《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》 （二）mRNA是合成蛋白質(zhì)的直接模板

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?lè)醋拥男问脚帕?，在翻譯過(guò)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?lè)醋拥男问健RNA以它分子中的核苷酸排列順序攜帶從DNA傳遞來(lái)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(jiàn)圖18-2。

圖18-2 (a)原核生物mRNA)為多順?lè)醋?b)真核生物mRNA為單順?lè)醋?/p>

mRNA分子上以5'→3'方向,從AUG開(kāi)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(guò)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(jiàn)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）UCAGU苯丙（Pne）F絲(Ser)S酪(Tyr)Y半胱(Cys)CU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)GC亮(Leu)脯（Pro）P組（His）H精（Arg）RU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）GA異亮（ILe）I蘇（Thr）T天胺（Asn）N絲(Ser)SU異亮（ILe）蘇（Thr）天胺（Asn）絲(Ser)C異亮（ILe）蘇（Thr）賴(lài)（Lys）K精（Arg）RA*蛋（Met）M(起動(dòng)信號(hào))蘇（Thr）賴(lài)（Lys）精（Arg）GG纈（Val）V丙（Ala）A天（Asp）D甘（Gly）GU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(wú)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)：兩個(gè)密碼子之間沒(méi)有任何核苷酸隔天，因此從起始碼AUG開(kāi)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(chēng)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(shuō)密碼子的專(zhuān)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(shuō)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(wú)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)。