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mRNA与遗传密码

蛋白质是由20种氨基酸组成的，不同的蛋白质中氨基酸排列顺序是不同的，这种排列顺序是按基因中碱基顺序决定的。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为翻译，即蛋白质的生物合成过程。

mRNA

原核细胞每个mRNA分子带有多个功能相关蛋白质的编码信息，可以翻译出几种蛋白质，是多顺反子的形式。真核细胞每个mRNA一般只带一种肽链编码信息，是单顺反子的形式。

不同的蛋白质有各自不同的mRNA，mRNA除了含有编码区外，两端还有非编码区（非编码区对于mRNA的模板活性是必需的，特别是5’端非编码区在蛋白质合成中可能是与核糖体结合的部位）。

基因中各种序列的排列顺序一般为：启动子-5’端非编码区-编码区-3’端非编码区-终止子

遗传密码

遗传密码（genetic code）是DNA上核苷酸与蛋白质中氨基酸的对应关系，也是mRNA中蕴藏遗传信息的碱基顺序mRNA中的4种碱基组成的密码子代表了20种氨基酸，同时决定了翻译过程的起始与终止位置。所有多肽链都从AUG，终止密码子是UAA、UAG及UGA。mRNA分子上以5’→3’方向，从AUG开始每3个连续的核苷酸（三联体）组成一个密码子(codon)，决定一种氨基酸。每种氨基酸至少有一种密码子，最多的有6种密码子。

DNA上从起始密码子至终止密码子间的一段序列称为一个开放读框(open reading frame，ORF或可读框)。

体外翻译系统

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以及多种蛋白质因子。

蛋白质体外合成实验

用活跃进行蛋白质合成的大肠杆菌制备细胞提取液，并用放射性同位素标记的氨基酸以研究氨基酸掺入到蛋白质中的情况。具体的过程为低温破碎迅速生长的大肠杆菌细胞，离心收集细胞液，加入DNase破坏DNA；在含有核糖体、mRNA、tRNA及酶的细胞液中加入ATP，GTP和放射性氨基酸，于37℃保温不同时间；沉淀蛋白质，从沉淀的放射活性测出氨基酸掺入蛋白质的量。由于在提取液中存在RNase使mRNA分解，合成一般只进行几min便逐渐减慢以至停止。如果加入新的mRNA于已停止合成蛋白质的提取液，又可重新开始合成。这证明无细胞体系也可以进行蛋白质的合成。同时，蛋白质合成需要mRNA作为模板。而且用已停止合成蛋白质的提取液，加入不同的mRNA，都可进行蛋白质的合成。

用于蛋白质的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、动物无肝细胞系统、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

遗传密码表

密码子的特点

1、每个密码子三联体（triplet）决定一种氨基酸

一个氨基酸若有几个不同的密码子，大多前面两个核苷酸相同，只是第3个核苷酸有差异。它除了能降低突变所造成的损害外，还可减少所需的tRNA种类。密码子共有64种，但并不需64种tRNA

2、理化性质相近的氨基酸的密码子排列较近，有利于在基因突变时

3、mRNA上的密码子是连续的，两个密码子之间没有任何成分分割，即无间断讯号

4、起始密码子和终止密码子

肽链合成的第一个氨基酸都是Met（蛋氨酸或fMet）。AUG（真核生物有时候也用CUG）是起始密码子，也是Met的密码子，具有兼职性。

密码子UAA，UAG，UGA是肽链成的终止密码，不代表任何氨基酸，也称无意义密码子（UAA终止效率最高，UAG最低）

5、密码子有简并性（degeneracy）

一个氨基酸有几个密码子的现象称为密码子的简并性，简并性主要是因为密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的，但并不是所有的简并性都是前两个核苷酸相同。密码子的专一性主要由前两个碱基决定。

6、密码子具有通用性，即不论是病毒、原核生物还是真核生物密码子的含义都是相同（但真核生物线粒体的密码子有例外，例如线粒体中UGA不是终止密码子，而编码色氨酸Trp。并且除植物外，大多数生物的线粒体mRNA发现有非标准起始密码子，包含AUA、AUU、AUC、GUG、UUA、UUG等。）同种生物的起始密码子也不尽相同。

密码子结构与氨基酸性质

1、密码子的3个碱基决定编码氨基酸的性质

1）第1位碱基是G的密码子，编码的氨基酸是代谢途径起始的氨基酸

2）第2位碱基是U的密码子编码疏水性氨基酸

3）第2位碱基是A的密码子编码亲水性氨基酸

4）第2位碱基是G或C的密码子编码亲水性和疏水性居中的氨基酸

密码的简并性与变偶假说

1、密码的简并性

许多氨基酸都是由多个密码子编码的，称为简并性（degeneracy）。

密码子的简并性，特别是第三位的C和U或G和A的简并性常常等同，这说明为何在不同生物DNA中的AT/GC比率有很大差异，而其蛋白质的氨基酸相对比例却没有很大的变化。tRNA是以反密码子与mRNA上的密码子碱基配对的，理论上需有61种tRNA才能与61个密码子配对。但一些tRNA(如Ala-tRNA Ala )可识别几种密码子。翻译遗传密码时，tRNA的反密码子要和密码子配对。

2、变偶假说（wobble hypothesis）

变偶性是反密码子的5‘端碱基与密码子的3’端碱基的非正规配对，而使正确的氨基酸进入非正确的密码子的现象。

密码子的使用频率

遗传密码是简并密码，多数氨基酸有2-6个密码子，但密码子的使用不是平均和随机的，高表达的基因要求密码子的使用和tRNA分子的数量相匹配，尽量使用相应tRNA分子数量多的密码子。

1、主要tRNA

一种氨基酸可以由2-6种各自特异的tRNA（同功tRNA），它们之间的特异性是靠氨基酰tRNA合成酶（每种氨基酸都有一种氨基酰tRNA合成酶）来识别的。主要tRNA中反密码所识别的密码子为高频使用密码子。密码子的选择受tRNA利用性的限制，利用次要tRNA会减慢翻译。

2、偏爱密码子

同种氨基酸的一组密码子的使用频率不同，使用频率高的称为偏爱密码子。高频密码子多出现在那些表达量高的蛋白质基因中。

高表达的基因，要求翻译速度快，要求密码子和反密码子配对快、分手也快，因为只有第3位是摆动的位置，前两位并没有选择的余地，所以只能在第三位取舍。高表达的基因，要求密码子和反密码子的匹配能力适中，以利于快速反应。

遗传密码的突变

DNA发生突变会导致遗传密码的突变

无义突变与错义突变

1、无义突变（nonsense mutation）：是肽链终止无义密码子改变位有义密码子，或有义密码子改变为无义密码子。无义突变影响肽链的长度。

2、错义突变（missense mutation）：当一个密码子发生改变而使其编码出一个错误的氨基酸的现象。由有义密码的点突变引起，突变结果形成其他的密码子，只改变一个氨基酸，改变后产生一个性质相同的氨基酸，以此对蛋白质影响不大，一般仍具有生物活性。

3、温敏突变：错义突变产生的蛋白质在常温条件下有活性，但在高温条件下构象改变而失活，称为温度敏感突变型。因为在高温条件下，多肽链不能折叠成正常的构象而失活。

呈现突变型性状的温度称为限制性温度（restrictive temperature）,而保持原来正常性状的温度称为许可温度（permissive temperature）,许多异常血红蛋白就是由错义突变引起的。

抑制基因突变

第一次突变产生的效果可以由第二次突变使之恢复原来的性状，称为抑制或矫正（suppression）。抑制基因突变（suppressor mutation）是第一次突变产生的表现型常可以由第二次突变使野生型的表现型得以恢复。即使第一次突变产生的失活蛋白质恢复至原来的具有活性的蛋白质。

1、基因内抑制突变（intragenic suppression）

是在同一基因内发生第二次突变，而抑制或矫正第一次突变所产生的结果。基因内抑制突变能否恢复到原来的野生型以及它的恢复程度，关键在于抑制突变所产生的氨基酸与原来氨基酸的结构和性质是否相似。

2、基因间抑制突变（intergenic suppression）

是由于在另一基因（抑制基因，suppression gene）发生突变而产生抑制的现象。抑制基因的作用并不改变第一次突变基因上的碱基顺序，而是由其他方式产生抑制的（有5种方式）。

1）终止密码子的错读（misreading）

tRNA的反密码子经突变可以与终止密码子配对，可以将终止密码子解读成某种氨基酸而合成完整的肽链，称为无义抑制，这种tRNA为无义tRNA。无义抑制的作用即为抑制tRNA与蛋白质合成的释放因子间的竞争作用。

2）基因间错义突变的抑制

错义突变也可以由tRNA反密码子的突变而被抑制

3）基因间移码抑制

mRNA上的密码子是3nt的三联体密码，称为码组或框架。如果插入或缺失1或2nt，则发生移码突变。插入核苷酸产生的移码突变亦可以由抑制tRNA使之消除。

4）核糖体错读抑制突变

核糖体蛋白突变而抑制编码某一蛋白的错义突变。

5）抑制基因引起正常基因的错读

抑制基因可能包括一种特异tRNA、或一种核糖体蛋白、或一种氨酰tRNA合成酶以及tRNA修饰酶等的基因

副密码子

tRNA作为议员，必须精通两种语言，一种是RNA语言，是用它的反密码子来识别mRNA上的密码子的，另一种是蛋白质的语言，要在密码子相应的位置译作相应的氨基酸。tRNA氨基酸柄的3‘CCA末端携带相应的氨基酸的作用是通过氨酰tRNA合成酶（AARS）完成的。AARS在密码翻译过程中是非常重要的，tRNA识别氨基酸的能力是AARS赋予的。反密码子在决定tRNA的特异性并非是唯一的关键，如tRNA（Ala）的氨基酸柄上的G3：U70似乎是tRNA（Ala）的副密码子，参与同AARS的作用。

副密码子（paracodon）的特征

对于同一AARS来说，有好几处“副密码子”，所以把“副密码子”的那些碱基改称为AARS的认同要素（identity element）