分子生物学 第 4 章 第 1 节：tRNA 与遗传密码

• 蛋白质生物合成的过程

  1. 翻译的起始：核糖体与 mRNA 结合并与氨酰 tRNA 生成起始复合物

  2. 肽链的延伸：核糖体沿着 mRNA 5’ 端向 3’ 端移动，开始了从 N 端向 C 端的多肽合成

  3. 肽链的终止及释放：核糖体从 mRNA 上解离

• 蛋白质生物合成的条件

  • 场所：核糖体

  • 模板：mRNA

  • 模板与氨基酸之间的接合体：tRNA

• 蛋白质合成重要性的体现

  • 细胞用来进行合成代谢总能量的 90% 消耗在蛋白质合成过程中

  • 参与蛋白质合成的各种组分约占细胞干重的 35%

• 翻译的定义： 将 DNA 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，一次合成一条多肽链的过程

4.1.1 三联子

• 密码子codon的定义：mRNA 上每 3 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（三联子密码）

• 起始密码子initiation codon：AUG

• 若细胞体系中 Mg²⁺ 浓度很高，则人工合成的多聚核苷酸不需要起始密码子就能指导多肽的生物的合成，读码随机

• 在生理 Mg²⁺ 条件下，没有起始密码子的多聚核苷酸不能被用作多肽合成的模板

4.1.2 遗传密码的性质

1. 密码的连续性

   • 翻译由 mRNA 的 5’ 端的起始密码子开始，一个密码子接一个密码子连续阅读指导 3’ 终止密码，密码间无间断，也没有重叠

2. 密码的简并性

   • 共有 64 个密码子

   • 61 个是编码氨基酸的密码子

   • 剩下 3 个密码子是终止密码子termination codon：UAA、UGA、UAG

   • 终止密码子不代表任何氨基酸，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，以终止肽链的合成

   • 细菌中 3 种终止密码子的使用频率不同，UAA 是最常用的

   • Met（AUG）、Trp（UGG）只有一个密码子，其余氨基酸均有多个密码子与之对应

   • AUG、GUG 既是 Met、Val 的密码子，又是起始密码子

   • 简并degeneracy：由一种以上密码子编码同一氨基酸的现象

   • 同义密码子synonymous codon：对应于同一氨基酸的密码子

同义突变与无义突变

• 同义突变： 由于遗传密码的简并性，DNA 片段中某个碱基对的突变有时并不改变所编码的氨基酸

• 无义突变： DNA 片段中某个碱基对的突变使该密码子转变为终止密码子，导致翻译提前终止

3. 遗传密码的通用性与特殊性

   • 通用性：遗传密码无论在体内还是体外，也无论对什么生物而言都是通用的

   • 特殊性

     • 支原体：终止密码子 UGA 被用来编码色氨酸 Trp

     • 嗜热四膜虫：终止密码子 UAA 被用来编码谷氨酰胺 Gln

     • 线粒体：终止密码子 UGA 编码色氨酸 Trp （和支原体一样），甲硫氨酸 Met 可由 AUA 编码

4.1.3 密码子与反密码子的相互作用

• 在蛋白质生物合成过程中，tRNA 的反密码子在核糖体内是通过碱基反向配对与 mRNA 上的反密码子相互作用的

反向互补，简单理解就是密码子的首位（第 1 位）与反密码子的最后一位（第 3 位）配对；密码子的最后一位（第 3 位）与反密码子的首位（第 1 位）配对

• 摆动假说wobble hypothesis：解释了反密码子中某些稀有成分的配对，以及许多氨基酸有两个以上密码子的问题

摆动假说 wobble hypothesis

• 密码子的第 1、2 位与反密码子的第 3、2 位遵循 A-U、C-G 的碱基互补配对原则

• 密码子的第 3 位与反密码子的第 1 位则不严格遵循碱基互补配对原则

4.1.4 tRNA 的结构与功能

• tRNA 的共性：存在经过特殊修饰的碱基 （如：次黄嘌呤 I） ，tRNA 的 3’ 端都以 CCA-OH 结束，该为带你是 tRNA 与相应氨基酸结合的位点

tRNA 的三叶草二级结构

• 受体臂acceptor arm

  • 又叫氨基酸臂

  • 是 tRNA 结合氨基酸的位点

  • 其 3’ 端的最后三个碱基序列永远是 -CCA 序列

  • 最后一个碱基的 3’ 或 2’ 自由羟基（-OH）可以被氨酰化

• TψC 臂

  • 根据三个核苷酸命名的，其中 ψ 表示假尿嘧啶

• 反密码子臂

  • 根据位于套索中央的三联反密码子命名的

• D 臂

  • 根据其含有二氢尿嘧啶dihydrouracil命名

tRNA 的 L-形三级结构

tRNA 的功能

• 携带氨基酸，识别密码子

4.1.5 tRNA 的种类

1. 起始 tRNA 和延伸 tRNA

   • 起始 tRNA：能特异性地识别 mRNA 模板上起始密码子的 tRNA

   • 真核生物起始 tRNA：携带 Met

   • 原核生物起始 tRNA：携带 fMet （甲酰甲硫氨酸）

   • 原核生物中 Met-tRNA^fMet 必须首先甲酰化生成 fMet-tRNA^fMet 才能参与蛋白质的生物合成

2. 同工 tRNA cognate tRNA

   • 定义：几个代表相同氨基酸的 tRNA

   • 在一个同工 tRNA 组内，所有 tRNA 均专一于相同氨酰 tRNA 合成酶

3. 校正 tRNA

   • 无义突变nonsense mutation：在蛋白质的结构基因中，一个氨基酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子 （UAG、UGA、UAA），使蛋白质合成提前终止，合成无功能或无意义的多肽

   • 错义突变missense mutation：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

   • 无义突变的校正 tRNA 可通过改变反密码子区校正无义突变

   • 错义突变的校正 tRNA 通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽链上，合成正常的蛋白质

校正 tRNA 的作用机理

• 无义突变的校正 tRNA 与释放因子竞争识别密码子

• 错义突变的校正 tRNA 与该密码的正常 tRNA 竞争

4.1.6 氨酰 tRNA 合成酶

• 氨酰 tRNA 合成酶是一类催化氨基酸连接于 tRNA 的 3’ 端特异性酶（令氨基酸活化），包含以下两步反应：

  1. 氨基酸活化，生成酶-氨基酰腺苷酸复合物

  2. 氨酰基转移到 tRNA 3’ 端腺苷残基的 2’ 或 3’-羟基上

• 翻译的保真性：AA-tRNA 合成酶既要识别 tRNA，又能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性