第四章从mRNA到蛋白质生物信息的传递.

1、4.1遗传密码――三联子贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递为蛋白质。mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸称为密码，也叫三联子密码翻译时从起始密码子AUG开始，沿着mRNA5’→3’的方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链――蛋白质4.1.1三联子密码及其破译三种核苷酸代表一种氨基酸一种核苷酸代表一种氨基酸两种核苷酸代表一种氨基酸4种氨基酸42＝16种43＝64种•在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全部氨基酸序列。•若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样，后续密码子序列就不会变化，翻译得到的蛋白质序列就保持不变(除了发生突变的那个密码子所代表的氨基酸之外)。•如果同时删去3个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序列不发生变化。T4噬菌体rⅡ位点上两个基因•对烟草坏死卫星病毒的研究发现：其外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，而相应的RNA片段长约1200个核苷酸，与假设的密码三联子体系正好相吻合在20世纪60年代，由于体外蛋白质合成体系的建立和核酸人工合成技术的发展，科学家花了几年时间。

2、破译了遗传密码，即确定了代表每种氨基酸的具体密码一、通用的三联体密码DNA遗传信息mRNA蛋白质遗传密码1、Codon的特征a、概念：mRNA上连续排列的三个NT序列，编码一个AA信息的遗传单位b、具有四大生物系统（病毒、细菌、动植物）的通用性和保守性（Mt除外）C、一个基因序列中，有不重叠性和无标点性遗传密码的破译归功于三个经典的生物化学实验：–体外翻译系统的建立–核苷酸结合技术–核酸的人工合成体外翻译系统尼伦伯格(.M.W.Nirenberg)ATP、GTP、AA＊体外翻译系统•按一定的碱基比例来合成RNA。碱基比为U:G＝5:1，三联体8种：UUU，UUG，UGU，GUU，GGG，GGU，GUG，UGG。UUU:UGG＝（5´5´5）:（5´1´1）＝25:1UUU:UUG＝5:1•根据这样的推测，在无细胞系统中以这种比例合成的mRNA产生的氨基酸的比例也应是相应的，这样可以推测出密码子的组成。如氨基酸测定结果：苯丙氨酸（UUU）:半胱氨酸（UGU）＝5:1苯丙氨酸（UUU）:缬氨酸（GUU）＝5:1体外翻译系统核苷酸结合技术实验为20组：SerC14、Leu、Lys、Arg……。

3、…….（20种）Ser、LeuC14、Lys、Arg………….Ser、Leu、LysC14、Arg………….……………………分析留在滤膜上的核糖体中的AA—tRNA和其相应的模板•此方法未能破译全部的codon（结合效率）Ser-C14….Leu-C14….Lys-C14….Gly-C14….核苷酸结合技术核苷酸结合技术人工合成核苷酸（作为模板，加入dNTP,据合成的多肽链的氨基酸组成，破译氨基酸的密码）柯腊拉（H.G.Khorana）（1922～）表14-1用二个或三个、四个核苷酸构造重复共聚体来确定密码子重复顺序可组成的三联密码多肽的氨基酸组成(UC)nUCU-CUCSer-Leu(UUC)n(UUC);(UCU);(CUU)polyPhe,polySer,polyLeu(UUAC)n(UUA-CUU-ACU-UAC)Leu-Leu-Thr-Tyr4.1.2遗传密码的性质1.连续性（commaless）遗传密码的特点编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间隔也无重叠。重叠密码非重叠连续的密码不连续的密码基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致。

4、框移突变(frameshiftmutation)。由于对mRNA外显子的加工，造成mRNA与其DNA模板序列之间不匹配，使同一mRNA前体翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑（mRNAediting)。mRNA编辑2.简并性（degeneracy）遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2~4个或多至6个密码子为之编码。遗传密码的简并性密码子简并性的生物学意义：减少有害突变。遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。GCUACUGCCACCGCAACAGCGACGAlaThr3.通用性（universal）•蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。•有少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。•密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。4.摆动性（wobble）tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为摆动性。酪5’5’3’AUGGUUUACACA酪氨酰-tRNA反密码mRNA密码与反密码的碱基配对摆动配对U在密码子与反密码子的配对中。

5、，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动”为I(次黄嘌呤)时可识别3种密码子为G或U时可以识别2种密码子反密码子第一位为A或C时只能识别1种密码子三中读二一般可分为三种情况：(1)第１,２两个碱基形成６个氢键时，可三中读二。如ＣＣＸ，ＣＧＸ，ＧＣＸ和ＧＧＸ(3)第１，２两个碱基形成５个氢键时,当第二个碱基为嘧啶时，可三中读二；如ＵＣＸ，ＡＣＸ，ＣＵＸ和ＧＵＸ。当第二个碱基为嘌呤时则不能三中读二，如ＣＡＸ，ＧＡＸ，ＵＧＸ和ＡＧX。(2)第1,2两个碱基形成4个氢键时,不可三中读二。如AAX，ＡＵＸ，ＵＡX和ＵＵＸ如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的tRNA。第一、二位碱基相同的密码子，则共用一种tRNA原核生物中有30～45种tRNA真核细胞中存在50种左右tRNA4.2tRNA￡tRNA为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体；￡为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体（又被称为第二遗传密码）。￡各种tRNA形成三叶草形的二级结构。三叶草形tRNA分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手臂。4.2。

6、.1tRNA最小的RNA，4S，70~80个base1、tRNA的高级结构1964Holly.R.鉴定出tRNAphe的二级结构为三叶草形（77个NT）（1）三叶草结构（5个臂4个环）a、氨基酸接受臂（aaacceptarm）——受体臂•tRNA的5’与3’-末端碱基配对形成•3’端永远为不配对的CCA序列•最后的A的3’或2’-OH可以被氨酰化b、另外是D（DHU环双氢脲嘧啶）环D臂c、含丰富的稀有碱基（约70余种碱基核糖残基）反密码子3’端邻近部位………..反密码子环反密码子臂(anti—codonarm)附加臂（extraarm）TψC环TψC臂其中附加臂通常是可变的稀有碱基出现的频率高，对于维持反密码环的稳定性、密码子和反密码子之间的配对很重要TψC环附加环反密码子环DHU环aa接受臂（2）“L”形三级结构---anti-codonarm位于”L”另一端，与结合在核糖体小亚基上的codonofmRNA配对b、“L”结构域的功能---aaacceptarm位于“L”的一端，契合于核糖体的肽基转移酶结合位点PA,以利肽键的形成a、“L”构型的结构力•二级结构中的碱基堆积力和氢键•二。

7、级结构中未配对碱基形成的氢键氢键维持了“L”型的结构---TΨCloop&DHUloop位于“L”两臂的交界处，利于“L”结构的稳定反密码子臂AA受体臂TΨC臂D臂---“L”结构中碱基堆积力大使其拓扑结构趋于稳定wobblebase位于“L”结构末端堆积力小自由度大使碱基配对摇摆2、tRNA的种类（2）同工tRNA（isoacceptingtRNAs）（1）起始tRNA和延伸tRNA起始tRNA:Prok中，携带甲酰甲硫氨酸（fMet）Euk中，携带甲硫氨酸（Met）延伸tRNA：其他tRNA…..携带AA相同而反密码子不同的一组tRNA•不同的反密码子识别AA的同义密码•结构上能被AA–tRNA合成酶识别的共性(3)校正tRNA无义抑制－－也会造成对正常终止密码子的通读，产生比野生型长的蛋白质错义抑制tRNA要和正常的tRNA去竞争，因此成功率50％无义突变使UUG变为UAGTyr-tRNA阅读UAG密码子AUGUUGUAAAUGUAGUAAAUGUAGUAAUACAACAUCAUG释放因子抑制突变LeuTyrTyr图14－17带有突变反密码子的tRNA可抑制无义突变表14-6由反。

8、密码子突变而产生的无义抑制基因野生型抑制基因基因tRNA识别的密码子反密码子反密码子识别的密码子SupD(su1)SerUCGCGACUAUAGSupE(su2)GlnCAGCUGCUAUAGSupF(su3)TyrUAC,UAUGUACUAUAGSupC(su4)TyrUAC/UAUGUAUUAUAA/UAGSupG(su5)LysAAA/AAGUUUUUAUAA/UAGSupU(su7)TrpUGGCCAUCAUGA/UGG错义突变错义突变AUGAGAUAAAUGGGAUAAAUGAGAUAAUCUCCUUCU抑制突变ArgGlyGly图14-18反密码子发生突变可抑制错义突变3、副密码子与氨酰基tRNA的合成（1）氨酰基tRNA的合成执行着双重功能•为肽建的合成提供能量•执行遗传信息的解读（2）AA–tRNA合成酶（AARS）★需要三种底物AAtRNAATP实验证实—模板mRNA只能识别特异的tRNA而不是AA[14C]-Cys-tRNACysNi[14C]-Ala-tRNACys氨酰基与tRNA的3’端A的2’/3’—OH结合AA–tRNA+AMP+ppiAARS★因此有三个位。

9、点aabindingsitetRNAbindingsiteATPsite★反应为AA+tRNA+ATP氨酰－tRNA合成酶结合错误氨基酸的校正氨酰－tRNA合成酶结合tRNA的校正化学校正动力学校正增加了负载前水解掉的机会★Prok中AARS有20种，对AA专一（同工受体）★Prok和Euk有一定的差别★可分为两类反应机制的差别：TypeⅠ类酶先将氨酰基转移到tRNA3’端A的2’-OH然后通过转酯反应转移到3’–OH上TypeⅡ类酶直接将氨酰基转移至3’–OH上两类酶与tRNA反应时－－接近模式不同合成酶与tRNA相互束缚的普通模型提出：蛋白沿L型分子的一侧束缚tRNA（tRNA的两端被束缚）1型与tRNA的D-环结合，识别其受体臂的小沟2型在另一侧结合，识别可变环和受体臂的大沟（3）Paracodon(副密码子)的概念；tRNA中决定负载特定氨基酸的空间密码AARStRNAbindingsiteaabindingsiteParacodonoftRNA装载AminoAcid（R）tRNA中的特定序列与AARS的tRNAbindingsite的特异基团间的分子契合a、1988.Schi。

10、mmel和侯雅明G3:U70是决定tRNA负载Ala的特异密码信息b、1991.schummanL.证明；tRNAmetf的paracodon位于anti-codonc、paracodon的特征---为同一种AARS所识别的一组同功受体具有相同的副密码子---paracodon是为AARS（特定氨基酸）所识别的若干碱基（并非均为一对核苷酸）---AARS对paracodon的识别与结合是通过氨基酸与碱基之间的连接实现的。属于生物II型空间密码tRNAAla(GGC)tRNAAla(UGC)具有G3：U70paracodond、按氨基酸序列将AARS分为两类typeI包括Val,Arg,Gln,Glu,Ile,Leu,Met,Trp,Tyrparacodon大多位于反密码子臂typeIIparacodon大多位于氨基酸接受臂个别还同时在附加臂上有相应碱基4.2.2tRNA的功能转录：DNA→RNA；结构上相似；碱基配对；一对一翻译：mRNA→蛋白质；结构极不相同；复杂功能一：tRNA的解码机制完成翻译AAAA－tRNAmRNA-核糖体复合物AA－tRNA合成酶ATP密码子与反密码子识别配对。