第4章 生物信息的传递(下)---!!!!!!

遗传密码
阅读方向为5‘-3’
（二）遗传密码的性质 •1.密码的连续性
•2.密码的简并性
•3.密码的方向性 •4.密码的摆动性 •5.密码的通用性与特殊性
1、密码的连续性
5‘
3‘
起始密 码子
•读码无标点、无重叠，阅读方向为5’→3’
遗传密码的连续性
open reading frame
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)。
第4章 生物信息的传递（下）
------从mRNA到蛋白质
主要内容：


1.遗传密码——三连子 2.tRNA 3.核糖体 4.蛋白质合成的生物学机制 5.蛋白质运转机制 6.蛋白质的修饰、降解与稳定性研究
第一节 遗传密码－三联子
概述
蛋白质合成——翻译：
指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起 始位点开始，按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。
氨基酰tRNA合成酶具有校正作用

动力学校对（Kinetic proofreading） 化学校对（Chemical proofreading）

动力学校对
化学校对
Ile 分子构型大于Val
B：结合位点 H：水解位点
B I
Ile进入B 位点但不能进入H 位点
B I H H
aa-tRNA loading
三、tRNA的功能
在蛋白质合成中，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。
•3’端CCA－OH上的氨基酸接受臂 •识别氨酰tRNA合成酶的位点
•核糖体识别位点
•反密码子位点
四、tRNA的种类
（一）起始tRNA和延伸tRNA
(p127)
5'－T A C T A C T A C T A C－3' 3' －AT G A T G A T G A T G－ 5’ RNA Pol +GTP +CTP +UTP +UTP +ATP +ATP 5'－ GU A G U A G U A G U A － 3 ' 5'― UACUACUACUAC ― 3'
（3）TψC常由5bp的 茎和7nt的环组成。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;
C C
5′
anticodon loop
(1)氨基酸受体臂位于 L型的一侧，距反 密码子环约70 A (2)D 环和 TψC 环形成 了“L” 的转角。 (3)在一些保守和半保 守的碱基之间形成 很多三级氢键,使分 子形成 L 形 , 并使结 构稳定。
(4) 不同于DNA， 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 平面之间都产生碱 基堆积的作用。
一类特异地识别mRNA模板上起始密码子的
tRNA叫起始tRNA，其他tRNA为延伸tRNA.
•原核起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸（fMet） •真核起始tRNA携带甲硫氨酸（Met）
（二）同工tRNA 携带相同氨基酸而反密码子不同的一组 tRNA称为同功受体tRNA
原因：tRNA 的数目（>20余种）大于氨基
蛋白质合成的场所：核糖体 合成的模板：mRNA 合成的原料：氨基酸 运送氨基酸的工具：tRNA 复杂性：多种RNA、蛋白质、酶等生物大分子 参与这一过程。如真核生物，参与蛋白质合成 的有： 核糖体蛋白：70多种
氨酰-tRNA合成酶：20多种
起始因子、延伸因子、终止因子：10多种 tRNA：50种左右 各种mRNA和rRNA 参与蛋白质翻译后加工的酶：100多种 有高能化合物参与 共计有近300种大分子参与 各种组分约占细胞干重的35% 合成代谢能量90%消耗在蛋白质合成上。
图 14-4 重复共聚体 RNA 的合成途径。(仿 Watson,J.D.et al《Molecular th Biology of the Gene》4 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 定密码子 重复顺序 (UC)n (UUC)n (UUAC)n 可组成的三联密码 UCU-CUC (UUC); (UCU); (CUU) (UUA-CUU-ACUUAC) 多肽的氨基酸组 成 Ser-Leu poly Phe, poly Ser, poly Leu Leu-Leu-Thr-Tye
催化的反应
氨基酸 ＋ tRNA ATP
*
氨基酰－ tRNA
AMP + PPi
绝对专一性
*
氨基酰－ tRNA 合成酶
校正活性
氨基酰tRNA合成酶催化的反-E ＋ PPi
第二步：转移反应
氨基酰-AMP-E ＋ tRNA
↓
氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E
移码突变
2、密码的简并性
•大多数氨基酸都存在几个密码，由一种以上密码子 编码同一个氨基酸的现象称为密码子的简并性 （degeneracy）。 •确定同一个氨基酸的不同密码称为同义密码 （synonymous codons）。 •密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。
•在标准遗传密码表中，只有一个密码子的氨基酸是 Trp和Met。
遗传密码的简并性
3、密码的方向性
• 指阅读mRNA模板上的三联体密码时，
只能沿5’→3’方向进行。
5‘
起始密 码子 3‘
4、密码的摆动性
1966年，Crick提出摆动假说（Wobble hypothesis）
•tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对 时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格 的，第三位碱基可以有一定变动，这种现象称 为密码的摆动性或变偶性（wobble）。 •IA、U、C配对。
(6)额外环(extra arm)可变性大， 从4nt到21nt不等， 其功能是在 tRNA的L型三维 结构中负责连接 两个区域（D环 －反密码子环和 TψC-受体臂）。
二、tRNA的三级结构
TYC loop
3′ A
tRNA的三级结构 都呈L形折叠。这 种结构是靠氢键 来维持的，tRNA 的三级结构与 AA-tRNA合成酶 的识别有关。
(1) 各种 tRNA 均含有 7095 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，称为受体臂 或称氨基酸臂。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。
氨基酰-tRNA的表示方法
Ala-tRNAAla
Ser-tRNASer Met-tRNAMet
真核生物： Met-tRNAiMet
原核生物： fMet-tRNAifMet
蛋白质合成的忠实性取决于AA-tRNA合成 酶正确识别相应的tRNA和氨基酸，使二者
结合形成氨酰tRNA。
AA-tRNA合成酶如何识别结构非常相似的 氨基酸呢？
（一）三联子密码及其破译 •多聚同一核苷酸的翻译
•核糖体结合技术
•多聚重复核苷酸的翻译
1.遗传密码的试拼
1954年G.Gamov对破译密码首先提出了设想 若1个碱基对应一种氨基酸，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。
tRNA错义突变校正
GGA CCU
Gly
AGA UCU
突变校正是由 于tRNA的反 密码子突变导 致的。
Arg Gly
CCU UCU
Gly
Gly
五、氨酰-tRNA合成酶
◆是一类催化氨基酸与 tRNA结合形成氨基酰 tRNA的特异性酶 ◆存在于胞液中 ◆高度特异 对氨基酸有极高的专一性 对tRNA具有极高专一性 只作用于L-氨基酸
核糖体的本质是核糖核蛋白体。由蛋白质 和核酸组成：蛋白质占40%，分布在核糖 体表面；rRNA占60%，分布于核糖体内 部。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RNA占3/5，蛋 白占2/5。
A U C
5、密码的通用性与特殊性
•在各种生物中几乎完全通用，具有普遍性。
•在真核细胞线粒体中， •UGA不是终止密码子，是Trp的密码子； •AUA不是Ile的密码子，而是Met的密码子； •AGA和AGG不是Arg密码子，而是终止密 码子。
第二节 tRNA
一、tRNA的二级结构
1.三叶草型的二级结构



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-氨基酸的复合体是 可以通过的。
4.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DNApolⅠ合成其互补链， 再用RNApol及不同的底物合成两条重复的 RNA共聚物，作为翻译的mRNA ，加入到 体外表达系统中翻译。
插入 －ATCTAGTCT－ －TAGATCAGA－ －ATC TGTCT－ －TAGACAGA－ －A CTGTCT－ 缺失 －T GACAGA－