第四章生物信息的傳遞－－從mRNA到蛋白質

本章主要內容：第一節遺傳密碼第二節tRNA第三節核糖體第四節蛋白質合成的生物學過程第五節蛋白質合成后的加工及轉運第一節遺傳密碼一、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、三聯體密碼子的確立：（1）蛋白質氨基酸：共有20種；而DNA堿基共有4種。（2）Crick等人發現T4噬菌體rII基因的移碼突變(1個堿基插入或缺失蛋白質突變；同時刪除3個堿基少一個氨基酸的多肽；）。（3）煙草壞死衛星病毒的研究發現，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、三聯體密碼子的破譯：（1）以均聚物、共聚物為模板指導蛋白質的合成的研究：

體外無細胞合成體系：含有蛋白質翻譯的所需要的物質，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Brenner(1961)發現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：頭部蛋白基因發生了終止突變，使蛋白質合成中斷。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突變株分析，確立了三個終止密碼子：Stopcodon

的證實證明：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)密碼子的簡并現象：概念：由一個以上密碼子（codon）編碼同一種氨基酸的遺傳現象稱為密碼子的簡并現象。對應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)氨基酸對應的密碼子數量和該氨基酸在蛋白質中出現的頻率之間的關系：

數目多，出現的頻率高。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也有所不同；5)、通過密碼子與反密碼子之間的作用來指導蛋白質的合成：（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在一定范圍內的可選擇配對現象

IA或U或C擺動假說的堿基配對規律（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‘第二節轉移RNA本節內容一、tRNA的結構；二、tRNA堿基修飾及其意義；三、tRNA的功能；四、tRNA有關的概念；五、氨酰tRNA合成酶；一、tRNA的一級結構

1、RNA分子中核苷酸之間的連接方式：3′,5′-磷酸二酯鍵

2、tRNA一級結構的共同點:

①Mr較小（Mr25000），沉降常數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′一端大多數為pppG，少數為pppC。⑤tRNA分子中含有較多的修飾成分。3、tRNA的二級結構：三葉草結構（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的三級結構：L型折疊結構特點：A、在一些二級結構未配對堿基間形成的氫鍵而引發的，產生了一對雙螺旋結構：受體臂和TψC臂桿狀區域之間形成一個；D臂和反密碼子臂的桿狀區域形成另外一個；B、TψC臂和D臂套索狀結構位于L型的轉折點；C、受體臂的頂端和反密碼子臂的套索結構位于L型的頂點。（4）RNA的三級結構：L型折疊tRNA的三級結構

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

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

AP●線粒體tRNA

與通用tRNA

的結構差異---noTΨCloopinmt-tRNA---noDHUloopinsomemt-tRNA---G+C/A+U=0.25~0.94inmt-tRNAG+C/A+U=1~2inuniversaltRNA二、Anti-codon及其兩側堿基修飾對密碼子解讀的生物學意義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，以保證遺傳的穩定UA/GCm5S2U（5-甲基-2硫代尿苷）A(only)在特定表達細胞中●

提高搖擺能力，防止突變發生，以保證遺傳的穩定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兩側的堿基亦被稱為擴展的反密碼子●

anti-codon兩側堿基的修飾，以提高配對的穩定性codon/anti-codon

的穩定性

GC多>

A=T多A,U多的anti-codon,其兩側多發生修飾●反密碼子第一位堿基發生修飾后，與密碼子的第三位堿基的結合力存在差異，導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；具有特定的三維結構，在氨酰－tRNA合成酶的幫助下，能夠和特異性氨基酸相結合；由于其特定的空間構象，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有關的概念：1、起始tRNA和延伸tRNA：

在原核生物和真核生物細胞中，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。將一種氨基酸對應的所有的tRNA稱為同工tRNA；（2）、同工tRNA的特點：

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之間具有某種結構上的差異；3、校正tRNA：（1）、無義突變：是指編碼蛋白質的基因中，有些核苷酸的改變可以使其所在的三聯體密碼子變為終止密碼子，從而使該蛋白質的合成提前終止，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：是由于蛋白質結構基因中某個核苷酸的變化使一種氨基酸的密碼子變為另一種氨基酸的密碼子，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的tRNA進行校正，從而防止錯誤的蛋白質生成，這些tRNA稱為校正tRNA。大腸桿菌無義突變的校正RNA位點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