第十三章 蛋白質(zhì)的生物合成及基因工程

第十三章蛋白質(zhì)的生物合成

及基因工程

一、概述二、蛋白質(zhì)合成體系三、蛋白質(zhì)的合成機(jī)制四、基因突變和DNA損傷的修復(fù)五、基因工程現(xiàn)代生物學(xué)已充分證明，核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物的遺傳信息以密碼的形式貯存在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序。

第一節(jié)概述蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)復(fù)制DNARNA轉(zhuǎn)錄翻譯復(fù)制RNA翻譯逆轉(zhuǎn)錄DNARNA遺傳信息的中心法則第二節(jié)蛋白質(zhì)合成體系RNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)RNADNA復(fù)制復(fù)制反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯20種氨基酸,mRNA、tRNA、核糖體、酶和因子,無(wú)機(jī)離子、ATP、GTP一、合成體系：二、參與蛋白質(zhì)合成的三類RNA及核糖體與蛋白質(zhì)一起構(gòu)成核糖體——蛋白質(zhì)合成“工廠”

核糖體的基本功能：結(jié)合mRNA，在mRNA上選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)域開始翻譯密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）的正確配對(duì)肽鍵的形成

1.rRNA原核生物核糖體組成真核生物核糖體組成特定的tRNA搬運(yùn)特定的氨基酸，保證了遺傳信息傳遞的準(zhǔn)確

結(jié)合氨基酸：一種氨基酸有幾種tRNA攜帶，結(jié)合需要ATP供能,氨基酸結(jié)合在tRNA3‘-CCA的位置。2.tRNA在大腸桿菌中,與Met特異結(jié)合的tRNA有兩種：tRNAfMet

和

tRNAMetCH3SCH2CH2CHH2NCOOtRNAfMet轉(zhuǎn)甲?；窷10-CHO-FH4CH3SCH2CH2CHH-C-HNCOOtRNAfMetO真核細(xì)胞中起始tRNA,不被甲酰化氨基酰tRNA合成酶ATPPPiAA~AMP-EAA~

tRNA+AMPRO氨基酰tRNA合成酶tRNA消耗2個(gè)高能磷酸鍵AA氨基酸與tRNA連接的反應(yīng)：氨基酸活化的總反應(yīng)式

氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨基酰-tRNA+AMP+PPi氨基酰tRNA合成酶高度特異性氨基酸t(yī)RNA

3.mRNADNAmRNA蛋白質(zhì)三.遺傳密碼為一個(gè)氨基酸編碼進(jìn)入蛋白質(zhì)多肽鏈特定線性位置的三個(gè)核苷酸單位稱為密碼子（Coden）或三聯(lián)體密碼。(一)三聯(lián)體密碼的確立1954年,物理學(xué)家伽莫夫首先對(duì)遺傳密碼進(jìn)行探討。(68年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

)三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)證明了遺傳密碼是mRNA上3個(gè)連續(xù)的核苷酸殘基構(gòu)成的，下面給出了三個(gè)證明遺傳密碼是三聯(lián)體密碼的著名實(shí)驗(yàn)的示意圖。(二)密碼子的破譯證明三聯(lián)體密碼的三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)的示意圖1961年，尼侖博格1964年，尼侖博格柯臘拉(三)遺傳密碼的特點(diǎn)：

從簡(jiǎn)單生物到人類使用同一套密碼子。由此可推測(cè)所有生物來(lái)源于一個(gè)共同的祖先。密碼子是不重疊的，每個(gè)三聯(lián)體中的三個(gè)核苷酸只編碼一個(gè)氨基酸.1、不重疊2、通用性

除Met，Trp外，其余氨基酸由2個(gè)以上密碼子編碼。（同義密碼子）生物學(xué)意義：保證屬的穩(wěn)定性。

密碼子的第一、第二兩個(gè)堿基的配對(duì)是標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)，而第三個(gè)堿基為非標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)。生物學(xué)意義：減少突變頻率3、簡(jiǎn)并性4、擺動(dòng)性密碼子的排列是連續(xù)的，不間隔，也不重疊。5、連續(xù)性第三節(jié)蛋白質(zhì)的合成機(jī)制以mRNA為模板，氨基酸經(jīng)活化獲得的氨酰tRNA為原料，GTP、ATP供能，在核糖體中完成。一、蛋白質(zhì)合成的步驟二、多聚核糖體三、翻譯后的修飾作用(一）、蛋白質(zhì)合成的起始起始肽鏈延長(zhǎng)終止一、蛋白質(zhì)合成的步驟起始氨基酰-tRNA與mRNA結(jié)合到核糖體上，形成起始復(fù)合物的過(guò)程.原料：fMet-tRNA，IF(1，2，3)，GTP，Mg2+1.小亞基識(shí)別并結(jié)合mRNA30S50S50S+mRNA解聚30S小亞基識(shí)別并結(jié)合mRNA起始密碼子上游10nt富含嘌呤堿基的SD序列，IF3加固這一作用。IF-1IF-3小亞基的16SrRNA3′端的UCCU序列2.大小亞基聚合IF-3GDP+Pi50S起始復(fù)合物fMetAUGfMetAUGIF-1IF-23.真核生物與原核生物的起始過(guò)程的不同點(diǎn)(1)起始Met-tRNAMet不需甲酰化；(2)起始因子不少于10種；(3)小亞基先與Met-tRNAMet結(jié)合，再與mRNA結(jié)合；(4)ATP供能。(二）肽鏈延長(zhǎng)：1.進(jìn)位特異的氨基酰-tRNA進(jìn)入A位pAAUG2.轉(zhuǎn)肽Mg2+，K+轉(zhuǎn)肽酶CH2CH2-CHOC=OCH-RNH2O=OCH2NCH3SAUGUAC給受OCO=R-CHNHOHCO=H3CSCH2CH2-CHNH2AUGUAC給受通過(guò)進(jìn)位-轉(zhuǎn)肽-移位不斷重復(fù)，肽鏈自N→C端不斷延長(zhǎng)OHGTPOHA3.移位(三)終止階段RF-3：促使RF-1或RF-2從核糖體上結(jié)合RF-1：UAA，UAGRF-2：UAA，UGA當(dāng)mRNA的任一終止信號(hào)進(jìn)入A位時(shí)，沒有任何tRNA能與之識(shí)別，只有釋放因子(RF)識(shí)別這種信號(hào),進(jìn)入終止階段.二、多核糖體5′3′意義：提高翻譯效率。同時(shí)結(jié)合到同一條mRNA上多個(gè)成串的核糖體。三、翻譯后加工（一）切割（二）修飾（三）新生肽鏈的折疊1.去除N末端蛋氨酸殘基2.信號(hào)肽及其他肽段的切除1.二硫鍵的形成2.輔助因子的連接和亞基聚合3.多肽鏈中個(gè)別氨基酸的修飾（一）切割原核生物1.去除N末端蛋氨酸殘基脫甲?；窶et-fMet-氨基肽酶真核細(xì)胞2.信號(hào)肽及部分肽段的切除分泌性蛋白前體的兩個(gè)特點(diǎn)：1.N端含有信號(hào)肽（signalpeptide）信號(hào)肽富含疏水氨基酸，其作用是使新合成的多肽鏈易于穿過(guò)膜系統(tǒng)，隨后被信號(hào)肽酶切除。2.往往還含有一段與活性無(wú)關(guān)的其他肽段，必須將其切除才能形成有活性的蛋白質(zhì)。（二）修飾

1.二硫鍵的形成CysSHCysSHCysSCysS-2H二硫鍵異構(gòu)酶等2.輔助因子的連接和亞基聚合蛋白質(zhì)與糖、脂類、核酸、血紅素等輔助因子結(jié)合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、血紅蛋白等結(jié)合蛋白質(zhì)。具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)需進(jìn)行亞基之間的聚合。如血紅蛋白4個(gè)亞基的聚合。

3.多肽鏈中個(gè)別氨基酸的修飾磷酸化：絲氨酸，蘇氨酸，酪氨酸羥基化：脯氨酸，賴氨酸酰基化：組氨酸甲基化：色氨酸核糖基化：精氨酸第四節(jié)基因突變和DNA損傷的修復(fù)

在基因內(nèi)部某些位點(diǎn)的堿基發(fā)生改變或堿基排列順序發(fā)生變化稱基因突變。理化因素：紫外線、電離輻射及化學(xué)誘變劑等；生物因素：噬菌體或病毒感染、轉(zhuǎn)位因子的作用，以及DNA復(fù)制錯(cuò)誤等。突變的類型可分為堿基置換、堿基插入或缺失等。

一、基因突變1.引起基因突變的物理因素（1）紫外線紫外線（尤其是波長(zhǎng)為200～300nrn光波）的照射可導(dǎo)致DNA分子中相鄰兩個(gè)胸嘧啶的第5、6位碳碳雙鍵打開，形成共價(jià)二聚體。

（2）電離輻射電離輻射指受到X、α、β或γ射線的照射。DNA吸收射線粒子后，分子發(fā)生電離，接著出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的變化。另一方面，DNA周圍介質(zhì)受到輻射產(chǎn)生的自由基、過(guò)氧化物等，也可與DNA堿基或其他基團(tuán)作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)改變，發(fā)生突變。

2.引起基因突變的化學(xué)因素引起基因突變的化學(xué)因素指那些能與DNA分于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并誘發(fā)突變的物質(zhì)，稱之為誘變劑。主要包括亞硝酸、羥胺、堿基類似物、烷化劑及某些染料等。它們引起基因突變的機(jī)理各不相同。

（1）亞硝酸作用于核酸的堿基可引起氧化脫氨，使堿基上原來(lái)是氨基的位置轉(zhuǎn)變?yōu)橥?，即可使A轉(zhuǎn)變?yōu)镮，C變?yōu)閁，G變?yōu)閄。隨著DNA復(fù)制，原來(lái)的AT對(duì)可變成GC對(duì)；原來(lái)的GC對(duì)可變成AT對(duì)。

（2）堿基類似物主要有胸嘧啶的類似物5-溴尿嘧啶（5-BU）和腺嘌呤的類似物2-氨基嘌呤（2-AP）。復(fù)制時(shí)5-UB除與A配對(duì)外還可與G配對(duì)；2-AP除與T配對(duì)外還可與C配對(duì)，因而經(jīng)過(guò)幾代DNA復(fù)制，原來(lái)的AT對(duì)可變?yōu)镚C對(duì)，或GC對(duì)變?yōu)锳T對(duì)。

（3）烷化劑主要有硫酸二甲酯和硫酸二乙酯等。烷化劑可使DNA的脫氧核糖及堿基烷基化，引起突變。堿基一旦脫落，會(huì)造成復(fù)制時(shí)新進(jìn)入的堿基無(wú)配對(duì)依據(jù)，發(fā)生堿基錯(cuò)配，甚至額外插入或丟失堿基，引起突變。

（4）某些抗菌素、色素和染料的作用。一些帶有稠環(huán)結(jié)構(gòu)的抗菌素、色素和染料，如放線菌素D、丫啶橙和溴乙錠等，其分子的雜環(huán)平面可嵌入到DNA分子的兩個(gè)堿基對(duì)之間，使DNA分子扭曲變形，并可產(chǎn)生局部解鏈區(qū)而使分子增長(zhǎng)。嵌入的雜環(huán)可起到附加堿基的作用，復(fù)制時(shí)子鏈容易在此位點(diǎn)插入額外堿基，引起插入突變或稱移碼突變。3.生物因素引起的基因突變能夠引起基因突變的生物因素有噬菌體或病毒感染、轉(zhuǎn)位因子的作用，以及DNA復(fù)制錯(cuò)誤等。一方面DNA受到自然因素或誘變因素作用，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷或產(chǎn)生突變；另一方面生物體中存在有特殊的修復(fù)系統(tǒng)，可以對(duì)某些損傷進(jìn)行適當(dāng)?shù)男迯?fù)。這兩方面的統(tǒng)一，構(gòu)成了生物遺傳、變異和選擇進(jìn)化的基本特征。

二、DNA損傷的修復(fù)修復(fù)分為兩大類，一類是把錯(cuò)誤的堿基去除，換成正確堿基，使損傷部位恢復(fù)正常，稱之為校正修復(fù)；另一類修復(fù)差錯(cuò)率高，稱為傾錯(cuò)性修復(fù)。1.校正修復(fù)校正修復(fù)主要有三種方式，光修復(fù)、切除修復(fù)和重組修復(fù)。

這是一種對(duì)紫外線引起的嘧啶二聚體高度專一的修復(fù)機(jī)制。該酶能被可見光激活，專一識(shí)別并作用于紫外線引起的嘧啶二聚體，將二聚體分解為單體狀態(tài)，使DNA結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常。當(dāng)細(xì)菌被紫外線損傷后，暴露于可見光下，大部分損傷的細(xì)胞可以得到恢復(fù)，原因就在于此，這種現(xiàn)象稱光復(fù)活現(xiàn)象。

（1）光修復(fù)（2）切除修復(fù)切除修復(fù)是在多種酶參與下將DNA分子中受損傷的部分切除，并以完整的那一條鏈為模板，合成出切除的部分，從而使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)的過(guò)程。這是生物界普遍存在的一種修復(fù)機(jī)制，它對(duì)多種損傷均能起修復(fù)作用。參與DNA切除修復(fù)的酶主要有：特異的修復(fù)內(nèi)切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶及連接酶等。（3）重組修復(fù)含嘧啶二聚體及其他損傷的DNA也可以先復(fù)制，后修復(fù)。2.SOS修復(fù)（傾錯(cuò)性修復(fù)）SOS修復(fù)是細(xì)胞DNA受到損傷致使復(fù)制受阻的緊急情況下，為求得生存出現(xiàn)的應(yīng)急效應(yīng)。

紫外線照射后，如果DNA兩條鏈上產(chǎn)生的兩個(gè)嘧啶二聚體處在相鄰位置時(shí)，這種損傷不能被切除或重組修復(fù)所修復(fù)。單鏈DNA上出現(xiàn)了嘧啶二聚體及一些化學(xué)誘變劑與堿基作用產(chǎn)生的異常堿基，也不能被前述的修復(fù)機(jī)制所修復(fù)。正常的DNA聚合酶復(fù)制到模板損傷處被迫停止。

在DNA復(fù)制受到抑制的緊急情況下，細(xì)胞內(nèi)通過(guò)復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，誘導(dǎo)產(chǎn)生一種缺乏校對(duì)功能的DNA聚合酶，它可促使四種dNTP中任何一種與模板損傷部位的堿基配對(duì)，摻入到新生的子鏈上。這樣受損傷的母鏈雖可進(jìn)行復(fù)制，但卻增加了復(fù)