第四章 生物信息的传递(下)1

第四章 生物信息的传递(下)‫‏‬
——翻译（从mRNA-蛋白质）
一， 蛋白质生物合成的大致框架
需要掌握的几个要点：
1，翻译：以mRNA为模板，按照mRNA分子上的三个核苷酸决定一种 氨基酸的规则（三联体密码）合成具有特定氨基酸顺序的蛋白质 。包括翻译的起始、肽链的延伸、肽链的终止与释放。
2，核糖体是蛋白质合成的场所，mRNA是蛋白质合成的模板，转移 RNA（tRNA）是模板与氨基酸之间的接合体。 此外，在合成的各个阶段还有许多蛋白质、酶和其他生物大 分子参与。
表4-5 tRNA上的反密码子与mRNA 上密码子的配对与“摆动”分析
1．反密码子第一位是C或A时，只能识别一种密码子。 反密码子 （3'）X-Y-C（5'） （3'）X-Y-A（5'） 密码子 （5'）Y-X-G（3'） （5'）Y-X-U（3'） 2．反密码子第一位是U或G时，可分别识别两种密码子。 反密码子 （3'）X-Y-U （5'） （3'）X-Y-G （5' 密码子 （5'）Y-X-A/G（3'） ） （5'）Y-X-C/U（3' ） 3．反密码子第一位是I时，可识别3种密码子 反密码子 （ 3'）X-Y-I （5'） 密码子 （5'）Y-X-A/U/C（3'）
中某些稀有成分（如I）的配对，以及许
多氨基酸有2个以上密码子的问题。
图4-4 mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子配对示意图。 a. 密码子与tRNA反密码子臂上相应序列配对； b. 当反密码子第一位是I时，密码子第三位可以是A、U或C。
根据摆动假说，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‛，因而使 某些tRNA可以识别1个以上的密码子。一个tRNA 究竟能识别多少个密码子是由反密码子的第一 位碱基的性质决定的，反密码子第一位为A或C 时只能识别1种密码子，为G或U时可以识别2种 密码子，为I时可识别3种密码子。如果有几个 密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位 碱基不同的密码子都对应于各自独立的tRNA。
无细胞体系中Mg2+浓度很高，人工合成的多聚核苷酸不需要起 始密码子就能指导多肽的生物合成，读码起始是随机的。然 而，在生理Mg2+条件下，没有起始密码子的多核苷酸不能被 用作多肽合成的模板。
以多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： 5 ’ ……UUC UUC UUC UUC UUC……3’ 或5 ’ ……UCU UCU UCU UCU UCU……3’ 或5 ’ ……CUU CUU CUU CUU CUU……3 ’ 根据读码起点不同，产生的密码子可能是UUC（Phe）、 UCU（Ser）或CUU（Leu），所以得到的多肽可能是多聚苯 丙氨酸、多聚丝氨酸或多聚亮氨酸，由此可知UUC、UCU、 CUU分别是苯丙氨酸、丝氨酸及亮氨酸的密码子。
从最简单的生物（病毒）到人类，基本共 用同一套遗传密码。
密码的通用性在遗传工程中得到充分运用
。
4.1.2.3. 密码子与反密码子的相互作用

tRNA的反密码子在核糖体内是通过碱 基的反向配对与mRNA上的密码子相互 作用的。1966年，Crick提出摆动假说（ wobble hypothesis），解释了反密码子
肽链内部Met的密码子 AUG 酸 起始密码 真核生物编码甲硫氨酸

原核生物编码甲酰甲硫氨
终止密码子
UAA 赭石（ochre）密码
UAG 琥珀（amber）密码
UGA 蛋白石（opal）密码
4.1.2.2. 密码的通用性与特殊性
遗传密码无论在体内还是体外，也无论是对病毒、细菌、 动物还是植物而言都是适用的，所以，密码子具有通用性。已 经查明，在支原体中，终止密码子UGA被用来编码色氨酸；在 嗜热四膜虫中，另一个终止密码子UAA被用来编码谷氨酰胺。 密码子具有特殊性。

可译框架（open reading frame）：

由起始密码子开始，到终止密码子结束 的核酸序列。
图4-1 Crick关于tRNA分子破译mRNA遗传密码三联子的原始构想
Ser 5’
Tyr 5’
4.1.1

三联子密码及其破译
遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。 蛋白质中的氨基酸序列是由mRNA中的核苷酸序列决定 的。mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸 。


这个方法是以人工合成的三 核苷酸如UUU、UCU、UGU等 为模板，在含核糖体、AAtRNA的适当离子强度的反应 液中保温，然后使反应液通 过硝酸纤维素滤膜。 发现，游离的AA-tRNA因相 对分子质量小能自由通过滤 膜，加入三核苷酸模板可以 促使其对应的AA-tRNA结合 到核糖体上，体积超过膜上 的微孔而被滞留，这样就能 把已结合到核糖体上的AAtRNA与未结合的AA-tRNA分 开。

数学考虑 ： 一种碱基 二种碱基 三种碱基
→ → →
一种 Aa 一种 Aa 一种 Aa
41 = 42 = 43 =
4 ＜20 16＜20 64＞20
实验证实三联子密码
（遗传学证据）
1、mRNA模板中插入、删除一个核苷酸后，该密码子后 面的氨基酸序列全部改变。 2、同时插入、删除一个不同核苷酸后，后续蛋白质不 变。 3、同时删除三个核苷酸后，翻译减少一个氨基酸，序 列没有变化。 烟草花叶病毒外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成 ，而相应的RNA片段长约1200个核苷酸

二， 核糖体结合技术

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。

通过该方法，61个codons被破译(仅剩UAA,UAG,UGA？)‫‏‬ Stop codon 的证实
。因此，分析比较加入的模板和合成的肽链即可推知编码
某些氨基酸的密码。
Marshall Nirenberg (1961)‫‏‬ In vitro Poly(U) Poly(C) Poly(A) But poly(UCUCUC…) UCU/CUC poly(Ser-Leu-Ser-Leu…)‫‏‬ Ser/Leu ? poly(Phe) peptide poly(Pro) peptide poly(Lys) peptide
表4-4 线粒体与核DNA密码子使用情况的比较
生物 所有 酵母 果蝇 哺乳类 哺乳类 密码子 UGA CUA AGA AGA/G AUA 线粒体DNA编码的氨基酸 色氨酸 苏氨酸 丝氨酸 终止子 甲硫氨酸 核DNA编码的氨基酸 终止子 亮氨酸 精氨酸 精氨酸 异亮氨酸
密码的通用性与特殊性
有何意义？
实验破译三联子密码
一，以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为 模板指导多肽的合成
制备大肠杆菌的无细胞合成体系：在含DNA、mRNA、
tRNA、核糖体、AA-tRNA合成酶及其他酶类的抽提物中加
入DNase，降解体系中的DNA，耗尽mRNA时，体系中的蛋白 质合成即停止板以及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所决定
若用20种AA-tRNA做20
组同样的实验，每组都含 20种AA-tRNA和各种三核 苷酸，但只有一种氨基酸 用14C标记，看哪一种AAtRNA被留在滤膜上，进一 步分析这一组的模板是哪 个三核苷酸，从模板三核 苷酸与氨基酸的关系可测 知该氨基酸的密码子。例 如，模板是UUU时，PhetRNA结合于核糖体上，可 知UUU是Phe的密码子。
Ser-C14….
Leu-C14 ….
Lys-C14 ….
Gly-C14 ….
4.1.2 遗传密码的性质

4.1.2.1 密码的连续性 密码间无间断也没重叠，即起始密码子
决定了所有后续密码子的位置
4.1.2.1. 密码的简并性
存在61种密码子而只有20种氨基酸，所以许多氨基酸有多个 密码子。实际上除色氨酸（UGG）和甲硫氨酸（Met）只有一 个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子，其中9种 氨基酸有2个密码子，1种氨基酸有3个密码子，5种氨基酸有 4个密码子，3种氨基酸有6个密码子。 简并：1个氨基酸有多个密码子的现象或多个密码子为1个氨 基酸编码。 编码同一种氨基酸的密码子称同义密码子 简并密码的性质有何重要生物学意义？ 减少变异对生物的 影响
肽链的延伸
核糖体沿mRNA5‘ 端向3’ 端移动，开始了从N端向C 端的多肽合成，这是蛋白质合成过程中速度最快的阶 段
肽链的终止及释放
核糖体从mRNA上 解离，准备新一 轮合成反应。
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个核苷酸就称为密码。也叫三联子 密码。 遗传密码： mRNA中核苷酸的排列顺序。 起始：AUG 终止：UAA UAG UGA 方向：5 ’ －3’（mRNA） 翻译从起始密码子AUG开始，沿mRNA 5'→3' 方向连续阅读密码子，直至终止密码子为 止，生成一条具有特定序列的多肽链——蛋白质 。
翻译（蛋白质的生物合成）: 以氨基酸为原料 以mRNA为模板 以tRNA为运载工具 以核糖体为合成场所 需Mg2+和适当缓冲体系 起始、延长、终止各阶段蛋白因子参与 合成后加工成为有活性蛋白质
蛋白质的生物合成是一个比 DNA复制和转录更为复杂的过 程。 翻译的起始
核糖体与mRNA结合并与氨基 酰-tRNA生成起始复合物。