （1）酶：蛋白质二硫键异构酶（PDI）； （2）分子伴侣 Lasky于1978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，在原核生物和真核生物中广泛存在。蛋白质的加工修饰蛋白质的加工修饰1、肽链末端的修饰： N-端fMet或Met的切除 2、信号序列的切除 3、二硫键的形成 4、部分肽段的切除 5、个别氨基酸的修饰 6、糖基侧链的添加 7、辅基的加入实例：胰岛素原的加工胰岛素原的加工胰岛素原的加工切除C肽后，形成成熟的胰岛素分子切除信号肽后折叠成稳定构象的胰岛素原多核糖体 多核糖体 第一个编码区第一个编码区第二个编码区第二个编码区终止\起始终止起始mRNAmRNA5´5´3´3´蛋白质定位蛋白质定位1、分泌蛋白 ● 信号肽假说简图 ● 分泌蛋白质的合成和胞吐作用 2、线粒体与叶绿体蛋白 ● 蛋白质向线粒体的定位机制信号肽假说简图信号肽假说简图3ˊ5ˊSRP循环mRNA内质网膜内质网腔信号肽酶信号肽一些真核细胞多肽链上N-端的信号肽的结构 一些真核细胞多肽链上N-端的信号肽的结构 分泌蛋白质的合成和胞吐作用分泌蛋白质的合成和胞吐作用内质网高尔基体泡泡泡融入质膜核糖体芽泡nullnullnull