第十五章蛋白質(zhì)的生物合成核酸與遺傳信息的傳遞成熟的mRNA氨基酸鏈翻譯運輸?shù)郊毎|(zhì)轉(zhuǎn)錄RNA加工第一節(jié)遺傳密碼一、三聯(lián)體密碼

1.概念

DNA編碼鏈或mRNA中對應于氨基酸的核苷酸序列稱為遺傳密碼。實驗證明，在mRNA鏈上每三個相鄰核苷酸為一組，稱為密碼子或三聯(lián)體密碼，起著編碼一種氨基酸的作用。2.遺傳密碼的破譯方法第一個用實驗給遺產(chǎn)密碼以確切解答是德國出生的美國生物化學家尼倫貝格（M.W.Nirenberg）1961年，他和另一位德國科學家馬太（Matthaei）發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸的密碼是RNA上的尿嘧啶（UUU）。采用的是大腸桿菌的無細胞提取液進行實驗。

體外均聚核苷酸的合成：多核苷酸磷酸化酶利用核苷二磷酸（NDP）為底物，可合成多聚核糖核苷酸，同時釋放無機磷酸。無細胞蛋白質(zhì)合成體系（去掉mRNA）+人工合成的簡單的均聚核苷酸（代替天然的mRNA）+20種放射性標記的氨基酸，保溫，分析多肽鏈的組成。如UUU對應Phe（1）實驗第一階段：合成均聚核苷酸鏈。為此，需要多核苷酸磷酸化酶。1955年美國科學家奧喬亞（OchoaSevero,1905-）發(fā)現(xiàn)的此酶幫助了尼倫貝格。（奧喬亞因發(fā)現(xiàn)此酶而獲得1959年諾獎。）多聚U作為模板加入無細胞體系中時，合成多聚苯丙氨酸，確定UUU是苯丙氨酸的密碼子；用同樣方法，以其他多聚核苷酸作為模板，又測出CCC是脯氨酸的密碼子，AAA是賴氨酸的密碼子?！?）實驗第二階段，用2種或3種不同核苷酸制備mRNA模板，無細胞蛋白質(zhì)合成體系，也得出一些三聯(lián)體相對應的氨基酸。（3）尼倫貝格第三階段實驗-利用核糖體結(jié)合技術(shù)

無細胞蛋白質(zhì)合成體系（去mRNA）+人工合成的三核苷酸（代替天然的mRNA）+20種帶放射性標記氨基酸，保溫：可以形成核糖體-三核苷酸-氨酰tRNA三元復合物。此反應物通過硝酸纖維素濾膜時，三元復合物滯留在上面。分析放射性氨基酸種類，即可找到三核苷酸與氨基酸的對應關(guān)系。盡管密碼子破譯采用的是無細胞體系，但后續(xù)一系列實驗均證明生物體內(nèi)也是適用的，特別是20世紀70年代興起的基因克隆和快速測序技術(shù)，充分證明了遺傳密碼表的正確。完整的密碼子表，到1963年基本確定。并獲1968年諾獎。

3.遺傳密碼表：閱讀方向為5′→3′苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸異亮氨酸甲硫氨酸纈氨酸絲氨酸脯氨酸蘇氨酸丙氨酸酪氨酸組氨酸谷酰胺天冬酰胺賴氨酸天冬氨酸谷氨酸半胱氨酸終止密碼終止密碼色氨酸精氨酸絲氨酸精氨酸甘氨酸第一個堿基第二個堿基第三個堿基二、遺傳密碼的基本特性2.密碼子的連續(xù)性（讀碼）（無標點、無重疊）3′起始密碼子5′在mRNA分子上插入或刪去一個堿基，會使該點以后的讀碼發(fā)生錯誤，稱為移碼，由這種情況引起的突變稱為移碼突變。1.起始密碼子和終止密碼子起始密碼子：AUG，又是甲硫氨酸的密碼子。終止密碼子：UAA，UAG，UGA，不編碼任何氨

基酸,而成為肽鏈合成的終止部位（無義密碼子）。3.密碼子的方向性mRNA及三聯(lián)體密碼的閱讀方向皆為5′→3′一個氨基酸可以有幾個不同的密碼子，編碼同一個氨基酸的一組密碼子稱為同義密碼子；

由幾個密碼子同時編碼同一種氨基酸的現(xiàn)象稱為密碼子的簡并性。甲硫氨酸、色氨酸只有一個密碼子。

異亮氨酸3個，其余的2,4或6個密碼子，它們第1,2位核苷酸是相同的，決定密碼子的專一性。4.密碼子的簡并性密碼子的簡并性對保持生物物種的遺傳穩(wěn)定性有重要意義。

5.密碼子的擺動性（變偶性）

tRNA上反密碼子與mRNA上密碼子反向配對時，密碼子的第一位、第二位堿基配對是嚴格的，第三位堿基可以有一定變動，這種現(xiàn)象稱為密碼子的擺動性或變偶性。反密碼子的第一位堿基I可與A、U、C配對，U與A、G配對，G與C、U配對。A或C堿基配對是專一的。6.密碼子的基本通用性（近于完全通用）

對于高等、低等生物包括病毒都適用同一套遺傳密碼。只有一個例外：真核生物線粒體DNA。

由于擺動性原則的存在，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。7.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。例如：（1）中間堿基是U，它編碼的氨基酸是非極性、疏水的和支鏈的，常在球蛋白的內(nèi)部；（2）中間堿基是C，相應的氨基酸是非極性的或具有不帶電荷的極性側(cè)鏈；（3）中間堿基是A或G，其相應氨基酸常在球蛋白外圍，具有親水性；（4）第一位是A或C，第二位堿基是A或G，第三位可以是任意堿基，其相應氨基酸具有可解離的親水性側(cè)鏈并具有堿性；這種分布使得密碼子中一個堿基被置換，其結(jié)果可能仍然編碼相同的氨基酸，或者被物理化學性質(zhì)最接近的氨基酸取代，從而使基因突變造成的危害降為最低。第二節(jié)核糖體與RNA（一）核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所真核生物：游離核糖體或與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合原核生物：游離核糖體或與mRNA結(jié)合成串狀多核糖體原核生物中，由一定數(shù)目的單個核糖體與一個mRNA分子結(jié)合而成的念珠狀結(jié)構(gòu)。每個核糖體可獨立完成一條肽鏈的合成，提高了翻譯的效率。多核糖體：1.原核細胞和真核細胞核糖體組成差異原核細胞真核細胞70S30S亞基16SrRNA80S40S亞基18SrRNA21種蛋白質(zhì)30多種蛋白質(zhì)50S亞基5SrRNA60S亞基5SrRNA23SrRNA28SrRNA34種蛋白質(zhì)約50種蛋白質(zhì)個別有5.8SrRNA30S亞基：能單獨與mRNA（SD序列）結(jié)合成30S核糖體-mRNA復合體，然后與tRNA專一性結(jié)合。2.核糖體的結(jié)構(gòu)模型5′3′aa30S5′3′PA50S亞基:不能單獨與mRNA結(jié)合，但可以非專一地與tRNA結(jié)合，50S亞基上有兩個tRNA結(jié)合位點：起始氨酰基或肽?；稽c-P；氨?；稽c-A。P位和A位，二者緊密連接，各占一個密碼子的距離。P：結(jié)合起始的氨酰-tRNA和肽?；?tRNA，A：結(jié)合新?lián)饺氲陌滨?tRNA。P位上肽酰-tRNA上的羧基與進入A位的氨酰-tRNA上的氨基形成新的肽鍵。5′3′aa30S（二）RNA在蛋白質(zhì)合成中的作用1.rRNA（核糖體RNA）組建核糖體；其中16SrRNA為mRNA與核糖體結(jié)合提供識別位點。還有23SrRNA轉(zhuǎn)肽時起催化作用。2.mRNA（信使RNA）mRNA以核苷酸序列的方式攜帶遺傳信息，通過這些信息來指導蛋白質(zhì)合成。3.tRNA（轉(zhuǎn)運RNA）按照mRNA中密碼子的指導，tRNA將氨基酸攜帶進入核糖體，用以合成多肽鏈。書寫舉例：tRNAPhe、tRNASer、tRNAfMet（起始tRNA）大多數(shù)氨基酸具有幾種用來轉(zhuǎn)運的tRNA。注意：一種tRNA可攜帶幾種不同的氨基酸。（錯）第三節(jié)蛋白質(zhì)生物合成過程

（大腸桿菌）

氨基酸的活化肽鏈合成的起始肽鏈的延伸肽鏈合成的終止與釋放多肽鏈合成后的加工修飾（一）氨基酸的活化氨基酸在摻入肽鏈前必須活化，在胞液中進行。氨基酸的活化是指各種參加蛋白質(zhì)合成的氨基酸與攜帶它的相應的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?；罨磻謨刹竭M行：1.活化：AA-AMP-E復合物的形成OOH-O腺嘌呤OHOHE.R-C-C-O~P-O-CH2=ONH2AA+ATP+EAA-AMP-E+PPiMg2+Mn2+2.轉(zhuǎn)移AA-AMP-E+tRNA氨酰-tRNA+AMP+EPPPCCAOHOO

C-C-RNH2H每個氨基酸的活化消耗兩個高能鍵（~）氨基酸活化的總反應式：

氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨酰-tRNA+AMP+PPi氨酰-tRNA合成酶氨酰-tRNA合成酶和之相對應的tRNA分子被稱為第二遺傳密碼氨酰-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。tRNA與多肽合成的有關(guān)位點3′端-CCA上氨基酸接受位點識別氨酰-TRNA合成酶位點(D環(huán))核糖體識別位點(TΨC環(huán))反密碼子位點（識別mRNA上的密碼子）PA5′3′aa30S（二)肽鏈合成的起始1.起始密碼子的識別：（30S復合物形成）

原核生物核糖體30S小亞基上的16SrRNA3′端富含嘧啶的序列能與mRNA5′端SD序列互補配對，這樣30S亞基能與mRNA結(jié)合(IF3,IF1參加，識別起始密碼子AUG，大亞基離開），在

IF2-GTP參與下，30S-mRNA-IF3進一步與fMet-tRNAf結(jié)合，并釋放IF3，形成30S復合物：30s小亞基-mRNA-fMet-tRNAf

5′3′AUGAUGAUG30S復合物形成：AUGIF3IF3AUGIF3IF1、IF2-GTP、fMet-tRNAf小亞基大亞基++5′3′5

AUGIF1、IF2-GTPfMetUAC5′3′5′3′原核生物：起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸（fMet）。在大腸桿菌中,起始密碼子AUG所編碼的氨基酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸。N10-甲?；?FH42.fMet-tRNAf的形成甲酰化酶真核生物：起始氨基酸是Met,起始tRNA為Met-tRNAMetMetCH3-S-CH2CH2-CH-COOHNHC=O-H甲酰甲硫氨酸（fMet）fMet-tRNAf+AMP+PPifMet+tRNAf+ATP+H2O70S復合物的形成：IF1、IF2-GTPAUGfMetUAC5

+50S核糖體AUGA位點IF1、IF2-GDP+Pi大亞基結(jié)合時，GTP水解供能。5

fMetUACP位點5

3

5

3

動畫起始過程小結(jié)：1.識別起始密碼AUG：依靠mRNA5′SD序列識別16srRNA3′富含嘧啶的區(qū)域,核糖體準確定位于mRNA，準確起始肽鏈合成。2.原核生物起始氨基酸fMet，真核生物Met3.起始因子IF1

、IF2、IF3促進fMet-tRNAf及mRNA與30S小亞基結(jié)合，形成30S復合物。4.起始過程消耗一個GTP，即大亞基與30S復合體結(jié)合時需要IF2-GTP水解供能。AUGfMet5′3′GCGA進位EF-TU-GTPEF-TU-GDPEF-TS-GDPEF-TS-GTPGCG5′3′AUGfMetaa2轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)肽酶水解酯鍵，形成肽鍵(三)肽鏈的延伸（進位，轉(zhuǎn)位，移位）轉(zhuǎn)肽酶由大亞基中的23SrRNA及其它核酶所催化。GCG5′3′AUGaa2fMet核糖體移位UUU5′3′GCGaa2AUGfMetAEF-G-GTP

EF-G-GDP+Pi

轉(zhuǎn)位不需要另外供給能量，所需能量來自肽鏈和tRNA之間高能酯鍵的水解。延伸過程小結(jié)1.延伸因子EF-Tu促進氨酰-tRNA與核糖體A位結(jié)合，并由GTP水解供能；EF-Ts負責催化EF-Tu-GTP復合物的再形成。2.轉(zhuǎn)肽酶的兩種功能：水解酯鍵，形成肽鍵。

轉(zhuǎn)肽酶的化學本質(zhì)是什么？3.移位因子（移位酶EF-G）：依賴GTP水解供能，使核糖體沿mRNA5′

3′方向移動一個密碼子的位置，肽鏈合成從N→C延伸。例題：在蛋白質(zhì)生物合成中，所有的氨酰tRNA都是首先進入核糖體的A位，對嗎？（錯，起始氨酰-tRNA在P位。）（四)肽鏈合成的終止與釋放當終止密碼子出現(xiàn)在A位時，終止因子結(jié)合在A位，肽鏈合成終止。所以終止因子（釋放因子）的作用是識別mRNA上的終止密碼子。UUU5′3′GCGAUGAUAAaa2fMetaa3...aan

終止過程小結(jié)1.終止密碼子的識別不是tRNA，而是終止因子（釋放因子）：RF1：識別終止密碼子UAA和UAGRF2：識別終止密碼子UAA和UGARF3：具GTP酶活性，激活RF1和RF2活性，協(xié)助肽鏈的釋放2.終止因子的結(jié)合(消耗1GTP)使肽酰轉(zhuǎn)移酶行使水解酶活性，把已合成的多肽鏈從核糖體和tRNA上釋放出來，無負荷的tRNA從核糖體脫落，該核糖體立即離開mRNA，在IF3存在下,

解離為30S和50S非功能性亞基。再重復下一輪過程。動畫蛋白質(zhì)的合成是一個高耗能過程氨基酸活化2個高能磷酸鍵（計2ATP）肽鏈起始1個（70S復合物形成，GTP）進位1個（GTP）移位1個（GTP）釋放1個（GTP）第一個氨基酸摻入需消耗3個高能鍵（活化2+起始1）,以后每摻入一個氨基酸需要消耗4個高能鍵（活化2+進位1個+移位1個）。最后釋放因子RF識別終止密碼子，并結(jié)合到A位使肽鏈從核糖體脫落下來消耗1GTP。相當于每摻入一個氨基酸需要消耗4個高能鍵。例題：考慮單一順反子mRNA，其編碼區(qū)含有936個堿基，包括一個起始密碼子和兩個終止密碼子，請回答以下問題：（1）此mRNA最初翻譯的產(chǎn)物有多少個氨基酸？（2）計算