第四章 生物信息的传递(下)教案1

第四章生物信息的传递（下）－从mRNA到蛋白质
4．1遗传密码——三联子
mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为一个密码，也叫三联子密码。翻译时从起始密码子AUG开始，沿mRNA5’→3’的方向连续阅读直到终止密码子，生成一条具有特定序列的多肽链。
mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸，若以一种核苷酸代表一种氨基酸，只能代表4种(41=4)。若以两种核苷酸作为一个密码（二联子），能代表42=16种氨基酸。而假定以3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有43=64种密码，满足了编码20种氨基酸的需要。
Wobble hypothesis
①任意一个密码子的前两位碱基都与tRNA anticodon中的相应碱基形成Watson-Crick碱基配对。
②反密码子第一位是A或C时，只能识别一个密码子。当反密码子第一位是U或G时，能识别两个密码子。当Inosine（I）作为反密码子第一位时，能识别三个密码子。
实验4:
以特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成。以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽，
5'…UGU GUG UGU GUG UGU GUG…3',不管读码从U开始还是从G开始，都只能有UGU（Cys）及GUG（Val）两种密码子。
实验5:
以共聚三核苷酸作为模板可得到有3种氨基酸组成的多肽。如以多聚（UUC）为模板，可能有3种起读方式：
4．1．1三联子密码及其破译
首先从数学的角度来考虑：mRNA中有4种核苷酸，蛋白质中有20种氨基酸；以一种核苷酸代表一种氨基酸则蛋白质中只能有4种氨基酸，不行。
以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码(二联子)，它们能代表的氨基酸只有42＝16种，不足20种，也不行。
以3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有43＝64种密码，可以满足编码20种氨基酸的需要。
最常见的tRNA分子有76个碱基，相对分子质量约为2.5×104。不同的tRNA分子可有74-95个核苷酸不等，tRNA分子长度的不同主要是由其中的两条手臂引起的。tRNA的稀有碱基含量非常丰富，约有70余种。每个tRNA分子至少含有2个稀有碱基，最多有19个，多数分布在非配对区，特别是在反密码子3'端邻近部位出现的频率最高，且大多为嘌呤核苷酸。这对于维持反密码子环的稳定性及密码子、反密码子之间的配对是很重要的。
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课程名称
现代分子生物学
授课题目
第四章生物信息的传递－从mRNA到蛋白质
4.1遗传密码
4.2 tRNA
4.3核糖体的结构和功能
授课对象
2006级生物技术本科
时间分配
1、引入和遗传密码的讲解1个学时；
2、tRNA的结构、分类和功能1.5个学时；
3、核糖体的结构和功能0.5个学时。
课时目标
1、了解遗传密码的概念；
2、熟悉核糖体的结构和功能；
3、掌握tRNA的结构、分类和功能。
授课重点
tRNA的结构、分类和功能
授课难点
tRNA的结构和功能
授课形式
多媒体教学、提出问题、启发式、课件
授课方法
理论讲授
参考文献
朱玉贤，李毅.现代分子生物学.高等教育出版社.2005
王镜岩，朱圣庚.生物化学（第三版下）.高等教育出版社.2003
蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。
已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。
4.1.2.3密码的连续性
编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。
移码突变(frame-shift mutation)：在mRNA中，若插入或删去一个核苷酸，就会使读码发生错误，称为移码，由于移码而造成的突变、称移码突变。
（2）同工tRNA代表同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA，同工tRNA既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同性，能被AA- tRNA合成酶识别。
（3）校正tRNA校正tRNA分为无义突变及错义突变校正。在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子（UAG、UGA、UAA），使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变就称为无义突变。
5’…UUC UUC UUC UUC UUC…3’或5’…UCU UCU UCU UCU UCU…3’或5'…CUU CUU CUU CUU CUU…3'分别产生UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu）.
多聚三核苷酸为模板时也可能只合成2种多肽：5’…GUA GUA GUA GUA GUA…3’或5’…UAG UAG UAG UAG UAG…3’
同义密码子第一、二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变不一定影响所编码的氨基酸。一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。精氨酸是个例外，因为在真核生物中CG双联子出现的频率较低，所以尽管有6个同义密码子，蛋白质中精氨酸的出现频率仍然不高。
4.1.2.2密码的普遍性与特殊性
4．1．2遗传密码的性质
4.1.2.1密码的简并性
由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(synonymous codon)。
密码子有61种而氨基酸只有20种。所以除色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。AUG和GUG既是Met和Val的密码子又是起始密码子。
以均聚物为模板指导多肽的合成。在含有tRNA、核糖体、AA-tRNA合成酶及其它蛋白质因子的细胞抽提物中加入mRNA或人工合成的均聚物作为模板以及ATP、GTP、氨基酸等成分时又能合成新的肽链，新生肽链的氨基酸顺序由外加的模板来决定。
1961年，Nirenberg等以poly（U）作模板时发现合成了多聚苯丙氨酸，从而推出UUU代表苯丙氨酸（Phe）。以poly（C）及poly（A）做模板分别得到多聚脯氨酸和多聚赖氨酸。
思考题
1．遗传密码有什么特点?
2．蛋白质合成中如何保证其翻译的正确性?
3．真核细胞与原核细胞核糖体组成有什么不同?如何证明核糖体是蛋白质的合成场所?
教研室主任及课程负责人签字
教研室主任（签字）课程负责人（签字）
年月日年月日
新乡医学院理论课教案
课程名称：现代分子生物学任课教师：杨慈清助教
基本内容
教学手段和教学组织
③如果数个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不相同的密码子都对应于各自的tRNA。
④根据上述规则，至少需要32种不同的tRNA才能翻译61个密码子。
4．2tRNA
tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，被称为第二遗传密码。它不但为将每个三联子密码翻译成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了载体。所有的tRNA都能够与核糖体的P位点和A位点结合，此时，tRNA分子三叶草型顶端突起部位通过密码子：反密码子的配对与mRNA相结合，而其3’末端恰好将所转运的氨基酸送到正在延伸的多肽上。代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。在一个同工tRNA组内，所有tRNA均专一于相同的氨基酰-tRNA合成酶。
实验1:
用吖啶类试剂（诱导核苷酸插入或丢失）处理T4噬菌体rII位点上的两个基因，使之发生移码突变（frame-shift），就生成完全不同的、没有功能的蛋白质。
实验2:
研究烟草坏死卫星病毒发现，其外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，相应的RNA片段长1200个核苷酸，与密码三联子体系正好相吻合。
实验3:
4．2．2tRNA的功能
1、解读mRNA的遗传信息
2、运输的工具，运载氨基酸
4．2．3tRNA的种类
（1）起始tRNA和延伸tRNA能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸（fMet），真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸（Met）。
或5’…AGU AGU AGU AGU AGU…3’由第二种读码方式产生的密码子UAG是终止密码，不编码任何氨基酸，因此，只产生GUA（Val）或AGU（Ser）。
实验6:
以随机多聚物指导多肽合成。Nirenberg等及Ochoa等又用各种随机的多聚物作模板合成多肽。例如，以只含A、C的多聚核苷酸作模板，任意排列时可出现8种三联子，即CCC、CCA、CAC、ACC、CAA、ACA、AAC、AAA，获得由Asn、His、Pro、Gln、Thr、Lys等6种氨基酸组成的多肽。
如果同时删去3个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序列不发生变化。
至1966年，20种氨基酸对应的61个密码子和三个终止密码子全部被查清。
50-60年代破译遗传密码方面的三项重要成果：
（1）Paul Zamecnik等人证实细胞中蛋白质合成的场所。他们把放射性标记的氨基酸注射到大鼠体内，经过一段时间后收获其肝脏，进行蔗糖梯度沉淀并分析各种细胞成份中的放射性蛋白质。
开放阅读框架：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)。
4.1.2.4密码的摆动性
转运氨基酸的tRNA上的反密码子需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码子反向配对结合，在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动”，这种现象称为密码子的摆动性。
4．2．1 tRNA结构
1、tRNA的三叶草型二级结构
受体臂（acceptor arm）主要由链两端序列碱基配对形成的杆状结构和3’端末配对的3-4个碱基所组成，其3’端的最后3个碱基序列永远是CCA，最后一个碱基的3’或2’自由羟基（—OH）可以被氨酰化。TφC臂是根据3个核苷酸命名的，其中φ表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。反密码子臂是根据位于套索中央的三联反密码子命名的。D臂是根据它含有二氢尿嘧啶（dihydrouracil）命名的。
2．tRNA的L形三级结构
酵母和大肠杆菌tRNA的三级结构都呈L形折叠式。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。受体臂和TφC臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，D臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。
tRNA的L形高级结构反映了其生物学功能，因为它上所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的多肽合成位点，而它的反密码子必须与小亚基上的mRNA相配对，所以两个不同的功能基团最大限度分离。
如果注射后经数小时（或数天）收获肝脏，所有细胞成份中都带有放射性标记的蛋白质;
如果注射后几分钟内即收获肝脏，那么，放射性标记只存在于含有核糖体颗粒的细胞质成份中。
（2）Francis Crick等人第一次证实只有用三联子密码的形式才能把包含在由AUGC四个字母组成遗传信息（核酸）准确无误地翻译成由20种不同氨基酸组成的蛋白质序列，实现遗传信息的表达。
（3）氨基酸的“活化”与核糖体结合技术。以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板，在含核糖体、AA-tRNA的反应液中保温后通过硝酸纤维素滤膜，只有游离的AA-tRNA因相对分子质量小而通过滤膜，而核糖体或与核糖体结合的AA-tRNA则留在滤膜上，这样可把已结合与未结合的AA-tRNA分开。若用20种AA-tRNA做20组同样的实验，每组都含有20种AA-tRNA和各种三核苷酸，但只有一种氨基酸用14C标记，看那种AA-tRNA被留在滤膜上，再分析模板是那个三核苷酸，从模板三核苷酸与氨基酸的关系测知该氨基酸的密码子。如模板是UUU时，Phe－tRNA结合于核糖体上，可知UUU是Phe的密码子。
经过研究，Crick等人首先从遗传学的角度证实三联子密码的构想是正确的。
在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全部氨基酸序列。
若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样，后续密码子序列就不会变化，翻译得到的蛋白质序列就保持不变(除了发生突变的那个密码子所代表的氨基酸之外)。
1）无义突变
无义突变的校正tRNA会与释放因子竞争识别密码子
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ错义突变
错义突变的校正tRNA则与该密码的正常tRNA竞争
3）抑制突变的特点
（1）不是所有抑制基因都能产生有功能的蛋白质，关键是要看氨基酸取代的情况。