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第四讲生物信息的传递（下）从mRNA到蛋白质蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活细胞在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。因此，活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运转和降解反应。4.1遗传密码——三联子所谓翻译是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每3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。这3个核苷酸就是一个密码子。翻译从起始密码子AUG开始，沿mRNA5'→3'方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链——蛋白质。图4-1Crick关于tRNA分子破译mRNA遗传密码三联子的原始构想4.1.1三联子密码及其破译因为mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸，以一种核苷酸代表一种氨基酸是不可能的。若以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码（二联子），它们能代表的氨基酸也只有42=16种。若以3个核苷酸代表一个氨基酸，有43=64种密码子，满足了编码20种氨基酸的需要。Crick等人发现T4噬菌体rII位点上两个基因的正确表达与它能否侵染大肠杆菌有关，用吖啶类试剂（诱导核苷酸插入或从DNA链上丢失）处理使T4噬菌体DNA发生移码突变（frameshiftmutation），噬菌体就丧失感染能力。若在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后的全部氨基酸序列。若同时对模板进行插入和删除试验，保证后续密码子序列不变，翻译得到的蛋白质序列就保持不变（除了发生突变的那个密码子所代表的氨基酸之外）。(-)(-)(-)一次删去5’-GUA↓↓↓UACGGAU………3’读码框不变图4-2用核苷酸的插入或删除实验证明mRNA模板上每三个核苷酸组成一个密码子对烟草坏死卫星病毒的研究发现，其外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，而相应的RNA片段长约1200个核苷酸，与假设的密码三联子体系正好相吻合。1.以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成。Nirenberg把多聚（U）作为模板加入到无细胞体系时发现，新合成的多肽链是多聚苯丙氨酸，确定UUU代表苯丙氨酸（Phe）。以多聚（C）及多聚（A）做模板得到的分别是多聚脯氨酸和多聚赖氨酸。以多聚UG为模板合成的是多聚Cys和Val，因为多聚（UG）中含Cys和Val的密码：5'……UGUGUGUGUGUGUGUGUG……3'无论读码从U开始还是从G开始，都只能有UGU（Cys）及GUG（Val）两种密码子。Nirenberg及Ochoa等又用各种特定序列如只含A、C的共聚核苷酸作模板，任意排列时可出现8种三联子，即CCC、CCA、CAC、ACC、CAA、ACA、AAC、AAA，获得由Asn、His、Pro、Gln、Thr、Lys等6种氨基酸组成的多肽。以多聚（UUC）为模板，可能有3种起读方式：5'……UUCUUCUUCUUCUUC……3'或5'……UCUUCUUCUUCUUCU……3'或5'……CUUCUUCUUCUUCUU……3'产生UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu），得到多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸或多聚亮氨酸。因此，UUC、UCU、CUU分别是苯丙氨、丝氨酸及亮氨酸的密码子。当然，也可能只合成2种均聚多肽，如：5'……GUAGUAGUAGUAGUA……3'或5'……UAGUAGUAGUAGUAG……3'或5'……AGUAGUAGUAGUAGU……3'由第二种读码方式产生的密码子UAG是终止密码，不编码任何氨基酸，因此，只产生2种密码子GUA（Val）或AGU（Ser），合成多聚缬氨酸或多聚丝氨酸。2.核糖体结合技术以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板，在含核糖体、AA-tRNA的适当离子强度的反应液中保温后通过硝酸纤维素滤膜。游离的AA-tRNA因相对分子质量小能自由过膜，与模板对应的AA-tRNA能与核糖体结合，体积超过膜上的微孔而被滞留。若用20种AA-tRNA做20组同样的实验，每组都含20种AA-tRNA和各种三核苷酸，但只有一种氨基酸用14C标记，看哪一种AA-tRNA被留在滤膜上，进一步分析这一组的模板是哪个三核苷酸，从模板三核苷酸与氨基酸的关系可测知该氨基酸的密码子。表4-1三核苷酸密码子能使特定的氨基酰-tRNA结合到核糖体上密码子与核糖体相结合的14C标记的氨基酰-tRNAPhe-tRNAPheLys-tRNALysPro-tRNAProUUU4.6*00AAA07.70CCC003.1*数字代表特定氨基酰tRNA与带有模板三核苷酸的核糖体相结合的效率。4.1.2遗传密码的性质1.密码的简并性4种核苷酸可组成64个密码子，现在已经知道其中61个是编码氨基酸的密码子，另外3个即UAA、UGA和UAG并不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与tRNA的反密码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。表4-2通用遗传密码及相应的氨基酸第一位(5'端)核苷酸第二位（中间）核苷酸UCAG第三位(3'端)核苷酸U苯丙氨酸（Phe，F）丝氨酸（Ser，S）酪氨酸（Tyr，Y）半胱氨酸（Cys，C）U苯丙氨酸（Phe，F）丝氨酸（Ser，S）酪氨酸（Tyr，Y）光胱氨酸（Cys，C）C亮氨酸（Leu，L）丝氨酸（Ser，S）终止（Stop）终止（Stop）A亮氨酸（Leu，L）丝氨酸（Ser，S）终止（Stop）色氨酸（Trp，W）GC亮氨酸（Leu，L）脯氨酸（Pro，P）组氨酸（His，H）精氨酸（Arg，R）U亮氨酸（Leu，L）脯氨酸（Pro，P）组氨酸（His，H）精氨酸（Arg，R）C亮氨酸（Leu，L）脯氨酸（Pro，P）谷氨酰胺（Gln，Q）精氨酸（Arg，R）A亮氨酸（Leu，L）脯氨酸（Pro，P）谷氨酰胺（Gln，Q）精氨酸（Arg，R）GA异亮氨酸（Ile，I）苏氨酸（Thr，T）天冬酰胺（Asn，N）丝氨酸（Ser，S）U异亮氨酸（Ile，I）苏氨酸（Thr，T）天冬酰胺（Asn，N）丝氨酸（Ser，S）C异亮氨酸（Ile，I）苏氨酸（Thr，T）赖氨酸（Lys，K）精氨酸（Arg，R）A甲硫氨酸（Met，M）苏氨酸（Thr，T）赖氨酸（Lys，K）精氨酸（Arg，R）GG缬氨酸（Val，V）丙氨酸（Ala，A）天冬氨酸（Asn，N）甘氨酸（Gly，G）U缬氨酸（Val，V）丙氨酸（Ala，A）天冬氨酸（Asn，N）甘氨酸（Gly，G）C缬氨酸（Val，V）丙氨酸（Ala，A）谷氨酸（Glu，E）甘氨酸（Gly，G）A缬氨酸（Val，V）丙氨酸（Ala，A）谷氨酸（Glu，E）甘氨酸（Gly，G）G除色氨酸（UGG）只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。9种氨基酸有2个密码子，1种氨基酸有3个密码子，5种氨基酸有4个密码子，3种氨基酸有6个密码子（表4-3）。由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymouscodon）。AUG和GUG既是甲硫氨酸及缬氨酸的密码子又是起始密码子。表4-3密码子的兼并性氨基酸密码子个数氨基酸密码子个数丙氨酸4亮氨酸6精氨酸6赖氨酸2天门冬酰胺2甲硫氨酸1天门冬氨酸2苯丙氨酸2半胱氨酸2脯氨酸4谷氨酰胺2丝氨酸6谷氨酸2苏氨酸4甘氨酸4色氨酸1组氨酸2酪氨酸2异亮氨酸3缬氨酸43.密码子与反密码子的相互作用tRNA的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与mRNA上的密码子相互作用的。1966年，Crick提出摆动假说（wobblehypothesis），解释了反密码子中某些稀有成分（如I）的配对，以及许多氨基酸有2个以上密码子的问题。图4-4mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子配对示意图。a.密码子与tRNA反密码子臂上相应序列配对；b.当反密码子第一位是I时，密码子第三位可以是A、U或C。在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动”，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。一个tRNA究竟能识别多少个密码子是由反密码子的第一位碱基的性质决定的，反密码子第一位为A或C时只能识别1种密码子，为G或U时可以识别2种密码子，为I时可识别3种密码子。表4-5tRNA上的反密码子与mRNA上密码子的配对与“摆动”分析1．反密码子第一位是C或A时，只能识别一种密码子。反密码子（3'）X-Y-C（5'）（3'）X-Y-A（5'）密码子（5'）Y-X-G（3'）（5'）Y-X-U（3'）2．反密码子第一位是U或G时，可分别识别两种密码子。反密码子（3'）X-Y-U（5'）（3'）X-Y-G（5'）密码子（5'）Y-X-A/G（3'）（5'）Y-X-C/U（3'）3．反密码子第一位是I时，可识别3种密码子反密码子（3'）X-Y-I（5'）密码子（5'）Y-X-A/U/C（3'）多个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的tRNA。原核生物中大约有30-45种tRNA，真核细胞中可能存在50种tRNA。4.2tRNAtRNA不但为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体，所以，它又被称为第二遗传密码。不同tRNA在结构上存在大量的共性，由小片段碱基互补配对形成三叶草形分子结构，有4条根据结构或已知功能命名的手臂。最常见tRNA分子有76个碱基，相对分子质量约为2.5×104，不同的tRNA分子可有74～95个核苷酸不等。D臂中存在多至3个可变核苷酸位点，17：1及20：1、20：2。最常见的D臂缺失这3个核苷酸，而最小的D臂中第17位核苷酸也缺失了。受体臂（acceptorarm）由链两端序列配对形成的杆状结构和3‘端未配对的3～4个碱基所组成，其3’端的最后3个碱基序列永远是CCA，最后一个碱基的3’或2’自由羟基（—OH）可以被氨酰化。TψC臂是根据3个核苷酸命名的，其中ψ表示拟尿嘧啶；反密码子臂是根据位于套索中央的三联反密码子命名的；D臂是根据它含有二氢尿嘧啶（dihydrouracil）命名的。tRNA的稀有碱基含量非常丰富，约有70余种。每个tRNA分子至少含有2个稀有碱基，最多有19个，多数分布在非配对区，特别是在反密码子3'端邻近部位出现的频率最高。4.2.1tRNA的L-形三级结构研究酵母tRNAPhe、tRNAfMet和大肠杆菌tRNAfMet、tRNAArg等的三级结构，发现都呈L形折叠式（图4-6）。图4-6酵母tRNAphe的三级结构示意图（根据X-射线衍射数据绘制）。a和b表示用不同方法构建的模型。在L形三级结构中，受体臂和TψC臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，D臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。TψC臂和D臂的套索状结构位于“L”的转折点，受体臂顶端的碱基位于“L”的一个端点，反密码子臂的套索状结构生成了“L”的另一个端点（图4-7）。tRNA上所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的多肽合成位点，而tRNA上的反密码子必须与小亚基上的mRNA相配对，所以分子中两个不同的功能基团是最大限度分离的。4.2.2tRNA的功能转录过程是信息从一种核酸分子（DNA）转移到另一种结构上极为相似的核酸分子（RNA）的过程，信息转移靠的是碱基配对。翻译阶段遗传信息从mRNA分子转移到结构极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联密码子形式存在的，在这里起作用的是tRNA的解码机制。只有tRNA上的反密码子能与mRNA上的密码子相互识别并配对，而氨基酸本身不能识别密码子，只有结合到tRNA上生成AA-tRNA，才能被带到mRNA-核糖体复合物上，插入到正在合成的多肽链的适当位置上。用14C标记的半胱氨酸与tRNACys结合后生成[14C]-半胱氨酸-tRNACys，经Ni催化可生成[14C]-Ala-tRNACys，再把[14C]-Ala-tRNACys加入到蛋白质合成系统中，发现[14C]-Ala-tRNACys插入了血红蛋白