遺傳密碼和遺傳信息的翻譯系統(tǒng)

1、第十四章 遺傳密碼和遺傳信息的翻譯系統(tǒng) 第一節(jié)第一節(jié) 遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯 一一. 遺傳密碼的試拼遺傳密碼的試拼1954年g.gamov對(duì)破譯密碼首先提出了設(shè)想 若一種堿基對(duì)應(yīng)與一種氨基酸，那么只可能產(chǎn)生4種氨基酸; 若2 個(gè)堿基編碼一種氨基酸的話，4種堿基共有42=16種不同的排列組合; 3個(gè)堿基編碼一種氨基酸，經(jīng)排列組合可產(chǎn)生43=64種不同形式 若是四聯(lián)密碼，就會(huì)產(chǎn)生44=256種排列組合。三聯(lián)密碼的證實(shí)。三聯(lián)密碼的證實(shí)。 1961年crick和brenner.s等證實(shí)了三聯(lián)密碼的真實(shí)性。 他們用t4染色體上的一個(gè)基因（r位點(diǎn)）通過(guò)用原黃素（proflavin）處理，可以使dna

2、脫落或插入單個(gè)堿基，插入叫“ 加字加字”突變突變，脫落叫“ 減字減字”突變突變.無(wú)論加字和減字都可以引起移碼突變。 crick小組用這種方法獲得一系列的t4“加字”和“減字”突變，再進(jìn)行雜交來(lái)獲得加入或減少一個(gè)，二個(gè)，三個(gè)的不同堿基數(shù)的系列突變。 插入 atctagtct tagatcagaatc tgtcttagacaga a ctgtct 缺失 t gacaga 圖 141 “加字”和“減字”突變 它們只能在b菌株上生長(zhǎng)形成噬菌斑 開(kāi)始用原黃素誘導(dǎo)的突變稱fco， 他們?cè)儆迷S素誘導(dǎo)產(chǎn)生回復(fù)突變，在e.coli k（）菌株中出現(xiàn)了噬菌斑。 用遺傳學(xué)的方法和野生型雜交發(fā)現(xiàn)它們并不是真正的野生

3、型。 校正突變校正突變（a suppressor mutation）抵消或抑制了前一次突變的效應(yīng)， r 回復(fù)突變 r r 野生型 fco sup 表 型 突變型 表型 sun 圖 142 抑制基因所產(chǎn)生的回復(fù)突變型和野生型雜交后，經(jīng)交換可產(chǎn)生原有的突變型(仿 griffiths a.j.f.et al： an introduction to genetic analysis 校正突變的特點(diǎn)如下：校正突變的特點(diǎn)如下： (1) 校正突變是在第一次突變不同位點(diǎn)將它抵消的。因此原來(lái)的突變可以通過(guò)野生型和回復(fù)突變型之間的雜交又恢復(fù)為突變型； (2) 校正突變可能發(fā)生相同的基因中，抑制原來(lái)的突變（如剛舉的

4、例子），稱基因內(nèi)抑制基因內(nèi)抑制，或發(fā)生在不同的基因中稱基因外抑制基因外抑制。 (3) 不同的抑制可能作用的方式不同。如有的抑制是在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平，有的可能是通過(guò)細(xì)胞生理功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖 14- 基因內(nèi)抑制 鳥(niǎo)氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶(otc) co2 氨甲酰磷酸 瓜氨酸 精氨酸 (在線粒體中) + b (su-) nh4 天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶 atp 氨甲酰磷酸 氨甲酰天冬氨酸 嘧啶(在核中) a (m-) atc(1) 以是否合成嘧啶為表型的標(biāo)準(zhǔn);(2) otc 突變?nèi)杂?23 %的活性. 圖 14- 代謝抵償效應(yīng)產(chǎn)生的基因外抑制 三.利用突變來(lái)解讀密碼 1960 a. tsugita,h.fraenk

5、el-connrat小組和h.g. wittmann小組試圖通過(guò)用亞硝酸來(lái)對(duì)tmv進(jìn)行誘變。 當(dāng)時(shí)根據(jù)亞硝酸誘變的原理，mrna中的ag或cu的緣故。 當(dāng)時(shí)已搞清了tmv肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)由158個(gè)氨基酸組成， 將突變型和野生型進(jìn)行比較就能確定肽鏈上氨基酸取代的位點(diǎn)和類型。四四.無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)的建立無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)的建立 1961年nirenberg建立了無(wú)細(xì)胞系統(tǒng) 這一新技術(shù)又是在多核苷酸磷酸化酶發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。 1955 s.ocha在細(xì)菌中分離了多核苷酸磷酸化酶（polynucleotide phosphorylase）,它催化核糖核苷二磷酸的聚合， 它不需要任何dna模板就可合成. 他們的方

6、法是: (1) 去模板：用dnaase處理e.coli抽提物，使dna降解，除去原有的細(xì)菌模板。 (2) 加入pol u：合成了多聚苯丙氨酸， 這一結(jié)果不僅證實(shí)了無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)的成功，同時(shí)還表明uuu是苯丙氨酸的密碼子。 分別加入polya，polyc 和polyg 結(jié)果相應(yīng)地獲得了多聚賴氨酸，多聚脯氨酸和多聚甘氨酸。 (3) 按比例加入種核苷混合的多聚物 由于當(dāng)時(shí)還未分離rna pol酶，無(wú)法按設(shè)計(jì)的模板來(lái)合成rna，nirenberg又想出了一種新的方法，就是按一定的堿基比例來(lái)合成rna。 比如在底物中加5份的udp和1份的gdp， 堿基比為u：g5：1， 它們能組成8種三聯(lián)體： uuu，uu

7、g，ugu，guu， ggg，ggu，gug，ugg。 u和g將隨機(jī)地加入到三聯(lián)體中，這樣按比例各個(gè)位于上進(jìn)入u和g 的概率不同，。如氨基酸測(cè)定結(jié)果： 如uuu：ugg（555）:（511） 25 ： 1 同理uuu：uug 5 ：1， 根據(jù)檢測(cè)結(jié)果推測(cè): 苯丙氨酸（uuu）：半胱氨酸（ugu） 5 ： 1 苯丙氨酸（uuu）：纈氨酸（guu） 5 ： 5 苯丙氨酸（uuu）：甘氨酸（guu） 24 ： 1五.三聯(lián)體結(jié)合實(shí)驗(yàn) 1964年nirenberg又采用三聯(lián)體結(jié)合實(shí)驗(yàn) (1) trna和氨基酸及三聯(lián)體的結(jié)合是特異的； (2) 上述結(jié)合的復(fù)合體大分子是不能通過(guò)硝酸纖維濾膜的微孔，而trna

8、- 氨基酸的復(fù)合體是可以通過(guò)的。 a c a u g u a g a ser a c a thr a g a a c a a c a u g u ser thr nc ser u c u u c u u g u u c u a g a thr u c u u g u a g a thr ser nc thr 圖 14-3 三聯(lián)體結(jié)合實(shí)驗(yàn)。(上)輸入翻譯系統(tǒng)的 rna 和標(biāo)記的氨基酸(以灰色表示)不符。(下) 輸入翻譯系統(tǒng)的 rna 和標(biāo)記的氨基酸(以灰色表示)相符。六. 利用重復(fù)共聚物破譯密碼khorara 采用了有機(jī)合成一條短的單鏈dna重復(fù)順序， 然后用dna pol 1合成其互補(bǔ)鏈， 再

9、用rna pol及不同的底物合成兩條重復(fù)的rna共聚物（圖143），作為翻譯的mrna ，加入到體外表達(dá)系統(tǒng)中， 5t a c t a c t a c t a c3 3 at g a t g a t g a t g 5 rna pol +gtp +ctp +utp +utp +atp +atp 5 guaguaguagua 3 5uacuacuacuac 3圖 14-4 重復(fù)共聚體 rna 的合成途徑。(仿 watson,j.d.et almolecular biology of the gene4th ed.1987,fig.15.4)表 14-1 用二個(gè)或三個(gè)、四個(gè)核苷酸構(gòu)造重復(fù)共聚體來(lái)確

10、 定密碼子重復(fù)順序可組成的三聯(lián)密碼多肽的氨基酸組成(uc)nucu-cucser-leu(uuc)n(uuc); (ucu); (cuu)poly phe, poly ser,poly leu(uuac)n(uua-cuu-acu-uac)leu-leu-thr-tye第二節(jié) 遺傳密碼的證實(shí)和特點(diǎn) 一一. 遺傳密碼的證實(shí)遺傳密碼的證實(shí) 1966年sterisinger等用噬菌體t4證實(shí)了遺傳密碼是完全正確的。 他們采用的方法跟crick的原黃素誘發(fā)移碼突變的方法相同，使t4溶菌酶產(chǎn)生了移碼突變，根據(jù)突變后的蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和野生型溶菌酶氨基酸順序進(jìn)行了比較， n thr lys ser pro

11、ser leuasn ala c 5 ac aa agu cca uca cuu aau gc 3 野生型 5 ac aaa guc cau cac uua aug gc 3 突變型 n thr lys val his his leumet ala c a (缺失) g(插入插入) 圖 14 9 t4 溶菌酶基因經(jīng)原黃素誘發(fā)的插入突變和缺失突二遺傳密碼在纖毛蟲(chóng)和線粒體中的改變 表 14-3 密碼子在原核生物和真核生物線粒體及原生動(dòng)物中的改變生物auaaugugauguuaauagcuacaauagagaaggaaa一般生物ilemet(起始)終止trp終止終止argglnglnargargly

12、s枝原體trptrp纖毛蟲(chóng)gluglu四膜蟲(chóng)gluglugluglu游仆蟲(chóng)cys哺乳動(dòng)物(線粒體)trp終止終止asp果蠅(線粒體)serasp酵母(線粒體)thr一. 遺傳密碼的特點(diǎn) (1) 遺傳密碼是三聯(lián)體三聯(lián)體密碼密碼。 (2)遺傳密碼無(wú)逗號(hào)無(wú)逗號(hào)。 (3)遺傳密碼是不重迭不重迭的。 (4)遺傳密碼具有通用性通用性。 (5)遺傳密碼具有簡(jiǎn)并性簡(jiǎn)并性(degeneracy (synonyms)。 (6) 密碼子有起始密碼子起始密碼子和終止密碼子終止密碼子。 (7) 反密碼子中的“ 擺動(dòng)擺動(dòng)”（wobble）表示第三個(gè)堿基擺動(dòng)的模式。在八成員組成的密碼子家族中，每個(gè)成員的四個(gè)密碼子意思相同，

13、那么第三個(gè)堿基u、c、a、g對(duì)氨基酸起不到特異的作用。在七個(gè)成員組成的密碼子的意思相同。第三個(gè)堿基都是py，含u或c。在五個(gè)成員組成的密碼子家族中，每個(gè)成員的二個(gè)密碼子都是相同的，第三堿基都是pu，含a或g 。由一個(gè)成員組成的密碼子家族中，有3個(gè)密碼子的意思相同，第三個(gè)堿基含有u、c和a。 擺動(dòng)假說(shuō)(wobble hypothesis)是由crick.f（1966年）提出的。即當(dāng)trna的反密碼子與mrna的密碼子配對(duì)時(shí)前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)法則，但第三對(duì)堿基有一定的自由度可以“擺動(dòng)”。擺動(dòng)假說(shuō)也稱為三中讀二三中讀二（2 out of 3 reading）。 表 144 遺傳密碼中的擺動(dòng)反

14、密碼子 5端堿基密碼子 3端可配對(duì)堿基gu 或 ccgauua 或 gi（次黃嘌呤）a、u 或 c 三中讀二一般可分為三種情況： (1) 第,兩個(gè)堿基形成個(gè)氫鍵時(shí)，可三中讀二。 如，和。 (2) 第1 ,2兩個(gè)堿基形成4個(gè)氫鍵時(shí),不可三中讀二。 如aax，x 和。 (3) 第，兩個(gè)堿基形成個(gè)氫鍵時(shí), 當(dāng)?shù)诙€(gè)堿基為嘧啶時(shí)，可三中讀二； 如，和。 當(dāng)?shù)诙€(gè)堿基為嘌呤時(shí)則不能三中讀二， 如， ，和x。第三節(jié) trna的結(jié)構(gòu)和功能 一一. trna的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) （一）三葉草型的二維結(jié)構(gòu) (1)各種trna均含有7080個(gè)堿基，其 中22個(gè)堿基是恒定的。 (2) 5端和3端配對(duì)（常為7bp）形成莖區(qū)，

15、稱為受體臂受體臂（acceptor arm）或稱氨基酸臂氨基酸臂 。在3端永遠(yuǎn)是4個(gè)堿基（xcca）的單鏈區(qū)，在其末端有2-oh或3-oh，是被氨基?；稽c(diǎn)。此臂負(fù)責(zé)攜帶特異的氨基酸。 （3）tc常由5bp的莖和7nt和環(huán)組成。此臂負(fù)責(zé)和核糖體上的rrna 識(shí)別結(jié)合； (4)反密碼子臂(anticodon arm)常由5bp的莖區(qū)和7nt的環(huán)區(qū)組成，它負(fù)責(zé)對(duì)密碼子的識(shí)別與配對(duì)。 (5)d環(huán) (d arm)的莖區(qū)長(zhǎng)度常為4bp，也稱雙氫尿嘧啶環(huán)。負(fù)責(zé)和氨基酰trna聚合酶結(jié)合; (6)額外環(huán)(extra arm)可變性大，從4 nt到21 nt不等，其功能是在trna的l型三維結(jié)構(gòu)中負(fù)責(zé)連接兩個(gè)

16、區(qū)域（d環(huán)反密碼子環(huán)和tc-受體臂）。 胰腺癌護(hù)理： （二） trna的三維結(jié)構(gòu)三葉草二級(jí)結(jié)構(gòu)具有四個(gè)臂 l 型三 維結(jié)構(gòu)兩個(gè)雙螺旋區(qū)相互垂直3 tc 環(huán) 氨基酸莖 3 5 氨基酸莖 5 d 環(huán)d 環(huán) tc 環(huán) 可變環(huán)可變環(huán)反密碼子環(huán) 反密碼子環(huán) 圖 14-15 trna 由三葉草型折疊成 l 型三維結(jié)構(gòu) 酵母苯丙氨酸t(yī)rna的三級(jí)氫鍵trna 的堿基 堆積l型結(jié)構(gòu) (2)d環(huán)和tc環(huán)形成了“ l” 的轉(zhuǎn)角。 (1)氨基酸受體臂位于l型的一側(cè)，距反密碼子環(huán)約70 a (3)在一些保守和半保守的堿基之間形成很多的三級(jí)氫鍵,使分子形成l形b,并使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 (4)使得三維結(jié)構(gòu)得以形成的這些堿基配對(duì)

17、涉及到與磷酸核糖主鏈相互作用的三級(jí)結(jié)構(gòu)的磷酸二酯鍵分布在核糖的2-oh上。 (5)幾乎所有的堿基平面之間產(chǎn)生堆積的作用。 (6)在反密碼子莖中僅有很少的三級(jí)氫鍵。二.校正trna抑制基因抑制基因（suppressor）或稱校正基因校正基因 （一）無(wú)義抑制（nonsense suppressor） 1. trna反密碼子的突變 2. trna其它結(jié)構(gòu)的改變無(wú)義突變使 uug 變?yōu)?uag tyr-trna 閱讀 uag 密碼子aug uug uaa aug uag uaa aug uag uaa uacaac auc aug 釋放因子 抑制突變 leu tyr tyr圖 1417 帶有突變反密碼

18、子的 trna 可抑制無(wú)義突變表 14-6 由反密碼子突變而產(chǎn)生的無(wú)義抑制基因 野生型 抑制基因基因trna識(shí)別的密碼子反密碼子反密碼子識(shí)別的密碼子supd(su1)serucgcgacuauagsupe(su2)glncagcugcuauagsupf(su3)tyruac, uauguacuauagsupc(su4)tyruac/uauguauuauaa/uagsupg(su5)lysaaa/aaguuuuuauaa/uagsupu(su7)trpuggccaucauga/ugg （二）錯(cuò)義抑制 錯(cuò)義突變 錯(cuò)義突變aug aga uaa aug gga uaa aug aga uaaucu

19、ccu ucu 抑制突變 arg gly gly圖 14-18 反密碼子發(fā)生突變可抑制錯(cuò)義突變抑制突變的特點(diǎn): 1.不是所有抑制基因都能產(chǎn)生有功能的蛋白質(zhì)，關(guān)鍵是要看氨基酸取代的情況。 2. 校正的作用不可能是完全的。 校正的trna分子是有限的而且還要和釋放 因子競(jìng)爭(zhēng)； 若是錯(cuò)義抑制的話，由于氨基酸發(fā)生取 代,使得蛋白質(zhì)的活性有所降低。 3. 每種抑制trna一般都只識(shí)別uag終止密碼子，而不再識(shí)別原來(lái)相應(yīng)的密碼子。 4.赭石突變抑制基因不僅可以識(shí)別赭石密碼子（uua），也可以抑制琥珀突（am）碼子uag。但反過(guò)來(lái)am抑制基因（cua）就不能抑制赭石突變（uaa），這是由于擺動(dòng)緣故所造成。

20、5. 當(dāng)細(xì)胞中含有多個(gè)trna拷貝時(shí)，抑制才能發(fā)揮作用。 6. 有的抑制基因，不僅可以識(shí)別終止密碼子，而且還可以識(shí)別原來(lái)的密碼子。如野生型trnatrp的反密碼子是cca，它可以識(shí)別原來(lái)的密碼子ugg，而且還可以識(shí)別終止密碼子uga。7.校正基因一般不會(huì)影響正常的終止(1)校正基因識(shí)別的終止密碼子不一定和正常終止的密碼子相同。有時(shí)正常終止位點(diǎn)有兩個(gè)連續(xù)的終止密碼子，而且結(jié)構(gòu)不同，如uag-uaa；(2)釋放因子將和抑制基因競(jìng)爭(zhēng)和終止密碼子的結(jié)合；(3)抑制基因的效率很低，通常為15%，所以常不會(huì)抑制正常終止。三. trna對(duì)氨基酸的識(shí)別 （1） trna怎樣接受特定的氨基酸， 氨基酰 trna

21、合成酶怎樣識(shí)別trna； （2） trna中的哪些結(jié)構(gòu)和接受特定氨 基酸有關(guān)。 1988年hou ya-ming（候雅明）和schimmel首先取得突破。他們采用的方法是： (1) 選用e.coli (trp-)來(lái)進(jìn)行研究； (2) trna，攜帶ala，反密碼子突變成cua，可以 和終止密碼子uag相配對(duì),可校正色氨酸的琥 珀突變. (3) 用點(diǎn)突變的方法來(lái)改變校正trna（ala）上的 各個(gè)位點(diǎn)，觀察對(duì)識(shí)別ala有何影響，他們證明 了ala trna的g3:u70堿基對(duì)，僅一對(duì)堿基決定了 丙氨酰trna合成酶與trna的識(shí)別。 這種小元件稱為trna的“ identity”，或稱為副密副密

22、碼子碼子（paracodon）。表 14-5 每種合成酶通過(guò)幾個(gè)特殊堿基來(lái)識(shí)別其同質(zhì) trnatrna合成酶識(shí)別的堿基一類氨基酰 trna 合成酶val反密碼子上的三個(gè)堿基met反密碼子上的三個(gè)堿基ile反密碼子上的 c34 修飾堿基glnu35（反密碼子）; u1-a72 和 g73（受體臂）二類氨基酰 trna 合成酶phe（酵母）反密碼子上的三個(gè)堿基，g20(d 環(huán)); a73(末端)serg1-c72; g2-c71; a3-u70(受體臂); c11-g24(d 環(huán))alag3-u70(受體臂) 表14-7 原核和真核生物核糖體的組成及功能核糖體亞基 rrnas 蛋白 rna的特異順序和功能 細(xì)菌 70s 50s 23s=2904b 31種(l1-l31）含cgaac和gtcg互補(bǔ)2.5106