郜剛分子生物學(xué)-08-1-生物信息的傳遞-6-翻譯-遺傳密碼與tRNA

第04章生物信息的傳遞（下）

—從mRNA到蛋白質(zhì)分子生物學(xué)講義山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院●遺傳密碼——三聯(lián)子

●tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類●核糖體的結(jié)構(gòu)與功能●蛋白質(zhì)合成的過程●蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制Contents翻譯：指將mRNA鏈上的核甘酸從一個特定的起始位點開始，按每三個核甘酸代表一個氨基酸的原則，依次合成一條多肽鏈的過程。page116蛋白質(zhì)的合成機(jī)制是最復(fù)雜的生物合成機(jī)制:

真核細(xì)胞中，蛋白質(zhì)的合成需要：70種以上的核糖體蛋白參與；多于二十種的酶來激活氨基酸；12種或更多的輔酶和其它專一性的蛋白因子來進(jìn)行肽鏈合成的起始、延伸、和終止；一百多種酶參與各類蛋白的最后修飾；還需要多于四十種的tRNA和核糖體RNA。

共有300多種不同的生物大分子參與且協(xié)同地工作來合成多肽?；居^點蛋白質(zhì)合成的場所是核糖體蛋白質(zhì)合成的模板是mRNA模板與氨基酸之間的接合體是tRNA蛋白質(zhì)合成的原料是20種氨基酸4.1遺傳密碼(geneticcode):

——三聯(lián)子（一）三聯(lián)子密碼定義

mRNA鏈上每三個核甘酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個氨基酸，這三個核苷酸就稱為密碼子或三聯(lián)子密碼(tripletcoden)

。mRNA5’GCUAGUACAAAACCU3’遺傳密碼(geneticcode):DNA（或mRNA）中核苷酸序列與蛋白質(zhì)中氨基酸序列之間的對應(yīng)關(guān)系。密碼子破解者1954年，物理學(xué)家GeorgeGamov根據(jù)在DNA中存在四種核苷酸，在蛋白質(zhì)中存在二十種氨基酸的對應(yīng)關(guān)系，提出三個核苷酸為一個氨基酸編碼是最理想的。因為在有四種核苷酸的條件下，64（43=64）是能滿足為20種氨基酸編碼的最小數(shù)，這也符合生物體在億萬年進(jìn)化過程中形成的和遵循的經(jīng)濟(jì)原則。4.1.1三聯(lián)子密碼破譯（了解）●至1966年，20種氨基酸對應(yīng)的61個密碼子和三個終止密碼子全部被查清。遺傳密碼的破譯，即確定代表每種氨基酸的具體密碼。填空：密碼子的破譯是分子生物學(xué)發(fā)展史上的一件大事。主要運(yùn)用了兩項技術(shù)，一項是1961年由Nirenberg等報道的人工合成多聚核苷酸體外翻譯技術(shù)；另一項是1964年Nirenberg和Leder發(fā)明的核糖體結(jié)合技術(shù)破譯密碼的實驗研究先后由三個實驗室發(fā)展了四種破譯方法（1954-1966）

補(bǔ)充-密碼子破譯的研究實驗方法（1）均聚物+無細(xì)胞合成體系法開創(chuàng)先河體外無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系中加入人工合成的polyＵ。1961，Nirenberg和Mathaei確認(rèn)UUU是Phe的密碼子。

AAA是Lys的密碼子，

CCC是Pro的密碼子。補(bǔ)充-密碼子破譯的研究實驗方法（2)混合共聚物+無細(xì)胞合成體系法

1963，Speyer和Ochoa兩個堿基的共聚物

polyUG，合成了cys

和val。不能確定堿基的排列方式，只能顯示堿基組成及比例。補(bǔ)充-密碼子破譯的研究實驗（3）重復(fù)共聚物

Jones，和Khorana如，重復(fù)序列CUCUCUCUCU

Leu-Ser-Leu-Ser或Ser-Leu-Ser-Leu補(bǔ)充-密碼子破譯的研究實驗（4）核糖體結(jié)合技術(shù)

Nirenberg和Leder于1964年發(fā)現(xiàn)：在缺乏蛋白質(zhì)合成所需的因子的條件下，特異氨基酸-tRNA(aa-tRNA)也能與核糖體-mRNA復(fù)合物結(jié)合。不一定需要長的mRNA分子。補(bǔ)充-密碼子破譯的研究實驗核糖體結(jié)合技術(shù)保溫硝酸纖維濾膜過濾分析留在濾膜上的核糖體-AA-tRNA放射性確定與核糖體結(jié)合的AA和模板核糖體+20種AA-tRNA如UUU,UCU如果標(biāo)記的aa能與模板配對，體積增大，被濾膜滯留其中一種AA-tRNA的氨基酸被14C標(biāo)記特定三核苷酸為模板促進(jìn)結(jié)合？過濾檢測4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)（1）普遍性與特殊性普遍性：遺傳密碼無論在體內(nèi)還是體外，無論是對病毒、細(xì)菌、動物還是植物而言都通用；特殊性：遺傳密碼的個例很少見；基因組中編碼含義的改變常涉及到對終止密碼子的解讀；密碼子系統(tǒng)性改變只存在于線粒體中。4.1.2遺傳密碼的性質(zhì)（2）密碼子64個：1個起始密碼（AUG）3個終止密碼UAG、UAA、UGA

61個密碼代表20種AA（3）方向性

5’3’;（4）連續(xù)性密碼子間連續(xù)閱讀；不重疊、不間斷（5）簡并性

一種氨基酸有多個密碼子（6）擺動性密碼子第三個堿基與反密碼的第一個堿基不嚴(yán)格的配對現(xiàn)象。1、簡并性由多個密碼子編碼同一個氨基酸的現(xiàn)象稱為簡并（degeneracy），對應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子（synonymouscodon）。簡并性的意義:減少了變異對生物的影響簡并性表現(xiàn)在：密碼子的第三個堿基。說明了密碼子的第三個堿基具有一定的靈活性page121氨基酸的密碼子數(shù)目和它在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的頻率并沒有明顯的正相關(guān)性。但是有一定的關(guān)系。%2、密碼子的使用情況Page121生物密碼子線粒體DNA編碼的氨基酸核DNA編碼的氨基酸所有UGA色氨酸終止子酵母CUA蘇氨酸亮氨酸果蠅AGA絲氨酸精氨酸哺乳類AGA/G終止子精氨酸哺乳類AUA甲硫氨酸異亮氨酸線粒體與核DNA密碼子使用情況的比較線粒體的遺傳密碼子存在較多的例外情況，其中最常見的一種變化是UGA由終止密碼子變?yōu)樯彼岬拿艽a子，這可能是進(jìn)化上最早期的變化（三）遺傳密碼的性質(zhì)3、連續(xù)性編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。密碼是非重疊的基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導(dǎo)致框移突變(frameshiftmutation)。從mRNA5端起始密碼子AUG到3端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。

開放閱讀框架注意在生物信息學(xué)中的ORF的意義擴(kuò)展（三）遺傳密碼的性質(zhì)4、擺動性tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子的配對符合堿基互補(bǔ)反向配對原則，其中，前兩對嚴(yán)格遵守堿基配對原則，第三對堿基有一定的自由度，可以“擺動”，這種現(xiàn)象稱為密碼子的擺動性。配對的嚴(yán)格性？？擺動配對擺動性說明一種tRNA為什么可以識別幾種密碼子，而幾種密碼子又代表一種氨基酸，還說明密碼子與反密碼子相互作用的擺動性與密碼子的簡并性有關(guān)U擺動配對一般來說，生物體內(nèi)tRNA的種類要少于編碼氨基酸的密碼子。密碼子的前兩位堿基在和反密碼子配對時遵循Watson-Crick原則，而第三位堿基則有一定的靈活性，這就是擺動假說（wobblehypothesis）。密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象tRNA反密碼子第1位堿基I次黃核苷UGACmRNA密碼子第3位堿基U,C,AA,GU,CUG在密碼子第三位堿基與反密碼子第一位堿基之間，堿基配對的擺動允許形成G-U配對。G-UpairsformatthethirdcodonbaseGUAUGC擺動的分子機(jī)制非常規(guī)鍵（非Watson-Crick鍵）密碼子和反密碼子的功能密碼子決定氨基酸是通過mRNA與tRNA相互作用實現(xiàn)的，作用的實質(zhì)是堿基間的配對。密碼子與反密碼子（anticodon）間的正確識別是遺傳信息正確傳遞的保證。4.2tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類二級結(jié)構(gòu)：三葉草形tRNA中含有特殊的堿基H=A、C或T國際生物化學(xué)命名委員會規(guī)定：R＝G，AY＝C，TM＝A，C(帶氨基)K＝G，T(帶酮基)W＝A，T(弱)N＝A，C，G，TD=G、A或TP=U,CB=G、T或CH=A、C或TV=G、C或A此外，對于氨基酸序列，除了20種常見氨基酸的標(biāo)準(zhǔn)單字符標(biāo)識之外，B代表Asp或Asn；U代表硒代半胱氨酸；Z代表Glu或Gln；X代表任意氨基酸；“*”代表翻譯結(jié)束標(biāo)志。4.2.2tRNA的結(jié)構(gòu)、功能與種類三級結(jié)構(gòu)：倒“L”形所有的tRNA都有相同的二級（三葉草型）和三級結(jié)構(gòu)（倒L型）。這種結(jié)構(gòu)上的一致性是其功能所必需的。因為不同的tRNA分子都具有相同的功能特征tRNA的結(jié)構(gòu)靠氫鍵和堿基堆積力維持4.2.3tRNA的功能1、識別密碼子，解讀mRNA的遺傳信息：tRNA在翻譯中轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的作用，將氨基酸經(jīng)過密碼子與反密碼子的相互識別定位在肽鏈中。從這一點上看，tRNA是起具體翻譯作用的分子2、運(yùn)輸?shù)墓ぞ撸D(zhuǎn)運(yùn)活化的氨基酸，3、為氨酰tRNA合成酶提供特異性的識別信息tRNA有兩個關(guān)鍵位點：

●3’端CCA位點：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。

●反密碼子位點—與mRNA結(jié)合部位tRNAisanadaptortRNAisanadaptor3’5’CCA-aa5’3’CCA-OHGGCCCGtRNA憑借自身的反密碼子與mRNA鏈上的密碼子相識別，把所帶氨基酸放到肽鏈的一定位置。tRNA的功能tRNA特異性只取決于反密碼子,與攜帶的氨基酸無關(guān)？？？No氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化特點：絕對專一性；具校正活性tRNA的功能實現(xiàn)？1個AA對應(yīng)1個氨酰tRNA合成酶結(jié)合位點：活化AA水解位點：保證AA序列的正確性

tRNA與酶結(jié)合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATPtRNA沿著L型的一面與合成酶結(jié)合。所有的tRNA均是以兩個端點與合成酶結(jié)合，這樣可以最大程度的擴(kuò)大與酶的接觸面。這一點對于特異性是很重要的4.2.4tRNA的種類能特異地識別mRNA模板上起始密碼子的tRNA稱起始tRNA，其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA。起始tRNA

tRNAimet只能識別翻譯起始信號AUG只能結(jié)合于核糖體的肽位普通tRNA

tRNAmet延伸tRNA在翻譯延長中發(fā)揮作用只能結(jié)合于核糖體的氨基酰位P127tRNA的功能原核生物起始tRNA延長tRNA真核生物起始tRNA延長tRNA起始密碼只能辨認(rèn)甲酰甲硫氨酸（fMet)起始時為tRNAmet延長時tRNAffmet起始密碼只能辨認(rèn)甲硫氨（Met)tRNAimet延長為tRNAimet起始tRNA與普通tRNA真核起始密碼子：AUG編碼氨基酸Met，起始AA-tRNA為Met-tRNAMet。原核起始密碼子：AUG編碼氨基酸甲酰甲硫氨酸，起始AA-tRNA為fMet-tRNAfMet2、同工tRNA

代表同一種氨基酸的tRNA稱為同工tRNA。同工tRNA既要有不同的反密碼子以識別該氨基酸的各種同義密碼，又要有某種結(jié)構(gòu)上的共同性，能被相同的氨基酰-tRNA合成酶識別。3、校正tRNA一些tRNA可以利用搖擺性配對或者利用自身反密碼子突變，來校正密碼子突變，使摻入的氨基酸正確，這類tRNA稱為校正tRNA.這個概念僅僅是一種功能上的理解無義突變：代表某個氨基酸的密碼子變成終止密碼子（UAG、UGA、UAA），使蛋白質(zhì)合成提前終止，合成無功能的或無意義的多肽。

錯義突變：由于基因中某個核甘酸的變化使一種氨基酸的密碼子變?yōu)榱硪环N氨基酸的密碼子，叫錯義突變。

GGA（甘氨酸）AGA（精氨酸）無義突變與抑制無義突變反密碼子突變了剛好抑制了密碼子的無義突變5UUG3

密碼子突變UAG3AAC5

LeuAUC

TyrAUGTyr反密碼子突變釋放因子錯義抑制:反密碼子突變抑制了錯義突變在某種程度上算是一種DNA修復(fù)？？

4.2.4tRNA的分類總結(jié)（1）起始tRNA和延伸tRNA：一類能特異識別mRNA模板上起始密碼子的tRNA叫起始tRNA；其它tRNA稱為延伸tRNA。（2）同工tRNA:代表相同氨基酸的tRNA稱同工tRNA。（3）校正tRNA：通過tRNA中反密碼子改變來校正密碼子突變，使其在突變位點引入正確氨基酸。無義突變(nonsensemutation):指DNA上任何代表氨基酸的密碼子變?yōu)榻K止密碼子的改變。

錯義突變(missensemutation):

指DNA分子中的核苷酸置換后改變了mRNA上遺傳密碼，從而導(dǎo)致合成的多肽鏈中一個氨基酸被另一氨基酸所取代的改變。

第二遺傳密碼1988年，ChristiandeDuve在Hou和Schimmel等人

存在于tRNA上（如氨基酸接受柄），可以被氨酰tRNA合成酶(aaRS)識別，并決定tRNA的所攜帶氨基酸特異性的堿基（對）。（鑒別者堿基discriminatorbase）插播內(nèi)容四種tRNA主要確定因素（每個堿基由一圓環(huán)代表）部分所謂的第二遺傳密碼G3U70第二套密碼系統(tǒng)比經(jīng)典的密碼系統(tǒng)更原始。一些作者猜測tRNA起源于攜帶氨苷酰的寡核苷酸，其原始形式能與氨基酸直接反應(yīng)。破譯第二密碼系統(tǒng)的意義不僅僅限于tRNA分子本身生物學(xué)功能的認(rèn)識，更重要的是將對生物化學(xué)，生物起源，分子生物學(xué)及遺傳學(xué)產(chǎn)生重大影響。

插播內(nèi)容復(fù)習(xí)思考題

之

名詞解釋一些概念、定義1，翻譯（translation）：在蛋白質(zhì)合成期間，將存在于mRNA上代表一個多肽的核苷酸殘基序列轉(zhuǎn)換為多肽鏈氨基酸殘基序列的過程。

2，遺傳密碼（geneticcode）：核酸中的核苷酸殘基序列與蛋白質(zhì)中的氨基酸殘基序列之間的對應(yīng)關(guān)系。；連續(xù)的3個核苷酸殘基序列為一個密碼子，特指一個氨基酸。標(biāo)準(zhǔn)的遺傳密碼是由64個密碼子組成的，幾乎為所有生物通用。

3，起始密碼子（iniation

codon）：指定蛋白質(zhì)合成起始位點的密碼子。最常見的起始密碼子是蛋氨酸密碼：AUG序列，該序列編碼著一個指定的氨基酸

，tRNA

的反密碼子與mRNA的密碼子互補(bǔ)。4，終止密碼子（terminationcodon）：任何tRNA分子都不能正常識別的，但可被特殊的蛋白結(jié)合并引起新合成的肽鏈從翻譯機(jī)器上釋放的密碼子。存在三個終止密碼子：UAG,UAA和UGA。

5，密碼子（condon）：mRNA（或DNA）上的三聯(lián)體核苷酸殘基

6，反密碼子（anticodon）：tRNA分子的反密碼子環(huán)上的三聯(lián)體核苷酸殘基序列。在翻譯期間，反密碼子與mRNA中的互補(bǔ)密碼子結(jié)合。

7，簡并密碼子（degeneratecodon）：也稱為同義密碼子。是指編碼相同的氨基酸的幾個不同的密碼子。8，氨基酸臂（aminoarm）：也稱為接納莖。tRNA分子中靠近3ˊ端的核苷酸序列和5ˊ端的序列堿基配對，形成的可接收氨基酸的臂（莖）。9，TψC臂（TψCarm）：tRNA中含有胸腺嘧啶核苷酸-假尿嘧啶核苷酸-胞嘧啶核苷酸殘基序列的莖-環(huán)結(jié)構(gòu)。

10，氨酰-tRNA（aminoacyl