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4生物信息的传递（下）基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA；再由mRNA将遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程称翻译，即蛋白质的生物合成过程。•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。•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。•细胞所用来进行合成代谢总能量的90%消耗在蛋白质合成过程中，而参与蛋白质合成的各种组分约占细胞干质量的35%。•翻译过程：–翻译的起始：核糖体与mRNA结合并与氨酰-tRNA生成起始复合物。–肽链的延伸：核糖体沿mRNA5‘端向3’端移动，开始了从N端向C端的多肽合成。–肽链的终止与释放：核糖体从mRNA上解离。•在翻译过程中：–核糖体是蛋白质合成的场所。–mRNA是蛋白质合成的模板。–tRNA是模板与氨基酸之间的接合体。–在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与。4.1遗传密码——三联子•mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。•mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个AA，这3个核苷酸就称为密码，也叫三联子密码（codon)•翻译时从起始密码子开始，沿着mRNA5‘-3’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。4.1.1三联子密码及其破译•遗传密码的破译是多位科学家经过一系列的数学推理和试验研究，于1966年解决。•基因密码的破译先后经历了二十世纪五十年代的数学推理阶段和1961-1965年的实验研究阶段。7.2.2.1遗传密码的推测•1954年物理学家Gamov首先对遗传密码进行探讨，提出不可能是一个碱基或两个碱基决定一个氨基酸（41=4，42=16），如果用三个碱基决定一个氨基酸，43=64，就足以编码20种氨基酸，密码子应是三联体（triplet）；是否重叠？•1961年Crick等用T4噬菌体试验表明，mRNA中加入或减少1或2个核苷酸，可导致形成不正常的蛋白质；但加入或减少3个核苷酸则生成的蛋白质常具有活性。因此，认为三联体密码子学说是正确的。这被以后的实验证明。确认三联子：1移码突变2烟草坏死病外壳蛋白亚基400aa/1200bp破译密码子最简单的方法是将DNA或mRNA的顺序与多肽进行比较。（1）体外翻译系统的建立在生物体内，蛋白质合成过程中需要200多种生物大分子参加，包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。在体外能否进行蛋白质的合成？1962年，用E.coil提取液进行体外合成实验，加入细菌病毒f2的mRNA，合成了与天然f2蛋白完全相同的蛋白质。证明在体外条件下可准确地按mRNA的遗传信息合成相应的蛋白质。现在已用无细胞系统合成多种病毒和细菌蛋白以及哺乳动物蛋白（如血红蛋白、轻链和重链免疫球蛋白、肌动蛋白、胶原蛋白、肌球蛋白等），证明高等生物蛋白也能在体外合成。用于蛋白质生物合成研究的体外翻译系统主要有：细菌（大肠杆菌）无细胞系统、动物无核细胞系统、网织红细胞裂解系统和麦胚系统等。只要加入外源mRNA模板，则可进行体外翻译。（2）核酸的人工合成技术的发展NirenbergandMathaei（1961）开始用实验方法研究遗传密码。所用的方法是人工合成一定的RNA,作为mRNA。人工合成了poly(U)做模板，加入到体外无细胞翻译系统中；将翻译产物分析后，发现合成的肽链中的氨基酸全部是Phe。据此就确认了Phe的密码子是UUU。类似的实验不能证明GGG是哪种氨基酸的密码子；因为poly(G)形成了复杂的二级结构，不与核糖体结合。UUUUUUUUUUUUUUUUUU-PhePhePhePhePhePheCCCCCCCCCCCCCCCCCC-ProProProProProProAAAAAAAAAAAAAAAAAA-LysLysLysLysLysLysSpeyer等（1963）用人工合成2个碱基的共聚物(mixedcopolymers)破译密码的方法。以A和C原料合成polyAC。polyAC包含有8种不同的密码子，实验中AC共聚物作模板翻译出的肽链由6种氨基酸组成，其中两种已证明是CCC和AAA。这些氨基酸的掺入比例随A/C比率而异。如多聚AC中A的量大大超过C的量，则Gln的参入大大多于His，可推断Gln的密码子含2A和1C，而His的密码子含2C和1A；但此方法不能确定A和C的排列方式，而只能显示密码子中碱基组成。用其它2个碱基的共聚物进行类似的实验，也可以推断出其他密码子的碱基组成，但不能确定密码子中碱基排列。A/C共聚核苷：CCCCCACACACCCAAACAAACAAAProProHisThrGlnThrAsnLys多聚二核苷酸polyUG:UGUGUGUGUGUGUGUGUG-CysValCysValCysVal多聚三核苷酸polyUUC:UUCUUCUUCUUCUUCUUC-PhePhePhePhePhePheUCUUCUUCUUCUUCUUCU-SerSerSerSerSerSerCUUCUUCUUCUUCUUCUU-LueLueLueLueLueLue（3）核糖体结合技术（ribosomebindingtechnique）将三核苷酸、氨基酰-tRNA混合物和核糖体一起放入硝酸纤维滤膜，游离的氨基酰-tRNA会被洗脱通过，核糖体无法通过滤膜，与密码子对应的氨基酰-tRNA和密码子一起与核糖体结合而留在滤膜上。方法：①合成1个三联体核苷酸（RNA）模拟一个密码子，如UUU。②准备各种负载tRNA，如Thr、Phe或Lys的tRNA混合物，并将其中的一种氨基酸（如Phe）用放射性元素标记。③将密码子、负载tRNA及核糖体一起放入硝酸纤维滤膜。游离的密码子和负载tRNA会被洗脱而通过滤膜，核糖体无法通过滤膜。但与密码子对应的tRNA能与密码子一起与核糖体结合而留在滤膜上。④检验滤膜看是否含放射性元素。若有放射性，表明此标记氨基酸(Phe)与此密码子(UUU)对应。否则，二者无对应关系。⑤合成其它密码子并标记其他氨基酸重复此实验。尽管已经合成了所有64种可能的三联体核苷酸，希望通过这种方法确定每一种密码子。但是有些三核苷酸序列与核糖体的结合不是很有效的，因而无法哪一种密码子对应哪一个氨基酸。而且用这种方法也把一些密码子定错了。用这种方法实际上确定了50种密码子。在应用三核苷酸技术的同时，Khorana用有机化学与酶学技术相结合的方法合成了已知顺序的含2、3或4种碱基的共聚物(repeatingcopolymers)。4.1.2遗传密码的性质•密码的连续性。起始密码子决定所有后续密码子的位置。密码间无间断也没有重叠。•密码的简并性。由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并，对应于同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子（synonymouscodon)。•密码的普遍性与特殊性。密码子表是具有普遍性的，适用于一切生物，但也有些特殊情况。密码子通用编码线粒体编码哺乳动物酵母菌果蝇植物UGA终止码色氨酸色氨酸色氨酸终止码AUA异亮氨酸蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸异亮氨酸CUA亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸AGA精氨酸终止码精氨酸丝氨酸精氨酸•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。摆动假说（wobblehypothesis)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。解释了反密码子中某些稀有成分的配对，以及许多氨基酸有2个以上密码子的问题。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。如果有几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30-50中tRNA，真核生物中可能存在50种tRNA。•tRNA在蛋白质合成中处于关键地位。•tRNA不仅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运送载体，它又被称为第二遗传密码。•特点：存在经过特殊修饰的碱基，3’端都以CCA-OH结束，这是其氨基酸结合位点。4.2tRNAtRNA产生二级结构由于小片段碱基互补配对，形成三叶草形的二级结构。三叶草形tRNA分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手臂：•受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；3’端有未配对的3～4个碱基；3’端的CCA，最后一个碱基2‘和3’烃基可被氨酰化。•TψC臂：其中ψ[psai]表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。•反密码子臂：位于套索中央有三联反密码子。•D臂：含有二氢尿嘧啶。各种tRNA均有74-95个核苷酸，其中有22个核苷酸是恒定不变的。•受体臂：链两端碱基序列互补形成7bp的茎；3’端有未配对的3～4个碱基；3’端的CCA，最后一个碱基2'和3’烃基可被氨酰化。•TψC臂：常由5bp的茎和7nt的环组成。负责核糖体的识别。•反密码子臂：常由5bp的茎和7nt的环组成。•D臂：含有二氢尿嘧啶。茎的长度常为4bp。•额外臂：4-21nt不等。tRNA上碱基的修饰tRNA的稀有碱基非常丰富，约有70余种。每个tRNA分子至少有2个稀有碱基，最多有19个。多数分布在非配对区，尤其反密码子3‘端附近部位，且大多为嘌呤核苷酸。对于维持反密码子环的稳定性及密码子、反密码子之间的配对很重要。所有的tRNA都能够与核糖体的A位点和P位点结合。A:氨酰-tRNA结合位点P:肽酰-tRNA结合位点tRNA能被翻译辅助因子识别：起始tRNA延伸tRNA原核IF-2EF-Tu真核eIF-2eEF1起始因子翻译辅助因子4.2.1tRNA的L形三级结构酵母苯丙氨酸tRNA的三级氢键tRNA的三级结构主要由二级结构中未配对碱基间形成氢键而引发。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。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•翻译阶段遗传信息从mRNA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，这里起作用的是tRNA的解码机制。•氨基酸在合成蛋白质之前先通过AA－tRNA合成酶活化，在消耗ATP的情况下结合到tRNA上，生成有蛋白质合成活性的AA－tRNA，由AA－tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子相互识别并配对，将AA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。•tRNA的性质是由反密码子而不是它所携带的氨基酸所决定的：试验：14C-Cys-tRNAcys---Ni---14C-Ala-tRNAcys4.2.3tRNA的种类1.起始tRNA和延伸tRNA。–一类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。起始tRNA具有独特的结构特征。–原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸fMet，真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸Met。原核生物中Met-tRNAfMet必须首先甲酰化才能参与蛋白质合成。2.同工tRNA:几个代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。–一个同工tRNA组内，所有tRNA均专一于相同的氨酰-tRNA合成酶。–tRNA的二级和三级结构对它的专一性有重要作用。3.校正tRNA。分两类：无义突变的校正tRNA和错义突变的校正tRNA。均通过改变其反密码子区校正突变而依然合成原氨基酸。−无义突变(nonsensemutation)：一个核苷酸的改变使代表某氨基酸的密码子变成终止密码子，使蛋白合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽。−错义突变(missensemutation):由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码。无义突变和错义突变的校正•校正tRNA在进行校正