第九讲第二套遗传密码
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的障碍，从而帮助克服细胞内由各种因素 引起折叠错误并造成翻译后多肽链分子的 聚集沉淀而最终导致信息传递终止。
三联密码解决的是在一维空
间内两个不同性质分子的”
翻译“关系，即从线性DNA的
核苷酸排列顺序到线性多肽
链的氨基酸排列顺序。
第二遗传密码要解决的是一维结构序列
信息与三维结构信息之间的关系。由氨
③
•
全局性：
维系蛋白质总体三维结构相对稳定的是大量弱键 协同作用的结果，个别键的形成或破坏并不足于 影响蛋白质的总体三维结构 肽链在空间折叠构成三维结构，在肽链上相距很 远的殘基可以在空间上彼此靠近而相互作用。并 对分子结构产生重要影响 某些蛋白质C-末端少数氨基酸的去除，或侧链基 团的翻译后修饰有时会对整体构象和功能产生影 响。新生肽合成时，后形成的肽段可以影响已经 形成的肽段的构象从而造成对整体分子的影响。
基酸顺序决定蛋白质三维结构，到由蛋
白质三维结构决定其特定的生物学功能，
是完整的遗传信息传递过程的不可缺少
的重要的一半。
三．第二套遗传密码的研究方法
①
蛋白质三维结构的测定：通过X射线晶体衍射 技术解析蛋白质三维结构与氨基酸序列的关 系（美国蛋白质数据库存入的晶体结构，16 年前是100个左右，7年前则是1500个，现在 已超过18000个，目前每天可解出的蛋白质结 构约10个左右），但自然界数于百万计的蛋 白质结构测定不是短时间能够完成的。
某些蛋白质用定点突变方法使氨基酸侧链 殘基被取代，对蛋白质折叠状态与功能不 产生影响。 例：金黄色葡萄球菌核酸酶的149个氨基酸 殘基，其多数殘基被替换时对酶的结构或 功能都不产生明显的影响。特别是处于分 子内部的疏水殘基Val66被极性并带正电荷 的Lys取代时，不影响酶分子的整体三维结 构。T4溶菌酶分子内部40-49的10个殘基 都用丙氨酸取代，对酶的折叠或生物活性 都没有明显影响。
图示 氨基酸的序列决定蛋白质特定三维结构
二．第二遗传密码
遗传信息的传递，应该是从核酸序列到 功能蛋白质的全过程。现有的三联遗传 密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链 的信息传递，因此是不完整的。
本节讨论的是从无结构的多肽链到有完整
结构的功能蛋白质的信息传递部分。完整
的提法应该是遗传密码的第二部分，即蛋
在蛋白质家族中，根椐其氨基酸序列相差 少于20%者可划为亚家族
③ •
通过实验研究 探讨变性蛋白质如何重恢复其天然构象
•
•
新生肽如何折叠为完整蛋白质
研究肽链中氨基酸的定点突变如何影响蛋
白质的总体结构折叠与形成的动力学过程
•
实验研究不仅将会为第二遗传密码的确定
提供重要信息，也是最终检验所提出的第
二遗传密码是否正确的必要手段。
四．第二套遗传密码的特点
①
简并性：指不少氨基酸序列颇为不同的肽链可以有 极为相似的甚至相同的三维结构。 如在不同生物体中执行相同生物功能的蛋白质虽然 可以有氨基酸序列上的差异，但却有相同的整体三 维结构。 例：近百种不同来源的线粒体细胞色素C的氨基 酸序列已经测定，它们的氨基酸残基数均在104左右， 其中仅在21个位置上的氨基酸在不同的生物体的细 胞色素C是完全相同的，其他则各不相同；但是所有 这些细胞色素C的整体三维结构却是非常相似的。
近年来得知某些疾病是由于蛋白质折叠错
误而引起的。如类似疯牛病的某些神经性
疾病、老年痴呆症、帕金森症等。这些疾
病的发生与应激蛋白的表达与行为有密切
的关系。此外，局产缺血、化学损伤、心 脏扩大、高烧、炎症、感染、代谢病、细 胞和组织损伤以及老年化等都与应激蛋白 有关。因此在医学上不仅开辟了与分子伴 侣和应激蛋白有关的新的研究领域。也开 辟了广阔的应用前景。
第二遗传密码具有简并性、多义性和全局 性等特点。第二遗传密码的研究，将为提 高生物工程产物的产率和设计自然界不存 在的全新蛋白质开创广阔的前景。
THE END !
在功能上完全无关的蛋白质，并且氨基酸 序列有显著差异，却具有近于相同的三维 结构。 例：卵类黏蛋白的第三结构域和核糖体 结构蛋白L7/L12的C端部分虽然在氨基酸序 列上仅有3%相同，但具有几乎完全相同的 三维结构。
用化学修饰方法在某些蛋白质分子内部引入大小不同
的疏水基团并不影响分子的总体结构。
②
根据氨基酸顺序预测蛋白质的三维结 构 自然界存在的蛋白质总数很大，但根 据它们在序列上的相似性以及进化上 的同源性，可以归并为总数并不很大 的蛋白质家族；
•
•
从它们所含二级结构在拓扑学上的关
系又可以归并为有限数目的折叠类型。
对于自然界存在的蛋白质折叠类型总 数，近年来倾向于1000-2000种（已 测定的结构为700种），这就使认识 全部蛋白质三维结构的任务大大简化。
第一遗传密码的阐明解决了基因在不同生物体之间的转 移与表达，开辟了遗传工程和蛋白工程的新产业。但是 异体表达的蛋白质往往不能正确折叠成为活性蛋白质而 聚集成包涵体。生物工程这个生产上的瓶颈问题需要第 二密码的理论研究和折叠的实验研究来指导和帮助解决。 由于分子伴侣在新生肽链折叠中的关键作用，它一定会
例：硫氧还蛋白在分子内部有一个巯基，对这个巯基
用不同链长的烷基硫代磺酸修饰可以在分子内部引入
大小不同的疏水基团的结果并没有影响分子的三维结 构，也没有影响它在胍溶液中的去折叠与重折叠以及 对DNA多聚酶的活化。晶体衍射结构分析的结果表明， 对金黄色葡萄球菌核酸酶做同样的修饰也不影响分子
的整体结构。
对提高生物工程产物的产率有重要的实用价值。
蛋白质工程的兴起，已使人们不再满足于天然蛋白
的利用，而开始追求设计自然界不存在的全新的、 具有某些特定性质的蛋白质。这就开辟了蛋白设计 的新领域。
（改变金黄色葡萄球菌IgG结合蛋白中一个56个殘基片段中的28个殘基， 从而使原来主要是β-折叠的结构改变为一个主要是α-螺旋的蛋白）
第六讲
第二遗传密码
一．第一遗传密码
对生命遗传信息存储、传递及表达的认识是20 世纪生物科学所取得的最重要的突破，其中的
பைடு நூலகம்
关键问题是由3个相连的核苷酸顺序决定蛋白
质分子肽链中的1个氨基酸，即“三联遗传密
码”的破译。
图示：第一遗传密码
但是蛋白质必须有特定的三维结构，才能表现其
特定的生物学功能。 1961年，Anfinsen根据变性伸展失去活性的核糖 核酸酶A，能自发重新卷曲折叠，恢复其原有的三 维结构和生物活性的实验事实，提出“多肽链的 氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构 象所必需的全部信息”,或者说“一级结构决定高 级结构”的著名论断，并因此获得1972年Nobel化 学奖。这一论断现在已被广泛接受，大量实验充 分说明氨基酸顺序与蛋白质三维结构之间存在一 定的关系。
但环境对蛋白质的分子结构确实有
重要影响，如免疫球蛋白轻链在不同的
离子强度和pH值下形成不同的晶体，X射
线衍射结构测定表明这些不同的晶体确
实具有不同的三维结构。在体内某些跨
膜蛋白是部分处于膜双层内部的疏水条
件下，对于这些蛋白的折叠状态虽然仍
是由其氨基酸序列所决定，但也必然会
受到其特殊环境的影响。
五． 第二遗传密码的研究在实际应用上的意义
天然结构除能量因素外，是由动力学
和熵的因素所决定的。
分子伴侣的发现已经把过去经典 的自发折叠概念转变为“有帮助 的肽链的自发折叠与组装”的概 念。
“自发”是指由第二遗传密码决定折叠终
态的“内因”亦即热力学因素；
“帮助”则是为保证该过程能高效完成的
“外因’,是由分子伴侣蛋白和折叠酶来
帮助完成的，主要是帮助克服动力学和熵
白质中氨基酸序列与三维结构的对应关系，
国际上称之为第二遗传密码或折叠密码。
Anfinsen 原理揭示了蛋白质的氨基
酸序列决定蛋白质分子在热力学上稳
定的三维结构的必然性，但多肽链折 叠成为相应的三维结构在实际上还存 在一个“这一过程是否能在一定时间 内完成”的动力学问题。
事实上蛋白质最稳定结构与一些相似 结构之间的能量差并不大，约在20.983.7kJ/mol.蛋白质之所以最容易形成
②
多义性：指某些相同的氨基酸序列还可
以在不同条件下决定不同的三维结构。
例：天然型朊蛋白（PrPC)在正常动
物体内存在， 不导致疾病，而感染型 的朊蛋白（PrPsC)则导致某些神经性疾 病，并导致天然型朊蛋白（α-螺旋为 主）转变为感染型的朊蛋白（β-折叠 为主）。另一例子是鸟氨酸脱羧酶和腺 苷酸激酶在一定条件下可以有多种构象。
六．小结
遗传信息的传递，是从核酸序列到功能蛋白质 的全过程。第一遗传密码解决的是在一维结构 内从线性DNA的核苷酸排列顺序到线性多肽链
的氨基酸排列顺序。第二遗传密码要解决的是
一维结构序列信息与三维结构信息之间的对应
关系。
当前对于第二遗传密码的研究，一是从理
论上对蛋白质的三维结构进行预测；二是 在实验上研究变性蛋白质以及新生肽折叠 为完整的有功能蛋白质分子的全过程。
•
•
•
环境对分子结构有不同影响。 曾经认为以非水溶剂全部或部分 取代水溶液，将对蛋白质折叠起破坏 性作用，但是实际情况并非如此。溶 菌酶在甘油与水的混合溶液甚至纯甘 油中仍能保持天然结构。 已知不少有机溶剂是蛋白质的变 性剂，但溶菌酶能在丙酮或已酰胺的 水溶液中正确折叠。即使是50%的甲醇 也只影响金黄色葡萄球菌核酸酶的折 叠动力学，而不影响它们的最终折叠 状态。
三联密码解决的是在一维空
间内两个不同性质分子的”
翻译“关系，即从线性DNA的
核苷酸排列顺序到线性多肽
链的氨基酸排列顺序。
第二遗传密码要解决的是一维结构序列
信息与三维结构信息之间的关系。由氨
③
•
全局性：
维系蛋白质总体三维结构相对稳定的是大量弱键 协同作用的结果，个别键的形成或破坏并不足于 影响蛋白质的总体三维结构 肽链在空间折叠构成三维结构，在肽链上相距很 远的殘基可以在空间上彼此靠近而相互作用。并 对分子结构产生重要影响 某些蛋白质C-末端少数氨基酸的去除，或侧链基 团的翻译后修饰有时会对整体构象和功能产生影 响。新生肽合成时，后形成的肽段可以影响已经 形成的肽段的构象从而造成对整体分子的影响。
基酸顺序决定蛋白质三维结构，到由蛋
白质三维结构决定其特定的生物学功能，
是完整的遗传信息传递过程的不可缺少
的重要的一半。
三．第二套遗传密码的研究方法
①
蛋白质三维结构的测定：通过X射线晶体衍射 技术解析蛋白质三维结构与氨基酸序列的关 系（美国蛋白质数据库存入的晶体结构，16 年前是100个左右，7年前则是1500个，现在 已超过18000个，目前每天可解出的蛋白质结 构约10个左右），但自然界数于百万计的蛋 白质结构测定不是短时间能够完成的。
某些蛋白质用定点突变方法使氨基酸侧链 殘基被取代，对蛋白质折叠状态与功能不 产生影响。 例：金黄色葡萄球菌核酸酶的149个氨基酸 殘基，其多数殘基被替换时对酶的结构或 功能都不产生明显的影响。特别是处于分 子内部的疏水殘基Val66被极性并带正电荷 的Lys取代时，不影响酶分子的整体三维结 构。T4溶菌酶分子内部40-49的10个殘基 都用丙氨酸取代，对酶的折叠或生物活性 都没有明显影响。
图示 氨基酸的序列决定蛋白质特定三维结构
二．第二遗传密码
遗传信息的传递，应该是从核酸序列到 功能蛋白质的全过程。现有的三联遗传 密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链 的信息传递，因此是不完整的。
本节讨论的是从无结构的多肽链到有完整
结构的功能蛋白质的信息传递部分。完整
的提法应该是遗传密码的第二部分，即蛋
在蛋白质家族中，根椐其氨基酸序列相差 少于20%者可划为亚家族
③ •
通过实验研究 探讨变性蛋白质如何重恢复其天然构象
•
•
新生肽如何折叠为完整蛋白质
研究肽链中氨基酸的定点突变如何影响蛋
白质的总体结构折叠与形成的动力学过程
•
实验研究不仅将会为第二遗传密码的确定
提供重要信息，也是最终检验所提出的第
二遗传密码是否正确的必要手段。
四．第二套遗传密码的特点
①
简并性：指不少氨基酸序列颇为不同的肽链可以有 极为相似的甚至相同的三维结构。 如在不同生物体中执行相同生物功能的蛋白质虽然 可以有氨基酸序列上的差异，但却有相同的整体三 维结构。 例：近百种不同来源的线粒体细胞色素C的氨基 酸序列已经测定，它们的氨基酸残基数均在104左右， 其中仅在21个位置上的氨基酸在不同的生物体的细 胞色素C是完全相同的，其他则各不相同；但是所有 这些细胞色素C的整体三维结构却是非常相似的。
近年来得知某些疾病是由于蛋白质折叠错
误而引起的。如类似疯牛病的某些神经性
疾病、老年痴呆症、帕金森症等。这些疾
病的发生与应激蛋白的表达与行为有密切
的关系。此外，局产缺血、化学损伤、心 脏扩大、高烧、炎症、感染、代谢病、细 胞和组织损伤以及老年化等都与应激蛋白 有关。因此在医学上不仅开辟了与分子伴 侣和应激蛋白有关的新的研究领域。也开 辟了广阔的应用前景。
第二遗传密码具有简并性、多义性和全局 性等特点。第二遗传密码的研究，将为提 高生物工程产物的产率和设计自然界不存 在的全新蛋白质开创广阔的前景。
THE END !
在功能上完全无关的蛋白质，并且氨基酸 序列有显著差异，却具有近于相同的三维 结构。 例：卵类黏蛋白的第三结构域和核糖体 结构蛋白L7/L12的C端部分虽然在氨基酸序 列上仅有3%相同，但具有几乎完全相同的 三维结构。
用化学修饰方法在某些蛋白质分子内部引入大小不同
的疏水基团并不影响分子的总体结构。
②
根据氨基酸顺序预测蛋白质的三维结 构 自然界存在的蛋白质总数很大，但根 据它们在序列上的相似性以及进化上 的同源性，可以归并为总数并不很大 的蛋白质家族；
•
•
从它们所含二级结构在拓扑学上的关
系又可以归并为有限数目的折叠类型。
对于自然界存在的蛋白质折叠类型总 数，近年来倾向于1000-2000种（已 测定的结构为700种），这就使认识 全部蛋白质三维结构的任务大大简化。
第一遗传密码的阐明解决了基因在不同生物体之间的转 移与表达，开辟了遗传工程和蛋白工程的新产业。但是 异体表达的蛋白质往往不能正确折叠成为活性蛋白质而 聚集成包涵体。生物工程这个生产上的瓶颈问题需要第 二密码的理论研究和折叠的实验研究来指导和帮助解决。 由于分子伴侣在新生肽链折叠中的关键作用，它一定会
例：硫氧还蛋白在分子内部有一个巯基，对这个巯基
用不同链长的烷基硫代磺酸修饰可以在分子内部引入
大小不同的疏水基团的结果并没有影响分子的三维结 构，也没有影响它在胍溶液中的去折叠与重折叠以及 对DNA多聚酶的活化。晶体衍射结构分析的结果表明， 对金黄色葡萄球菌核酸酶做同样的修饰也不影响分子
的整体结构。
对提高生物工程产物的产率有重要的实用价值。
蛋白质工程的兴起，已使人们不再满足于天然蛋白
的利用，而开始追求设计自然界不存在的全新的、 具有某些特定性质的蛋白质。这就开辟了蛋白设计 的新领域。
（改变金黄色葡萄球菌IgG结合蛋白中一个56个殘基片段中的28个殘基， 从而使原来主要是β-折叠的结构改变为一个主要是α-螺旋的蛋白）
第六讲
第二遗传密码
一．第一遗传密码
对生命遗传信息存储、传递及表达的认识是20 世纪生物科学所取得的最重要的突破，其中的
பைடு நூலகம்
关键问题是由3个相连的核苷酸顺序决定蛋白
质分子肽链中的1个氨基酸，即“三联遗传密
码”的破译。
图示：第一遗传密码
但是蛋白质必须有特定的三维结构，才能表现其
特定的生物学功能。 1961年，Anfinsen根据变性伸展失去活性的核糖 核酸酶A，能自发重新卷曲折叠，恢复其原有的三 维结构和生物活性的实验事实，提出“多肽链的 氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构 象所必需的全部信息”,或者说“一级结构决定高 级结构”的著名论断，并因此获得1972年Nobel化 学奖。这一论断现在已被广泛接受，大量实验充 分说明氨基酸顺序与蛋白质三维结构之间存在一 定的关系。
但环境对蛋白质的分子结构确实有
重要影响，如免疫球蛋白轻链在不同的
离子强度和pH值下形成不同的晶体，X射
线衍射结构测定表明这些不同的晶体确
实具有不同的三维结构。在体内某些跨
膜蛋白是部分处于膜双层内部的疏水条
件下，对于这些蛋白的折叠状态虽然仍
是由其氨基酸序列所决定，但也必然会
受到其特殊环境的影响。
五． 第二遗传密码的研究在实际应用上的意义
天然结构除能量因素外，是由动力学
和熵的因素所决定的。
分子伴侣的发现已经把过去经典 的自发折叠概念转变为“有帮助 的肽链的自发折叠与组装”的概 念。
“自发”是指由第二遗传密码决定折叠终
态的“内因”亦即热力学因素；
“帮助”则是为保证该过程能高效完成的
“外因’,是由分子伴侣蛋白和折叠酶来
帮助完成的，主要是帮助克服动力学和熵
白质中氨基酸序列与三维结构的对应关系，
国际上称之为第二遗传密码或折叠密码。
Anfinsen 原理揭示了蛋白质的氨基
酸序列决定蛋白质分子在热力学上稳
定的三维结构的必然性，但多肽链折 叠成为相应的三维结构在实际上还存 在一个“这一过程是否能在一定时间 内完成”的动力学问题。
事实上蛋白质最稳定结构与一些相似 结构之间的能量差并不大，约在20.983.7kJ/mol.蛋白质之所以最容易形成
②
多义性：指某些相同的氨基酸序列还可
以在不同条件下决定不同的三维结构。
例：天然型朊蛋白（PrPC)在正常动
物体内存在， 不导致疾病，而感染型 的朊蛋白（PrPsC)则导致某些神经性疾 病，并导致天然型朊蛋白（α-螺旋为 主）转变为感染型的朊蛋白（β-折叠 为主）。另一例子是鸟氨酸脱羧酶和腺 苷酸激酶在一定条件下可以有多种构象。
六．小结
遗传信息的传递，是从核酸序列到功能蛋白质 的全过程。第一遗传密码解决的是在一维结构 内从线性DNA的核苷酸排列顺序到线性多肽链
的氨基酸排列顺序。第二遗传密码要解决的是
一维结构序列信息与三维结构信息之间的对应
关系。
当前对于第二遗传密码的研究，一是从理
论上对蛋白质的三维结构进行预测；二是 在实验上研究变性蛋白质以及新生肽折叠 为完整的有功能蛋白质分子的全过程。
•
•
•
环境对分子结构有不同影响。 曾经认为以非水溶剂全部或部分 取代水溶液，将对蛋白质折叠起破坏 性作用，但是实际情况并非如此。溶 菌酶在甘油与水的混合溶液甚至纯甘 油中仍能保持天然结构。 已知不少有机溶剂是蛋白质的变 性剂，但溶菌酶能在丙酮或已酰胺的 水溶液中正确折叠。即使是50%的甲醇 也只影响金黄色葡萄球菌核酸酶的折 叠动力学，而不影响它们的最终折叠 状态。