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张会勇生命科学技术学院细胞工程教研室18737354375第四章生物信息的传递（下）――从mRNA到蛋白质Twoproblem•Languageproblem•Chemicalproblem•本章主要内容：●遗传密码——三联子●tRNA的结构、功能与种类●核糖体的结构与功能●蛋白质合成的过程●蛋白质的运转机制熟悉掌握翻译：指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每三个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。蛋白质合成的场所是核糖体蛋白质合成的模板是mRNA模板与氨基酸之间的接合体是tRNA蛋白质合成的原料是20种氨基酸mRNA上的遗传信息与蛋白质上的信息如何一一对应呢？4.1遗传密码——三联子三联子密码定义mRNA链上每三个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为密码子或三联子密码(tripletcoden)。mRNA5′CUAUGAACUAGU…CGG3′方向一、遗传密码是三联体的推测1、遗传密码的前期测想1944年奥地利物理学家薛定谔(E.Schrodinger)出版了(Whatislife)一书,引发了60年代的生物学革命风暴他把量子力学理论引进生物学领域,用形象思维的方法研究和考虑生命问题,书中大胆地预言:染色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。这种连续体的精确性组成了遗传密码。他认为同分异构单体可能作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：“+”、“—”，通过排列组合来储存遗传信息。2、遗传密码的定位定位在RNA：薛定谔引发的革命风暴的产物是DNA双螺旋结构的发现，在此之前沃森已经猜想到遗传密码的位置，写了一个DNARNA蛋白质的公式，提出DNA是RNA的模板，RNA是蛋白质合成的模板中最可能的候选者。定位在mRNA:1961年，英国分子生物学家布伦纳(S.Brenner)等发现了mRNA，证实了mRNA是DNA上的遗传信息流向蛋白质的纽带，把遗传密码定位在mRNA上3、遗传密码是三联体的推测1954年俄裔美国大爆炸理论物理学家伽莫夫（G.Gamow）在自然杂志发表《脱氧核糖核酸与蛋白质之间的关系》论文，提出遗传密码的构想，认为在的双螺旋结构中，四个碱基之间形成一定空穴游离氨基酸进入空穴形成多肽链，四个碱基中由三个碱基决定一种氨基酸，因为氨基酸有20种.一个碱基决定一种氨基酸时只能决定41=4种两个碱基决定一个氨基酸时只能决定42=16种三个碱基决定一个氨基酸时能决定43=64种四个碱基决定一个氨基酸时能决定44=256种二、遗传密码是三联体的证实1961年，克里克与布伦纳合作，利用大肠杆菌的T4噬菌体作实验。T4噬菌体r+：能在大肠杆菌B菌株生长形成嗜菌斑能在大肠杆菌K菌株上生长形成嗜菌斑T4噬菌体r¯:不能在K菌株上生长，不形成嗜菌斑用可以引起移码突变的丫啶类药物处理野生型噬菌体，在此噬菌体DNA发生缺失1个、2个、3个或插入1个、2个、3个核苷酸的各种突变类型1、缺失一个核苷酸时在K菌株上不生长ABCABCABCABCABCABCABCABCABABCABCABCABCABC插入一个核苷酸时在K菌株上不生长ABCABCABCABCABCABCABCABCABCCABCABCABCABCABC2、缺失两个核苷酸时在K菌株上不生长ABCABCABCABCABCABCABCABBCABCABCABC插入两个核苷酸时在K菌株上不生长ABCABCABCABCABCABCABCABCABCCABCABCCABCABCABC3、缺失三个核苷酸时在K菌株上生长（拟野生型）ABCABCABCABCABCABCABCABABABABCABC插入三个核苷酸时在K菌株上生长（拟野生型）ABCABCABCABCABCABCABCABCABCCABCABCCABCCABCABC为四联体时插入三个核苷酸则不在K菌株上生长ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDDABCDABCDDABCDDABCDABCD以上实验证明遗传密码是三联体，因为，若是二联体时，缺失或插入三个核苷酸时不会成为拟野生型的，既不能在K菌株上生长既然是密码，那么如何破译？三、遗传密码的破译1、初步破译1961年春天，当克里克和布伦纳在讨论论证遗传密码为三联体的时候，美国两位年轻的生化学家尼伦伯格（M.W.Nireberg）和马太（J.H.Matthaei）就开始悄悄的进行遗传密码的破译。UUUUU20atRNAaseUUUUU20atRNAaseUUUUU20atRNAase标赖标苯丙标苏××每一个试管中的20种氨基酸只用14C标记一种氨基酸，共用20个试管，结果发现用人工合成的多聚U时得到的是多聚苯丙氨酸，说明苯丙氨酸的遗传密码是UUUAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA20atRNA20atRNA20atRNAaseasease标赖标苏标色说明赖氨酸密码子是AAA××遗传密码已证明为三联体，四个密码已有代表的氨基酸，有64种密码子，那么：另外60种决定什么氨基酸呢？另外16种氨基酸的密码子是什么呢？仅含一种核苷酸时可以测定决定那种氨基酸，那么，当一条mRNA链上有AU两种核苷酸时、有AUUUUAUAUUAAAAUAUA六种密码子，又是怎么决定呢？有ACU三种或有AUCG四种核苷酸又如何决定氨基酸?用同样方法证明CCC为脯氨酸的密码子GGG为甘氨酸的密码子1961年8月尼伦伯格在莫斯科召开的第五届国际生化会议上宣读了论文，与会的代表们异常兴奋，讨论热烈，尤其是参加会议的克里克、沃森听完后激动万分，意识到彻底破译遗传密码的时刻已经到来，分子生物学将面临一次大的飞跃。但是，与会的前苏联科学家竟然听不懂他们的论文。在大会上瞌睡打起了呼噜。遗传学发展史上经历的的悲惨命运：遗传学的两大学派孟德尔—摩尔根遗传学派米丘林—李森科遗传学派米丘林和李森科米丘林：前苏联园艺学家，1935年去世。他重视环境作用，如南方的果树逐渐北移获得成功。曾培育出蔬菜、花卉新品种，多种果树，一个苹果重达1斤多。他本身没有提出任何遗传理论。但在苏联享有很高威望李森科：前苏联科学院院士，院长，社会主义劳动英雄。1925年大学毕业后分配到边境一个育种站工作。1928年，他发现他父亲把冬小麦放到春天播种照样可以结种子，提出“春化理论”。实际上当时苏联植物生理学家马克西莫夫早已作过此方面研究。为了宣传自己：极力宣扬春化理论把科学研究中的学术之争视为阶级斗争吻合国内形势，向国际遗传学发难1935年，在克林姆林宫召开全苏集体农庄突击队员会议，李森科作了题为（春化处理是增产的有力措施）的发言。结束时他说：同志们，在春化处理问题上有阶级斗争，阶级敌人总是阶级敌人，不管它是不是科学家“。斯大林在场听后非常高兴说：好，李森科同志，好。三个月后李森科成了苏联科学院院士。为了进一步提高自己，李森科把米丘林抬出来，拉大旗作虎皮，向批评过他的人，向孟德尔—摩尔根遗传学派展开全面进攻。诬蔑为伪科学、唯心主义、基因论、基因骑士。鼓吹资本主义不可能研究出社会主义用的东西，资产阶级的理论不能为我们无产阶级所用。他的理论得到苏联政府的支持在各大学成立清算孟德尔—摩尔根学派委员会在各生物系成立清算孟德尔—摩尔根学派清算小组各科研机关、大学生物系都挂上了李森科的画像把对李森科的崇拜编成歌曲：手拉起我的手风琴，让我们唱一唱李森科院士的永恒光荣，他带领我们坚定的走社会主义道路，使我们免受孟德尔—摩尔根主义愚弄。逮捕、判刑、枪决了大批有正义感科学家和从事孟德尔—摩尔根遗传学研究的科学家把这些科学家定为：人民公敌。1936年12月，在国际上享有盛誉的瓦维洛夫(Vavilov)驳斥了李森科的伪科学，在遭到打击批判，极度艰难的情况下，他说：我们将走向柴堆，我们将被烧死，但我们决不从我们确信的信念退却。1940年被逮捕，判处死刑，压在西伯利亚监狱的地下室，不准上诉。1942年，英国皇家协会授予他最高荣誉，到西伯利亚找到他时，已经奄奄一息，43年1月26日惨死狱中，李森科的下台：李森科1964年下台，被贬到西伯利亚。1935—1964，苏联遗传学界经历了30年的磨难。1976年去世。被誉为大学阀。对中国的巨大影响：北京农业大学乐天宇取消遗传学课程为导火索文化大革命中各大学生物系取消了遗传学课程许多搞遗传研究的专家教授被批判和斗争谈家桢教授的经历1970年国内一本丛书《现代西方自然科学理论及其主要流派介绍》仍然说：20世纪以来流毒很广的最反动的资产阶级自然科学理论体系之一。1977年还有人上书：继续开展对反动的、唯心的、资产阶级的遗传学和基因论、基因工程。说：分子遗传学，所谓的基因工程，都是资本家的御用学者们为了抬捧起主子所设立的一套愚民政策服务的所谓的遗传学，其实，这样遗传学永远不会，也不能产生与生产实践有任何联系。1982年辽宁全国第一次遗传学大会：科学没有国界科学不分信仰科学不分阶级2、进一步破译1961—1964年，美国国立卫生研究院的尼伦伯格、用多核苷酸磷酸化酶（不需DNA作模板就可聚合成多核苷酸，随即结合），建立了无细胞反应系统。U=0.87A=0.13U=0.39U=0.76C=0.61G=0.24含UA的RNA含UC的RNA含UG的RNARNA中每种核苷酸的比例取决于各种核苷酸的比例含两种碱基的三种人工合成的核苷酸链中三联体的机率多核苷酸链UAUCUG密码子推断相对碱基含量U=0.87U=0.39U=0.76A=0.13C=0.61G=0.24以U3为100%时三联体相对几率U3=100U3=100U3=100U2A=13U2C=157U2G=32UA2=2.2UC2=244UG2=10.6A3=0.3C3=382G3=3.4苯丙氨酸100100100U3精氨酸001.1丙氨酸1.900丝氨酸0.41603.2U2C脯氨酸02850UC2酪氨酸1300U2A异亮氨酸121.01.0U2A缬氨酸0.6037U2G亮氨酸4.917936U2CU2G半胱氨酸4.9035U2G色氨酸1.1014UG2甘氨酸4.7012UG2在UA中、UC中、UG中U3作为100时苯丙氨酸出现的频率为100，则苯丙氨酸的密码子为U3在UC中U2C概率为157，丝氨酸出现的频率为160，则丝氨酸的密码子为U2C（UUC、UCU、CUU）在UC中UC2概率为244，脯氨酸的频率为285，脯氨酸的密码子为UC2（UCC、CUC、CCU）在UA中U2A概率为13，酪氨酸的频率为13，酪氨酸的密码子为U2A（UUA、AUU、UAU）用此方法搞清了许多氨基酸的密码子组合，但仅仅是知道组合，具体的顺序搞不清，例如：U2A组合，是UUA还是AUU还是UAU呢？U2C组合，是UUC还是UCU？还是CUU呢？上表中可以看到U2G可代表缬氨酸又可代表半胱氨酸和亮氨酸，究竟代表那一种呢？在表中发现的密码子的重要特征：简并性在UA中、UC中、UG中都有亮氨酸出现3、完全破译1964年，尼伦伯格发现蛋白质翻译过程中三个特点:每一种氨基酸在酶作用下与自己对应的tRNA结合tRNA能识别自己所携带的氨基酸的三联体密码三联体密码都在核糖体上，翻译起始后形成一个复合体tRNA核糖体mRNA三氨基酸联体密码三联体结合实验：第一步：人工合成只含三个核苷酸的片段，如UUG、UGU、GUU等第二步：将三个核苷酸的片段与大肠杆菌核糖体结合第三步：配制含20种氨基酸和相应tRNA的溶液1—20号，每号溶液中各有一种氨基酸是14C标记的第四步：将含有核苷酸片段的核糖体、配制的溶液加在一起，然后硝酸纤维素膜过滤，其他东西可以滤掉，但核糖体过滤不掉，测定核糖体上的放射性可以知道那种氨基酸结合到了核糖体上，测知那种氨基酸的密码子123420核糖体核糖体核糖体核糖体核糖体5UUG35UUG35UUG35UUG35UUG3tRNAtRNAtRNAtRNAtRNAaaaaa色氨酸赖氨酸亮氨酸组氨酸丙氨酸过滤膜上过滤膜上过滤膜上过滤膜上过滤膜上无放射性无放射性有放射性无放射性无放射性…...用此方法测得UUG是亮氨酸的密码子,UGU是半胱氨酸的密