第6章分子生物学翻译ppt课件.ppt

第6章,翻 译,翻译:是蛋白质生物合成过程中的第一步。翻译是根据遗传密码的中心法则，将成熟的mRNA分子中碱基的排列顺序（核苷酸序列）解码，并生成对应的特定氨基酸序列的过程。但也有许多转录生成的RNA，如 tRNA、rRNA和snRNA等并不被翻译为氨基酸序列。,翻译分作三个阶段：起始、延长、终止。翻译主要在细胞质内的核糖体中进行，氨基酸分子通过tRNA被带到核糖体上。生成的多肽链（即氨基酸链）需要通过正确折叠形成蛋白质，许多蛋白质在翻译结束后还需要进行翻译后修饰才能具有真正的生物学活性。,mRNA的遗传信息是来自于DNA，经由核糖体被各种tRNA所识别。tRNA可以识别mRNA上以三个核苷酸为代码的密码子，与它们相配的tRNA上的三个核苷酸被称为反密码子。带有特定反密码子的tRNA携带特定的氨基酸。因此通过翻译机制，mRNA上的密码子就可以被“翻译”为对应的氨基酸。氨酰tRNA合成酶是催化将与tRNA相连的氨基酸连到一起组成蛋白质的酶。,U,C,A,G,U,U,C,A,G,T,C,A,G,A,T,C,G,A,U,C,A,G,U,A,T,C,G,A,U,C,A,A,RNA,DNA,5,3,Direction oftranscription,3,T,C,G,A,5,图 6.1 转录时DNA可以直接作为生产RNA的模板，因为核糖体核苷酸能与脱氧核糖核苷酸结合,6.1 遗传密码,mRNA,Direction oftranslation,5,3,His,tRNA,Ala,NH2,fMet,Cys,NH2,A,图 6.2 翻译时RNA不能直接作为生产氨基酸模板,遗传密码是一组规则，将DNA或RNA序列以三个核苷酸为一组的密码子翻译为蛋白质的氨基酸序列，以用于蛋白质合成。几乎所有的生物都使用同样的遗传密码，称为标准遗传密码；即使是非细胞结构的病毒，它们也是使用标准遗传密码。但是也有少数生物使用一些稍微不同的遗传密码。,图 6.3 遗传密码,UUUUUCUUAUUGCUUCUCCUACUGAUUAUCAUAAUG=MetGUUGUCGUAGUG,UCUUCCUCAUCGCCUCCCCCACCGACUACCACAACGGCUGCCGCAGCG,UAUUACUAA=StopUAG=StopCAUCACCAACAGAAUAACAAAAAGGAUGACGAAGAG,UGUUGCUGA=StopUGG=TrpCGUCGCCGACGGAGUAGCAGAAGGGGUGGCGGAGGG,U,C,A,G,U,C,A,G,Phe,Leu,Leu,lle,Val,Asp,Glu,Asn,Lys,Ala,Gly,Ser,Arg,Arg,His,Gln,Ser,Pro,Thr,Tyr,Cys,Firstposition(5 end),Thirdposition(3 end),Second position,64种密码子以及氨基酸的标准配对。,遗传密码在纤毛虫和线粒体中的改变,遗传密码的特点,(1)遗传密码是三联体密码。(2)遗传密码无逗号。(3)遗传密码是不重迭的。(4)遗传密码具有通用性。(5)遗传密码具有简并性(degeneracy synonyms)。(6)密码子有起始密码子和终止密码子。,遗传密码的破译1954年G.Gamov对破译密码首先提出了设想若一种碱基对应与一种氨基酸，那么只可能产生4种氨基酸;若2 个碱基编码一种氨基酸的话，4种碱基共有42=16种不同的排列组合;3个碱基编码一种氨基酸，经排列组合可产生43=64种不同形式若是四联密码，就会产生44=256种排列组合。,Codons UCAG,AminoAcidsaa1aa2aa3aa4,Codons UUUCUAUGCUCCCACGAUACAAAGGUGCGAGG,Amino acids aa1 aa2 aa3 aa4 aa5 aa6 aa7 aa8 aa9 aa10 aa11 aa12 aa13 aa14 aa15 aa16,Firstbase U C A G,Secondbase UCAGUCAGUCAGUCAG,Codons UUUUUCUUAUUGUCUUCCUCAUCGUAUUACUAAUAGUGUUGCUGAUGG,Amino acids aa1 aa2 aa3 aa4 aa5 aa6 aa7 aa8 aa9 aa10 aa11 aa12 aa13 aa14 aa15 aa16,Secondbase UCAG,Thirdbase UCAGUCAGUCAGUCAG,Firstbase U*,If each codonhas one base,If each codon has two bases,If each codon has three bases,*Codons and amino acids from using C,A or G as the first base are not listed in this case.,6.2 原核生物翻译机理,核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein particle)，主要由rRNA和蛋白质构成，其惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链，所以核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。,原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基 rRNAs 蛋白 RNA的特异顺序和功能 细菌 70S 50S 23S=2904b 32种(L1-L32）含CGAAC和GTCG互补2.5106D 5S=120b66%RNA 30S 16S=1542b 21种(S1-S21)16S RNA(CCUCCU)和S-D 顺序(AGGAGG)互补 哺乳动物 80S 60S 28S=4718b 50种 有GAUC和tRNAfMat的TCG互补4.2106D 5S=120b 60%RNA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 33种 和Capm7G结合,图 6.4 原核生物与真核生物核糖体的组成,16S rRNA,5S rRNA,23S rRNA,30S subunit,50S subunit,70S prokaryoticribosome,18S rRNA,5S rRNA,28S rRNA,5.8S rRNA,40S subunit,60S subunit,80S eukaryoticribosome,Prokaryotic,Eukaryotic,L2,L3,L32,S1,S2,S3,S21,L1,32 proteins oflarge subunit(L1 L32),21 proteins ofsmall subunit(S1 S21),L2,L3,L50,S1,S2,S3,S33,L1,50 proteins oflarge subunit(L1 L50),33 proteins ofsmall subunit(S1 S33),多聚核糖体：原核生物中带有很多核糖体的mRNA称为多聚核糖体。,开放阅读框（Open Reading Frame）就是直接翻译成蛋白质的那段DNA序列。从atg开始到终止密码子结束，中间没有内含子。非翻译区（UnTranslated Regions)转录产物开头和末尾不翻译成蛋白质的那段序列。,6.2.1 起始,ACGAGGCTTTCTCCTCCTCCCTGCTCGGCCTCCATTCGCCGTCCGCGGTTCTCTCCACCG AACAAGCTCACACATCAAGACAATAAATAGAGCCTCGTCTGTTTGGGGCCAATCAAACCA AACAACAAGTTCATGTCTGATCTCGACGTCCAGGTTCCAACTGCTTTTGATCCGTTTGCT MSDLDVQVPTAFDPFA GAGGCAAATGCTGAGGACTCCGGCGCTGGTGCTGGATCAAAGAACTATGTGCATGTGCGT EANAEDSGAGAGSKNYVHVR GTACAGCAGCGCAACGGAAGAAAGAGTCTGACAACTGTTCAGGGCTTGAAGAAAGATTAC VQQRNGRKSLTTVQGLKKDY AGCTACAACAAGATTCTCAAGGATCTCAAAAAGGAGTTCTGCTGTAATGGTACTGTAGTC SYNKILKDLKKEFCCNGTVV CAGGATCCAGAACTAGGCCAGGTCATTCAACTCCAAGGTGATCAGCGTAAAAATGTTGCT QDPELGQVIQLQGDQRKNVA ACTTTTCTAGTTCAGGCTGGACTTGCAAAGAAAGAGAGCATCAAGATTCACGGATTTTAG TFLVQAGLAKKESIKIHGF*GCAACACACAAATGCCCGTGTGCCGTCACCGAAGCCTGGAAGTTGTCATATACTTGGTAT TGTCACATCTAAGACATTTGAATTGCTAGTAGTCGTGTGAGGCATCTGTGTTTGATGCAC TTCTACACCAAGACATTTGAATTGGCATCGGTGTGTTGATGCAAGTTGTCCTTCACCATG GTTTGTATGCGCCACCAGTATGGCAGTATGGTTTATCCAGGTTAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAA,羊草eIF1基因的全长cDNA,图 6.5 SD序列可以通过与16S rRNA杂交而被识别。SD序列标明了哪一个AUG应该作为起始密码子。,SDsequence,5-CAGUACGUC UUGACCUAUGGACGAUCUU-mRNA,16S rRNA in 30S ribosomal subunit,U,C,U,C,G,C,U,A,3,Start to make protein here,fMet,Asp,Asp,Leu,SD序列（Shine-Dalgarno sequence）：mRNA中用于结合原核生物核糖体的序列。SD序列在细菌mRNA 起始密码子AUG上游10个碱基左右处，富含嘌呤的碱基序列，能与细菌16S rRNA3端识别，帮助从起始AUG处开始翻译。在原核生物中，核糖体中与mRNA结合位点位于16S rRNA 的3端，mRNA中与核糖体16S rRNA结合的序列称为SD序列(SD sequence)，它是1974年由J.Shine 和 L.Dalgarno发现的，故此而命名。SD序列是mRNA中5端富含嘌呤的短核苷酸序列，一般位于mRNA的起始密码AUG的上游3至11个核苷酸处，并且同16S rRNA 3端的序列互补。,tRNA的结构 三叶草型的二维结构(1)各种tRNA均含有7080个碱基，其中22个碱基是恒定的。(2)5端和3端配对（常为7bp）形成茎区，称为受体臂（acceptor arm）或称氨基酸臂。在3端永远是4个碱基（XCCA）的单链区，在其末端有2-OH或3-OH，是被氨基酰化位点。此臂负责携带特异的氨基酸。,(3)TC常由5bp的茎和7Nt和环组成。此臂负责和核糖体上的rRNA 识别结合；(4)反密码子臂(anticodon arm)常由5bp的茎区和7Nt的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。(5)D环(D arm)的茎区长度常为4bp，也称双氢尿嘧啶环。负责和氨基酰tRNA聚合酶结合;(6)额外环(extra arm)可变性大，从4 Nt到21 Nt不等，其功能是在tRNA的L型三维结构中负责连接两个区域（D环反密码子环和TC-受体臂）。,tRNA的三维结构,图 6.6 原核生物中N-甲酰甲硫氨酸连接的起始tRNA。,fMet,ACC,O,OH,CH2,P,O,O,O,A,O,O,OH,CH2,P,O,O,O,O,C,O,N-formylmethionine(fMet),ProkaryoticinitiatorfMet-tRNA,5,5,3,3,4,2,1,图 6.7 30S起始复合体,A U G,5,3,mRNA,fMet,ACC,U A C,30S ribosomalsubunit,Initiationcodon,30S起始复合体：30S亚基、mRNA和起始tRNA的集合称为30S起始复合体。,起始因子（initiation factors,IF),参与蛋白质起始复合物的形成,IF-1：1.结合到30s亚基的A位点上2.阻止氨酰tRNA与A位结合，3.阻止30s亚基和50s亚基结合。IF-2:1.使fMet-tRNA特异的结合到P位点上2.与GTP结合为70亚基的形成提供能量IF-3：1使30S亚基与mRNA的特异位点结合2能保持30s亚基的稳定性，阻止30s亚基和50s亚基结合,核糖体的作用位点,A位点（或称 acceptor site）可以进入 氨基酰-tRNA(aminoacyl-tRNA)。P位点(或称供位，donor site)是被肽基 酰-tRNA(peptidyl-tRNA)所占据。(3)E位点(Exit site)脱酰tRNA(deacylated-tRNA)短暂地占据。,图 6.8(a)70S起始复合体上的三个tRNA结合位点；(b)起始tRNA最初结合在P位。,U A,C,5,3,mRNA,Psite,Asite,Esite,f,Met,A U G,C A G G C U A C G,G A G A C U A G G,5,3,mRNA,A U G,C A G G C U A C G,G A G A C U A G G,(a)(b),6.2.2 延伸,在多肽链上每增加一个氨基酸都需要经过进位、转位和移位三个步骤：进位：为密码子所特定的氨基酸tRNA结合到核蛋白体的A位，称为进位。转位：涉及肽键的形成。移位：转位作用发生后，氨基酸都位于A位，P位上无负荷氨基酸的tRNA就此脱落，核蛋白体沿着mRNA向3端方向移动一组密码子，使得原来结合二肽酰tRNA的A位转变成了P位，而A位空出，可以接受下一个新的氨基酰tRNA进入。,以后，肽链上每增加一个氨基酸残基，即重复上述进位、转位、移位的步骤，直至所需的长度，实验证明mRNA上的信息阅读是从5端向3端进行，而肽链的延伸是从氨基端到羧基端。所以多肽链合成的方向是N端到C端。,图 6.9 翻译延伸的循环机理,AUG,1,2,3,AUG,1,2,3,Peptidyltransfer(Round 1),Met,Met,f,f,tRNA1entering,AUG,1,2,3,aa1,f,Met,Translocation,AUG,1,2,3,aa1,Met,f,tRNA2entering,InitiatortRNAleaving,AUG,1,2,3,Met,f,aa2,aa1,Translocation,4,AUG,1,2,3,aa1,4,5,Met,f,aa2,tRNA1leaving,tRNA3entering,AUG,1,2,3,aa1,Met,f,Peptidyltransfer(Round 2),tRNA2,O,图 6.10 肽键形成，由肽基转移酶催化。,AUG,1,2,3,aa1,Met,f,HNCC,R1,O,HN HCC,R2,O,tRNA1,O,AUG,1,2,3,Met,f,aa2,aa1,tRNA2,O,N C C,R1,O,N HCC,R2,O,tRNA1,OH,H,H,H,H,H,P site,A site,P site,A site,Peptidyltransferase,肽基转移酶：在核糖体内催化形成肽键的酶称为肽基转移酶。,过去认为，大亚基的蛋白质具有酶的活性，促使肽键形成，故称为转肽酶。20世纪90年代初，H.F.Noller等证明大肠杆菌的23SrRNA能够催化肽键的形成，才证明rRNA是一种核酶，从而根本改变了传统的观点。核糖体催化肽键合成的是rRNA，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助的作用。,延伸因子是参与蛋白合成过程中肽链延伸的蛋白因子，在原核生物中有三种延伸因子，即EF-Tu、EF-Ts、EF-G。,原核生物蛋白质合成的延伸因子,因子 基因 功能 抑制剂 EF-Tu tufA,tufB 与氨基酰tRNA 黄色霉素 及GTP结合 EF-Ts tsr 结合EF-Tu，取代GDP EF-G 结合核糖体 梭链孢酸 和GTP,终止密码UAA,UGA,UAG；在E.coli中释放因子（release factors（RF）;终止反应是释放因子识别终止位点并与之结合，激活肽基转移酶，水解了P位点上多肽与tRNA之间 的键，然后释放了多肽和tRNA。在真核系统中只有一种释放因子eEF可识别3种终止密码子。,6.2.3 终止,释放因子（release factors，RF）：又称终止因子。在GTP存在下能识别终止密码子的一种因子。其作用是终止肽链合成并使肽链释放出核糖体。RF与核糖体A位结合后，活性肽基转移酶水解P位上的tRNA与肽链之间的链，把P位上的肽基转移至水分子。随后，新生肽链与最后一个去酰化的tRNA释放出核糖体。在原核生物中发现三个释放因子RF-1，RF-2，RF-3。,图 6.11 翻译终止机理,Stopcodon,Gly,Ser,Releasefactor,Phe,Leu,6.3 真核生物翻译,真核生物的翻译和原核生物的最大区别：原核生物起始tRNA携带N-甲酰甲硫氨酸起始阶段 真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸 但只能跟起始密码子结合。,扫描：为寻找起始密码子的位置，48S复合体会从mRNA的5帽结构开始沿mRNA滑行，这一过程称为扫描。在大部分mRNA中，遇到的第一个AUG会被作为起始密码子。,AUG,AUG,40S,Scanning,Translation initiation,mRNA,IRES,AUG,Translation initiation,AUG,40S subunit enters IRES site directly,80S,80S,(a)Translation initiation at AUG chosen by scanning,(b)Translation initiation at IRES site,40S,AUG,AUG,mRNA,图6.12 通过扫描寻找AUG(a)和通过直接进入IRES位点(b)启动的翻译。,IRES:内部核糖体进入序列,IRES为内核糖体进入序列（internal ribosome entry site），它可翻译一条mRNA上的两个开放读框，由其连接的两个基因的表达率相同。,真核起始因子(eukaryotic initiation factor，eIF)，又称为真核翻译起始因子，是指参与真核翻译起始这一过程的蛋白质。与原核起始因子只有三种（IF1、IF2、IF3）相比，真核起始因子种类多且复杂，目前已鉴定的真核起始因子共有12种。通过这些真核起始因子之间以及不同的真核起始因子与核糖体、mRNA和起始tRNA之间的相互作用，来完成真核生物的翻译起始。,因此相比于原核生物，真核生物的翻译起始过程更多得依赖于蛋白质与蛋白质以及蛋白质与RNA之间的相互作用，而非RNA与RNA间的相互作用。,eIF1是一种参与真核翻译起始的重要的蛋白质。eIF1在起始密码子AUG的识别中发挥重要的作用，它能使起始密码子的识别具有很高的保真度。在酵母中，eIF1是维持其生存不可或缺的蛋白质。,eIF1A是一种在真核翻译起始进程中发挥重要作用的蛋白质，也是一种RNA结合蛋白。其主要的功能是稳定Met-tRNAi与40S核糖体亚基间的结合，参与激活mRNA的结合，还可以通过结合到40S亚基上以阻止其与60S亚基结合形成无活性的核糖体。在酵母中，eIF1A是维持其生存不可或缺的蛋白。eIF1A被认为是最保守的起始因子：小麦和兔子的eIF1A在体外实验中是可互换的；而且在体内实验中，人eIF1A可以取代酵母eIF1A。eIF1A与原核生物中的IF1同源。eIF1A与IF1结合核糖体相似的是，在没有其他真核起始因子的协助下，eIF1A依然能够结合到40S亚基上。eIF1A的基因存在于X染色体(基因名:EIF1AX)和Y染色体(基因名：EIF1AY)中。,图 6.13 真核起始因子（eIF）在真核翻译中的作用。,eIF3,Met,InitiatortRNA,eIF2,eIF3,eIF2,AUG,40S,43S,mRNA,eIF4F,48S,AUG,eIF3：在不发生翻译时防止核糖体两个亚基之间的结合。eIF2：在起始tRNA结合到40S的亚基的过程中起作用。eIF4:促使翻译从mRNA的5末端开始。eIF1和eIF1A:稳定48S起始复合体的作用。eIF5和eIF5B:使形成80S起始复合体。,48S,AUG,eIF1A,eIF1,eIF1,eIF1A,Scanning,48S,AUG,eIF1,eIF1A,eIF5B,60S,eIF5,eIF1,eIF1A,eIF4F,AUG,eIF5B,eIF5,80S,AUG,Translation,eIF5B,eIF5,相关疾病,目前已知的真核起始因子中，eIF2B与人类遗传病的关系最为密切。eIF2B的五个亚基基因的常染色体遗传性隐性突变会导致白质异常，在临床上表现为一系列严重的连续症状，称为“eIF2B相关紊乱”。典型的如脑白质病，即白质消失（vanishing white matter，VWM）和卵巢衰竭（ovarian failure）。这种紊乱疾病持续时间久，伴随年龄增长而不断恶化，而且当感染发烧或轻微脑部外伤都可以恶化病情而导致死亡。最严重时会在婴儿期就造成死亡，而如果持续到最后会导致成人卵巢发育失败并可能伴随神经退化。,在哺乳动物中，eIF3的e亚基（eIF3e）由Int6基因编码，而Int6基因是鼠乳腺癌病毒（mouse mammary tumor virus）基因组的整合位点。而病毒基因组的插入能够导致生成被剪切的eIF3e，表达被剪切的eIF3e就能够导致细胞发生癌变。因此，eIF3e虽然不直接引发癌症，但却与癌症的发生密切相关。此外，eIF2的亚基中磷酸化位点的突变能够导致与PERK（PKR-like endoplasmic reticulum kinase）基因缺失相似的症状。而PERK基因突变能够遗传性疾病Wolcott-Rallison综合症，表现为幼年重糖尿病伴随骨骼异常生长延迟。但目前还没有关于该磷酸化位点的突变发生在人体中的报道。,6.4 tRNA结构与摇摆,反密码子（anticodon）：tRNA分子二级结构的反密码环中部的三个相邻核苷酸组成反密码子。它们与结合在核糖体上的mRNA中的核苷酸（密码子）根据碱基配对原则互补成对，因此在蛋白质合成过程中，携带特定氨基酸的tRNA凭借自身的反密码子识别mRNA上的密码子，把所携带的氨基酸掺入到多肽链的一定位置上。,氨酰化氨酰化（Aminoacylation）是添加一个氨酰基团到化合物的过程。在氨酰tRNA合成酶（aminoacyl tRNA synthetase）的作用下，tRNA与特异的氨基酸进行氨酰化反应，对于一种氨基酸而言，尽管可能有多种tRNA和多种反密码子，但是通常只有一种氨酰tRNA合成酶。合成酶对合适的tRNA的识别不仅仅是反密码子，受体臂也起了显著的作用。反应：氨基酸+ATP 氨基酰-AMP+PPi 氨基酰-AMP+tRNA 氨基酰-tRNA+AMP,U A U,5,3,mRNA,ACC,A U A,U A U,5,3,mRNA,Codonof tyrosine,NH2CCO,H,O,Anticodonof tyrosine,Tyrosine,Codon andanticodoninteraction,CH2,OH,5,3,ACC,A U A,NH2CCO,H,O,CH2,OH,5,3,图 6.14 含有氨基酸连接位点和反密码子的tRNA的三叶草形二维结构。tRNA的反密码子与密码子（对应于tRNA上携带的氨基酸）结合,Anticodon,Amino acid attachment site,图 6.15 tRNA的三维结构,Linkage of aminoacid to tRNA,NH2CCO,H,O,CH3,NH2CCOH,H,O,CH3,Alanine,tRNA with anti-codon of UGC,Aminoacyl tRNA synthetase,OH,图 6.16 氨酰tRNA合成酶识别tRNA反密码子并将合适的氨基酸加到tRNA上,在蛋白质合成体系中，密码子中第三位碱基与反密码子第一位碱基的配对有时不一定完全遵循A-U、G-C的原则，Crick把这种情况称为摇摆（wobble），有人也称摆动配对或不稳定配对。密码子的第三位和反密码子的第一位是摇摆位点。反密码子第一位的G可以与密码子第三位的C、U配对，U可以与A、G配对，I可以和密码子的U、C、A配对，这使得该类反密码子的阅读能力更强。,Ala,Ala,I,Ala,5,3,mRNA,I,Ala,5,3,mRNA,Ala,5,3,mRNA,5,3,mRNA,5,3,mRNA,5,5,5,5,5,3,3,3,3,3,图 6.17 摇摆。反密码子的第一位碱基通常可以与不止一个碱基结合，是一个反密码子能够识别不止一个密码子。当次黄苷（I）出现在第一位时，反密码子的功能尤其广泛。,6.5 实验研究（破译遗传密码）,基因密码的破译是六十年代分子生物学最辉煌的成就。先后经历了五十年代的数学推理阶段和1961-1965年的实验研究阶段。,1954年，物理学家George Gamov根据在DNA中存在四种核苷酸，在蛋白质中存在二十种氨基酸的对应关系，做出如下数学推理:如果每一个核苷酸为一个氨基酸编码，只能决定四种氨基酸(41=4);如果每二个核苷酸为一个氨基酸编码，可决定16种氨基酸(42=16)。上述二种情况编码的氨基酸数小于20种氨基酸，显然是不可能的。那么如果三个核苷酸为一个氨基酸编码的，可编64种氨基酸(43=64);若四个核苷酸编码一个氨基酸，可编码256种氨基酸(44=256)，以此类推。,乔治 伽莫夫,乔治伽莫夫（George Gamow，1904年1968年），美籍俄裔物理学家、天文学家、科普作家，热大爆炸宇宙学模型的创立者。伽莫夫1904年生于乌克兰，1922年进入新俄罗斯大学就读，曾师从著名宇宙学家亚力山大弗里德曼学习弗里德曼宇宙模型。1928年获得博士学位。1928年到1932年间曾先后在德国格丁根大学、丹麦哥本哈根大学理论物理研究所和英国剑桥大学卡文迪许实验室师从著名物理学家玻尔和卢瑟福从事研究工作。1931年，伽莫夫被召回苏联，任命为列宁格勒科学院首席研究员，1933年出席在比利时布鲁塞尔召开的一次会议时，伽莫夫抓住机会离开了苏联。伽莫夫在法国巴黎的居里研究所从事研究，1934年移居美国，在密歇根大学担任讲师。在华盛顿大学工作期间，伽莫夫主要从事宇宙学和天体物理学研究，发展了大爆炸宇宙模型，这个时期是他学术生涯的顶峰，取得了一系列重要的研究成果。1954年起，伽莫夫担任伯克利加州大学教授，1956年起任科罗拉多大学教授，并将研究中心转向分子生物学。这期间，伽莫夫提出了DNA分子的“遗传密码”。,Gamov认为只有43=64这种关系是理想的，因为在有四种核苷酸条件下，64是能满足于20种氨基酸编码的最小数。而44=256以上。虽能保证20种氨基酸编码，但不符合生物体在亿万年进化过程中形成的和遵循的经济原则，因此认为四个以上核苷酸决定一个氨基酸也是不可能的。1961年，Brenner和Grick根据DNA链与蛋白质链的共线性(colinearity)，首先肯定了三个核苷酸的推理。随后的实验研究证明上述假想是正确的。,1)在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的poly 开创了破译遗传密码的先河。,1961年，美国NIH的Nirenberg和Mathaei，设想:即然mRNA有刺激无细胞系统中的蛋白质合成作用，加入人工合成的多聚核苷酸亦将会有这种促进作用。按此设想，他们合成了polyU作为模板，以观察无细胞系统中蛋白质合成速率。当把翻译产物分离、纯化和做序列分析后，结果出乎意料，合成的肽链中的氨基酸残基全部是苯丙氨酸，即polyPhe。于是第一次确认了UUU是Phe的密码子。这样，就在一个偶然的机会开创了破译密码的工作。随后，他们又以polyA和polyC为模板，证明了分别可指导合成polyLys和polyPro，即确定了AAA是Lys的密码子，CCC是pro的密码子。但是类似的实验不能证明GGG是何种氨基酸的密码子，因为polyG产生牢固的氢键结合，形成三股螺旋，而不与核糖体结合。,2)混合共聚物(mixed copolymers)实验对密码子中碱基组成的测定：,1963年，Speyer和Ochoa等发展了用两个碱基的共聚物破译密码的方法。例如，以A和C原料，合成polyAC。polyAC含有8种不同的密码子:CCC、CCA、CAA、AAA、AAC、ACC、ACA和CAC。各种密码子占的比例随着A和C的不同而不同，例如当A和C的比例等于5:1时，AAA:AAC的比例=5 5 5:5 5 1=125:25。依次类推。实验显示AC共聚物作模板翻译出的肽链由六种氨基酸组成，它们是Asp，His，Thr，Pro，和Lys，其中Pro和Lys的密码子早先已证明分别是CCC和AAA。根据共聚物成份不同的比例和翻译产物中氨基酸比例亦不同的关系，Speyer等确定了Asp、Glu和Thr的密码子含2AlC;His的密码子含1A2C;Thr的密码子也可以含1A2C;Pro为3C或1A2C;Lys为3A。但上述方法不能确定A和C的排列方式，而只能显示密码子中碱基组成及组成比例。例如，Asp，Glu和Thr的2A1C可能有三种排列方式，即AAC、ACA、CAA。此外，通过反复改变共聚物成份比例的方法亦十分麻烦和费时,3)aa-tRNA与确定的三核苷酸序列(密码子)结合：,正当Speyer等人按上述2)方法奋力时，Nirenberg和Leder于1964年建立了破译密码的新方法，即tRNA与确定密码子结合实验。该方法利用了如下事实:即是在缺乏蛋白质合成所需的因子的条件下，特异氨基酸-tRNA(aa-tRNA)也能与核糖体-mRNA复合物结合。最重要的是这种结合并不一定需要长的mRNA分子，而三核苷酸实际上就可以与核糖体结合。例如，当polyU与核糖体混合时，仅有Phe-tRNA(苯丙氨酰-tRNA)与之结合;相应地Pro-tRNA(脯氨酰-tRNA)特异地与polyC结合。还有GUU可促进Val-tRNA(缬氨酰-tRNA)结合，UUG促进Leu-tRNA(亮氨酰-tRNA)结合等。虽然所有64个三核苷酸(密码子)都可按设想的序列合成，但并不是全部密码子均能以这种方法决定因为有一些三核苷酸序列与核糖体结合并不象UUU或GUU等那样有效，以致不能确定它们是否能为特异的氨基酸编码。,4)用重复共聚物(repeating copolymers)破译密码：,几乎在上述Nirenberg和Leder工作的同时，Nishimura，Jones，和Khorana等人应用有机化学和酶学技术，制备了已知的核苷酸重复序列。蛋白质在核糖体上的合成可以在这些有规律的共聚物的任一点开始，并把特异的氨基酸参入肽链。例如，重复序列CUCUCUCUCU.是多肽Leu-Ser-Leu-Ser.或者是多肽Ser-Leu-Ser.的信使分子.使用共聚物构成三核苷酸为单位的重复顺序，如(AAG)n，它可合成三种类型的多肽:polyLys、polyArg和polyGlu，即AAG是Lys的密码子，AGA是Arg的密码子，GAA是Glu的密码子。又如（AUC)n序列是polyIle、polySer和polyHis的模板。如此至1965年破译了所有氨基酸的密码子。,遗传学的第二套密码系统（The second genetic code）,以上所述存在于mRNA中的遗传密码称为经典密码系统或第一套密码系统。第二套密码系统是自1988年5月份以来在分子生物学领域引人注目的新进展。,5,NNNN,Add radioactive amino acids(),3,5,No.1,No.2,No.3,No.4,3,Finished peptides,No.1 No.2 No.3 No.4,PeptideNo.1,PeptideNo.2,PeptideNo.3,PeptideNo.4,CCCC,图 6.18 翻译方向的测定,Ture/False Question,There are three start codons in the genetic code.tRNA is always connected to an amino acid.Inosine is a nitrogenous base that can be present in tRNA.Translation of eukaryotic mRNA usually starts at the first AUG codon nearest to the cap structure.,5.tRNA is a T-shaped molecule in 3-dimensions.6.Translation end when a terminator tRNA binds to a stop codon.7.The Shine-Dalgarno sequence is not presents in eukaryotic mRNA.8.Ribosomes are composed of two large proteins that come together.9.AUG codon can be a start codon and/or a codon for methionine.10.There are at least three codons able to code for each amino acids.,