生物化学第37章遗传密码ppt课件.ppt
第37章 遗传密码(Genetic code)一、一、DNA是遗传信息的携带分子是遗传信息的携带分子二、二、RNA传递和加工遗传信息传递和加工遗传信息三、遗传密码的破译三、遗传密码的破译四、遗传密码的基本特性四、遗传密码的基本特性三、遗传密码的破译 蛋白质氨基酸序列的信息存在于核酸的核苷蛋白质氨基酸序列的信息存在于核酸的核苷酸序列中，那么它们之间的对应关系是什么呢？酸序列中，那么它们之间的对应关系是什么呢？ 1954年物理学家年物理学家Gamov G首先对遗传密码首先对遗传密码进行探讨。核酸分子中只有进行探讨。核酸分子中只有4种碱基，要为蛋白种碱基，要为蛋白质分子中质分子中20种氨基酸编码，显然一种碱基代表一种氨基酸编码，显然一种碱基代表一种氨基酸是不行的；如果每两个碱基代表一个氨种氨基酸是不行的；如果每两个碱基代表一个氨基酸，基酸，4种碱基也只能编码种碱基也只能编码42 =16种氨基酸的信息。种氨基酸的信息。所以至少需要所以至少需要3个碱基编码一种氨基酸，这样个碱基编码一种氨基酸，这样4种种碱基可以编码碱基可以编码43 = 64种氨基酸的信息。种氨基酸的信息。遗传密码的理论推测 根据理论推测，密码子（根据理论推测，密码子（codon）应该是三联）应该是三联体（体（triplet），那么密码子是重叠的还是不重叠的？），那么密码子是重叠的还是不重叠的？Gamov指出，重叠的密码子更为经济。但是重叠指出，重叠的密码子更为经济。但是重叠密码子使氨基酸序列中每一个氨基酸都受前后氨密码子使氨基酸序列中每一个氨基酸都受前后氨基酸的约束，显然自由度基酸的约束，显然自由度不够。不够。推测的密码子格式推测的密码子格式Crick的实验 1961年年Crick及其同事提供了确切的证据，证及其同事提供了确切的证据，证明三联体密码子学说是正确的。他们研究了明三联体密码子学说是正确的。他们研究了T4噬噬菌体菌体位点位点A和和B两个顺反子变异的影响，这两两个顺反子变异的影响，这两个基因与个基因与噬菌体能否感染大肠杆菌噬菌体能否感染大肠杆菌K株有关。实株有关。实验结果见后：验结果见后： Crick等的实验结果表明三联体密码是非重叠等的实验结果表明三联体密码是非重叠的，而且连续编码无标点符号隔开。的，而且连续编码无标点符号隔开。Crick等的实验结果 CAT CAT CAT CAT CAT CAT 正常正常 -1 CAT CAC ATC ATC ATC ATC 缺陷缺陷 -1+1 CAT CAC AXT CAT CAT CAT 正常正常 +3 CAX TXC ATX CAT CAT CAT 正常正常 此实验表明密码子是三联体。此实验表明密码子是三联体。 缺少一个碱基缺少一个碱基 X 增加一个碱增加一个碱 基基无细胞翻译系统 Nirenberg等将大肠杆菌破碎，离心除去细胞碎等将大肠杆菌破碎，离心除去细胞碎片，上清液中含有蛋白质合成所需的各种成分，其片，上清液中含有蛋白质合成所需的各种成分，其中包括中包括DNA、mRNA、tRNA、核糖体、氨酰、核糖体、氨酰tRNA合成酶以及蛋白质合成必需的各种因子。合成酶以及蛋白质合成必需的各种因子。 将将上清液保温一段时间，内源上清液保温一段时间，内源mRNA被降解，被降解，该系统自身蛋白质的合成停止。当补充外源该系统自身蛋白质的合成停止。当补充外源mRNA以及以及ATP、GTP和氨基酸等成分，再在和氨基酸等成分，再在37保温就保温就能合成新的蛋白质。为了检测某种氨基酸是否掺入能合成新的蛋白质。为了检测某种氨基酸是否掺入了新合成的蛋白质，需将氨基酸用放射性标记。了新合成的蛋白质，需将氨基酸用放射性标记。体外翻译研究密码子 Nirenberg等早期实验使用的等早期实验使用的mRNA是多聚尿嘧啶是多聚尿嘧啶核苷酸，发现翻译出的肽链是多聚苯丙氨酸，说明核苷酸，发现翻译出的肽链是多聚苯丙氨酸，说明UUU代表代表了苯丙氨酸。了苯丙氨酸。 用同样的方法研究出用同样的方法研究出poly C指导多聚脯氨酸合成，指导多聚脯氨酸合成，poly A指导多聚赖氨酸合成，说明指导多聚赖氨酸合成，说明CCC代表了脯氨酸，代表了脯氨酸，AAA代表了赖氨酸。代表了赖氨酸。 他们实验时使用的他们实验时使用的Mg2+浓度较高，以致合成的均聚核苷酸浓度较高，以致合成的均聚核苷酸不需要起始密码子就可以起始翻译。此时翻译的起点是任意的。不需要起始密码子就可以起始翻译。此时翻译的起点是任意的。无序poly UG对氨基酸的密码（U:G = 5:1)可能的密码子可能的密码子密码子出现的相对频率密码子出现的相对频率氨基酸掺入的相对分子数氨基酸掺入的相对分子数UUU100Phe（100）UUG UGUGUU20LeuCys（20）Val（20）UGG GUG GGU4Trp（5）ValGly（4）GGG0.8Gly此表有问题此表有问题随机AC序列RNA指导翻译多肽中氨基酸出现的频率（A:C = 5:1)Amino acidObservedfrequency ofincorporation(Lys = 100)Tentative assignmentfor nucleotidecomposition* ofcorresponding codonExpected frequencyof incorporationbased onassignment(Lys = 100)AsparagineGlutamineHistidineLysineProlineThreonine24246100726A2CA2CAC2AAAAC2, CCCA2C, AC2202041004.824三核苷酸取代mRNA的实验 1964年年Nirenberg发现，用人工合成的三核发现，用人工合成的三核苷酸取代苷酸取代mRNA，能与其对应的氨酰，能与其对应的氨酰tRNA一起一起结合在核糖体上。将此反应混合物通过硝酸纤维结合在核糖体上。将此反应混合物通过硝酸纤维素膜过滤，核糖体和三核苷酸以及特异结合的氨素膜过滤，核糖体和三核苷酸以及特异结合的氨酰酰tRNA形成的复合物能留在膜上。用此方法，形成的复合物能留在膜上。用此方法，可以直接测定三核苷酸与氨基酸的对应关系。可以直接测定三核苷酸与氨基酸的对应关系。三核苷酸取代mRNA的实验Radioactivityon filterRadioactivity in filtrateRibosome重复序列共聚核苷酸指导下多聚氨基酸的合成（Khorana）多聚核苷酸多聚核苷酸含有的密码子含有的密码子合成的多肽合成的多肽(AG)nAGA，GAG(Arg-Glu)n(UG)nUGU，GUG(Cys-Val)n(AAG)nAAG, AGA, GAA(Lys)n, (Arg)n, (Glu)n(UUG)nUUG, UGU, GUU(Leu)n, (Cys)n, (Val)n(GAU)nGAU, AUG, UGA(Asp)n, (Met)n,详详见见P510表表37-4遗传密码表（1966年完成）年完成）第一位碱基第一位碱基（5端）端）第二位碱基（中间）第二位碱基（中间）第三位碱基第三位碱基（3端）端）UCAGUPhePheLeuLeuSerSerSerSerTyrTyr终止终止终止终止CysCys终止终止TrpUCAGCLeuLeuLeuLeuProProProProHisHisGlnGlnArgArgArgArgUCAGAIleIleIleMetThrThrThrThrAsnAsnLysLysSerSerArgArgUCAGGValValValValAlaAlaAlaAlaAspAspGluGluGlyGlyGlyGlyUCAGbackThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesisHar Gobind KhoranaMarshall W. NirenbergRobert W. HolleyCornell UniversityNational Institutes of HealthUniversity of Wisconsin 四、遗传密码的基本特性（一）密码的基本单位（一）密码的基本单位 遗传密码的遗传密码的基本单位是按基本单位是按53方向编码、不方向编码、不重叠、无标点的三联体密码子。重叠、无标点的三联体密码子。AUG为起始密码为起始密码子，它编码甲硫氨酸，子，它编码甲硫氨酸，UAA、UAG、UGA为终止为终止密码子，它们不编码任何氨基酸。其余密码子，它们不编码任何氨基酸。其余60个密码子个密码子对应于对应于19种氨基酸。种氨基酸。 要正确要正确阅读密码，必须从起始密码子开始，按阅读密码，必须从起始密码子开始，按每每3个核苷酸代表个核苷酸代表一个氨基酸读下去，直至遇到终一个氨基酸读下去，直至遇到终止密码子为止。止密码子为止。移码突变 若在某若在某处插入或删除处插入或删除1到到2个核苷酸，后面的个核苷酸，后面的读码框发生错位，读码框发生错位，称为移码突变。称为移码突变。 在绝大多数生物中基因是不重叠的，但在少在绝大多数生物中基因是不重叠的，但在少数病毒中，部分基因的遗传密码却是重叠的，尽数病毒中，部分基因的遗传密码却是重叠的，尽管基因重叠，但各自的读码框还是按三联体方式管基因重叠，但各自的读码框还是按三联体方式连续读码的。连续读码的。重叠基因的阅读框（二）密码的简并性 同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象称为同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象称为密码子的简并性（密码子的简并性（degeneracy）。对应于同一种氨基）。对应于同一种氨基酸的不同密码子称为酸的不同密码子称为同义密码子同义密码子。 密码的简并性具有重要的生物学意义，它可以密码的简并性具有重要的生物学意义，它可以减少有害突变。如果每一种氨基酸只有一种密码子，减少有害突变。如果每一种氨基酸只有一种密码子，那么剩下的那么剩下的4444个密码子都是无义密码子，基因突变个密码子都是无义密码子，基因突变时产生终止密码子的概率会很大，这将极不利于生时产生终止密码子的概率会很大，这将极不利于生物生存。物生存。氨基酸密码子数与氨基酸使用频率的关系密码子数目密码子数目蛋白质中残基的百分数蛋白质中残基的百分数（三）密码的变偶性 许多许多编码同一种氨基酸的密码子前编码同一种氨基酸的密码子前2位碱基相同，位碱基相同，只是第只是第3位碱基不同；有些氨基酸只有位碱基不同；有些氨基酸只有2种密码子，也种密码子，也是前是前2位相同，第位相同，第3位都是嘧啶，或者都是嘌呤。从密位都是嘧啶，或者都是嘌呤。从密码表看来，密码子的专一性主要取决于前码表看来，密码子的专一性主要取决于前2位碱基，位碱基，而第而第3位碱基起的作用有限。位碱基起的作用有限。 有些科学家也发现，有些科学家也发现，tRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNA上的密码子配对时，也主要是前上的密码子配对时，也主要是前2位配对，第位配对，第3位允许适当的错配。位允许适当的错配。Crick称这种现象为变偶性称这种现象为变偶性（wobble，也叫摇摆现象）。，也叫摇摆现象）。反密码子与密码子之间的配对 在在tRNA的反密码子的反密码子中，经常在第一位出现次中，经常在第一位出现次黄嘌呤，第一位的黄嘌呤，第一位的I可以可以与密码子第与密码子第3位的位的U、A、C三者配对。在已知一级三者配对。在已知一级结构的结构的tRNA中，其反密中，其反密码子的第一位没有码子的第一位没有A，显，显然然 I 是由是由A转变而来的。转变而来的。1 33 1反密码子与密码子之间的配对反密码子第一位碱基反密码子第一位碱基密码子第三位碱基密码子第三位碱基AUCGGU、CUA、GIU、C、A 由于变偶性，细胞内只需由于变偶性，细胞内只需要要32种种tRNA，就，就能识别能识别61种编码氨基酸种编码氨基酸的密码子。的密码子。（四）密码的通用性和变异性 密码的通用性是指各种低等和高等生物，包密码的通用性是指各种低等和高等生物，包括病毒、细菌及真核生物，基本上共用一套遗传括病毒、细菌及真核生物，基本上共用一套遗传密码。密码。 目前已知线粒体目前已知线粒体DNA的密码表与通用密码表的密码表与通用密码表有所不同。原核生物支原体中，终止有所不同。原核生物支原体中，终止密码子密码子UGA也被用于编码色氨酸；少数纤毛类原生动物以终也被用于编码色氨酸；少数纤毛类原生动物以终止密码子止密码子UAA和和UAG编码谷氨酰胺。编码谷氨酰胺。 线粒体中特殊的变偶规则使得只需要线粒体中特殊的变偶规则使得只需要22种种tRNA就能识别全部编码氨基酸的密码就能识别全部编码氨基酸的密码子。子。线粒体中变异的密码子密码子密码子UGAAUAAGAAGGCUNCGG通用密码通用密码终止终止IleArgLeuArg动物动物 脊椎动物脊椎动物 果蝇果蝇TrpTrpMetMet终止终止Ser+酵母酵母 酿酒酵母酿酒酵母 光滑球拟酵母光滑球拟酵母 彭贝裂殖酵母彭贝裂殖酵母TrpTrpTrpMetMet+ThrThr+?+丝状真菌丝状真菌Trp+锥虫锥虫Trp+高等植物高等植物+Trp密码子的变异性 在在有些情况下密码子的含义可随上下文不同而有些情况下密码子的含义可随上下文不同而不同。在大肠杆菌中，有时缬氨酸密码子不同。在大肠杆菌中，有时缬氨酸密码子GUG和亮和亮氨酸密码子氨酸密码子UUG也可被用作起始密码子。当其位于也可被用作起始密码子。当其位于特殊特殊mRNA翻译的起始位置时，可被起始翻译的起始位置时，可被起始tRNA（tRNAf-Met）识别）识别。蛋白质中硒代半胱氨酸的掺入 少数蛋白质中含有硒代半胱氨酸。硒代半胱氨少数蛋白质中含有硒代半胱氨酸。硒代半胱氨酸是在蛋白质合成过程中合成进去的，而不是蛋白酸是在蛋白质合成过程中合成进去的，而不是蛋白质合成后将其中某种氨基酸修饰而成的。所以也有质合成后将其中某种氨基酸修饰而成的。所以也有人认为硒代半胱氨酸是第人认为硒代半胱氨酸是第21种种蛋白质氨基酸。蛋白质氨基酸。 大肠杆菌中有一种大肠杆菌中有一种丝氨酸丝氨酸tRNA，它能识别阅读，它能识别阅读框中间的终止密码子框中间的终止密码子UGA。这种。这种tRNA负载了丝氨酸负载了丝氨酸后，在酶的催化下将丝氨酸转变成硒后，在酶的催化下将丝氨酸转变成硒代半胱氨酸，代半胱氨酸，再合成到蛋白质中去。再合成到蛋白质中去。蛋白质中硒代半胱氨酸的掺入 负载了硒代半胱氨酸负载了硒代半胱氨酸的的tRNA在某些蛋白质的在某些蛋白质的协助下，能识别编码序列中间的协助下，能识别编码序列中间的UGA，将硒代半，将硒代半胱氨酸加入，而不会加到作为终止密码子的胱氨酸加入，而不会加到作为终止密码子的UGA上。在编码硒蛋白的上。在编码硒蛋白的mRNA中有一段称为硒代半中有一段称为硒代半胱氨酸插入序列所构成的二级结构，帮助硒代半胱氨酸插入序列所构成的二级结构，帮助硒代半胱氨酸胱氨酸tRNA识别这种密码子。识别这种密码子。（五）密码的防错系统 同义密码子在密码表中的排列十分有规则，同义密码子在密码表中的排列十分有规则，而且密码子的排列与相应氨基酸的物理化学性质而且密码子的排列与相应氨基酸的物理化学性质之间存在巧妙的关系。如非极性的氨基酸排在一之间存在巧妙的关系。如非极性的氨基酸排在一起，带电荷的氨基酸排在一起。起，带电荷的氨基酸排在一起。 如果基因如果基因的编码区中发生点突变，很可能不的编码区中发生点突变，很可能不改变氨基酸改变氨基酸，即使改变也很可能改变成性质相近，即使改变也很可能改变成性质相近的氨基酸，这样就可以在很大程度上保持蛋白质的氨基酸，这样就可以在很大程度上保持蛋白质产物的活性。产物的活性。go
