【中科院】分子生物学-朱玉贤第四版-笔记-第7-8讲 翻译

第7-8讲 翻译

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5. 翻译 (translation)

● 翻译：mRNA 碱基序列信息转换成多肽的氨基酸序列
● 翻译的基本元件：

• 模板：mRNA;
• 转移 RNA(tRNA): 是模板与氨基酸之间的接合体。
• 场所：核糖体；
• 多种蛋白质、酶和其他生物大分子的参与。
• 能量：翻译过程是一个需能反应。

5.1 遗传密码

贮存在 DNA 上的遗传信息通过 mRNA 传递到蛋白质上，mRNA 与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。

5.1.1 三联子密码及其破译

• mRNA 上每 3 个核苷酸翻译成多肽链上的一个核苷酸，这 3 个核苷酸就称为一个密码子（三联子密码，triplet code）。
• 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。
• 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。
  

Key terms

• 密码子（Codon）：是代表氨基酸或终止信号的核苷酸三联体。
• 遗传密码（Genetic code）：是 DNA（或 RNA）中的三联体与蛋白质中氨基酸之间的对应关系。
• 起始密码子 (Initiation codon)：是用于开始合成蛋白质的特殊密码子（通常是 AUG，也可以是 GUG)。
• 阅读框（Reading frame）：是将核苷酸序列作为一系列三联体读取的三种可能方式之一。
• 开放阅读框（ORF）：可能编码蛋白质的三联体读取方式。
• 终止密码子（Termination codon）：是导致蛋白质合成终止的三种 (UAG,UAA,UGA）中的一种。

多肽链由 ORF（开放阅读框）确定

• 开放阅读框 (ORF)：连续的、非重叠的密码子串组成。是每个 mRNA 的蛋白质编码区域。
• 每个 ORF 以起始密码子开始，并以终止密码子结束。
  
• 一个 RNA 分子可以以三种可能的阅读框进行翻译，只有一种阅读框编码实际信息。
  

三联子密码的破译

• in vitro 翻译
• 核糖体结合技术–诱捕三核苷酸
  · 以人工合成的三核苷酸如 UUU、UCU、UGU 等为模板，在含核糖体、同位素标记的 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 ¹⁴C 标记 AA-tRNA 能与核糖体结合，体积超过膜上的微孔而被滞留。
  · 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。例如，模板是 UUU 时，Phe-tRNA 结合于核糖体上，可知 UUU 是 Phe 的密码子。

5.1.2 遗传密码的性质

1. 密码的连续性 (commaless)：三个核苷酸编码一个氨基酸。三联子密码是非重叠 (non-overlapping) 和连续的 (commaless)。
2. 密码的简并性 (degeneracy)：4 种核苷酸可组成 64 个密码子：61 个是编码氨基酸的密码子；3 个即 UAA、UGA 和 UAG 是终止密码子。由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并 (degeneracy)。
3. 密码的普遍性 (universality)：生物界基本共用同一套遗传密码。
4. 密码的特殊性 (specificity)：标准密码子适用于大多数生物，但并非适用于所有生物。在支原体中，终止密码子 UGA 被用来编码色氨酸；在嗜热四膜虫中，另一个终止密码子 UAA 被用来编码谷氨酰胺。对人、牛及酵母线粒体 DNA 序列和结构的研究还发现，在线粒体中也有一些例外情况，如 UGA 编码色氨酸，而非终止密码子；甲硫氨酸可由 AUA 编码等，体现了遗传密码的特殊性。
5. 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。
   · 通常写为密码子 ACG /反密码子 CGU
   

★ 通用遗传密码及相应的氨基酸

• 除 色氨酸（UGG） 和 甲硫氨酸（AUG） 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。
• 同义密码子 (synonymous codon): 对应于同一氨基酸的密码子。
• 一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高，只有精氨酸 Arg 例外，因为在真核生物中 CG 双联子出现的频率较低 ，所以尽管有 6 个同义密码子，蛋白质中精氨酸的出现频率仍不高。
  

★ 遗传密码子不同位置突变对氨基酸产物的影响

1. Transition（转换）：purine ↔ purine or pymidine ↔ pymidine
   ● 第 3 位：没有影响，除了
   Met (AUG) ↔ Ile (AUA,AUC,AUU);
   Trp (UGG) ↔ stop (UGA)
   ● 第 2 位：产生相似化学类型的氨基酸。
2. Transversions （颠换）：purine ↔ pymidine
   ● 第 3 位: 大多没有影响，导致产生相似类型的氨基酸。如 Asp(GAU,GAC) ↔ Glu(GAA,GAG)
   ● 第 2 位: 改变氨基酸的类型
   ● 第 1 位：转换和颠换突变都产生了相似类型的氨基酸，在少数情况下氨基酸保持不变 (Leu: CUA or UUA)。

★ 起始密码子和终止密码子

• AUG→甲硫氨酸及起始密码子
• GUG→缬氨酸及起始密码子
• UAA→终止密码子 (Ochre，赭石）
• UAG→终止密码子 (Amber，琥珀）
• UGA→终止密码子 (Opal，蛋白石）

★ 摆动假说（Wobble hypothesis）

最早由 Crick 于 1966 年提出，密码子与反密码子配对时，前两对严格遵守配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动”，反密码子中 I（次黄嘌呤）可识别多个密码子，某些 tRNA 识别多个密码子。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。

5.2 tRNA ( 氨酰 tRNA)

★ tRNA: 第二遗传密码

• 模板 mRNA 只能识别特异的 tRNA，而不是氨基酸
• 只有 tRNA 上的反密码子能与 mRNA 上的密码子相互识别并配对
• 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。
• 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。

★ tRNA 的功能

• 为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体。
• 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。

★ tRNA 转录

• tRNA gene 启动子
  · 原核生物：一种聚合酶适用于所有 RNA 类型；类似的启动子和终止子序列
  · 真核生物：内部启动子（ICR），由聚合酶Ⅲ转录；RNAP Ⅲ的一些启动子位于基因的上游。
• pre-tRNA 转录后加工
  ① 去除额外序列：5-前导序列，3-尾序列，内含子
  ② 向 3’末端添加 5’-CCA-3’
  ③ 所选碱基的化学修饰：修改的类型和程度各不相同；不同修饰产生不同三维结构和功能（氨基酸特异性）

tRNA 一级结构

• 长度：60-95 nt (commonly 76)
• 残基：15 个 invariant（恒定）和 8 个 emi-invariant（半恒定）。invariant 和 semi-variant 核苷的位置在二级结构和三级结构中起着重要的作用。
• 含有修饰碱基 (Modified bases)：
  tRNA 中所有 4 种碱基都能被修饰
  有时一个 tRNA 分子的 20% 的碱基是经过修饰的。
  已发现有超过 50 种不同类型的修饰碱基。

tRNA 二级结构

不同 tRNA 在结构上比较保守，由小片段碱基互补配对形成三叶草形分子结构：4 条手臂 (arm or stem)，3 个环 (loop)。

• 受体臂（acceptor arm） 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。
• D-arm and D-loop：D 臂 是根据它含有二氢尿密啶 (dihydrouracil) 命名的。D 臂中存在多至 3 个可变核苷酸位点。
• Anticodon loop：反密码子臂是根据位于套索中央的三联反密码子命名的。由