生物信息的傳遞下1

1、新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院教案首頁(yè)課程名稱現(xiàn)代分子生物學(xué)授課題目第四章 生物信息的傳遞從mRNA到蛋白質(zhì)4.1 遺傳密碼4.2 tRNA4.3 核糖體的結(jié)構(gòu)和功能授課對(duì)象2006級(jí)生物技術(shù)本科時(shí)間分配1、 引入和遺傳密碼的講解1個(gè)學(xué)時(shí)；2、 tRNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能1.5個(gè)學(xué)時(shí)；3、 核糖體的結(jié)構(gòu)和功能0.5個(gè)學(xué)時(shí)。課時(shí)目標(biāo)1、了解遺傳密碼的概念；2、熟悉核糖體的結(jié)構(gòu)和功能；3、掌握tRNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能。授課重點(diǎn)tRNA的結(jié)構(gòu)、分類和功能授課難點(diǎn)tRNA的結(jié)構(gòu)和功能授課形式多媒體教學(xué)、提出問題、啟發(fā)式、課件授課方法理論講授參考文獻(xiàn)朱玉賢，李毅.現(xiàn)代分子生物學(xué).高等教育出版社.2005王鏡巖，朱圣庚.生

2、物化學(xué)（第三版 下）. 高等教育出版社.2003思考題1遺傳密碼有什么特點(diǎn)?2蛋白質(zhì)合成中如何保證其翻譯的正確性?3真核細(xì)胞與原核細(xì)胞核糖體組成有什么不同?如何證明核糖體是蛋白質(zhì)的合成場(chǎng)所?教研室主任及課程負(fù)責(zé)人簽字教研室主任（簽字 ） 課程負(fù)責(zé)人（簽字）年 月 日 年 月 日新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院理論課教案課程名稱： 現(xiàn)代分子生物學(xué) 任課教師： 楊慈清 助教基本內(nèi)容教學(xué)手段和教學(xué)組織第四章 生物信息的傳遞（下）從mRNA到蛋白質(zhì)41 遺傳密碼三聯(lián)子mRNA上每3個(gè)核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個(gè)氨基酸，這3個(gè)核苷酸就稱為一個(gè)密碼，也叫三聯(lián)子密碼。翻譯時(shí)從起始密碼子AUG開始，沿mRNA53的方向連續(xù)閱讀

3、直到終止密碼子，生成一條具有特定序列的多肽鏈。mRNA中只有4種核苷酸，而蛋白質(zhì)中有20種氨基酸，若以一種核苷酸代表一種氨基酸，只能代表4種(41=4)。若以兩種核苷酸作為一個(gè)密碼（二聯(lián)子），能代表42=16種氨基酸。而假定以3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸，則可以有43=64種密碼，滿足了編碼20種氨基酸的需要。411三聯(lián)子密碼及其破譯首先從數(shù)學(xué)的角度來考慮：mRNA中有4種核苷酸，蛋白質(zhì)中有20種氨基酸；以一種核苷酸代表一種氨基酸則蛋白質(zhì)中只能有4種氨基酸，不行。以兩種核苷酸作為一個(gè)氨基酸的密碼(二聯(lián)子)，它們能代表的氨基酸只有4216種，不足20種，也不行。以3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸，則可以有4

4、364種密碼，可以滿足編碼20種氨基酸的需要。經(jīng)過研究，Crick等人首先從遺傳學(xué)的角度證實(shí)三聯(lián)子密碼的構(gòu)想是正確的。在模板mRNA中插入或刪除一個(gè)堿基，會(huì)改變?cè)撁艽a子以后全部氨基酸序列。若同時(shí)對(duì)模板進(jìn)行插入和刪除試驗(yàn)，插入和刪除的堿基數(shù)一樣，后續(xù)密碼子序列就不會(huì)變化，翻譯得到的蛋白質(zhì)序列就保持不變(除了發(fā)生突變的那個(gè)密碼子所代表的氨基酸之外)。如果同時(shí)刪去3個(gè)核苷酸，翻譯產(chǎn)生少一個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)，序列不發(fā)生變化。至1966年，20種氨基酸對(duì)應(yīng)的61個(gè)密碼子和三個(gè)終止密碼子全部被查清。50-60年代破譯遺傳密碼方面的三項(xiàng)重要成果：（1）Paul Zamecnik等人證實(shí)細(xì)胞中蛋白質(zhì)合

5、成的場(chǎng)所。他們把放射性標(biāo)記的氨基酸注射到大鼠體內(nèi)，經(jīng)過一段時(shí)間后收獲其肝臟，進(jìn)行蔗糖梯度沉淀并分析各種細(xì)胞成份中的放射性蛋白質(zhì)。 如果注射后經(jīng)數(shù)小時(shí)（或數(shù)天）收獲肝臟，所有細(xì)胞成份中都帶有放射性標(biāo)記的蛋白質(zhì); 如果注射后幾分鐘內(nèi)即收獲肝臟，那么，放射性標(biāo)記只存在于含有核糖體顆粒的細(xì)胞質(zhì)成份中。（2）Francis Crick等人第一次證實(shí)只有用三聯(lián)子密碼的形式才能把包含在由AUGC四個(gè)字母組成遺傳信息（核酸）準(zhǔn)確無誤地翻譯成由20種不同氨基酸組成的蛋白質(zhì)序列，實(shí)現(xiàn)遺傳信息的表達(dá)。實(shí)驗(yàn)1:用吖啶類試劑（誘導(dǎo)核苷酸插入或丟失）處理T4噬菌體rII位點(diǎn)上的兩個(gè)基因，使之發(fā)生移碼突變（fra

6、me-shift），就生成完全不同的、沒有功能的蛋白質(zhì)。 實(shí)驗(yàn)2:研究煙草壞死衛(wèi)星病毒發(fā)現(xiàn)，其外殼蛋白亞基由400個(gè)氨基酸組成，相應(yīng)的RNA片段長(zhǎng)1200個(gè)核苷酸，與密碼三聯(lián)子體系正好相吻合。實(shí)驗(yàn)3:以均聚物為模板指導(dǎo)多肽的合成。 在含有tRNA、核糖體、AA-tRNA合成酶及其它蛋白質(zhì)因子的細(xì)胞抽提物中加入mRNA或人工合成的均聚物作為模板以及ATP、GTP、氨基酸等成分時(shí)又能合成新的肽鏈，新生肽鏈的氨基酸順序由外加的模板來決定。1961年，Nirenberg等以poly（U）作模板時(shí)發(fā)現(xiàn)合成了多聚苯丙氨酸，從而推出UUU代表苯丙氨酸（Phe）。以poly（C）及poly（A）做模

7、板分別得到多聚脯氨酸和多聚賴氨酸。 實(shí)驗(yàn)4:以特定序列的共聚物為模板指導(dǎo)多肽的合成。以多聚二核苷酸作模板可合成由2個(gè)氨基酸組成的多肽，5'UGU GUG UGU GUG UGU GUG3',不管讀碼從U開始還是從G開始，都只能有UGU（Cys）及GUG（Val）兩種密碼子。實(shí)驗(yàn)5:以共聚三核苷酸作為模板可得到有3種氨基酸組成的多肽。如以多聚（UUC）為模板，可能有3種起讀方式：5UUC UUC UUC UUC UUC3或 5UCU UCU UCU U

8、CU UCU3或 5'CUU CUU CUU CUU CUU3'分別產(chǎn)生UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu）.多聚三核苷酸為模板時(shí)也可能只合成2種多肽：5GUA GUA GUA GUA GUA3或5UAG UAG UAG UAG UAG3或5AGU AGU AGU AGU AGU3由第二種讀碼方式產(chǎn)生的密碼子UAG是終止密碼，不編碼任何氨基酸，因此，只產(chǎn)生GUA（Val）或AGU（Se

9、r）。實(shí)驗(yàn)6:以隨機(jī)多聚物指導(dǎo)多肽合成。Nirenberg等及Ochoa等又用各種隨機(jī)的多聚物作模板合成多肽。例如，以只含A、C的多聚核苷酸作模板，任意排列時(shí)可出現(xiàn)8種三聯(lián)子，即CCC、CCA、CAC、ACC、CAA、ACA、AAC、AAA，獲得由Asn、His、Pro、Gln、Thr、Lys等6種氨基酸組成的多肽。（3）氨基酸的“活化”與核糖體結(jié)合技術(shù)。以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等為模板，在含核糖體、AA-tRNA的反應(yīng)液中保溫后通過硝酸纖維素濾膜，只有游離的AA-tRNA因相對(duì)分子質(zhì)量小而通過濾膜，而核糖體或與核糖體結(jié)合的AA-tRNA則留在濾膜上，這樣可把已結(jié)合與未結(jié)合

10、的AA-tRNA分開。若用20種AA-tRNA做20組同樣的實(shí)驗(yàn)，每組都含有20種AA-tRNA和各種三核苷酸，但只有一種氨基酸用14C標(biāo)記，看那種AA-tRNA被留在濾膜上，再分析模板是那個(gè)三核苷酸，從模板三核苷酸與氨基酸的關(guān)系測(cè)知該氨基酸的密碼子。如模板是UUU時(shí)，PhetRNA結(jié)合于核糖體上，可知UUU是Phe的密碼子。412遺傳密碼的性質(zhì).1密碼的簡(jiǎn)并性由一種以上密碼子編碼同一個(gè)氨基酸的現(xiàn)象稱為簡(jiǎn)并（degeneracy），對(duì)應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子(synonymous codon)。密碼子有61種而氨基酸只有20種。所以除色氨酸和甲硫氨酸只有一個(gè)密碼子外，其他氨基酸都有

11、一個(gè)以上的密碼子。AUG和GUG既是Met和Val的密碼子又是起始密碼子。同義密碼子第一、二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改變不一定影響所編碼的氨基酸。一般說來，編碼某一氨基酸的密碼子越多，該氨基酸在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的頻率也越高。精氨酸是個(gè)例外，因?yàn)樵谡婧松镏蠧G雙聯(lián)子出現(xiàn)的頻率較低，所以盡管有6個(gè)同義密碼子，蛋白質(zhì)中精氨酸的出現(xiàn)頻率仍然不高。.2 密碼的普遍性與特殊性蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。.3 密碼的連續(xù)性編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。移碼突變(frame-shif

12、t mutation)：在mRNA中，若插入或刪去一個(gè)核苷酸，就會(huì)使讀碼發(fā)生錯(cuò)誤，稱為移碼，由于移碼而造成的突變、稱移碼突變。開放閱讀框架：從mRNA 5¢端起始密碼子AUG到3¢端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個(gè)蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。.4 密碼的擺動(dòng)性轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA上的反密碼子需要通過堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼子反向配對(duì)結(jié)合，在密碼子與反密碼子的配對(duì)中，前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基配對(duì)原則，第三對(duì)堿基有一定的自由度，可以“擺動(dòng)”，這種現(xiàn)象稱為密碼子的擺動(dòng)性。Wobble hyp

13、othesis 任意一個(gè)密碼子的前兩位堿基都與tRNA anticodon中的相應(yīng)堿基形成Watson-Crick堿基配對(duì)。 反密碼子第一位是A或C時(shí)，只能識(shí)別一個(gè)密碼子。當(dāng)反密碼子第一位是U或G時(shí)，能識(shí)別兩個(gè)密碼子。當(dāng)Inosine（I）作為反密碼子第一位時(shí)，能識(shí)別三個(gè)密碼子。 如果數(shù)個(gè)密碼子同時(shí)編碼一個(gè)氨基酸，凡是第一、二位堿基不相同的密碼子都對(duì)應(yīng)于各自的tRNA。 根據(jù)上述規(guī)則，至少需要32種不同的tRNA才能翻譯61個(gè)密碼子。42 tRNAtRNA在蛋白質(zhì)合成中處于關(guān)鍵地位，被稱為第二遺傳密碼。它不但為將每個(gè)三聯(lián)子密碼翻譯成氨基酸提供了

14、接合體，還為準(zhǔn)確無誤地將所需氨基酸運(yùn)送到核糖體上提供了載體。所有的tRNA都能夠與核糖體的P位點(diǎn)和A位點(diǎn)結(jié)合，此時(shí)，tRNA分子三葉草型頂端突起部位通過密碼子：反密碼子的配對(duì)與mRNA相結(jié)合，而其3末端恰好將所轉(zhuǎn)運(yùn)的氨基酸送到正在延伸的多肽上。代表相同氨基酸的tRNA稱為同工tRNA。在一個(gè)同工tRNA組內(nèi)，所有tRNA均專一于相同的氨基酰- tRNA合成酶。421 tRNA結(jié)構(gòu)1、tRNA的三葉草型二級(jí)結(jié)構(gòu) 受體臂（acceptor arm）主要由鏈兩端序列堿基配對(duì)形成的桿狀結(jié)構(gòu)和3端末配對(duì)的3-4個(gè)堿基所組成，其3端的最后3個(gè)堿基序列永遠(yuǎn)是CCA，最后一個(gè)堿基的3或2自

15、由羥基（OH）可以被氨?；?。TC臂是根據(jù)3個(gè)核苷酸命名的，其中表示擬尿嘧啶，是tRNA分子所擁有的不常見核苷酸。反密碼子臂是根據(jù)位于套索中央的三聯(lián)反密碼子命名的。D臂是根據(jù)它含有二氫尿嘧啶（dihydrouracil）命名的。最常見的tRNA分子有76個(gè)堿基，相對(duì)分子質(zhì)量約為2.5×104。不同的tRNA分子可有74-95個(gè)核苷酸不等，tRNA分子長(zhǎng)度的不同主要是由其中的兩條手臂引起的。tRNA的稀有堿基含量非常豐富，約有70余種。每個(gè)tRNA分子至少含有2個(gè)稀有堿基，最多有19個(gè)，多數(shù)分布在非配對(duì)區(qū)，特別是在反密碼子3'端鄰近部位出現(xiàn)的頻率最高，且大多為嘌呤核苷酸。這對(duì)于維

16、持反密碼子環(huán)的穩(wěn)定性及密碼子、反密碼子之間的配對(duì)是很重要的。 2tRNA的L形三級(jí)結(jié)構(gòu)酵母和大腸桿菌tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)都呈L形折疊式。這種結(jié)構(gòu)是靠氫鍵來維持的，tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)與AA- tRNA合成酶的識(shí)別有關(guān)。受體臂和TC臂的桿狀區(qū)域構(gòu)成了第一個(gè)雙螺旋，D臂和反密碼子臂的桿狀區(qū)域形成了第二個(gè)雙螺旋。tRNA的L形高級(jí)結(jié)構(gòu)反映了其生物學(xué)功能，因?yàn)樗纤\(yùn)載的氨基酸必須靠近位于核糖體大亞基上的多肽合成位點(diǎn)，而它的反密碼子必須與小亞基上的mRNA相配對(duì)，所以兩個(gè)不同的功能基團(tuán)最大限度分離。422 tRNA的功能1、解讀mRNA的遺傳信息2、運(yùn)輸?shù)墓ぞ?，運(yùn)載氨基酸423 tRNA的種類（

17、1）起始tRNA和延伸tRNA 能特異地識(shí)別mRNA模板上起始密碼子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA。原核生物起始tRNA攜帶甲酰甲硫氨酸（fMet），真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸（Met）。（2）同工tRNA 代表同一種氨基酸的tRNA稱為同工tRNA，同工tRNA既要有不同的反密碼子以識(shí)別該氨基酸的各種同義密碼，又要有某種結(jié)構(gòu)上的共同性，能被AA- tRNA合成酶識(shí)別。（3）校正tRNA 校正tRNA分為無義突變及錯(cuò)義突變校正。 在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因中，一個(gè)核苷酸的改變可能使代表某個(gè)氨基酸的密碼子變成終止密碼子（UAG、UGA、UAA），使蛋白質(zhì)合成提前

18、終止，合成無功能的或無意義的多肽，這種突變就稱為無義突變。1）無義突變無義突變的校正tRNA會(huì)與釋放因子競(jìng)爭(zhēng)識(shí)別密碼子2）錯(cuò)義突變錯(cuò)義突變的校正tRNA則與該密碼的正常tRNA競(jìng)爭(zhēng)3）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)別原來相應(yīng)的密碼子。424 AA- tRNA合成酶AA- tRNA合成酶是一類催化氨基酸與t

19、RNA結(jié)合的特異性酶，其反應(yīng)式如下：它實(shí)際上包括兩步反應(yīng)：第一步是氨基酸活化生成酶-氨基酰腺苷酸復(fù)合物。AA+ATP+酶（E）E-AA-AMP+PPi第二步是氨酰基轉(zhuǎn)移到tRNA 3末端腺苷殘基上，與其2或3-羥基結(jié)合。 E-AA-AMP+ tRNAAA- tRNA +E+AMP蛋白質(zhì)合成的真實(shí)性主要決定于AA- tRNA合成酶是否能使氨基酸與對(duì)應(yīng)的tRNA相結(jié)合。AA-tRNA合成酶既要能識(shí)別tRNA，又要能識(shí)別氨基酸，它對(duì)兩者都具有高度的專一性。不同的tRNA有不同堿基組成和空間結(jié)構(gòu)，容易被tRNA合成酶所識(shí)別，困難的是這些酶如何識(shí)別結(jié)構(gòu)上

20、非常相似的氨基酸。43核糖體核糖體像一個(gè)能沿mRNA模板移動(dòng)的工廠，執(zhí)行著蛋白質(zhì)合成的功能。它是由幾十種蛋白質(zhì)和幾種核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）組成的亞細(xì)胞顆粒。一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)約有20000個(gè)核糖體，而真核細(xì)胞內(nèi)可達(dá)106個(gè)，在未成熟的蟾蜍卵細(xì)胞內(nèi)則高達(dá)1012。核糖體和它的輔助因子為蛋白質(zhì)合成提供了必要條件。核糖體的組成 原核生物核糖體由約2/3的RNA及1/3的蛋白質(zhì)組成。真核生物核糖體中RNA占3/5，蛋白質(zhì)占2/5。核糖體是一個(gè)致密的核糖核蛋白顆粒，可以解離為兩個(gè)亞基，每個(gè)亞基都含有一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量較大的rRNA和許多不同的蛋白質(zhì)分子。 大腸桿菌核糖體

21、小亞基由21種蛋白質(zhì)組成，分別用S1S21表示，大亞基由33種蛋白質(zhì)組成，分別用L1L33表示。真核生物細(xì)胞核糖體大亞基含有49種蛋白質(zhì)，小亞基有33種蛋白質(zhì)。431核糖體的結(jié)構(gòu)核糖體是一個(gè)致密的核糖核蛋白顆粒，可以解離為大小兩個(gè)亞基，大亞基約為小亞基相對(duì)分子質(zhì)量的二倍。每個(gè)亞基都含有一個(gè)分子質(zhì)量較大的rRNA和許多蛋白質(zhì)分子。這些大分子rRNA能在特定位點(diǎn)與蛋白質(zhì)結(jié)合，從而完成核糖體不同亞基的組裝。核糖體上有不止一個(gè)的活性中心，每一個(gè)這樣的中心都由一組特殊的蛋白質(zhì)構(gòu)成。核糖體是一個(gè)許多酶的集合體，單個(gè)酶或蛋白只有在這個(gè)總體結(jié)構(gòu)內(nèi)才擁有催化性質(zhì)，它們?cè)谶@一結(jié)構(gòu)中共同承擔(dān)了蛋白質(zhì)生物合成的任務(wù)。

22、核糖體中許多蛋白質(zhì)(還包括rRNA)的主要功能就是建立這種總體結(jié)構(gòu)，使各個(gè)活性中心處于適當(dāng)?shù)南嗷f(xié)調(diào)的關(guān)系之中。大腸桿菌核糖體小亞基由21種蛋白質(zhì)組成；大亞基由36種蛋白質(zhì)組成。真核細(xì)胞核糖體大亞基含有49種蛋白質(zhì)；小亞基有33種蛋白質(zhì)。對(duì)核糖體蛋白質(zhì)的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)也有不少研究。在高倍電鏡下得到的原核生物70S核糖體大、小亞基相結(jié)合的模型，核糖體分子可容納兩個(gè)tRNA和約40bp長(zhǎng)的mRNA。432核糖體的功能核糖體存在于每個(gè)細(xì)胞中進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成。盡管在不同生物體內(nèi)其大小有別，但組織結(jié)構(gòu)基本相同，而且執(zhí)行的功能完全相同。核糖體包括至少5個(gè)活性中心，即mRNA結(jié)合部位、結(jié)合或接受AA- tRNA部位（A位）、結(jié)合或接受肽基tRNA的部位、肽基轉(zhuǎn)移部位（P位）及形成肽鍵的部位（轉(zhuǎn)肽酶中心），此外還有負(fù)責(zé)肽鏈延伸的各種延伸因子的結(jié)合位點(diǎn)。小亞基上擁有mRNA結(jié)合位點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)序列特異的識(shí)別過程，如起始位點(diǎn)的識(shí)別和