文档介绍：第十二章蛋白质的生物合成及转运
蛋白质的生物合成在细胞代谢中占有十分重要的地位。目前已经完全清楚,贮存遗传信息的DNA并不是蛋白质合成的直接模板,DNA上的遗传信息需要通过转录传递给mRNA。mRNA才是蛋白质合成的直接模板。mRNA是由4种核苷酸构成的多核苷酸,而蛋白质是由20种左右的氨基酸构成的多肽,它们之间遗传信息的传递与从一种语言翻译成另一种语言时的情形相似。所以人们称以mRNA为模板合成蛋白质的过程为翻译或转译(translation)。
翻译的过程十分复杂,几乎涉及到细胞内所有种类的RNA和几十种蛋白质因子。蛋白质合成的场所是核糖体,合成的原料是氨基酸,反应所需能量由ATP和GTP提供。蛋白质合成的早期研究工作都是用大肠杆菌的无细胞体系进行的,所以对大肠杆菌的蛋白质合成机理了解最多。真核细胞蛋白质合成的机理与大肠杆菌的有许多相似之处。
第一节遗传密码
任何一种天然多肽都有其特定的严格的氨基酸序列。有机界拥有1010~1011种不同的蛋白质,构成数目这么庞大的不同的多肽的单体却只有20种氨基酸。氨基酸在多肽中的不同排列次序是蛋白质多样性的基础。目前已经清楚,多肽上氨基酸的排列次序最终是由DNA上核苷酸的排列次序决定的,而直接决定多肽上氨基酸次序的却是mRNA。不论是DNA还是mRNA,基本上都由4种核苷酸构成。这4种核苷酸如何编制成遗传密码,遗传密码又如何被翻译成20种氨基酸组成的多肽,这就是蛋白质生物合成中的遗传密码的翻译问题。
一、密码单位
用数学方法推算,如果mRNA分子中的一种碱基编码一种氨基酸,那么4种碱基只能决定4种氨基酸,而蛋白质分子中的氨基酸有20种,所以显然是不行的。如果由mRNA分子中每2个相邻的碱基编码一种氨基酸,也只能编码42=16种氨基酸,仍然不够。如果采用每3个相邻的碱基为一个氨基酸编码,则43=64,可以满足20种氨基酸编码的需要。所以这种编码方式的可能性最大。应用生物化学和遗传学的研究技术,已经充分证明了是三个碱基编码一个氨基酸。所以叫三联体密码或密码子(codon)。
首先介绍一下生物化学方面的证明。1961年Nirenberg等用大肠杆菌无细胞体系,外加20种标记氨基酸混合物及Poly U,经保温反应后,发现只有苯丙氨酸的多聚体。显然Poly U起了信使RNA的作用。所以UUU是编码苯丙氨酸的密码子。
进一步,Nirenberg和Ochoa等用Poly UG和Poly AC重复上述类似实验,发现标记氨基酸掺入新合成的肽链的频率与按统计学方法推算出的多核苷酸中三联体密码出现的频率相符合(表12-1)。应用这种方法,很快确定了为20种氨基酸编码的全部密码子。
表12-1 无序Po1y UG对氨基酸的编码(U:G=5:1)
可能的密码子
按计算可能出现的频率*
氨基酸掺入的相对量
UUU
100
Phe (100)
UUG
UGU
GUU
20
Cys (20)
Val (20)
UGG
GUG
GGU
4
G1y (4)
Trp (5)
GGG
—
* 以UUU的出现频率为100计。
进一步要解决的问题是密码子中三个碱基的排列次序问题。1964年Nirenberg等应用大肠杆菌核糖体与人工合成的多聚核苷酸、Mg2+及一种与人工模板上密码子相对应的氨酰-tRNA(只缺GTP)一起保温。由于反应体系中无GTP,掺入的氨基酸不可能形成多肽。应用这种方法,发现具有密码子功能的最短链为三核苷酸,最有效的是3′-OH和5′-磷酸基的三核苷酸。3′-磷酸基为末端的三核苷酸无模板功能。所以密码子的读法是有方向的。如pGpUpU对缬氨酸专一,而UpUpGp却对亮氨酸专一。
当应用合成的三核苷酸重复序列作模板时,得到很有意义的结果。如以Po1y UUC作模板时,得到的产物是三种不同的多肽:多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸和多聚亮氨酸。这是因为从不同的碱基开始阅读密码所引起的:
UUC-UUC-UUC-UUC-UUC——编码苯丙氨酸
UCU-UCU-UCU-UCU-UCU——编码丝氨酸
CUU-CUU-CUU-CUU-CUU——编码亮氨酸
表12-2列出了应用带有重复序列的人工合成的多核苷酸模板与掺入的氨基酸之间的关系。
应用上述方法,仅用了4年时间,于1965年完全确定了编码20种天然氨基酸的60多组密码子,编出了遗传密码字典(表12-3)。
表12-2 带重复系列的人工多核苷酸模板与掺入的氨基酸之间的关系
重复序列
多核苷酸中的密码子
掺入的氨基酸
UC
AG
UG
AC
UUC
AAG
GAU
UAC
GUA
UAUC