1、l一、遗传密码和密码单位一、遗传密码和密码单位 1. 遗传密码遗传密码 指指mRNA中的核苷酸序列与多肽中氨基酸序中的核苷酸序列与多肽中氨基酸序列之间的对应关系列之间的对应关系, 通常是指核苷酸三联体决定通常是指核苷酸三联体决定氨基酸的对应关系氨基酸的对应关系, 故也称三联体密码或密码子故也称三联体密码或密码子. 2. 密码单位密码单位 1954年物理学家年物理学家Gamov G 首先对遗传密码首先对遗传密码进行探讨进行探讨: l 41=4; 42=16; 43=64, 足以编码足以编码20种氨种氨基酸，基酸， 密码（密码（ codon ）应是三联体（）应是三联体（triplet）. 密码子或
2、称三联体密码，即密码子或称三联体密码，即mRNA上决定一上决定一个特定氨基酸的三个核苷酸个特定氨基酸的三个核苷酸 。 3. 密码子的确定密码子的确定l 用各种人工合成模板在体外翻译蛋白质的方法用各种人工合成模板在体外翻译蛋白质的方法确定确定l 用核糖体结合技术测定密码子中的核苷酸排列用核糖体结合技术测定密码子中的核苷酸排列顺序顺序l 1961年年 1965年年4年时间，完全确定了编码年时间，完全确定了编码20种种天然氨基酸的密码子，编出了遗传密码字典。天然氨基酸的密码子，编出了遗传密码字典。 l二、遗传密码的基本特征二、遗传密码的基本特征l1. 遗传密码的连续性遗传密码的连续性( (comma
3、less) ) l 密码子之间没有任何起密码子之间没有任何起“标点标点”作用的空格作用的空格, ,阅读阅读mRNAmRNA时是连续的时是连续的, ,一次阅读一次阅读3 3个核苷酸个核苷酸( (碱基碱基).). 2. 遗传密码的不重叠性遗传密码的不重叠性( (nonoverlapping) ) 在绝大多数生物中在绝大多数生物中, ,阅读阅读mRNA时是以密码时是以密码子为单位，不重叠地阅读。子为单位，不重叠地阅读。 少数大肠杆菌噬菌体的少数大肠杆菌噬菌体的RNA基因组中部分基基因组中部分基因的遗传密码是重叠的。因的遗传密码是重叠的。不重叠密码不重叠密码重叠密码重叠密码l3.3.遗传密码具有简并性
4、（遗传密码具有简并性（degeneracy）l (1)(1)除除Met( (AUG) )和和Trp( (UGG) )外，每个氨基酸外，每个氨基酸都有两个或更多的密码子，这种现象称为密码子都有两个或更多的密码子，这种现象称为密码子的简并性（的简并性（degenecy）。）。 l (2)(2)同义密码：同义密码：同一个氨基酸的不同密码子称同同一个氨基酸的不同密码子称同义密码子（义密码子（synonyms）。）。 （3）简并性的生物学意义）简并性的生物学意义 减少有害突变，对生物物种的稳定有一定意减少有害突变，对生物物种的稳定有一定意义。义。l（4）密码的简并性往往表现在密码子的第三位）密码的简并性
5、往往表现在密码子的第三位碱基上碱基上 4. 密码的变偶性密码的变偶性摆动性摆动性(wobble) tRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNA上的密码子配上的密码子配对时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格对时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定变动，的，第三位碱基可以有一定变动， Crick称这种称这种现象称为密码的摆动性或变偶性（现象称为密码的摆动性或变偶性（wobble）。如）。如tRNA反密码子第一位的反密码子第一位的IA、U、C配对。配对。 显然显然, 密码子的专一性基本取决于前两位碱密码子的专一性基本取决于前两位碱基，第三位碱基起的作用有限基，第三位碱基
6、起的作用有限(有较大灵活性有较大灵活性)。所以几乎所有氨基酸的密码子都可以用所以几乎所有氨基酸的密码子都可以用 和和 来表示来表示. l5.5.遗传密码的通用性和变异性遗传密码的通用性和变异性l (1)(1)通用性通用性: :指各种低等和高等生物指各种低等和高等生物, ,包括病毒、包括病毒、 细菌及真核生物细菌及真核生物, ,基本上共用一套遗传密码基本上共用一套遗传密码. . l (2) (2)密码的变异性密码的变异性: :目前已知线粒目前已知线粒DNA(mtDNADNA(mtDNA) )的的编码方式与通用遗传密码子有所不同编码方式与通用遗传密码子有所不同. . 6.6.密码子有起始密码子和终
7、止密码子密码子有起始密码子和终止密码子 （1 1）起始密码子）起始密码子: :AUGAUG( (MetMet) )多数多数原核原核, ,真核生物真核生物 GUGGUG 少数情况少数情况 (2)(2)终止密码子终止密码子: :UAAUAA、UAGUAG和和UGAUGA 不编码任何氨基酸不编码任何氨基酸, 又称为无义密码子又称为无义密码子（nonsense codonsnonsense codons）或终止密码子（）或终止密码子（chainchainterminating codonsterminating codons），）， 它们单个或串联在一起用于多肽链翻译的它们单个或串联在一起用于多肽链翻
8、译的结束，没有相应的结束，没有相应的tRNAtRNA存在。存在。关于关于SD序列序列l一、核糖体是蛋白质合成的工厂一、核糖体是蛋白质合成的工厂l 用放射性同位素标记氨基酸，注射到小鼠用放射性同位素标记氨基酸，注射到小鼠体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离体内，经短时间后取出肝脏，制成匀浆，离心，分离各细胞器，发现核糖体放射性最强，心，分离各细胞器，发现核糖体放射性最强，说明核糖体是蛋白质合成部位。说明核糖体是蛋白质合成部位。l二、核糖体的结构二、核糖体的结构原核生物原核生物真核生物真核生物l三三 核糖体的活性位点核糖体的活性位点l 四、核糖体的功能四、核糖体的功能 参与多肽链的启动、延长、终
9、止，并参与多肽链的启动、延长、终止，并“移移动动”含有遗传信息的模板含有遗传信息的模板mRNA第三节第三节 转移转移RNA的功能的功能 在蛋白质合成中，在蛋白质合成中，tRNA起着运载氨基酸的起着运载氨基酸的作用，按照作用，按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。 tRNA有两个关键部位：有两个关键部位： 3端端CCA：接受氨基酸：接受氨基酸，形成氨酰，形成氨酰-tRNA.需需ATP提供活化氨基酸所需的能量。提供活化氨基酸所需的能量。 与与mRNA结合部位结合部位反密码子部位反密码子部位(tRNA的
10、接头作用的接头作用) 此外此外, tRNA上尚有上尚有(3)识别氨酰识别氨酰tRNA合成酶的合成酶的位点位点, (4)核糖体识别位点核糖体识别位点35ICCA-OH53CCA-OHG G CC C G密码子与反密码子的密码子与反密码子的阅读方向均为阅读方向均为55 3 3，两者反向平行配对。两者反向平行配对。l一、肽链延伸合成的方向和速度一、肽链延伸合成的方向和速度l（一）方向（一）方向l N 端端C端端l（二）速度（二）速度l 肽链延伸的速度极快，一个核糖体合成一条肽链延伸的速度极快，一个核糖体合成一条完整的血红蛋白完整的血红蛋白-链链(146个个AA)3分钟分钟, 0.8AA/秒秒. 大肠
11、杆菌大肠杆菌 20个个AA/秒秒l二、二、mRNA 上翻译的方向上翻译的方向 1. 用人工合成的多核苷酸作模板证明用人工合成的多核苷酸作模板证明2. 翻译方向：翻译方向： 53三、原核生物蛋白质生物合成的分子机制三、原核生物蛋白质生物合成的分子机制 1. 部位部位:细胞质细胞质 2. 酶酶:氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶 3. 能量能量:消耗消耗2ATP 4. 产物产物: 氨酰氨酰-tRNA 甲酰化产物甲酰化产物fMet-tRNA(原核生物起始原核生物起始AA)l氨基酸在掺入肽链前必须活化氨基酸在掺入肽链前必须活化, ,在在胞液中胞液中进行。进行。l氨基酸的活化是指各种参加蛋白质合成的氨基酸的
12、活化是指各种参加蛋白质合成的AAAA与携与携带它的相应的带它的相应的tRNAtRNA结合成结合成氨酰氨酰- - tRNAtRNA的过程。活的过程。活化反应在化反应在氨酰氨酰- -tRNAtRNA 合成酶合成酶的催化下进行。的催化下进行。(一一)氨基酸的活化氨基酸的活化 2020种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰- -tRNAtRNA合成酶。合成酶。 氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶具有高度的专一性合成酶具有高度的专一性，它既它既能识别相应的氨基酸（能识别相应的氨基酸（L-L-构型），又能识别与此构型），又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个氨基酸相对应的一个
13、或多个tRNAtRNA 分子；即使分子；即使AAAA识别出现错误，此酶具有水解功能，可以将其水识别出现错误，此酶具有水解功能，可以将其水解掉。解掉。这种高度的专一性保证了氨基酸与其特定这种高度的专一性保证了氨基酸与其特定的的tRNA准确匹配，从而使蛋白质的合成具有一准确匹配，从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。定的保真性。(二二)肽链合成的起始肽链合成的起始 1.70S1.70S起始复合物的形成起始复合物的形成 (1)(1)起始氨基酸及起始起始氨基酸及起始tRNAtRNA 起始氨酰起始氨酰-tRNA-tRNAi i: : 甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA-tRNAi 甲酰化甲酰化 起始氨基酸起始氨基
14、酸原核：甲酰甲硫氨酸原核：甲酰甲硫氨酸 fMet 真核：甲硫氨酸真核：甲硫氨酸 Met 甲酰化后才能与甲酰化后才能与IF2 结合生成结合生成30S复合物复合物 甲酰化防止起始氨基酸进入延伸中的肽链甲酰化防止起始氨基酸进入延伸中的肽链 使使fmet-tRNA i 结合在核糖体结合在核糖体P部位部位 延长因子延长因子EF-Tu识别未甲酰化的识别未甲酰化的 Met-tRNA原核：甲酰甲硫氨酸原核：甲酰甲硫氨酸 ( fMet )l细菌中的起始因子细菌中的起始因子: :lIFIF1 1: : 结合在结合在30S30S亚基上作为完全起始复合物的一部分，亚基上作为完全起始复合物的一部分，起稳定此复合物的作用
15、。起稳定此复合物的作用。 lIFIF2 2: : 结合到特异的起始结合到特异的起始tRNAtRNA（fMet-tRNAfMet-tRNA），并），并将起始将起始tRNAtRNA置于小亚基上。置于小亚基上。 IFIF3 3: :30S30S小亚基特异地与小亚基特异地与mRNAmRNA起始部位结合需要起始部位结合需要 IFIF3 3 . .IFIF3 3还作为还作为70S70S核糖体的解离因素，产生核糖体的解离因素，产生30S30S亚基。亚基。(2)70S(2)70S起始复合物的形成起始复合物的形成l(三三)肽链的延长肽链的延长 肽链的延长分为四个步肽链的延长分为四个步骤：骤： 进位进位 转肽转肽
16、 脱落脱落 移位移位-核糖体循环核糖体循环 1. 1. 进位：进位： 1) 1) 一个新的一个新的氨酰氨酰-tRNA进入进入A位，位， 2) 延长因子参加延长因子参加: 3) 消耗消耗1个个GTP 2. 2. 转肽：转肽： 1) 1) 肽酰基从肽酰基从P P位转到位转到A A位位, ,肽键的形成；肽键的形成； 2) 2) 负责肽键合成的酶称为肽酰转移酶负责肽键合成的酶称为肽酰转移酶（peptityl transferasepeptityl transferase），简称转肽酶。），简称转肽酶。 3) 3) 肽的转移是核糖体大亚基（肽的转移是核糖体大亚基（50S50S或或60S60S）的）的功能
17、。功能。 4)4)抗菌素嘌呤霉素抑制蛋白质合成抗菌素嘌呤霉素抑制蛋白质合成, ,使新生的使新生的肽链在合成未完成之前就释放出来。肽链在合成未完成之前就释放出来。3. 脱落脱落 转肽后，转肽后，P部位上空载的部位上空载的tRNA经出口位经出口位点点 (E) 脱落脱落 4. 移位：移位： 1) 核糖体向核糖体向mRNA 3端移动一个密码子，端移动一个密码子，移位移位导致肽酰导致肽酰tRNAtRNA从从A A位点移出，进入位点移出，进入P P位点位点; ;空着空着的的A A位点为下一个密码子对应的氨酰位点为下一个密码子对应的氨酰tRNAtRNA的进的进入作好准备。入作好准备。 2) 需要需要1个个G
18、TP 3) 3) 三位点模型三位点模型: : 19891989年德国的年德国的NierhausNierhaus等提等提出模型认为，细菌出模型认为，细菌tRNAtRNA及及mRNAmRNA相对于核糖体发生相对于核糖体发生移位后，移位后，空载空载tRNAtRNA并未立即从核糖体上解离下来，并未立即从核糖体上解离下来，而是移到了而是移到了E E位点（出口位点），当新的氨酰位点（出口位点），当新的氨酰tRNAtRNA结合到结合到A A位点时，位点时，E E位点的空载位点的空载tRNAtRNA才解离下才解离下来，此过程涉及到核糖体构象的变化，该变化有来，此过程涉及到核糖体构象的变化，该变化有利于核糖体对
19、正确氨基酰利于核糖体对正确氨基酰tRNAtRNA的识别作用，从的识别作用，从而提供了蛋白质合成的精确性。而提供了蛋白质合成的精确性。 (四四) 肽链合成的终止与释放肽链合成的终止与释放l1. 终止信号终止信号 l 1) 终止密码子终止密码子: UAA、 UGA 、UAG l 正常细胞不含能和终止密码子互补的反密码正常细胞不含能和终止密码子互补的反密码子的子的tRNA，这些终止密码子能被终止因子所，这些终止密码子能被终止因子所识别。识别。l 2) 释放因子（释放因子（release factor，RFs）：）：l RF1 : 识别识别UAA 、 UAG l RF2 : 识别识别UAA 、 UGA
20、l RF3 : 不识别终止密码子不识别终止密码子,但刺激另外两个因但刺激另外两个因子的活性，协助肽链释放子的活性，协助肽链释放 2. 终止机制终止机制: 1) 释放因子与终止密码子结合使释放因子与终止密码子结合使转肽酶活性转肽酶活性变变成成水解酶活性水解酶活性，水解了水解了P P位点上多肽与位点上多肽与tRNAtRNA之间之间的键，释放出多肽和的键，释放出多肽和tRNAtRNA。l 2) 2) 在基因中，终止密码子总是紧接在编码最在基因中，终止密码子总是紧接在编码最后一个氨基酸的密码子后面。任何一个三联密码后一个氨基酸的密码子后面。任何一个三联密码发生无义突变时都足以终止其基因的蛋白质合成。发
21、生无义突变时都足以终止其基因的蛋白质合成。l 3) 3) 在原核生物的基因中，在原核生物的基因中，UAA是最常见的终是最常见的终止密码，其它依次为止密码，其它依次为UGA和和UAG，但阅读，但阅读UGAUGA存存在更多的错误。（错误阅读终止密码就是一个氨在更多的错误。（错误阅读终止密码就是一个氨基酰基酰tRNAtRNA对它产生错误反应，使蛋白质合成继对它产生错误反应，使蛋白质合成继续进行，直到另一个终止密码出现）。续进行，直到另一个终止密码出现）。l多核糖体多核糖体l 是一个是一个mRNA分分子与一定数目的单子与一定数目的单个核糖体结合而成个核糖体结合而成的，形成念珠状的，形成念珠状 。每个核
22、糖体可以独每个核糖体可以独立完成一条肽链的立完成一条肽链的合成，提高了翻译合成，提高了翻译的效率。的效率。l 原核生物原核生物 转录与翻译相偶联转录与翻译相偶联四、四、 蛋白质合成所需的能量蛋白质合成所需的能量v蛋白质的合成是一个高耗能过程蛋白质的合成是一个高耗能过程 AAAA活化活化 2 2个高能磷酸键（个高能磷酸键（ATPATP） 肽链起始肽链起始 1 1个（个（7070S S复合物形成，复合物形成，GTPGTP） 进位进位 1 1个（个（GTPGTP） 移位移位 1 1个（个（GTPGTP）第一个氨基酸参入需消耗第一个氨基酸参入需消耗3 3个（活化个（活化2+2+起始起始1 1 ）, ,
23、以后以后每掺入一个每掺入一个AAAA需要消耗需要消耗4 4个（活化个（活化2 +2 +进位进位 1 1个个 + +移位移位1 1个）。个）。l 从氨基酸开始合成一个含从氨基酸开始合成一个含200个残基的蛋白个残基的蛋白质需要消耗多少高能磷酸键质需要消耗多少高能磷酸键?l 活化一个氨基酸活化一个氨基酸 -2 2002=400l 起始一次起始一次 ： -1 l 形成一个肽键：形成一个肽键： - 2 1992=398l 共消耗高能键共消耗高能键 4003981=799五五. .活性肽合成的特征活性肽合成的特征 P.285-286P.285-286 本章主要内容本章主要内容:l 一、遗传密码一、遗传密码l 二、核糖体二、核糖体l 三、转移三、转移RNA的功能的功能l 四、蛋白质生物合成的分子机制四、蛋白质生物合成的分子机制l 五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异l 六、蛋白质合成的抑制剂六、蛋白质合成的抑制剂l重点：重点：蛋白质合成过程及分子机制蛋白质合成过程及分子机制 蛋白质合成的忠实性蛋白质合成的忠实性l 氨酰氨酰-tRNA合成酶的作用及决定蛋白质合成酶的作用及决定蛋白质 合成忠实性的分子机制合成忠实性的分子机制
