自然界由mRNA編碼的氨基酸共有20種，只有這些氨基酸能夠作為蛋白質(zhì)生物合成的直接原料。某些蛋白質(zhì)分子還含有羥脯氨酸、羥賴氨酸、γ-羧基谷氨酸等，這些特殊氨基酸是在肽鏈合成后的加工修飾過程中形成的。
原核細(xì)胞中每種mRNA分子常帶有多個(gè)功能相關(guān)蛋白質(zhì)的編碼信息，以一種多順反子的形式排列，在翻譯過程中可同時(shí)合成幾種蛋白質(zhì)，而真核細(xì)胞中，每種mRNA一般只帶有一種蛋白質(zhì)編碼信息，是單順反子的形式。mRNA以它分子中的核苷酸排列順序攜帶從DNA傳遞來的遺傳信息，作為蛋白質(zhì)生物合成的直接模板，決定蛋白質(zhì)分子中的氨基酸排列順序。不同的蛋白質(zhì)有各自不同的mRNA，mRNA除含有編碼區(qū)外，兩端還有非編碼區(qū)。非編碼區(qū)對(duì)于mRNA的模板活性是必需的，特別是5’端非編碼區(qū)在蛋白質(zhì)合成中被認(rèn)為是與核糖體結(jié)合的部位。見圖18-2。
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圖18-2 (a)原核生物mRNA)為多順反子(b)真核生物mRNA為單順反子
mRNA分子上以5"→3"方向,從AUG開始每三個(gè)連續(xù)的核苷酸組成一個(gè)密碼子,mRNA中的四種堿基可以組成64種密碼子。這些密碼不僅代表了20種氨基酸，還決定了翻譯過程的起始與終止位置。每種氨基酸至少有一種密碼子，最多的有6種密碼子。從對(duì)遺傳密碼性質(zhì)的推論到?jīng)Q定各個(gè)密碼子的含義，進(jìn)而全部闡明遺傳密碼，是科學(xué)上最杰出的成就之一，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了十分出色的遺傳學(xué)和生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)，于1966年編排出了遺傳密碼字典。見表18-1。
表18-1 氨基酸的密碼（code)
| 5’末端（第1位堿基) | 中間堿基（第二位堿基) | 3’末端（第三位堿基) | |||
| U | C | A | G | ||
| U | 苯丙（Pne)F | 絲(Ser)S | 酪(Tyr)Y | 半胱(Cys)C | U |
| 苯內(nèi)(Pne) | 絲(Ser) | 酪(Tyr) | 半胱(Cys) | C | |
| 亮(Leu)L | 絲(Ser) | 終止信號(hào) | 終止信號(hào) | A | |
| 亮(Leu) | 絲(Ser) | 終止信號(hào) | 色(Trp) | G | |
| C | 亮(Leu) | 脯（Pro)P | 組（His)H | 精（Arg)R | U |
| 亮(Leu) | 脯（Pro) | 組（His) | 精（Arg) | C | |
| 亮(Leu) | 脯（Pro) | 谷胺（Gin)Q | 精（Arg) | A | |
| 亮(Leu) | 脯（Pro) | 谷胺（Gin) | 精（Arg) | G | |
| A | |||||
| 異亮（ILe)I | 蘇（Thr)T | 天胺（Asn)N | 絲(Ser)S | U | |
| 異亮（ILe) | 蘇（Thr) | 天胺（Asn) | 絲(Ser) | C | |
| 異亮（ILe) | 蘇（Thr) | 賴（Lys)K | 精（Arg)R | A | |
| *蛋（Met)M(起動(dòng)信號(hào)) | 蘇（Thr) | 賴（Lys) | 精（Arg) | G | |
| G | |||||
| 纈（Val)V | 丙（Ala)A | 天（Asp)D | 甘（Gly)G | U | |
| 纈（Val) | 丙（Ala) | 天（Asp) | 甘（Gly) | C | |
| 纈（Val) | 丙（Ala) | 谷（Glu)E | 甘（Gly) | A | |
| 纈（Val) | 丙（Ala) | 谷（Glu) | 甘（Gly) | G |
*位于mRNA起動(dòng)部位AUG為氨基酸合成肽鏈的起動(dòng)信號(hào)。以哺乳動(dòng)物為代表的真核生物，此密碼子代表蛋氨酸；以微生物為代表的原核生物則代表甲酰蛋氨酸。
遺傳密碼具有以下幾種特點(diǎn)：
（1)起始碼與終止碼（Initiation codon and termination codon):
密碼子AUG是起始密碼，代表合成肽鏈的第一個(gè)氨基酸的位置，它們位于mRNA5′末端，同時(shí)它也是蛋氨酸的密碼子，因此原核生物和真核生物多肽鏈合成的第一個(gè)氨基酸都是蛋氨酸，當(dāng)然少數(shù)細(xì)菌中也用GUG做為起始碼。在真核生物CUG偶爾也用作起始蛋氨酸的密碼。密碼子UAA，UAG，UGA是肽鏈成的終止密碼，不代表任何氨基酸，它們單獨(dú)或共同存在于mRNA3’末端。因此翻譯是沿著mRNA分子5′→3′方向進(jìn)行的。
（2)密碼無標(biāo)點(diǎn)符號(hào)：兩個(gè)密碼子之間沒有任何核苷酸隔天，因此從起始碼AUG開始，三個(gè)堿基代有一個(gè)氨基酸，這就構(gòu)成了一個(gè)連續(xù)不斷的讀框，直至終止碼。如果在讀框中間插入或缺失一個(gè)堿基就會(huì)造成移碼突變，引起突變位點(diǎn)下游氨基排列的錯(cuò)誤。
（3)密碼的簡(jiǎn)并性（Degemeracy)：
一種氨基酸有幾組密碼子，或者幾組密碼子代表一種氨基酸的現(xiàn)象稱為密碼子的簡(jiǎn)并性，這種簡(jiǎn)并性主要是由于密碼子的第三個(gè)堿基發(fā)生擺動(dòng)現(xiàn)象形成的，也就是說密碼子的專一性主要由前兩個(gè)堿基決定，即使第三個(gè)堿基發(fā)生突變也能翻譯出正確的氨基酸，這對(duì)于保證物種的穩(wěn)定性有一定意義。如：GCU，GCC，GCA，GCG都代表丙氨酸。
（4)密m.zxtf.net.cn/hushi/碼的通用性：
大量的事實(shí)證明生命世界從低等到高等，都使用一套密碼，也就是說遺傳密碼在很長(zhǎng)的進(jìn)化時(shí)期中保持不變。因此這張密碼表是生物界通用的。然而，出乎人們預(yù)料的是，真核生物線粒體的密碼子有許多不同于通用密碼，例如人線粒體中，UGA不是終止碼，而是色氨酸的密碼子，AGA，AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，加上通用密碼中的UAA和UAG，線粒體中共有四組終止碼。內(nèi)部甲硫氨酸密碼子有兩個(gè)，即AUG和AUA；而起始甲硫氨酸密碼子有四組，即AUN。
密碼子結(jié)構(gòu)與氨基酸側(cè)鏈析性之間也有一定關(guān)系。①氨基酸側(cè)鏈極性性質(zhì)在多數(shù)情況下由斷面子的第二個(gè)堿基決定。第二個(gè)堿基為嘧啶（Y)時(shí)，氨基酸側(cè)鏈為非極性，第二個(gè)堿基為嘌呤時(shí)，氨基酸側(cè)鏈則有極性。②當(dāng)?shù)谝粋�(gè)堿基為U或A，第二個(gè)堿基為C，第三個(gè)堿基無特異性時(shí)，所決定的氨基酸側(cè)鏈為極性不帶電。③當(dāng)?shù)谝粋�(gè)堿基不是U，第二個(gè)堿基是P時(shí)，氨基酸側(cè)鏈則帶電。在此前提下，若是一個(gè)是C或A時(shí)，表示帶正電的氨基酸，第一、二個(gè)堿基分別是G、A時(shí)，此種氨革酸帶負(fù)電，但上述關(guān)系也有個(gè)別例外。
一種氨基酸由多種密碼子所編碼的事實(shí)使人想到：同一種氨基酸的一組密碼子的使用頻率是否相同？許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在原核生物和高等真核生物中同一組密碼子的使用頻率是不相同的。高頻密碼子多出現(xiàn)在那些表達(dá)量高的蛋白質(zhì)基因中，例如，核糖體蛋白質(zhì)基因，RecA蛋白質(zhì)基因等。表18-2。這種使用頻率與細(xì)胞內(nèi)一組tRNA中的不同tRNA含量有關(guān)。
tRNA在蛋白質(zhì)生物合成過程中起關(guān)鍵作用。mRNA推帶的遺傳信息被翻譯成蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)，但是mRNA分子與氨基酸分子之間并無直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這就需要經(jīng)過第三者“介紹”，而tRNA分子就充當(dāng)這個(gè)角色。tRNA是類小分子RNA，長(zhǎng)度為73-94個(gè)核苷酸，tRNA分子中富含稀有堿基和修飾堿基，tRNA分子3’端均為CCA序列，氨基酸分子通過共價(jià)鍵與A結(jié)合，此處的結(jié)構(gòu)也叫氨基酸臂。每種氨基酸都有2-6種各自特異的tRNA，它們之間的特異性是靠氨基酰tRNA合成酶來識(shí)別的。這樣，攜帶相同氨基酸而反密碼子不同的一組tRNA稱為同功tRNA，它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)合成量上有多和少的差別，分別稱為主要tRNA和次要tRNA。主要tRNA中反密碼子識(shí)別tRNA中的高頻密碼子，而次要tRNA中反密碼子識(shí)別mRNA中的低頻密碼子。每種氨基酸都只有一種氨基酰tRNA合成酶。因此細(xì)胞內(nèi)有20種氨基酰tRNA合成酶。
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圖18-3 密碼子和反密碼子的相互作用
tRNA分子中還有一個(gè)反密碼環(huán)，此環(huán)上的三個(gè)反密碼子的作用是與mRNA分子中的密碼子靠堿基配對(duì)原則而形成氫鍵，達(dá)到相互識(shí)別的目的。但在密碼子與反密碼子結(jié)合時(shí)具有一定擺動(dòng)性，即密碼子的第3位堿基與反密碼子的第1位堿基酸對(duì)時(shí)并不嚴(yán)格，見圖18-3。配對(duì)擺動(dòng)性完全是由tRNA反密碼子的空間結(jié)構(gòu)所決定的。反密碼的第1位堿基常出現(xiàn)次黃嘌呤I，與A、C、U之間皆可形成氫鍵而結(jié)合，這是最常見的擺動(dòng)現(xiàn)象。這種擺動(dòng)現(xiàn)象使得一個(gè)tRNA所攜帶的氨基酸可排列在2-3個(gè)不同的密碼子上，因此當(dāng)密碼子的第3位堿基發(fā)生一定程度的突變時(shí)，并不影響tRNA帶入正確的氨基酸。
表18－3 反密碼與密碼堿基配對(duì)時(shí)的搖擺現(xiàn)象
| 反密碼第1位堿基 | A | C | G | U | 1 |
| 密碼第3位堿基 | U | G | C，U | A，G | A，C，U |
在蛋白質(zhì)生物合成過程中，特異識(shí)別mRNA上起始密碼子的tRNA被稱為起始tRNA，它們參加多肽鏈合成的起始，其它在多肽鏈延伸中運(yùn)載氨基酸的tRNwww.med126.comA，統(tǒng)稱為延伸tRNA。
核蛋白體是由rRNA和幾十種蛋白質(zhì)組成的亞細(xì)胞顆粒，位于胞漿內(nèi)，可分為兩類，一類附著于粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，主要參與白蛋白、胰島素等分泌性蛋白質(zhì)的合成，另一類游離于胞漿，主要參與細(xì)胞固有蛋白質(zhì)的合成。核糖體是細(xì)胞中的主要成分之一，在一個(gè)生長(zhǎng)旺盛的細(xì)菌中大約不20000個(gè)核糖體，其中蛋白質(zhì)占細(xì)胞總蛋白質(zhì)的10%，RNA占細(xì)胞總RNA的80%。
任何生物的核糖體都是由大、小兩個(gè)亞基組成，現(xiàn)將大腸桿菌核糖體和大鼠肝細(xì)胞核糖體的蛋白質(zhì)組分和RNA組成列表于18-4。1968年已在體外對(duì)大腸桿菌小亞基進(jìn)行了自我裝配研究，加入16s rRNA和21種蛋白質(zhì)，即可形成有天然活性的30s小亞基。通過這些研究使人們能夠進(jìn)一步認(rèn)識(shí)小亞基和大亞基中rRNA與蛋白質(zhì)的特異功能。核糖體是高度復(fù)雜的體系，它的任何個(gè)別組分或局部組分都不能起整體的作用，因此必須研究核糖體中蛋白質(zhì)和RNA的空間結(jié)構(gòu)和位置，才能更完全地了解蛋白質(zhì)合成的具體過程。過去一直認(rèn)為rRNA主要起著結(jié)構(gòu)上的作用，蛋白質(zhì)發(fā)揮催化功能，但現(xiàn)在認(rèn)為rRNA與蛋白質(zhì)共同的構(gòu)成的核糖體功能區(qū)是核蛋白體表現(xiàn)功能的重要部位，如GTP酶功能區(qū)，轉(zhuǎn)肽酶功能區(qū)以及mRNA功能區(qū)等等。
表18-4 核蛋白體的組成及特性
| 來源 | 直徑(毫微米) | 重量(道爾頓) | 含rRNA（%) | 含蛋白質(zhì)（%) | 沉降系數(shù) | 亞基 | 含rRNA | 含蛋白質(zhì)種數(shù) | 每個(gè)細(xì)胞內(nèi)含有的個(gè)數(shù) | |
| 種類 | 分子量 | |||||||||
| 真核細(xì)胞胞液 | 20～22 | 3.6×106 | 55 | 45 | 77S～80s | 40S（小) | 18S | -70萬(wàn) | ～34 | 106～107 |
| 60S（大) | 5s 5.8S 28S～29S | 3萬(wàn) 4萬(wàn) 140～180萬(wàn) | ～40 | |||||||
| 原核細(xì)胞胞液 | 18 | 2.6×106 | 60～65 | 30～35 | 70S | 30S（小) | 16S | 55萬(wàn) | ～34 | 1.5×104 |
| 50S（大) | 5s 23S | 4萬(wàn) 110萬(wàn) |
注：真核細(xì)胞線粒體的核蛋白體組成及特性與原核細(xì)胞胞液的相同
核蛋白體作為蛋白質(zhì)的合成場(chǎng)所具有以下幾種作用：
（1)mRNA結(jié)合位點(diǎn)：位于30s小亞基頭部，此處有幾種蛋白質(zhì)構(gòu)成一個(gè)上的結(jié)構(gòu)域，負(fù)丙與mRNA的結(jié)合，特別是16srRNA3’端與mRNa AUG之前的一段序列互補(bǔ)是這種結(jié)合必不可少的，見表18-5。
表18-5 大腸桿菌mRNA起始密碼上游區(qū)域SD序列和16srRNA的互補(bǔ)
| MS2外殼蛋白 MS2復(fù)制酶 MS2A蛋白 λCro galE β-內(nèi)酰氨酶 脂蛋白 核糖體蛋白S12 RNA聚合酶β trpE | 3’HOAU UCCUCCACUAG……5’ 5’……UCAACC GGAGUUUGAAUCAUG…3’ 5’……CAAACAU GAGGAUUACCCAUG …3’ 5’…… UCCU AGGAGGUUUGACCUGUG…3’ 5’…… AUGUAC UAAGGAGGUUGUAUG…3’ 5’…… AGCCUAAU GGAGCGAAUUAUG…3’ 5’…… UAUUGAAA AAGGAAGAGUAUG…3’ 5’…… AUCUA GAGGGUAUUAAUAAUG…3’ 5’…… AAAACCAGGAGCUAUUUAAUG…3’ 5’…… AGCGAGCU GAGGAACCCUAUG…3’ 5’…… CAAAAUUAGAGAAUAACAAUG…3’ |
（2)P位點(diǎn)：（peptidyl tRNA site)
又叫做肽�；鵷RNA位或給位。它大部分位于小亞基，小部分位于大亞基，它是結(jié)合起始tRNA 并向A位給出氨基酸的位置（圖18-4)。
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圖18-4 翻譯過程中的核糖體圖解
（3)A位點(diǎn)：（Aminoacyl-tRNA site)
叫做氨基酰 tRNa 位或受位。它大部分位于大亞基而小部分位于小亞基，它是結(jié)合一個(gè)新進(jìn)入的氨基酰tRNA 的位置（見后節(jié)敘述)。
（4)轉(zhuǎn)肽酶活性部位：
位于P位和A位的連接處。
（5)結(jié)合參與蛋白質(zhì)合成的起始因了（Initiation Factor,IF)、延長(zhǎng)因子(ElengationFactor,EF)和終止因子或釋放因子(Release Factor,RF)。
