1、第37章 遗传密码 （一）mRNA的发现 1.1948年有人报道，当噬菌体感染了细菌后会产生一种很不稳定的RNA，且大多数是和核糖体结合在一起的。 2.Brenner, Jacob等人用1313C C，1515N N标记蛋白质，用3232P P标记核酸的方法证实了这是一种新的RNA分子，命名为信使RNA, 即mRNA (m, messenger)。 3.1961年，Spielman创造了分子杂交法，通过3232P P -mRNA-DNA杂交分子证明了mRNA的存在。一、遗传密码的研究历史（二）遗传密码的破译 1953年 Dounce假设DNA通过RNA将信息传给蛋白质，RNA上每三个核苷酸形成
2、一个“ 空洞”，正好将一个氨基酸装进去。该假说允许三联体的重叠。 1954年 物理学家Gamow与Teller等人合作，提出三联体不可重复。 1957年 Crick也提出了三联体的假说，提出要解决“天书”的“词法” 和“句法”，必须要有一本标准词典，认为64种组合中的44种是 “简并密码”。 1961年 Nirenberg, Matthaei & Ochoa开始用生物化学手段破译密码，得到20种氨基酸的密码子的核苷酸序列。 1964年 Khorana合成了U和G交替的多聚核苷酸，合成的肽为VCVCVC，后来合成了UUGUUUGUUG产生了poly(L), poly(C)和poly(V)，由此确
3、定了一些密码子的核苷酸序列。 1964年 Nirenberg用合成的三联体与tNRA进行密码子反密码子的碱基配对，并与核糖体结合，使密码破译的速度大大加快。 1966年 遗传密码的破译工作基本结束，Crick绘制了密码表，提出了摆动学说（wobble concept)，及时收回了“同义词”不存在的假设。 过滤结合分析破译遗传密码二、遗传密码的基本特性 1.密码为三联体，不重复，不间断。2.密码的简并性3.密码的变偶性4.密码的通用性和变异性 5.密码的防错系统 密码子在密码表中的分布有一定的规则，通常，密码子的第二位决定氨基酸的极性，第三位决定密码子的简并性。 第二位的碱基是U则决定的氨基酸是
4、非极性的； 第二位的碱基是C则决定的氨基酸是非极性的，或是不带电荷的极性氨基酸； 第二位的碱基是A或G则决定的氨基酸是极性的； 第一位的碱基是A或C，第二位的碱基是A或G则决定的氨基酸是极性的并具有碱性； 前两位的碱基是AG则决定的氨基酸是极性的并具有酸性。 这样的分布规律使碱基的变化有时不会引起氨基酸的变化，有时引起的氨基酸变化是同一类型的氨基酸相互取代，这样，合成的蛋白质功能差别不会太大。基本要求1.明确DNA是遗传信息的携带分子，及RNA在传递和加工遗传信息中的作用。 2.熟悉遗传密码的破译。（难点）3.掌握遗传密码的基本特性。（重点） 第38章 蛋白质合成及转运 (二二) tRNA转运
5、活化的氨基酸至转运活化的氨基酸至mRNA模板上模板上 1.1957年Hoagland, M.B.发现一类稳定的RNA小分子，不与核糖体结合，因而不同于mRNA和rRNA。 2.Crick, F.比较了核酸和氨基酸的大小和形状后，认为不可能在空间上互补，因此预测：(1) 存在一类分子转换器，使信息从核酸序列转换成氨基酸序列；(2) 这种分子很可能是核酸；(3) 它不论以何种方式进入蛋白质翻译系统的模板，都必须与模板形成氢键（即配对）；(4) 有20种分子转换器，每种氨基酸一个；(5) 每种氨基酸必定还有一个对应的酶，催化与特定的分子转换器结合。 3.1963年，Ehrenstein等人用实验证明
6、了Hoagland发现的分子就是Crick预言的分子转换器，即tRNA。 4.1965年Holley经过7年的努力测出酵母Ala-tRNA序列。一、蛋白质合成的分子体系(一) mRNA是蛋白质合成的模板（见上一章） 1.早在本世纪30年代后期就发现细胞质和细胞核中都有核酸存在，不过用1924年福尔根发明的染色法只能使细胞核中的核酸染色。但两种核酸在260nm的吸收非常相似。 2.1941年，细胞学家J.Brachet和T.Caspersor注意到细胞质中的核酸与蛋白质的合成有密切的关系。 3.50年代有人用电子显微镜和物理化学手段发现大肠杆菌细胞质的RNA常常存在于蛋白质合成相关的颗粒中（20
7、nm,用3535S S进行脉冲式标记的实验证明该颗粒是蛋白质合成的所在地），简称核糖体。 4.核糖体得到分离后，发现含有RNA，即称rRNA。Watson等发现rRNA的GC，AU，断定是一单链分子。(三) 核糖体是蛋白质合成的工厂大肠杆菌的7种核糖体RNA的操纵子16S rRNA在在 30S核糖体亚基中核糖体亚基中大肠杆菌核糖体的三维结构大肠杆菌核糖体的三维结构二. 翻译的步骤肽链分为5个阶段，合成的方向是从N端到C端。(一) 氨酰-tRNA合成酶使氨基酸结合到特定的tRNA上 (二) 每一个氨酰-tRNA合成酶可识别一个特定的氨基酸和与此氨基酸对应的tRNA的特定部位 类类两类氨酰-tRN
8、A合酶的结构成镜像关系，分别与tRNA的两侧结合，图中可见其空间互补关系。氨酰-tRNA合成酶的辨认位点4种tRNA的辨认核苷酸大肠杆菌的氨酰-tRNAGln合成酶的晶体结构。大肠杆菌的氨酰-tRNAGln合成酶的图解，紫色球代表磷原子。大肠杆菌tRNAAla氨基酸臂是酶的辨认位点。碱基对的多种变化在不同的碱基配对中C1位置有明显变化 (三) 一个特殊的tRNA启动了蛋白质的合成 大肠杆菌核糖体辨认的多种SD序列(四) 翻译开始于mRNA与核糖体的结合 (五) 蛋白质因子帮助蛋白质合成的起始 GDPCP作为GTP的类似物，抑制GTP参与的步骤。(六) 在氨基酸的掺人过程中有4个重复的延伸反应
9、脱落进位转肽移位转肽反应23S rRNA肽基转移酶活性部位的序列绿色为非保守核苷酸，在三级结构中肽酰-tRNA转移到中心部位。(七) 核糖体反应中GTP的作用：肽链合成延伸反应中的进位和移位在A/P，E/P等符号中，分子部分代表其位置在50S亚基，分母部分代表其位置在30S亚基。EF-Tu和EF-G的结构：EF-Tu的三个结构域分别用红，绿和淡蓝色表示，淡紫色表示。 tRNAEF-G-tRNA的结构与EF-Tu-tRNA相似，二者竞争核糖体上的同一个结合部位。2个tRNA(L形管状)在延伸反应中的位置：tRNA的反密码环指向小亚基的裂缝(mRNA从此处穿过)，氨基酸臂相互靠近，在蛋白质合成过程
10、中，tRNA既可绕氨基酸臂旋转，也可绕反密码臂旋转。黄色区域是氨酰-tRNA和延伸因子进入的位置。(八) 翻译的终止需要释放因子和终止密码子的参加 RF1识别UAA和UAG，RF2识别UAA和UGA，RF3协助二者起作用。核糖体循环原核生物的转录翻译同步进行多聚核糖体的电镜照片色氨酸操纵子可以表达多种蛋白质三. 真核生物肽链的合成真核生物mRNA的结构（一）真核生物肽链合成的特点真核生物肽链合成的起始分为3个阶段。eIF4G 是结合eIF4E:帽子复合物的多功能接头polyA结合蛋白eIF-2活性的调节 在真核生物中，促进氨酰-tRNA进位的延伸因子只有一种EFT1，促进移位的为EFT2，真核
11、生物的肽链合成终止只需要一种终止因子RF。不可用不可用（二）肽链合成的抑制剂 四环素族（金霉素、新霉素、土霉素）：作用于30S和40S亚基，阻碍tRNA与小亚基结合，易进入细菌，不易进入哺乳类细胞； 链霉素、新霉素、卡那霉素：作用于30S亚基，抑制启动，造成误译； 氯霉素、林可霉素、红霉素：作用于50S亚基，抑制转肽酶，妨碍移位； 白喉毒素:修饰EFT2的氨基酸，强烈抑制真核生物蛋白质的合成； 蓖麻蛋白:的B链与细胞结合，使A链进入细胞，作用于60S亚基，抑制EFT2的作用，天花粉蛋白、肥皂毒素、苦瓜素的结构与EFT2的A链相似，作用机制与蓖麻蛋白类似； 嘌呤霉素:可以阻断氨酰-tRNA的进位
12、； 放线菌酮:抑制真核生物蛋白质的合成； 天门冬酰胺酶:分解天门冬酰胺，抑制蛋白质合成，可用于治疗白血病； 干扰素:可以活化一种蛋白激酶，使eIF2磷酸化，抑制蛋白质合成，还可以活化核酸内切酶，分解病毒的mRNA, 因而有抗病毒作用，同时，可以活化T细胞，有一定的抗肿瘤作用。氯霉素氯霉素环己亚胺或放线菌酮环己亚胺或放线菌酮红霉素红霉素梭链孢素梭链孢素四环素四环素链霉素链霉素嘌呤霉素嘌呤霉素酪氨酰酪氨酰-tRAN硫链丝菌肽硫链丝菌肽白喉毒素对肽链合成的抑制白喉酰胺白喉酰胺白喉毒素白喉毒素四、蛋白质的运输及翻译后修饰 (一) 蛋白质通过其信号肽引导到目的地 (二) 一些线粒体叶绿体蛋白质是翻译完成
13、后被运输的 由核基因编码的线粒体外膜蛋白质的N端有线粒体定向肽，起信号肽的作用，可以与外膜上的相应位点相识别，定向肽富含带正电荷的氨基酸及丝氨酸和苏氨酸，氨基酸序列为：MLKTSSLFTRRUQPSLFRNILRLQST- 。 细胞色素c1前体蛋白的N端有两个信号肽序列，第一个信号肽序列识别线粒体外膜上的受体蛋白，引导肽链进入线粒体基质，随后被切除。第二个信号肽序列用相似的方式引导肽链穿过内膜，折叠成天然构象，并与血红素分子结合。 核基因编码的叶绿体蛋白N端有叶绿体转移肽，肽链转移的方式与线粒体相似。(三) 分泌型的真核蛋白在内质网(endoplasmic reticulum，ER)内合成 易
14、位子易位子(四) 高尔基体中多肽的糖基化修饰及多肽的分类 在高尔基体中，对糖蛋白的寡糖链进行修饰和调整，将各种多肽分类送往溶酶体、分泌粒和质膜等目的地。(五) 大肠杆菌蛋白质在翻译的同时也在被运输 细菌的非细胞质蛋白在核糖体上合成的同时被运送到质膜或跨过质膜，称作翻译中运输。新生肽链N端有引导序列，可以识别膜蛋白，将正在翻译的核糖体引导至质膜，使合成的多肽链定位于质膜，或分泌出细胞，引导序列可以被引导肽酶切除。(六) 肽链折叠的途径 (a)分子伴侣非依赖性折叠，折叠在肽链合成过程中，或肽链被截短后进行； (b)依赖于Hsp70的折叠； (c)依赖于Hsp70和分子伴侣复合体的折叠，原核生物的分
15、子伴侣复合体为GroES-GroEL，真核生物的分子伴侣复合体为TR1C(TCP1 ring complex)，或CCT(cytosolic chaperonin containing TCP1)。GroEL-GroES复合物的结构和功能GroESGroEL顶部顶部GroEL基部基部顶面观侧面观剖面观泛酰蛋白质的合成（七）蛋白质的降解酸性N-末端蛋白质的修饰在蛋白质降解系统中的作用被蛋白质降被蛋白质降解系统识别解系统识别泛酰蛋白质降解的途径真核生物基因表达调控的总结（1）DNA水平的调控： a.基因丢失，即DNA片段或部分染色体的丢失，如蛔虫胚胎发育过程有27%的DNA丢失。 b.基因扩增，即
16、特定基因在特定阶段的选择性扩增，如非洲爪蟾卵母细胞中的rDNA是体细胞的4000倍。 c.DNA序列的重排，如哺乳动物免疫球蛋白各编码区的连接。 d.染色质结构的变化，通过异染色质关闭某些基因的表达。 e.DNA的修饰，如DNA的甲基化关闭某些基因的活性。 （2）转录水平的调控 a.染色质的活化，如核小体结构的解开、非组蛋白的作用等。 b.转录因子的作用，转录因子与RNA聚合酶及特定的DNA序列（启动子、增强子）相互作用实现对转录的调控。（3）转录后水平的调控 a.mRNA前体的加工，如5端加帽、3端加尾、拼接、修饰、编辑等。 b.mRNA的选择性拼接，如抗体基因的选择性拼接。 （4）翻译水平
17、的调控 a.控制mRNA的稳定性，如5端的帽子结构、3端polyA尾巴和mRNA与蛋白质的结合有利于mRNA的稳定。 b.反义RNA的作用，反义RNA可以选择性抑制某些基因的表达。RNA干涉对翻译有重要的调控作用。 c.选择性翻译，如血红素缺乏时，通过级联反应使eIF2磷酸化, 抑制肽链合成。 d.抑制翻译的起始。基本要求1.掌握mRNA,tRNA和核糖体在蛋白质合成中的作用（分子体系）。（重点）2.熟悉蛋白质合成的步骤。（难点）3.熟悉蛋白质的运输及翻译后修饰。（难点）（5）翻译后水平的调控 a.多肽链的加工和折叠，如糖基化、乙酰化、磷酸化、二硫键形成、蛋白质的降解。 b.氨基酸的重排，如合成伴刀豆蛋白A时，氨基酸序列大幅度地被剪接重排。 c.通过肽链的断裂等加工方式产生不同的活性多肽。
