遺傳密碼和蛋白質(zhì)的生物合成

遺傳密碼及

蛋白質(zhì)的生物合成和轉(zhuǎn)運

本文檔共80頁；當前第1頁；編輯于星期一\21點34分DNADNARNA蛋白質(zhì)復制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄

基因遺傳基因表達

生物中心法則忠實復制忠實轉(zhuǎn)錄忠實翻譯本文檔共80頁；當前第2頁；編輯于星期一\21點34分第一節(jié)遺傳密碼一、DNA是遺傳信息的攜帶分子（一）細胞含有恒定量的DNAC值佯謬（矛盾）（Cvalueparadox）本文檔共80頁；當前第3頁；編輯于星期一\21點34分造成C值佯謬現(xiàn)象的原因：基因組DNA存在重復序列和染色體多倍性；此外，還有染色體外基因（質(zhì)粒）和細胞器基因。本文檔共80頁；當前第4頁；編輯于星期一\21點34分（二）DNA是細菌的轉(zhuǎn)化因子（三）病毒是游離的遺傳因子

遺傳單位基因，只是一段核酸分子，它可以存在染色體內(nèi)，也可以存在染色體外；可以是細胞內(nèi)相，也可以是細胞外相。本文檔共80頁；當前第5頁；編輯于星期一\21點34分二、RNA傳遞和加工遺傳信息----基因表達依賴于RNA（一）RNA的拼接（二）RNA的編輯（三）RNA的譯碼(解碼decoding)和再編碼(recoding)本文檔共80頁；當前第6頁；編輯于星期一\21點34分三、遺傳密碼的破譯1.遺傳密碼指mRNA中的核苷酸序列與多肽中氨基酸序列之間的對應關系,通常是指核苷酸三聯(lián)體決定氨基酸的對應關系,故也稱三聯(lián)體密碼或密碼子.2.密碼單位1954年物理學家GamovG首先對遺傳密碼進行探討:41=4;42=16;43=64,足以編碼20種氨基酸，密碼（codon）應是三聯(lián)體（triplet）.本文檔共80頁；當前第7頁；編輯于星期一\21點34分

密碼子或稱三聯(lián)體密碼，即mRNA上決定一個特定氨基酸的三個核苷酸。3.密碼子的確定用各種人工合成模板在體外翻譯蛋白質(zhì)的方法確定用核糖體結(jié)合技術測定密碼子中的核苷酸排列順序1961年~1965年4年時間，完全確定了編碼20種天然氨基酸的密碼子，編出了遺傳密碼字典。

本文檔共80頁；當前第8頁；編輯于星期一\21點34分12本文檔共80頁；當前第9頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第10頁；編輯于星期一\21點34分四、遺傳密碼的基本特征（一）密碼的基本單位

－－是按5′→3′方向編碼、不重疊、無標點的三聯(lián)體密碼子密碼子之間沒有任何起“標點”作用的空格,閱讀mRNA時是連續(xù)的,一次閱讀3個核苷酸(堿基).本文檔共80頁；當前第11頁；編輯于星期一\21點34分在絕大多數(shù)生物中,閱讀mRNA時是以密碼子為單位，不重疊地閱讀。少數(shù)大腸桿菌噬菌體的RNA基因組中部分基因的遺傳密碼是重疊的。不重疊密碼重疊密碼本文檔共80頁；當前第12頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第13頁；編輯于星期一\21點34分（二）密碼的簡并性（degeneracy）

(1)除Met(AUG)和Trp(UGG)外，每個氨基酸都有兩個或更多的密碼子，這種現(xiàn)象稱為密碼子的簡并性（degenecy）。

(2)同義密碼：同一個氨基酸的不同密碼子稱同義密碼子（synonyms）。（3）簡并性的生物學意義減少有害突變，對生物物種的穩(wěn)定有一定意義。（4）密碼的簡并性往往表現(xiàn)在密碼子的第三位堿基上。本文檔共80頁；當前第14頁；編輯于星期一\21點34分

本文檔共80頁；當前第15頁；編輯于星期一\21點34分（三）密碼的變偶性——擺動性(wobble)mRNA上的密碼子與tRNA上的反密碼子配對時，密碼子的第一位、第二位的堿基配對是嚴格的，第三位堿基可以有一定變動，Crick稱這種現(xiàn)象稱為密碼的擺動性或變偶性（wobble）。如tRNA反密碼子第一位的IA、U、C配對。顯然,密碼子的專一性基本取決于前兩位堿基，第三位堿基起的作用有限(有較大靈活性)。所以幾乎所有氨基酸的密碼子都可以用和來表示。

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tRNA反密碼子中除A、U、G、C四種堿基外,還經(jīng)常在第一位出現(xiàn)次黃嘌呤(I).I可以與A、U、C三者之間形成堿基對,使帶有次黃嘌呤的反密碼子可以識別更多的簡并密碼子.

由于變偶性的存在,細胞內(nèi)只需要32種tRNA,就能識別61個編碼氨基酸的密碼子.原核和真核細胞都只合成約30種帶有反密碼子的tRNA。本文檔共80頁；當前第18頁；編輯于星期一\21點34分（四）遺傳密碼的通用性和變異性

(1)通用性:指各種低等和高等生物,包括病毒、細菌及真核生物,基本上共用一套遺傳密碼.(2)密碼的變異性:目前已知線粒體DNA(mtDNA)的編碼方式與通用遺傳密碼子有所不同.（五）密碼的防錯系統(tǒng)在密碼表中，氨基酸的極性通常由密碼子的第二位堿基決定，簡并性由第三位堿基決定。這使得密碼子中一個堿基被置換，其結(jié)果或仍編碼相同的氨基酸，或以物理化學性質(zhì)最接近的氨基酸相取代。－－即：密碼的編排具防錯功能本文檔共80頁；當前第19頁；編輯于星期一\21點34分第二節(jié)蛋白質(zhì)合成及轉(zhuǎn)運本文檔共80頁；當前第20頁；編輯于星期一\21點34分一、蛋白質(zhì)合成的分子基礎本文檔共80頁；當前第21頁；編輯于星期一\21點34分（一）mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板本文檔共80頁；當前第22頁；編輯于星期一\21點34分（二）tRNA轉(zhuǎn)運活化的氨基酸至mRNA模板上在蛋白質(zhì)合成中，tRNA起著運載氨基酸的作用，按照mRNA鏈上的密碼子所決定的氨基酸順序?qū)被徂D(zhuǎn)運到核糖體的特定部位。tRNA有兩個關鍵部位：

⑴3′端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA.需ATP提供活化氨基酸所需的能量；

⑵與mRNA結(jié)合部位—反密碼子部位(tRNA的接頭作用)。

此外,tRNA上尚有(3)識別氨酰tRNA合成酶的位點,(4)核糖體識別位點。本文檔共80頁；當前第23頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第24頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第25頁；編輯于星期一\21點34分3’5’ICCA-OH5’3’CCA-OHGGCCCG密碼子與反密碼子的閱讀方向均為5’

3’，兩者反向平行配對。本文檔共80頁；當前第26頁；編輯于星期一\21點34分大多數(shù)校正突變是發(fā)生在tRNA基因的突變上，從而使tRNA的反密碼子在閱讀mRNA的信息時發(fā)生了變化。本文檔共80頁；當前第27頁；編輯于星期一\21點34分（三）核糖體是蛋白質(zhì)合成的工廠用放射性同位素標記氨基酸，注射到小鼠體內(nèi)，經(jīng)短時間后取出肝臟，制成勻漿，離心，分離各細胞器，發(fā)現(xiàn)核糖體放射性最強，說明核糖體是蛋白質(zhì)合成部位。本文檔共80頁；當前第28頁；編輯于星期一\21點34分1.核糖體RNA（rRNA）本文檔共80頁；當前第29頁；編輯于星期一\21點34分2.核糖體蛋白

大多數(shù)蛋白呈纖維狀，只有極少數(shù)呈球形3.核糖體的結(jié)構(gòu)模型原核生物真核生物本文檔共80頁；當前第30頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第31頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第32頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第33頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第34頁；編輯于星期一\21點34分4.核糖體的功能

參與多肽鏈的啟動、延長、終止，并“移動”含有遺傳信息的模板mRNA觀點：“核糖體是一種核酶，它催化肽鍵的形成，將蛋白質(zhì)合成牢牢地控制在RNA的手中?！北疚臋n共80頁；當前第35頁；編輯于星期一\21點34分萬卡特拉曼-萊馬克里斯南、托馬斯-施泰茨和阿達-尤納斯（從左至右）因?qū)Α昂颂求w結(jié)構(gòu)和功能的研究”做出突出貢獻而獲得2009年諾貝爾化學獎。他們在原子水平上揭示了核糖體的形態(tài)和功能。本文檔共80頁；當前第36頁；編輯于星期一\21點34分二、翻譯的步驟肽鏈延伸合成的方向和速度方向：N端→C端速度：肽鏈延伸的速度極快，一個核糖體合成一條完整的血紅蛋白α-鏈(146個AA)3分鐘,0.8AA/秒;大腸桿菌20個AA/秒。本文檔共80頁；當前第37頁；編輯于星期一\21點34分（一）氨酰-tRNA合成酶幫助使氨基酸結(jié)合到特定的tRNA上－－氨基酸的活化各種參加蛋白質(zhì)合成的AA與攜帶它的相應的tRNA結(jié)合成氨酰-tRNA的過程?；罨磻诎滨?tRNA合成酶的催化下進行。氨基酸在摻入肽鏈前必須活化。活化部位:細胞質(zhì)酶:氨酰-tRNA合成酶能量:消耗2ATP產(chǎn)物:氨酰-tRNA本文檔共80頁；當前第38頁；編輯于星期一\21點34分AA+ATP+EAA-AMP-E+PPiMg2+Mn2+AA-AMP-E+tRNA→氨酰-tRNA+AMP+E活化過程:1)氨基酸-AMP-酶復合物的形成2)氨基酸從氨基酸-AMP-酶復合物轉(zhuǎn)移到相應的tRNA上氨基酸活化的總反應式是：氨酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨酰-tRNA+AMP+PPi※氨基酸與tRNA的3′端核糖之間形成的高能酯鍵，會在后面的反應中直接用來驅(qū)動肽鍵的形成。本文檔共80頁；當前第39頁；編輯于星期一\21點34分

20種氨基酸中每一種都有各自特異的氨酰-tRNA合成酶。

氨酰-tRNA合成酶具有高度的專一性，它既能識別相應的氨基酸（L-構(gòu)型），又能識別與此氨基酸相對應的一個或多個tRNA分子。這種高度的專一性保證了氨基酸與其特定的tRNA準確匹配，從而使蛋白質(zhì)的合成具有一定的保真性。（有時把氨酰-tRNA合成酶和與之對應的tRNA分子稱作“遺傳密碼第二”。）（二）每一個氨酰-tRNA合成酶可識別一個特定的氨基酸和與此氨基酸對應的tRNA的特定部位

本文檔共80頁；當前第40頁；編輯于星期一\21點34分（三）氨酰-tRNA合成酶能夠糾正?；腻e誤

許多氨酰-tRNA合成酶似乎含有第二個活性部位－－校正部位，此部位具有水解酶功能，即使AA識別出現(xiàn)錯誤，可以將其水解掉。（四）一個特殊的tRNA啟動了蛋白質(zhì)的合成所有蛋白質(zhì)的翻譯開始于Met的參與；

tRNAiMet對所有蛋白質(zhì)合成中起始AA－Met的摻入負責，也對選擇mRNA在何位置開始翻譯起重要作用。本文檔共80頁；當前第41頁；編輯于星期一\21點34分原核細胞中，起始的AA為fMet,tRNAifMet中的fMet是由特異的甲?；甘拱被柞；鴣?。（tRNAifMet

不參與肽鏈延伸過程）fMet起始因子識別tRNAiMet，延伸因子識別tRNAMet。本文檔共80頁；當前第42頁；編輯于星期一\21點34分原核生物，真核生物細胞器：甲酰甲硫氨酸(fMet)甲硫氨酸的2種tRNA：一種用于識別起始密碼子AUG(tRNAiMet

)另一種識別閱讀框內(nèi)部的AUG密碼子(tRNAmMet)

甲硫氨酰-tRNAi甲?；蟀被环忾]，可防止

tRNAi誤讀框架內(nèi)部密碼子本文檔共80頁；當前第43頁；編輯于星期一\21點34分

翻譯起始需要有一個接載fMet(原核生物)或Met(真核生物)的起始tRNA(tRNAi)。但因tRNAi的TΨC環(huán)沒有與核糖體的A位處5SrRNA的一序列互補的保守序列，所以起始用的tRNAi只能進入核糖體的P位(也是唯一直接進入P位的氨酰-tRNA)。本文檔共80頁；當前第44頁；編輯于星期一\21點34分（五）翻譯開始于mRNA與核糖體的結(jié)合高等真核生物（酵母除外）核糖體與mRNA的識別，為類似GCCGCCpurCCAUGG這樣的序列所加強。本文檔共80頁；當前第45頁；編輯于星期一\21點34分起始密碼子的識別原核翻譯系統(tǒng)起始密碼子的識別主要是依賴于mRNA5′-端的SD序列與16SrRNA3′-端的反SD序列之間的互補配對。SD序列位于起始密碼子上游約7b的區(qū)域,由4~5b組成，富含嘌呤堿基，它是由JohnShine和LynnDalgarno在1974年通過比較多種原核細胞mRNA的5′-端核苷酸序列之后總結(jié)出來的。在16SrRNA3′-端有一段富含嘧啶堿基的序列，可以和SD序列互補配對,因而被稱為反SD序列。許多實驗證明，正是SD序列與反SD序列的互補關系，才使得位于mRNA的SD序列下游的第一個AUG用作起始密碼子。

本文檔共80頁；當前第46頁；編輯于星期一\21點34分SD序列和反SD序列本文檔共80頁；當前第47頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第48頁；編輯于星期一\21點34分(六)蛋白質(zhì)因子幫助的蛋白質(zhì)合成起始本文檔共80頁；當前第49頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第50頁；編輯于星期一\21點34分細菌中的起始因子:IF-1:結(jié)合在30S亞基上作為完全起始復合物的一部分，起穩(wěn)定此復合物的作用。IF-2:結(jié)合到特異的起始tRNA(fMet-tRNA),并將起始tRNA置于小亞基上。(IF-2屬小G蛋白)

IF-3:30S小亞基特異地與mRNA起始部位結(jié)合需要IF-3。IF-3還作為70S核糖體的解離因素，產(chǎn)生30S亞基。本文檔共80頁；當前第51頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第52頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第53頁；編輯于星期一\21點34分(七)在氨基酸的摻入過程中有3個重復的延伸反應

肽鏈的延長分為3（4）個步驟：進位，轉(zhuǎn)肽，(脫落，)移位?！捎陔逆溠娱L在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進行,又稱為核糖體循環(huán)。每次核糖體循環(huán)肽鏈增加1個氨基酸。1.進位：1)一個新的氨酰-tRNA進入A位2)延長因子參加[如細菌的EF-Tu(GTP)、EF-Ts、EF-G(GTP)]3)消耗1個GTP

本文檔共80頁；當前第54頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第55頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第56頁；編輯于星期一\21點34分2.轉(zhuǎn)肽：

1)肽?；鶑腜位轉(zhuǎn)到A位，肽鍵的形成2)負責肽鍵合成的酶稱為肽酰轉(zhuǎn)移酶（peptityltransferase），簡稱轉(zhuǎn)肽酶3)肽的轉(zhuǎn)移是核糖體大亞基（50S或60S）的功能4)抗菌素嘌呤霉素抑制蛋白質(zhì)合成,使新生的肽鏈在合成未完成之前就釋放出來本文檔共80頁；當前第57頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第58頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第59頁；編輯于星期一\21點34分（3.脫落）轉(zhuǎn)肽后，P部位上空載的tRNA經(jīng)出口位點(E)脫落本文檔共80頁；當前第60頁；編輯于星期一\21點34分

4.

移位：1)核糖體向mRNA3′端移動一個密碼子，移位導致肽酰-tRNA從A位點移出，進入P位點;空著的A位點為下一個密碼子對應的氨酰-tRNA的進入作好準備。2)需要1個GTP

本文檔共80頁；當前第61頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第62頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第63頁；編輯于星期一\21點34分(八)核糖體反應中GTP的作用P.530(九)翻譯的終止需要釋放因子和終止密碼子的參加1.終止信號1)終止密碼子:UAA、UGA、UAG正常細胞不含能和終止密碼子互補的反密碼子的tRNA，這些終止密碼子能被終止因子所識別。本文檔共80頁；當前第64頁；編輯于星期一\21點34分2)釋放因子（releasefactor，RFs）：RF-1:識別UAA、UAGRF-2:識別UAA、UGARF-3:不識別終止密碼子,但刺激另外兩個因子的活性，協(xié)助肽鏈釋放(RF-3屬小G蛋白)

2.終止機制釋放因子與終止密碼子結(jié)合使轉(zhuǎn)肽酶活性變成水解酶活性，水解了P位點上多肽與tRNA之間的鍵，釋放出多肽和tRNA。本文檔共80頁；當前第65頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第66頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第67頁；編輯于星期一\21點34分本文檔共80頁；當前第68頁；編輯于星期一\21點34分原核生物轉(zhuǎn)錄與翻譯相偶聯(lián)本文檔共80頁；當前第69頁；編輯于星期一\21點34分（十）核糖體在翻譯中能跳越式讀碼P.531（十一）蛋白質(zhì)合成的抑制劑

抗菌素:氯霉素、四環(huán)素、鏈霉素抑制原核細胞翻譯，不作用于真核細胞；鏈霉素、新霉素、卡那霉素與原核30S核糖體結(jié)合,引起密碼錯讀亞胺環(huán)己酮:只作用于真核細胞80S核糖體

蓖麻毒素：使真核細胞的核糖體失活白喉霉素:與EF-2結(jié)合（真核延長因子催化部位)，抑制真核細胞蛋白質(zhì)合成

嘌呤霉素:抑制原核和真核生物蛋白質(zhì)合成本文檔共80頁；當前第70頁；編輯于星期一\21點34分小結(jié)：蛋白質(zhì)合成的忠實性

1.蛋白質(zhì)合成的忠實性需要消耗能量?蛋白質(zhì)合成是一個高耗能的過程，自由能不僅用來合成肽鍵，更多用來保證遺傳信息表達的忠實性。?每合成1個肽鍵，至少需水解4個高能磷酸鍵

GTP的水解保證了翻譯的起始、延伸和終止與釋放各階段緊密地偶聯(lián)在一起，大大提高了翻譯的速度，同時也提高了翻譯的準確性。本文檔共80頁；當前第71頁；編輯于星期一\21點34分2.合成酶的校對功能提高了忠實性氨酰-tRNA合成酶既要分辨出正確的氨基酸，又要分辨出正確的tRNA。一旦發(fā)生錯誤，可在一定程度上查出加以校正。3.核糖體對忠實性有影響核糖體存在某種機制以增強反密碼子與密碼子的相互作用：