第一、二節(jié)生物信息的傳遞(下)從mRNA到蛋白質(zhì)1

第四章生物信息的傳遞－－從mRNA到蛋白質(zhì)

本章主要內(nèi)容：第一節(jié)遺傳密碼第二節(jié)tRNA第三節(jié)核糖體第四節(jié)蛋白質(zhì)合成的生物學(xué)過程第五節(jié)蛋白質(zhì)合成后的加工及轉(zhuǎn)運(yùn)第一節(jié)遺傳密碼一、遺傳密碼子的定義；二、遺傳密碼的破譯；三、遺傳密碼的特性；一、遺傳密碼子的定義及特征：1、密碼子的定義：密碼子（codon）是mRNA上連續(xù)排列的三個核苷酸序列，編碼一個氨基酸或者是終止信息的遺傳單位。2、遺傳密碼的特征：(1)、codon具有通用性（除mt）；(2)、在一個基因序列中codon具有不重疊性；二、密碼子的破譯1、三聯(lián)體密碼子的確立：（1）蛋白質(zhì)氨基酸：共有20種；而DNA堿基共有4種。（2）Crick等人發(fā)現(xiàn)T4噬菌體rII基因的移碼突變(1個堿基插入或缺失蛋白質(zhì)突變；同時刪除3個堿基少一個氨基酸的多肽；）。（3）煙草壞死衛(wèi)星病毒的研究發(fā)現(xiàn)，其中的一種蛋白由400個氨基酸組成，而其基因卻由1200個堿基組成。2、三聯(lián)體密碼子的破譯：（1）以均聚物、共聚物為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成的研究：

體外無細(xì)胞合成體系：含有蛋白質(zhì)翻譯的所需要的物質(zhì)，但沒有模板（加入DNase消化掉）。

原理：分析所加入的模板和最終得到的多肽序列，就可以推知氨基酸和密碼子的對應(yīng)情況；MarshallNirenberg(1961)ButInvitroPoly(U)poly(Phe)peptide

Poly(C)poly(Pro)peptide

Poly(A)poly(Lys)peptide

Poly(G)poly(Gly)peptidepoly(UCUCUC…)poly(Ser-Leu-Ser-Leu…)

UCU/CUCSer/Leu

61個codons被破譯，(僅剩UAA,UAG,UGA)Stopcodon

的證實(shí)Brenner(1961)發(fā)現(xiàn)T4phage頭部蛋白基因的虎珀突變（amber），突變體頭部蛋白較野生型的變短；推測：頭部蛋白基因發(fā)生了終止突變，使蛋白質(zhì)合成中斷。Garen(1965)通過對E.coli

堿性磷酸酯酶基因（phoA）琥珀突變株的大量回復(fù)突變株分析，確立了三個終止密碼子：Stopcodon

的證實(shí)證明：終止突變密碼為：

UAG(amber琥珀突變)UAA(ocher赭色突變)UGA(opal蛋白石突變)Geneticcodon3、密碼子的特性1)密碼子的簡并現(xiàn)象：概念：由一個以上密碼子（codon）編碼同一種氨基酸的遺傳現(xiàn)象稱為密碼子的簡并現(xiàn)象。對應(yīng)于同一種氨基酸的密碼子稱為同義密碼子。密碼子家族：編碼一種aa的密碼子間,前兩位堿基相同，僅3rd

堿基不同,這些密碼子稱為密碼子家族；例：Ser(6codons)1codonfamily&2extracodons密碼子的簡并性2)氨基酸對應(yīng)的密碼子數(shù)量和該氨基酸在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的頻率之間的關(guān)系：

數(shù)目多，出現(xiàn)的頻率高。CodonusageObservedforE.coliRibosomeProtein1209codons3）密碼子具有種屬偏好性；CodonusageinthegenesofAnimals2244codons4)、密碼子的普遍性與特殊性：(1)、密碼子具有普遍性；（2）、但有特例：在支原體(Mycoplasma)中，UGA

編碼色氨酸；在履蟲屬(CiliatesTetrahymena)和四膜蟲屬(Paramecium)的一些物種中UAA和UAG

編碼亮氨酸。線粒體中的編碼系統(tǒng)也有所不同；5)、通過密碼子與反密碼子之間的作用來指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成：（1）。密碼子與反密碼子之間的識別：密碼子5￠ACG3￠反密碼子3￠UGC5￠mRNA3553密碼子tRNA反密碼子（2）擺動假說（Wobblehypothesis）：

反密碼子:密碼子1th-Nt:3rd-Nt在一定范圍內(nèi)的可選擇配對現(xiàn)象

IA或U或C擺動假說的堿基配對規(guī)律（3）、線粒體中密碼子的特征：線粒體中具有與通用密碼不同的編碼信息A、

線粒體codon較為整齊（均為2/4/6）2codon;F,I,Y,H,Q,N,E,k,D,W,M,C4codon;V,P,T,A,R,G6codon;L,SB、

終止密碼子也與通用密碼子不一樣；CodonsComparingbetweeninusualandinmtIlestopstopArgTrpMetChangesoccurinthemitochondrialgeneticcode果蠅C、

Inmt22tRNAonly(32tRNAinuniversalcode)----線粒體“三中讀二”方式可減少tRNA（3）、線粒體中密碼子的特征：●

Codon-readingForcodonfamily;twoofthreereadingcodonUCU-----UCA-----UCG-----UCCanti-codonAGUUCSercodon

N1rd(U)A/U/C/G

僅起將codon隔開的作用5‘3‘5‘3‘第二節(jié)轉(zhuǎn)移RNA本節(jié)內(nèi)容一、tRNA的結(jié)構(gòu)；二、tRNA堿基修飾及其意義；三、tRNA的功能；四、tRNA有關(guān)的概念；五、氨酰tRNA合成酶；一、tRNA的一級結(jié)構(gòu)

1、RNA分子中核苷酸之間的連接方式：3′,5′-磷酸二酯鍵

2、tRNA一級結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn):

①M(fèi)r較小（Mr25000），沉降常數(shù)4S。②各種tRNA的鏈長很接近，一般在73～93個核苷酸之間。③tRNA分子中約20多個位置上的核苷酸是保守的（不變和半不變的）④各種tRNA的3′一端為CCA；5′一端大多數(shù)為pppG，少數(shù)為pppC。⑤tRNA分子中含有較多的修飾成分。3、tRNA的二級結(jié)構(gòu)：三葉草結(jié)構(gòu)（1）aa接受臂（aminoacidarm）

（2）二氫尿嘧啶臂（dihydrouridineloop,DHUloop）

（3）反密碼臂（anticodonloop）（4）額外臂（extraloop）

（5）TψC臂（TψCloop）---aaacceptarm;loadingaaat3’end---DHUloop;contactwithAARS---anti-codonloop;34thiswobblebase---TΨCloop;contactwith5srRNA---extraloop;classificationmarker?34

Itype;3-5Nt3/4tRNAIItype;13-21Nt

tRNA各部分的作用（4）RNA的三級結(jié)構(gòu)：L型折疊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：A、在一些二級結(jié)構(gòu)未配對堿基間形成的氫鍵而引發(fā)的，產(chǎn)生了一對雙螺旋結(jié)構(gòu)：受體臂和TψC臂桿狀區(qū)域之間形成一個；D臂和反密碼子臂的桿狀區(qū)域形成另外一個；B、TψC臂和D臂套索狀結(jié)構(gòu)位于L型的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；C、受體臂的頂端和反密碼子臂的套索結(jié)構(gòu)位于L型的頂點(diǎn)。（4）RNA的三級結(jié)構(gòu)：L型折疊tRNA的三級結(jié)構(gòu)

tRNA（transferribonucleicasid）在蛋白質(zhì)合成中處于關(guān)鍵地位，它不但為每個三聯(lián)體密碼子譯成氨基酸提供接合體，還為準(zhǔn)確無誤地將所需氨基酸運(yùn)送到核糖體上提供運(yùn)送載體。（1）被特定的氨酰-tRNA合成酶識別的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，使tRNA接受正確的活化氨基酸。（2）在蛋白質(zhì)合成過程中，tRNA恰到好處的三級結(jié)構(gòu)，起著連結(jié)生長的多肽鏈與核糖體的作用。

tRNA三級結(jié)構(gòu)的意義：---aaacceptarm位于“L”的一端，契合于核糖體的肽基轉(zhuǎn)移酶結(jié)合位點(diǎn)PA,以利肽鍵的形成---anti-codonarm位于”L”另一端，與結(jié)合在核糖體小亞基上的codonofmRNA配對

AP●線粒體tRNA

與通用tRNA

的結(jié)構(gòu)差異---noTΨCloopinmt-tRNA---noDHUloopinsomemt-tRNA---G+C/A+U=0.25~0.94inmt-tRNAG+C/A+U=1~2inuniversaltRNA二、Anti-codon及其兩側(cè)堿基修飾對密碼子解讀的生物學(xué)意義Xo5U(5-羥基尿苷)Cmnm5U(5-羧甲基氨甲基尿苷)mCm5U(5-甲氧基羰甲基尿苷)Xm5s2U(5-甲基-2硫代尿苷)K2C(2-賴氨酸胞苷)Com5U(5(2)-羥羧甲基尿苷)I(Inosine次黃嘌呤)m7G(7-甲基尿苷)m5C(5-甲基胞苷)m6A(6-甲基腺苷)s2C(2-硫代胞苷)ψ(假尿苷)Um(2’-O-甲基尿苷)Q(Queuosine)1、MethylatedNtatanti-codonandflanked2tRNA中anti-codon堿基修飾的意義●

限制對密碼識讀的隨意性，以保證遺傳的穩(wěn)定UA/GCm5S2U（5-甲基-2硫代尿苷）A(only)在特定表達(dá)細(xì)胞中●

提高搖擺能力，防止突變發(fā)生，以保證遺傳的穩(wěn)定AUAIA/C/UUA/GUCmO5UA/G/U●

保證正確的讀碼框架,限制+1讀碼，以保證遺傳的穩(wěn)定但在trmD3突變體中(不能修飾tRNA的G37)E.coliSalmonella（沙門氏菌屬）具有m1G37的tRNApro可識讀CNN(以C開頭的密碼子)tRNAproU34G35G36m1G37可識讀CCA/CCGtRNApro則只能以+1讀碼方式，U34G35G36G37

識讀CCCtRNAproU34G35G36G37U34G35G36m1G37

anti-codon兩側(cè)的堿基亦被稱為擴(kuò)展的反密碼子●

anti-codon兩側(cè)堿基的修飾，以提高配對的穩(wěn)定性codon/anti-codon

的穩(wěn)定性

GC多>

A=T多A,U多的anti-codon,其兩側(cè)多發(fā)生修飾●反密碼子第一位堿基發(fā)生修飾后，與密碼子的第三位堿基的結(jié)合力存在差異，導(dǎo)致了一些物種中部分的codonbiasU*A>GIU>C>A二、tRNA的功能是遺傳信息從mRNA流動到蛋白質(zhì)的過程中起“解碼器”的作用；具有反密碼子，能夠識別mRNA上的密碼子；具有特定的三維結(jié)構(gòu)，在氨酰－tRNA合成酶的幫助下，能夠和特異性氨基酸相結(jié)合；由于其特定的空間構(gòu)象，在核糖體中，其反密碼子臂能夠和核糖體小亞基中的mRNA相結(jié)合，另一端的氨基酸接受臂可以使氨基酸正確插入到正在延伸的肽鏈的C末端上。三、與tRNA有關(guān)的概念：1、起始tRNA和延伸tRNA：

在原核生物和真核生物細(xì)胞中，有一類能夠特異識別mRNA模板上起始密碼子（AUG）的tRNA，稱為起始tRNA。其他的則統(tǒng)稱為延伸tRNA。

原核生物：起始tRNA攜帶的氨基酸為甲酰甲硫氨酸（fMet)；

真核生物：起始tRNA攜帶的氨基酸為甲硫氨酸。2、同工tRNA：（1）、定義：由于一種氨基酸可能有多個密碼子，因此可能有多個tRNA。將一種氨基酸對應(yīng)的所有的tRNA稱為同工tRNA；（2）、同工tRNA的特點(diǎn)：

a、每一組同工tRNA專一于相同的氨酰－tRNA合成酶（AARS）；

b、不同組同工tRNA之間具有某種結(jié)構(gòu)上的差異；3、校正tRNA：（1）、無義突變：是指編碼蛋白質(zhì)的基因中，有些核苷酸的改變可以使其所在的三聯(lián)體密碼子變?yōu)榻K止密碼子，從而使該蛋白質(zhì)的合成提前終止，而合成無功能的多肽，密碼子的這種突變稱為無義突變。（2）、錯義突變：是由于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因中某個核苷酸的變化使一種氨基酸的密碼子變?yōu)榱硪环N氨基酸的密碼子，稱為錯義突變。（3）、校正tRNA：無義突變和錯義突變都能以其相應(yīng)的tRNA進(jìn)行校正，從而防止錯誤的蛋白質(zhì)生成，這些tRNA稱為校正tRNA。大腸桿菌無義突變的校正RNA位點(diǎn)tRNA野生型校正基因識別密碼反密碼識別密碼反密碼SupD

SupE

SupC

SupG

supUSer