第七讲 遗传信息的表征 从RNA到蛋白质的翻译 RNA到蛋白质的翻译 从mRNA到蛋白质的翻译 到蛋白质的翻译 翻译（translation）：遗传信息从核酸序列转译成蛋白质 翻译（ ）：遗传信息从核酸序列转译成蛋白质 ）： 中的氨基酸序列的过程。即蛋白质合成过程。 中的氨基酸序列的过程。即蛋白质合成过程。 摩尔斯电码 由美国人艾尔菲 德·维尔发明 原核和真核生物翻译的时空差异 原核生物中，转录和翻译偶联进行； 原核生物中，转录和翻译偶联进行； 真核生物中，转录和翻译发生在不同的空间。 真核生物中，转录和翻译发生在不同的空间。 蛋白质的合成机制是最复杂的 生物合成机制之一 真核细胞中，蛋白质的合成需要： 真核细胞中，蛋白质的合成需要： ●70种以上的核糖体蛋白参与； 种以上的核糖体蛋白参与； 种以上的核糖体蛋白参与 多种的酶来激活氨基酸； ●20多种的酶来激活氨基酸； 多种的酶来激活氨基酸 10多种起始因子 多种起始因子、 ●10多种起始因子、延伸因子和终止因子来进行 肽链合成的起始、延伸、和终止； 肽链合成的起始、延伸、和终止； 多种酶参与各类蛋白的修饰和加工； ●100多种酶参与各类蛋白的修饰和加工； 多种酶参与各类蛋白的修饰和加工 ●300多种生物大分子参与； 多种生物大分子参与； 多种生物大分子参与 的总能量用于蛋白质的合成； ●90%的总能量用于蛋白质的合成； 的总能量用于蛋白质的合成 的细胞干物质参与蛋白质的合成。 ●35%的细胞干物质参与蛋白质的合成。 的细胞干物质参与蛋白质的合成 参与蛋白质生物合成的RNA 参与蛋白质生物合成的 ● mRNA（messenger RNA，信使 （ ，信使RNA） ） 是蛋白质合成的直接模板和图纸。 是蛋白质合成的直接模板和图纸。 模板和图纸 ● tRNA（transfer RNA，转移 （ ，转移RNA） ） 将特定的核酸序列转换成为对应的氨基酸 序列，是蛋白质合成的解码器。 序列，是蛋白质合成的解码器。 解码器 ● rRNA（ribosomal RNA，核糖体 （ ，核糖体RNA） ） 与蛋白质构成核糖核蛋白体， 与蛋白质构成核糖核蛋白体，是蛋白质合 成的加工厂。 成的加工厂。 加工厂 遗传密码 人们已知蛋白质是由20种氨基酸组成， 只是由A、 、 、 人们已知蛋白质是由 种氨基酸组成，而DNA只是由 、T、C、 种氨基酸组成 只是由 G四种核苷酸构成 ，核苷酸残基序列决定了氨基酸的顺序，这是一种 四种核苷酸构成 核苷酸残基序列决定了氨基酸的顺序， 四种核苷酸构成， 密码（ 密码（codons）的关系。 ）的关系。 1954年，Gamouv G首先对遗传密码进行了研究。 年 首先对遗传密码进行了研究。 首先对遗传密码进行了研究 如果1个核苷酸对应 个氨基酸 则只能编码4种氨基酸（ 个氨基酸， 如果 个核苷酸对应1个氨基酸，则只能编码 种氨基酸（41 ＝16 ） 如果2个核苷酸对应 个氨基酸 则只能编码16种氨基酸（ 个氨基酸， 如果 个核苷酸对应1个氨基酸，则只能编码 种氨基酸（42 ＝16 ） 个氨基酸， 如果3个核苷酸对应1个氨基酸 就可编码64种氨基酸（ ） 如果 个核苷酸对应 个氨基酸，就可编码 种氨基酸（43＝64）， 可以满足20种氨基酸的需要。 可以满足 种氨基酸的需要。 种氨基酸的需要 编码氨基酸的最低碱基数是3，即密码子可能是三联体。 编码氨基酸的最低碱基数是 ，即密码子可能是三联体。 三联体密码子的实验证据 1961年， Francis Crick等人用遗传学的方法证明了三联密码子的 年 等人用遗传学的方法证明了三联密码子的 学说的正确性， 学说的正确性，第一次证实只有用三联子密码的形式才能把包含在由 AUGC四个字母组成遗传信息（核酸）准确无误地翻译成由 种不同氨 四个字母组成遗传信息（ 四个字母组成遗传信息 核酸）准确无误地翻译成由20种不同氨 基酸组成的蛋白质序列，实现遗传信息的表达。 基酸组成的蛋白质序列，实现遗传信息的表达。 证据1: 证据 用吖啶类试剂（诱导核苷酸插入或丢失）处理T4噬菌体 位点上的基因， 噬菌体rII位点上的基因 用吖啶类试剂（诱导核苷酸插入或丢失）处理 噬菌体 位点上的基因， 使之发生移码突变，结果生成一个完全不同的、没有功能的蛋白质。 使之发生移码突变，结果生成一个完全不同的、没有功能的蛋白质。 证据2: 证据 烟草坏死卫星病毒研究发现，其外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，相 个氨基酸组成， 烟草坏死卫星病毒研究发现，其外壳蛋白亚基由 个氨基酸组成 应的RNA片段长 片段长1200个核苷酸，与密码三联子体系正好相吻合。 个核苷酸， 应的 片段长 个核苷酸 与密码三联子体系正好相吻合。 遗传密码的破译 1961年，M.Nirenberg等人破译出了第一个遗传密码。 年 等人破译出了第一个遗传密码。 等人破译出了第一个遗传密码 采用蛋白质的体外合成技术， ● 采用蛋白质的体外合成技术，在 每个试管中分别加入一种氨基酸， 每个试管中分别加入一种氨基酸，再 加入除去了DNA和mRNA的细胞提取 加入除去了 和 的细胞提取 液，以及人工合成的多聚尿嘧啶核苷 以及人工合成的多聚尿嘧啶核苷 结果加入了苯丙氨酸 苯丙氨酸的试管中出 酸。结果加入了苯丙氨酸的试管中出 现了多聚苯丙氨酸的肽链。 现了多聚苯丙氨酸的肽链。 实验结果说明： ● 实验结果说明：多聚尿嘧啶核苷 酸导致了多聚苯丙氨酸的合成，而多 酸导致了多聚苯丙氨酸的合成， 聚尿嘧啶核苷酸的碱基序列是由许多 个尿嘧啶组成的， 个尿嘧啶组成的，可见尿嘧啶的碱基 序列编码由苯丙氨酸组成的肽链， 序列编码由苯丙氨酸组成的肽链，与 苯丙氨酸对应的密码子应该是UUU。 苯丙氨酸对应的密码子应该是 。 遗传密码的实验证据 ●1964年，M. Nirenberg等人首 年 等人首 先合成一个已知序列的核苷酸三 聚体， 聚体，然后与大肠杆菌核糖体和 氨酰tRNA一起温育。由此确定与 一起温育。 氨酰 一起温育 已知核苷酸三聚体结合的tRNA上 已知核苷酸三聚体结合的 上 连接的是那一种氨基酸。 连接的是那一种氨基酸。 ●这个实验对于几种密码编码同 直接的、 一个氨基酸提供了直接的 一个氨基酸提供了直接的、最好 的证据。 的证据。 遗传密码的实验证据 Har Gobind Khorana等人利用 等人利用 有机化学和酶法制备了已知的核苷酸 重复序列，以此多聚核苷酸作模板， 重复序列，以此多聚核苷酸作模板， 在体外进行蛋白质合成。 在体外进行蛋白质合成。发现可以生 成三种重复的多肽链。若从A翻译 翻译， 成三种重复的多肽链。若从 翻译， 则合成出多聚Ile， 对应Ile； 则合成出多聚 ，即AUC对应 ；若 对应 翻译， 从U翻译，则合成出多聚 翻译 则合成出多聚Ser，即 ， UCA对应 对应Ser；若从 翻译，则合成 翻译， 对应 ；若从C翻译 出多聚His，即CAU对应 对应His。 出多聚 ， 对应 。 这是因为体外合成是无调控的合 可以随机地从A、 翻译， 成，可以随机地从 、或U、或C翻译， 、 翻译 所以有三种重复的多肽链生成。 所以有三种重复的多肽链生成。 1968年诺贝尔医学或生理奖 年诺贝尔医学或生理奖 Marshall W. Nirenberg Har Gobind Khorana “for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis. ” 遗传密码 遗传密码（ ）：DNA或mRNA 上的核苷酸顺序与蛋白质 遗传密码（genetic codon）： ）： 或 中的氨基酸之间的对应关系。 中的氨基酸之间的对应关系。 三联体密码（ ）：mRNA上每三个连续核苷酸对应一个氨基 三联体密码（triplet codon）： ）： 上每三个连续核苷酸对应一个氨基 酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。 遗传密码 起始密码子（ ）：指定蛋白质合成起始位点的密码子 起始密码子（iniation codon）：指定蛋白质合成起始位点的密码子。起始密码子 ）：指定蛋白质合成起始位点的密码子。 有2个，甲硫氨酸（AUG）和缬氨酸（GUG）。 个 甲硫氨酸（ ）和缬氨酸（ ）。 终止密码子（ 分子识别、 终止密码子（termination codon）：不能被任何 ） 不能被任何tRNA分子识别、但可被特殊蛋 分子识别 白结合并引起新合成的肽链从核糖体上释放的密码子。终止密码子有3个 白结合并引起新合成的肽链从核糖体上释放的密码子。终止密码子有 个，分别是 UAA、UAG、UGA，没有相应的转运核糖核酸（tRNA）存在。 、 、 ，没有相应的转运核糖核酸（ ）存在。 遗传密码的基本特性 通用性（ 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。 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 ●已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。 已发现少数例外，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。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。 植物细胞的叶绿体、 植物细胞的叶绿体、真核细胞的线粒体中密码子有许多不同于通 用密码，例如人线粒体中， 不是终止码， 用密码，例如人线粒体中，UGA不是终止码，而是色氨酸的密码 不是终止码 不是精氨酸的密码子， 子，AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，加上通 ， 不是精氨酸的密码子 而是终止密码子， 用密码中的UAA和UAG，线粒体中共有 组终止密码子。 组终止密码子。 用密码中的 和 ，线粒体中共有4组终止密码子 遗传密码的基本特性 连续性（continuity） 连续性（ ） 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读， 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 间断也无交叉，密码子与密码子之间没有任何不编码的核苷酸， 间断也无交叉，密码子与密码子之间没有任何不编码的核苷酸， 基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变。 阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变。 基因损伤引起 阅读框架内的碱基发生插入或缺失 遗传密码的基本特性 简并性（ 简并性（degeneracy） ） 几种密码子对应于相同一种氨基酸的现象。 几种密码子对应于相同一种氨基酸的现象。 简并密码子（ ）：也称为同义密码子 简并密码子（degenerate codon）：也称为同义密码子 ）： ），指编码相同氨基酸的几个不同的密码子 （synonymous codon），指编码相同氨基酸的几个不同的密码子。 ），指编码相同氨基酸的几个不同的密码子。 甲硫氨酸和 至少有两个密码子。 除了甲硫氨酸 色氨酸外 每一个氨基酸都至少有两个密码子 除了甲硫氨酸和色氨酸外，每一个氨基酸都至少有两个密码子。这 样可以在一定程度内， 样可以在一定程度内，使氨基酸序列不会因为某一个碱基被意外替换而 导致氨基酸错误。 导致氨基酸错误。 遗传密码的基本特性 简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的， 简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的， 也就是说密码子的专一性主要由前两个碱基决定，即使第三个碱 也就是说密码子的专一性主要由前两个碱基决定， 基发生突变也能翻译出正确的氨基酸， 基发生突变也能翻译出正确的氨基酸，这对于保证物种的稳定性 有一定意义。 有一定意义。 蛋白质合成的解码器： 蛋白质合成的解码器： tRNA 在蛋白质合成中， 起着运载氨基酸的作用， ● 在蛋白质合成中，tRNA起着运载氨基酸的作用，按照 起着运载氨基酸的作用 按照mRNA链上的 链上的 密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。 密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。 分子在蛋白质合成中充当的是遗传密码的翻译， ● tRNA分子在蛋白质合成中充当的是遗传密码的翻译，是mRNA的核 分子在蛋白质合成中充当的是遗传密码的翻译 的核 苷酸序列和多肽中氨基酸序列信息之间的桥梁。 苷酸序列和多肽中氨基酸序列信息之间的桥梁。每一个细胞内至少含有 20种 tRNA（ 一种氨基酸对应一种 种 （ 一种氨基酸对应一种tRNA） ， 就是说每种 ） 就是说每种tRNA应当能够 应当能够 至少识别一个mRNA密码，才能满足它作为解码器的作用。 密码， 至少识别一个 密码 才能满足它作为解码器的作用。 同义tRNA：一种氨基酸可以有一种以上 作为运载工具。 ● 同义 ：一种氨基酸可以有一种以上tRNA作为运载工具。通常把 作为运载工具 携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同义 称为同义tRNA. 携带相同氨基酸而反密码子不同的一组 称为同义 分子上三个特定的碱基组成一个反密码子 ● tRNA分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于反密码子环上 分子上三个特定的碱基组成一个反密码子，位于反密码子环上, 这是tRNA与mRNA的识别部位。tRNA凭借自身的反密码子与 的识别部位。 凭借自身的反密码子与mRNA链 这是 与 的识别部位 凭借自身的反密码子与 链 上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。 上的密码子相识别，把所带氨基酸放到肽链的一定位置。 tRNA的二级结构 的二级结构 不同来源的tRNA一级结构不同，但它们几乎具有类似于三叶草形的 一级结构不同，但它们几乎具有类似于三叶草形的 不同来源的 一级结构不同 三叶草 二级结构。 二级结构。 最早确定的tRNA结构是丙氨酸-tRNA，是由 结构是丙氨酸 确定的。 最早确定的 结构是丙氨酸 ，是由Robert W. Holley确定的。 确定的 Robert W. Holley tRNA的二级结构 的二级结构 ● tRNA分子的 端和 端附近的碱基配对形 分子的5’端和 分子的 端和3’端附近的碱基配对形 分子的一个臂， 氨基酸臂。 成tRNA分子的一个臂，该臂称为氨基酸臂。 分子的一个臂 该臂称为氨基酸臂 此臂负责携带特异的氨基酸。 此臂负责携带特异的氨基酸。 ● 一个成熟的 一个成熟的tRNA分子的 ’端的核苷酸序列 分子的3 分子的 端的核苷酸序列 总是CCA，一个特异的氨基酸通过它的羧基与 总是 ， tRNA的核苷酸残基 端的 或3’羟基形成的共 的核苷酸残基3’端的 的核苷酸残基 端的2’或 羟基形成的共 价键连接在tRNA分子上。 分子上。 价键连接在 分子上 ● 5’端的核苷酸都是磷酸化的，大多数 端的核苷酸都是磷酸化 端的核苷酸都是磷酸化的 大多数tRNA 分子5’端的核苷酸残基为鸟苷酸。 端的核苷酸残基为鸟苷酸 分子 端的核苷酸残基为鸟苷酸。 ● 在氨基酸臂对面的单链环称为反密码环， 在氨基酸臂对面的单链环称为反密码环 反密码环， 该环含有由三个核苷酸残基组成的反密码子， 该环含有由三个核苷酸残基组成的反密码子， 反密码子与mRNA中的互补密码结合。含有反 中的互补密码结合。 反密码子与 中的互补密码结合 密码子的臂称为反密码臂 反密码臂。 密码子的臂称为反密码臂。它负责对密码子的 识别与配对。 识别与配对。 tRNA的二级结构 的二级结构 ● tRNA分子的另外两个臂是根据臂中含有修 分子的另外两个臂是根据臂中含有修 饰的核苷酸而命名的， 饰的核苷酸而命名的，含有胸腺嘧啶核苷酸 ）、假尿嘧啶核苷酸 （T）、假尿嘧啶核苷酸（ψ）和胞嘧啶核苷酸 ）、假尿嘧啶核苷酸（ ） （C）残基的臂称之 ）残基的臂称之TψC臂。此臂负责和核糖 臂 体上的rRNA 识别结合。 识别结合。 体上的 含有二氢尿嘧啶核苷酸残基的臂称为D臂 ● 含有二氢尿嘧啶核苷酸残基的臂称为 臂， 不同tRNA的D臂稍有不同。负责和氨基酰 臂稍有不同。 不同 的 臂稍有不同 tRNA聚合酶结合。 聚合酶结合。 聚合酶结合 ● 在反密码臂和TψC臂之间，tRNA分子中还 在反密码臂和 臂之间， 分子中还 臂之间 可变臂（ ），可变臂大 含有另一个可变臂 也称额外环）， 含有另一个可变臂（也称额外环），可变臂大 约由3到21个核苷酸组成。大多数tRNA中核苷 约由 到 个核苷酸组成。大多数 中核苷 个核苷酸组成 酸残基数在73和 之间 其功能是在tRNA的L 之间。 酸残基数在 和95之间。其功能是在 的 型三维结构中负责连接两个区域。 型三维结构中负责连接两个区域。 tRNA的高级结构 的高级结构 在三维结构中， ● 在三维结构中，tRNA 分子折叠成倒 型 分子折叠成倒L型：氨基 酸臂位于L型分子的一端 酸臂位于 型分子的一端， 型分子的一端 反密码环则处于相反的一 端。 ● tRNA分子中的大多数 分子中的大多数 核苷酸都处于两个成直角 的、堆积的螺旋中。碱基 堆积的螺旋中。 之间堆积的相互作用对 tRNA的稳定性具有重要 的稳定性具有重要 的贡献。 的贡献。 遗传密码的摆动性（ 遗传密码的摆动性（wobble） 摆动性 ） 在翻译过程中， 在翻译过程中，密码和反密码之间碱基配对规则一 般为A与 配对 配对， 与 配对 配对， 般为 与U配对，G与C配对，并且配对区内的链是反向 平行的， 平行的，但有时在密码子与反密码子配对时出现不遵守 碱基配对规律的情况，称为遗传密码的摆动性 遗传密码的摆动性。 碱基配对规律的情况，称为遗传密码的摆动性。因此反 密码的5’位有时也称为摆动位置。下表给出了反密码的5’ 密码的 位有时也称为摆动位置。下表给出了反密码的 位有时也称为摆动位置 摆动）位和mRNA的3’位之间的碱基配对原则。 位之间的碱基配对原则。 （摆动）位和 的 位之间的碱基配对原则 tRNA反密码子 反密码子 第1位碱基 位碱基 mRNA密码子 密码子 第3位碱基 位碱基 I U G A C U, C, A A, G U, C U G 遗传密码的摆动性（ 遗传密码的摆动性（wobble） 摆动性 ） 次黄嘌呤核苷酸（ ） 次黄嘌呤核苷酸（I）常 常出现在tRNA的5’（摆 的 （ 常出现在 可以与U， 动）位，I可以与 ，C 可以与 和A形成氢键 。带有反 形成氢键 密码子IGC的tRNAAla 的 密码子 分子可以与特异编码Ala 分子可以与特异编码 的三个密码（ 的三个密码（GCU， ， GCC，GCA）中的任一 ， ） 个结合。 个结合。 蛋白质合成的加工厂： 蛋白质合成的加工厂： 核糖体 20世纪五十年代，Paul Zamecnik 世纪五十年代， 世纪五十年代 等人证实细胞中蛋白质合成的场所。 等人证实细胞中蛋白质合成的场所。 他们把放射性标记的氨基酸注射到大鼠 体内，经过一段时间后收获其肝脏，经 体内，经过一段时间后收获其肝脏， 匀浆、 匀浆、进行蔗糖梯度沉淀并分析各种细 胞成份中的放射性蛋白质。 胞成份中的放射性蛋白质。如果注射后 Paul Zamecnic 数小时或数天即检测， 经数小时或数天即检测，所有细胞成份 中都带有放射性标记的蛋白质。 中都带有放射性标记的蛋白质。如果注 射后几分钟内即检测， 射后几分钟内即检测，放射性标记只存 几分钟内即检测 在于含有核糖体颗粒的细胞质成份中。 在于含有核糖体颗粒的细胞质成份中。 核糖体颗粒的细胞质成份中 证明蛋白质的合成是在核糖体上进行的。 证明蛋白质的合成是在核糖体上进行的。 蛋白质合成的加工厂： 蛋白质合成的加工厂： 核糖体 核糖体是由几十种蛋白质和几种rRNA组成的亚细胞颗粒，其中蛋 组成的亚细胞颗粒， 核糖体是由几十种蛋白质和几种 组成的亚细胞颗粒 白质与rRNA的重量比约为 。 白质与 的重量比约为1:2。 的重量比约为 种蛋白质构成 原核生物的核糖体由3种 原核生物的核糖体由 种rRNA和55种蛋白质构成，分子量为 和 种蛋白质构成，分子量为270万。 万 真核生物的核糖体由4种 中蛋白质构成 真核生物的核糖体由 种rRNA和82中蛋白质构成，分子量为 和 中蛋白质构成，分子量为420万。 万 蛋白质合成的加工厂： 蛋白质合成的加工厂： 核糖体 rRNA的基本功能： 的基本功能： 的基本功能 合成酶识别， ●被特定的氨酰- tRNA合成酶识别，使 被特定的氨酰 合成酶识别 tRNA接受正确的活化氨基酸。 接受正确的活化氨基酸。 接受正确的活化氨基酸 识别mRNA上的密码子。 上的密码子。 ●识别 上的密码子 在蛋白质合成过程中， ●在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生 起着连结生 糖体的作用。 长的多肽链与核 糖体的作用。 rRNA的基本特征 的基本特征： 的基本特征 总量的80％ ●占RNA总量的 ％ 总量的 单链，螺旋化程度较tRNA低 ●单链，螺旋化程度较 低 ●与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能 16S rRNA 蛋白质合成的加工厂： 蛋白质合成的加工厂： 核糖体 在细胞内一条mRNA链上可结合着多 链上可结合着多 在细胞内一条 个核糖体。蛋白质开始合成时， 个核糖体。蛋白质开始合成时，第一个核 糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一 的起始部位结合， 糖体在 的起始部位结合 个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3’端移 个蛋氨酸，然后核糖体向 的 端移 动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA 动一定距离后，第二个核糖体又在 的起始部位结合， 的起始部位结合，现向前移动一定的距离 在起始部位又结合第三个核糖体， 后，在起始部位又结合第三个核糖体，依 次下去，直至终止。 次下去，直至终止。每个核糖体都独立完 成一条多肽链的合成， 成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体 可以在一条mRNA链上同时合成多条相同 可以在一条 链上同时合成多条相同 的多肽链， 的多肽链，这可大大提高翻译的效率 。 核糖体上的功能部位 核糖体是由一个大亚基和一个小亚基组成的。在蛋白质合成期间， 核糖体是由一个大亚基和一个小亚基组成的。在蛋白质合成期间， 两个亚基结合形成一个完整核糖体。