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1、第四章蛋白质合成一2022/10/191本讲稿第一页，共四十页DNARNAproteintranslationtranscriptionReverse transcription翻译翻译(translation):(translation):包含在包含在mRNAmRNA分子中以核苷酸分子中以核苷酸顺序形式排列的遗传密码，转变成蛋白质多肽顺序形式排列的遗传密码，转变成蛋白质多肽链中氨基酸排列顺序的生化过程，也称蛋白质链中氨基酸排列顺序的生化过程，也称蛋白质合成。合成。第四章第四章 生物信息的传递生物信息的传递(下下)-从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质2022/10/192本讲稿第二页，共四十
2、页 4.1 4.1 遗传密码遗传密码-三联子三联子 4.2 4.2 蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系 4.3 4.3 蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制 4.4 4.4 蛋白质运转机制蛋白质运转机制第四章第四章 生物信息的传递生物信息的传递(下下)-从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质2022/10/193本讲稿第三页，共四十页 4.1 4.1 遗传密码遗传密码-三联子三联子 4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质2022/10/194本讲稿第四页，共四十页三联子密码三联子密码(triplet(tripl
3、et coden)coden)：简称密码，：简称密码，指指mRNAmRNA上每上每3 3个核苷酸翻个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这一个氨基酸，这3 3个核苷个核苷酸称为密码。酸称为密码。4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译2022/10/195本讲稿第五页，共四十页翻翻译译时时，从从起起始始密密码码子子开开始始，沿沿mRNAmRNA从从5 5 至至3 3 方方向向连连续续阅阅读读密密码码子子，直直至至终终止止密密码码子子为为止止，生生成成一条具有特定序列的多肽链一条具有特定序列的多肽链-蛋白质。蛋白质。作为基因的产物的蛋白质最终是受基因控
4、制。作为基因的产物的蛋白质最终是受基因控制。4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译2022/10/196本讲稿第六页，共四十页 4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译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遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码密码(数目和顺序数目和顺序)。一一.三个核苷酸决定一个氨基酸三个核苷酸决定一个氨基酸420()42=1620()43=6420()1.1.数学观点：数学观点：G.Gamov(1904-1968）2022/10/197本讲稿第七页，共四十页2.Crick,Sydney Brenner2.Crick,Sy
5、dney Brenner的遗传学实验的遗传学实验化学诱变剂处理化学诱变剂处理T4T4噬菌体噬菌体DNADNA，DNADNA发生插入或缺失突变，当发生插入或缺失突变，当连续插入或缺失三个核苷酸时，会导致多肽链中增加或缺失连续插入或缺失三个核苷酸时，会导致多肽链中增加或缺失一个氨基酸，但序列不发生改变。一个氨基酸，但序列不发生改变。2022/10/198本讲稿第八页，共四十页3.3.病毒的病毒的mRNAmRNA烟草坏死卫星病毒的外壳蛋白由大约烟草坏死卫星病毒的外壳蛋白由大约400400个个氨基酸组成，其相应的氨基酸组成，其相应的mRNAmRNA片段包括了片段包括了12001200个核苷酸。个核苷酸
6、。2022/10/199本讲稿第九页，共四十页(1)(1)人工人工RNARNA分子的合成分子的合成19551955年年Severo OchoaSevero Ochoa发现了发现了多核苷酸磷酸化多核苷酸磷酸化酶酶（PNPPNP，ploynucleotide ploynucleotide phosphorylasephosphorylase），在细胞内降解），在细胞内降解RNARNA分分子而在试管内子而在试管内可催化合成可催化合成RNARNA分子分子。无需。无需DNADNA模板并且也与转录没有关系。模板并且也与转录没有关系。二、确定每种氨基酸的具体密码二、确定每种氨基酸的具体密码1.1.破译的技术
7、基础破译的技术基础2022/10/1910本讲稿第十页，共四十页(2)(2)无细胞蛋白合成系统无细胞蛋白合成系统 无细胞（或体外）蛋白合成系统：包括蛋白合成的全部无细胞（或体外）蛋白合成系统：包括蛋白合成的全部必须的细胞成分，但却完全缺少内源必须的细胞成分，但却完全缺少内源mRNAmRNA，利用，利用人工合成人工合成的的RNARNA分子分子作为信息转译。作为信息转译。无细胞体系中无细胞体系中MgMg2+2+浓度很高，人工合成的多聚核苷酸浓度很高，人工合成的多聚核苷酸不不需起始密码子需起始密码子就能指导多肽的生物合成，读码起始是随就能指导多肽的生物合成，读码起始是随机的。机的。然而，在生理然而，
8、在生理MgMg2+2+条件下，无起始密码子的多核苷酸条件下，无起始密码子的多核苷酸不能被用作多肽合成的模板。不能被用作多肽合成的模板。1.1.破译的技术基础破译的技术基础2022/10/1911本讲稿第十一页，共四十页2.遗传密码的破译：确定每种氨基酸的具体密遗传密码的破译：确定每种氨基酸的具体密码码(1).(1).以均聚物、随机共聚物和特定序列的以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成共聚物为模板指导多肽的合成(2).(2).核糖体结合技术核糖体结合技术2022/10/1912本讲稿第十二页，共四十页(1).(1).以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为以均聚物、随机共聚
9、物和特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成模板指导多肽的合成制备大肠杆菌的无细胞合成体系制备大肠杆菌的无细胞合成体系 在含在含DNADNA、mRNAmRNA、tRNAtRNA、核糖体、核糖体、AA-AA-tRNAtRNA合成酶及其他酶类的抽提物中加入合成酶及其他酶类的抽提物中加入DNaseDNase，降解体系中的，降解体系中的DNADNA，耗尽，耗尽mRNAmRNA时，体时，体系中的蛋白质合成即停止，当补充外源系中的蛋白质合成即停止，当补充外源mRNAmRNA或人工合成的各种均聚物或共聚物作为模板或人工合成的各种均聚物或共聚物作为模板以及以及ATPATP、GTPGTP、氨基酸等成分时又能合成新、
10、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的肽链，新生肽链的氨基酸顺序由外加的模板所决定。板所决定。因此，分析比较加入的模板和合成的肽链即因此，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。可推知编码某些氨基酸的密码。2022/10/1913本讲稿第十三页，共四十页(1).(1).均聚核苷酸指导均聚肽的合成均聚核苷酸指导均聚肽的合成 1967 1967年年5 5月月2727日，日，Marshall NirenbergMarshall Nirenberg和和Heiurich Heiurich MatthaeiMatthaei利用了利用了E E.Coli Coli
11、 的无细胞蛋白合成体系首次的无细胞蛋白合成体系首次获得了以下结果：获得了以下结果：2022/10/1914本讲稿第十四页，共四十页 将两种以上的核苷酸随机地渗入来合成将两种以上的核苷酸随机地渗入来合成RNARNA分子，在分子，在无细胞系统中以这种比例合成的无细胞系统中以这种比例合成的mRNAmRNA产生的氨基酸的比例产生的氨基酸的比例也应是相应的，在无细胞蛋白合成体系中计算各种氨基酸也应是相应的，在无细胞蛋白合成体系中计算各种氨基酸的得出率，可以推测出密码子的组成，从而估计氨基酸密的得出率，可以推测出密码子的组成，从而估计氨基酸密码子。码子。以以U.GU.G为例，渗入比例为为例，渗入比例为U(
12、76%)U(76%)和和G(24%)G(24%)，那么由此随机，那么由此随机共聚产生的各种三联体的几率和氨基酸的渗入情况如下：共聚产生的各种三联体的几率和氨基酸的渗入情况如下：(2)(2)共聚核苷酸指导多肽的合成共聚核苷酸指导多肽的合成2022/10/1915本讲稿第十五页，共四十页三联体三联体 几率几率 相对几率相对几率UUU 0.760.760.76=0.469 100%UUG 0.760.760.24=0.139 31.6%UGU 0.760.240.76=0.139 31.6%GUU 0.240.760.76=0.139 31.6%UGG 0.760.240.24=0.0438 10.
13、0%GUG 0.240.760.24=0.0438 10.0%氨基酸氨基酸 相对渗入量相对渗入量 推算出的密码子组合推算出的密码子组合Phe 100 UUUVal 37 2U.1GLeu 36 2U.1GCys 35 2U.1GTrp 14 1U.2GGly 12 1U.2G2022/10/1916本讲稿第十六页，共四十页2020种氨基酸的密码子种氨基酸的密码子核苷酸组成核苷酸组成问题由此问题由此得到了解决，但不知密码子的核苷酸得到了解决，但不知密码子的核苷酸排列顺排列顺序序。2022/10/1917本讲稿第十七页，共四十页2.2.核糖体结合技术核糖体结合技术19641964年年Nirenbe
14、rgNirenberg又采用三又采用三联体结合实验联体结合实验(1)tRNA(1)tRNA和氨基酸及三联和氨基酸及三联体的结合是特异的；体的结合是特异的；(2)(2)上上述述结结合合的的复复合合体体大大分分子子是是不不能能通通过过硝硝酸酸纤纤维维滤滤膜膜的的微微孔孔，而而tRNA-tRNA-氨氨基基酸的复合体是可以通过的。酸的复合体是可以通过的。2022/10/1918本讲稿第十八页，共四十页2022/10/1919本讲稿第十九页，共四十页这个方法是以人工合成的三核苷酸如这个方法是以人工合成的三核苷酸如UUUUUU、UCUUCU、UGUUGU等为模板，在含核糖体、等为模板，在含核糖体、AA-t
15、RNAAA-tRNA的的适当离子强度的反应液中保温，然后使反应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。液通过硝酸纤维素滤膜。发现，游离的发现，游离的AA-tRNAAA-tRNA因相对分子质量小能自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由通过滤膜，加入三核苷酸模板可以促使其对应的对应的AA-tRNAAA-tRNA结合到核糖体上，体积超过膜结合到核糖体上，体积超过膜上的微孔而被滞留，这样就能把已结合到核上的微孔而被滞留，这样就能把已结合到核糖体上的糖体上的AA-tRNAAA-tRNA与未结合的与未结合的AA-tRNAAA-tRNA分开。分开。2022/10/
16、1920本讲稿第二十页，共四十页2022/10/1921本讲稿第二十一页，共四十页 若用若用2020种种AA-tRNAAA-tRNA做做2020组同样的实验，每组同样的实验，每组都含组都含2020种种AA-tRNAAA-tRNA和和各种三核苷酸，但只有各种三核苷酸，但只有一种氨基酸用一种氨基酸用1414C C标记，标记，看哪一种看哪一种AA-tRNAAA-tRNA被留在被留在滤膜上，进一步分析滤膜上，进一步分析这一组的模板是哪个这一组的模板是哪个三核苷酸，从模板三三核苷酸，从模板三核苷酸与氨基酸的关核苷酸与氨基酸的关系可测知该氨基酸的系可测知该氨基酸的密码子。密码子。2022/10/1922本
17、讲稿第二十二页，共四十页M.Nirenberg&P.Leder(1964.Science 145;1399)核糖核糖体结合技术体结合技术 tRNAaaRibosomeNitrocellulose filter UCU(trinucleotide)Ser-C14,Leu,Lys,Arg,Ser,Leu-C14,Lys,Arg,Ser,Leu,Lys-C14,Arg,2022/10/1923本讲稿第二十三页，共四十页Ser-C14.Leu-C14.Lys-C14.Gly-C14.2022/10/1924本讲稿第二十四页，共四十页2022/10/1925本讲稿第二十五页，共四十页 4.1 4.1 遗
18、传密码遗传密码-三联子三联子 4.1.1 4.1.1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质2022/10/1926本讲稿第二十六页，共四十页 按照按照1 1个密码子由个密码子由3 3个核苷酸组成的原则，个核苷酸组成的原则，4 4种核苷种核苷酸可组成酸可组成6464个密码子，现在已经知道其中个密码子，现在已经知道其中6161个是编个是编码氨基酸的密码子码氨基酸的密码子，另外，另外3 3个个即即UAAUAA、UGAUGA和和UAGUAG并不代并不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与tRNAtRNA的反密
19、的反密码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。的合成。4.1.2.1.4.1.2.1.密码的简并性密码的简并性 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质2022/10/1927本讲稿第二十七页，共四十页4.1.2.1.4.1.2.1.密码的简并性密码的简并性 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质2022/10/1928本讲稿第二十八页，共四十页因为存在因为存在6161种密码子而只有种密码子而只有2020种氨基酸，所以种氨基酸，所以许多氨基酸有多个密码子。实际上除色氨酸许多氨基酸有多个密码子。实际上除色氨
20、酸（UGGUGG）和甲硫氨酸（）和甲硫氨酸（MetMet）只有一个密码子外，）只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。其他氨基酸都有一个以上的密码子。简并简并(degeneracy)(degeneracy)：由一种以上密码子编码同：由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象。一个氨基酸的现象。同义密码子同义密码子(synonymous codon)(synonymous codon)：编码同：编码同一氨基酸的密码子。一氨基酸的密码子。2022/10/1929本讲稿第二十九页，共四十页氨基酸氨基酸密码子个数密码子个数氨基酸氨基酸密码子个数密码子个数丙氨酸丙氨酸4亮氨酸亮氨酸6精氨酸精氨酸6
21、赖氨酸赖氨酸2天门冬酰胺天门冬酰胺2甲硫氨酸甲硫氨酸1天门冬氨酸天门冬氨酸2苯丙氨酸苯丙氨酸2半胱氨酸半胱氨酸2脯氨酸脯氨酸4谷氨酰胺谷氨酰胺2丝氨酸丝氨酸6谷氨酸谷氨酸2苏氨酸苏氨酸4甘氨酸甘氨酸4色氨酸色氨酸1组氨酸组氨酸2酪氨酸酪氨酸2异亮氨酸异亮氨酸3缬氨酸缬氨酸42022/10/1930本讲稿第三十页，共四十页同义密码子一般都同义密码子一般都不是随机分布的，不是随机分布的，因为其第一、第二因为其第一、第二位核苷酸往往是相位核苷酸往往是相同的，而第三位核同的，而第三位核苷酸的改变并不一苷酸的改变并不一定影响所编码的氨定影响所编码的氨基酸，这种安排减基酸，这种安排减少了变异对生物的少了变
22、异对生物的影响。一般说来，影响。一般说来，编码某一氨基酸的编码某一氨基酸的密码子越多，该氨密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出基酸在蛋白质中出现的频率也越高。现的频率也越高。2022/10/1931本讲稿第三十一页，共四十页 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质4.1.2.2 4.1.2.2 密码的普遍性与特殊性密码的普遍性与特殊性密码的普遍性密码的普遍性密码的特殊性密码的特殊性2022/10/1932本讲稿第三十二页，共四十页线粒体与核线粒体与核DNADNA密码子使用情况的比较密码子使用情况的比较生物生物密码子密码子线粒体线粒体DNADNA编码的氨基酸编码的氨基酸核核DNADNA
23、编码的氨基酸编码的氨基酸所有所有UGAUGA色氨酸色氨酸终止子终止子酵母酵母CUACUA苏氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸果蝇果蝇AGAAGA丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸哺乳类哺乳类AGA/GAGA/G终止子终止子精氨酸精氨酸哺乳类哺乳类AUAAUA甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸异亮氨酸2022/10/1933本讲稿第三十三页，共四十页 4.1.2 4.1.2 遗传密码的性质遗传密码的性质4.1.2.3 4.1.2.3 密码子与反密码子的相互作用密码子与反密码子的相互作用 在蛋白质生物合成过程中，在蛋白质生物合成过程中，tRNAtRNA的反密码子在核的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与糖体内是通过碱基的反向
24、配对与mRNAmRNA上的密码子相互上的密码子相互作用的。作用的。1966 1966年，年，CrickCrick根据立体化学原理提出摆动假说（根据立体化学原理提出摆动假说（wobble wobble hypothesishypothesis）。）。2022/10/1934本讲稿第三十四页，共四十页摆动性摆动性(wobble):(wobble):密码子与反密码子配对出现不严格遵守密码子与反密码子配对出现不严格遵守常见的碱基配对规律的情况，第三对碱基常见的碱基配对规律的情况，第三对碱基有一定的自由度，称为摆动配对。有一定的自由度，称为摆动配对。2022/10/1935本讲稿第三十五页，共四十页摆动
25、性摆动性(wobble)(wobble)2022/10/1936本讲稿第三十六页，共四十页一个一个tRNAtRNA究竟能识别多少个密码子是由反密码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，反密码子第一子的第一位碱基的性质决定的，反密码子第一位为位为A A或或C C时只能识别时只能识别1 1种密码子，为种密码子，为G G或或U U时可以时可以识别识别2 2种密码子，为种密码子，为I I时可识别时可识别3 3种密码子。如果种密码子。如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、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二位碱基不同的密码子都对
26、应于各自独立的tRNAtRNA。2022/10/1937本讲稿第三十七页，共四十页密码密码密码密码 mRNAmRNA5335反密码反密码 tRNAtRNAGCUCGICAtRNAtRNA的反密码子与的反密码子与mRNAmRNA分子上的密码子摆动配对分子上的密码子摆动配对1 12 23 31 12 23 3自由度的大自由度的大小由小由tRNAtRNA反反密码子第一密码子第一位碱基的种位碱基的种类决定类决定U*A G I U C A2022/10/1938本讲稿第三十八页，共四十页意义：意义：若突变发生在第三个碱基上翻译仍可进行。若突变发生在第三个碱基上翻译仍可进行。利于利于mRNAmRNA上的密码子与上的密码子与tRNAtRNA上反密码子上反密码子配对时，使配对时，使tRNAtRNA上稀有碱基可与反密码子配上稀有碱基可与反密码子配对。对。IMP IMP可与可与AMPAMP、UMPUMP、CMPCMP配对。配对。2022/10/1939本讲稿第三十九页，共四十页1 1重点掌握遗传密码是如何破译的重点掌握遗传密码是如何破译的?2 2简单了解遗传密码特点。简单了解遗传密码特点。2022/10/1940本讲稿第四十页，共四十页