生物信息的传递-从MRNA到蛋白质
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存在多至3个可变核苷酸位点。
• tRNA分子中最大的变化发生多余臂上。
– 一类是只含有一条仅为3～5个核苷酸的多余臂的tRNA，占所有 tRNA的75%；
– 一类是有较大多余臂的tRNA，包括杆状结构上的5个核苷酸和套索 结构上的3～11个核苷酸。
2019/11/11
25
(2)三级结构
• tRNA三级结构都呈L形折叠式 • tRNA的三级结构与氨酰-tRNA合成
– 其他tRNA统称为延伸tRNA。
• 同工tRNA。几个代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。 • 校正tRNA。分两类：无义突变的校正tRNA和错义突变的校
正tRNA。均通过改变其反密码子区校正突变而依然合成原 氨基酸。
2019/11/11
28
无 义 突 变 和 错 义 突 变 的 校 正
，对应于同一种
氨基酸的几个密码子称为同义密 Nhomakorabea码子（synonymous
2019/11/11
16
• 同义密码子第一、二第 位核苷酸往往是相同的， 而第三位核苷酸的改变 不一定影响所编码的氨 基酸。
• 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（精氨酸 例外）。
2019/11/11
密码破译方法:
– 在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的均聚物、
随机共聚物和特定序列的共聚物为模板；
– aa-tRNA与确定的三核苷酸序列结合（核糖体结合技术）。
2019/11/11
10
密码子的破译 (1968. nobel prize)
（1）Marshall Nirenberg (1961), 共聚物为模 板
aa 编码，但不符合生物体在亿万年进化过程中形成并遵循的经济原则。
证明：
– 在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全 部氨基酸序列。
– 若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样， 后续密码子序列就不会变化，翻译得到的后续的蛋白质序列就 保持不变。
– 如果同时删去3个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序 列不发生变化。
第1节 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。
The genetic code is the correspondence between the sequence of the four bases in nucleic acids and the sequence of the 20 amino acids in proteins.
别 1 个 以 上 的 密 码 子 ---- 摆 动 假 说
（wobble hypothesis）。
R
2019/11/11
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ORFs
• 从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码 子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排 列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。
蛋氨酸 蛋氨酸
苏氨酸 亮氨酸
精氨酸 丝氨酸
植物 终止码 异亮氨酸 亮氨酸 精氨酸
2019/11/11
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密 码 子 与 反 密 码 子 的 相 互 作 用。在密码子与反密码子的配对
中，前两对严格遵守碱基配对原则， 第三对碱基有一定的自由度，可以
" 摆 动 " ， 因 而 使 某 些 tRNA 可 以 识
tRNA，由AA－ tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子相 互识别并配对，将AA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。
2019/11/11
27
3. tRNA的种类
• 起始tRNA和延伸tRNA。
– 一类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA
（原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸）。
Glu : GAG, GAA 证明：终止突变密码为
UAG (amber 琥珀突变) ?!
UAA (ocher 赭色突变)
UGA (opal 蛋白石突变)
2. 遗传密码的性质
密码的连续性。起始密码子决定所有后续密码子的位置。
密码的简并性。
由一种以上密码 子编码同一个氨 基酸的现象称为 简并(degeneracy)
蛋白质。
2019/11/11
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遗 传 密 码 表
1. 三联子密码及其破译
构想：1954年，物理学家George Gamov 首先对遗传密码进行了探讨：
41=4、42=16：编码的 aa 数目小于20种aa，显然不可能。43=64：在四种 核苷酸条件下，64能满足于20种aa编码的最小数。44=256：虽能保证20种
In vitro Poly(U)
poly(Phe) peptide
Poly(C)
poly(Pro) peptide
共聚物 实验
Poly(A) Poly(G)
poly(Lys) peptide poly(Gly) peptide
poly(UCUCUC…) UCU/CUC
poly(Ser-Leu-Ser-Leu…) Ser/Leu ?
（2）M. Nirenberg & P. Leder (1964. Science 145;1399)
In vitro
核糖体结合实验
UCU (trinucleotide)
Ser-C14, Leu, Lys, Arg,… Ser, Leu-C14, Lys, Arg,… Ser, Leu, Lys-C14, Arg,… ……
2019/11/11
30
• 蛋白质合成的真实性主要决定于 tRNA能否把正确的氨基酸放到新生 多肽链的正确位置上，而这一步主要
决定于AA－tRNA合成酶是否使氨基 酸与对应的tRNA相结合。 • AA-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又 要能识别氨基酸，它对两者都具有高 度的专一性。
2019/11/11
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3个
核苷酸称为密码，也叫三联子密码。Triplets: 43=64, amino acids: 20
(degenerate)
翻译时从起始密码子AUG开始，沿着mRNA5’→ 3’的方向连续阅读
密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链――
物大分子参与。
4
翻译过程的特点：
– 蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化 合物的参与。细胞用来进行合成代谢的总能量 的90%消耗在蛋白质合成过程中。
– 在真核生物细胞核内合成的mRNA，要运送到 细胞质，才能翻译生成蛋白质。
– 蛋白质合成速度很高。大肠杆菌只需要5s就能 合成一条由100个氨基酸组成的多肽。
（3）Stop codon 的证实
Brenner (1961) 获得T4 phage 头部蛋白基因的琥珀突变（amber）
证明:突变体头部蛋白较野生型的变短 推测:头部蛋白基因发生了终止突变，使蛋白质合成中断。
Garen (1965)
获得， E.coli 碱性磷酸酯酶基因（phoA）Amber突变株的大
17
生 物 ， 但 也 有 些 特 殊 情 况 。
表 是 具 有 普 遍 性 的 ， 适 用 于
密 码 的 普 遍 性 与 特 殊 性 。密
一码
切子
密码子
UGA AUA CUA AGA
通用编码
终止码 异亮氨酸
亮氨酸 精氨酸
哺乳动物 色氨酸 蛋氨酸 亮氨酸 终止码
线粒体编码
酵母菌
果蝇
色氨酸 色氨酸
酶对tRNA的识别有关。
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2. tRNA的功能
• 翻译阶段遗传信息从mRNA转移到结构极不相同的蛋白质 分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联体密码子形
式存在的，这里起作用的是tRNA的解码机制。
• 氨基酸在合成蛋白质之前先通过AA－tRNA合成酶活化，
在消耗ATP的情况下结合到tRNA上，生成有活性的AA－
量回复突变株 分析；回复突变株中对应“回复”的氨基酸
Stop codon 的证实 回复突变的氨基酸和密码
Ser : UCG, UCC, UCA, UCU, AGU, AGC
发生终止突变 的原氨基酸 Trp (UGG)
Leu : UUG, UUA, CUU, CUC, CUA, CUG Tyr : UAU, UAC Lys : AGG, AAA Gln : CAG, CAA
• An ORF is a suspected coding region.
第2节 tRNA
• tRNA在蛋白质合成中处于关键地位。
tRNA不仅为每个三联密码子 翻译成氨基酸提供了接合体， 还为准确无误地将所需氨基酸 运送到核糖体上提供运送载体
，它又被称为第二遗传密码。
特点：存在经过特殊修饰的碱 基，3’端都以CCA-OH结束， 这是其氨基酸结合位点。
第四章 生物信息的传递（下） ―――从mRNA到蛋白质
第四章 生物信息的传递（下）
―――从mRNA到蛋白质
1、遗传密码 2、 tRNA 3、核糖体 4、蛋白质合成的生物学机制 5、蛋白质运转机制
蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活 细胞在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。 因此，活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、 修饰、运转和降解反应。
翻译是指将mRNA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，依次合成一条多肽链的过程。
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3
在翻译过程中：
– 核糖体是蛋白质合成的场所。 – mRNA是蛋白质合成的模板。 – 转移RNA(transfer RNA，tRNA)是模板与氨基
酸之间的接合体。 – 在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶和其他生
tRNAaa
把已结合到核糖体上的aa-tRNA 与未结合的aa-tRNA分开。
Ribosome Nitrocellulose filter
Ser-C14…. Leu-C14 …. Lys-C14 …. Gly-C14 ….
每次只有一种 被C14标记
61个codons被破译，(仅剩UAA,UAG,UGA？)
亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的二倍。每个亚基都
含有一个分子质量较大的rRNA和许多蛋白质分子。这些大 分子rRNA能在特定位点与蛋白质结合，从而完成核糖体不 同亚基的组装。
原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。真核生 物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。
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tRNA上碱基的修饰
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tRNA产生
1. tRNA的结构
(1)二级结构
• 由于小片段碱基互补配对，形成三叶草形的二级结构。三叶 草形tRNA分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手 臂：
– 受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；3’端有未配对的3～4
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4. 氨酰-tRNA合成
氨酰-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶。
其反应包括两步:
• 氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。
AA + ATP + 酶(E) → E－AA－AMP + PPi
• 氨酰基转移到tRNA3’末端腺苷残基的2’或3’－羟基上 E－AA－AMP + tRNA → AA－tRNA + E + AMP
个碱基；3’端的CCA，最后一个碱基2’羟基可被氨酰化。
– TψC臂：其中ψ表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。 – 反密码子臂：位于套索中央，有三联反密码子。 – D臂：含有二氢尿嘧啶。
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tRNA
二 级 结 构
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24
• 最常见tRNA有76个碱基。所有tRNA含74～95个核苷酸。 tRNA长度的不同主要是由其中的两条手臂引起。在D臂中
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第3节 核糖体
生物细胞内，核糖体像一个能沿mRNA模板移动 的工厂，执行着蛋白质合成的功能。
核糖体是由几十种蛋 白质和几种核糖体组 成的亚细胞颗粒。
一个细菌细胞内约有 20000 个 核 糖 体 ， 而 真 核 细 胞 内 可 达 106 个。
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核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大小两个
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蛋白质的生物合成步骤:
(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:由于核糖体沿mRNA5’端向3’端移动， 开始了从N端向C端的多肽合成，这是蛋白质合成过 程中速度最快的阶段。 (3)肽链的终止及释放:核糖体从mRNA上解离，准备 新一轮合成反应。
• tRNA分子中最大的变化发生多余臂上。
– 一类是只含有一条仅为3～5个核苷酸的多余臂的tRNA，占所有 tRNA的75%；
– 一类是有较大多余臂的tRNA，包括杆状结构上的5个核苷酸和套索 结构上的3～11个核苷酸。
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(2)三级结构
• tRNA三级结构都呈L形折叠式 • tRNA的三级结构与氨酰-tRNA合成
– 其他tRNA统称为延伸tRNA。
• 同工tRNA。几个代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。 • 校正tRNA。分两类：无义突变的校正tRNA和错义突变的校
正tRNA。均通过改变其反密码子区校正突变而依然合成原 氨基酸。
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无 义 突 变 和 错 义 突 变 的 校 正
，对应于同一种
氨基酸的几个密码子称为同义密 Nhomakorabea码子（synonymous
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• 同义密码子第一、二第 位核苷酸往往是相同的， 而第三位核苷酸的改变 不一定影响所编码的氨 基酸。
• 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（精氨酸 例外）。
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密码破译方法:
– 在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的均聚物、
随机共聚物和特定序列的共聚物为模板；
– aa-tRNA与确定的三核苷酸序列结合（核糖体结合技术）。
2019/11/11
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密码子的破译 (1968. nobel prize)
（1）Marshall Nirenberg (1961), 共聚物为模 板
aa 编码，但不符合生物体在亿万年进化过程中形成并遵循的经济原则。
证明：
– 在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全 部氨基酸序列。
– 若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样， 后续密码子序列就不会变化，翻译得到的后续的蛋白质序列就 保持不变。
– 如果同时删去3个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序 列不发生变化。
第1节 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。
The genetic code is the correspondence between the sequence of the four bases in nucleic acids and the sequence of the 20 amino acids in proteins.
别 1 个 以 上 的 密 码 子 ---- 摆 动 假 说
（wobble hypothesis）。
R
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ORFs
• 从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码 子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排 列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。
蛋氨酸 蛋氨酸
苏氨酸 亮氨酸
精氨酸 丝氨酸
植物 终止码 异亮氨酸 亮氨酸 精氨酸
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密 码 子 与 反 密 码 子 的 相 互 作 用。在密码子与反密码子的配对
中，前两对严格遵守碱基配对原则， 第三对碱基有一定的自由度，可以
" 摆 动 " ， 因 而 使 某 些 tRNA 可 以 识
tRNA，由AA－ tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子相 互识别并配对，将AA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。
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3. tRNA的种类
• 起始tRNA和延伸tRNA。
– 一类能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA
（原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸）。
Glu : GAG, GAA 证明：终止突变密码为
UAG (amber 琥珀突变) ?!
UAA (ocher 赭色突变)
UGA (opal 蛋白石突变)
2. 遗传密码的性质
密码的连续性。起始密码子决定所有后续密码子的位置。
密码的简并性。
由一种以上密码 子编码同一个氨 基酸的现象称为 简并(degeneracy)
蛋白质。
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遗 传 密 码 表
1. 三联子密码及其破译
构想：1954年，物理学家George Gamov 首先对遗传密码进行了探讨：
41=4、42=16：编码的 aa 数目小于20种aa，显然不可能。43=64：在四种 核苷酸条件下，64能满足于20种aa编码的最小数。44=256：虽能保证20种
In vitro Poly(U)
poly(Phe) peptide
Poly(C)
poly(Pro) peptide
共聚物 实验
Poly(A) Poly(G)
poly(Lys) peptide poly(Gly) peptide
poly(UCUCUC…) UCU/CUC
poly(Ser-Leu-Ser-Leu…) Ser/Leu ?
（2）M. Nirenberg & P. Leder (1964. Science 145;1399)
In vitro
核糖体结合实验
UCU (trinucleotide)
Ser-C14, Leu, Lys, Arg,… Ser, Leu-C14, Lys, Arg,… Ser, Leu, Lys-C14, Arg,… ……
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• 蛋白质合成的真实性主要决定于 tRNA能否把正确的氨基酸放到新生 多肽链的正确位置上，而这一步主要
决定于AA－tRNA合成酶是否使氨基 酸与对应的tRNA相结合。 • AA-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又 要能识别氨基酸，它对两者都具有高 度的专一性。
2019/11/11
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3个
核苷酸称为密码，也叫三联子密码。Triplets: 43=64, amino acids: 20
(degenerate)
翻译时从起始密码子AUG开始，沿着mRNA5’→ 3’的方向连续阅读
密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链――
物大分子参与。
4
翻译过程的特点：
– 蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化 合物的参与。细胞用来进行合成代谢的总能量 的90%消耗在蛋白质合成过程中。
– 在真核生物细胞核内合成的mRNA，要运送到 细胞质，才能翻译生成蛋白质。
– 蛋白质合成速度很高。大肠杆菌只需要5s就能 合成一条由100个氨基酸组成的多肽。
（3）Stop codon 的证实
Brenner (1961) 获得T4 phage 头部蛋白基因的琥珀突变（amber）
证明:突变体头部蛋白较野生型的变短 推测:头部蛋白基因发生了终止突变，使蛋白质合成中断。
Garen (1965)
获得， E.coli 碱性磷酸酯酶基因（phoA）Amber突变株的大
17
生 物 ， 但 也 有 些 特 殊 情 况 。
表 是 具 有 普 遍 性 的 ， 适 用 于
密 码 的 普 遍 性 与 特 殊 性 。密
一码
切子
密码子
UGA AUA CUA AGA
通用编码
终止码 异亮氨酸
亮氨酸 精氨酸
哺乳动物 色氨酸 蛋氨酸 亮氨酸 终止码
线粒体编码
酵母菌
果蝇
色氨酸 色氨酸
酶对tRNA的识别有关。
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2. tRNA的功能
• 翻译阶段遗传信息从mRNA转移到结构极不相同的蛋白质 分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联体密码子形
式存在的，这里起作用的是tRNA的解码机制。
• 氨基酸在合成蛋白质之前先通过AA－tRNA合成酶活化，
在消耗ATP的情况下结合到tRNA上，生成有活性的AA－
量回复突变株 分析；回复突变株中对应“回复”的氨基酸
Stop codon 的证实 回复突变的氨基酸和密码
Ser : UCG, UCC, UCA, UCU, AGU, AGC
发生终止突变 的原氨基酸 Trp (UGG)
Leu : UUG, UUA, CUU, CUC, CUA, CUG Tyr : UAU, UAC Lys : AGG, AAA Gln : CAG, CAA
• An ORF is a suspected coding region.
第2节 tRNA
• tRNA在蛋白质合成中处于关键地位。
tRNA不仅为每个三联密码子 翻译成氨基酸提供了接合体， 还为准确无误地将所需氨基酸 运送到核糖体上提供运送载体
，它又被称为第二遗传密码。
特点：存在经过特殊修饰的碱 基，3’端都以CCA-OH结束， 这是其氨基酸结合位点。
第四章 生物信息的传递（下） ―――从mRNA到蛋白质
第四章 生物信息的传递（下）
―――从mRNA到蛋白质
1、遗传密码 2、 tRNA 3、核糖体 4、蛋白质合成的生物学机制 5、蛋白质运转机制
蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活 细胞在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。 因此，活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、 修饰、运转和降解反应。
翻译是指将mRNA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，依次合成一条多肽链的过程。
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3
在翻译过程中：
– 核糖体是蛋白质合成的场所。 – mRNA是蛋白质合成的模板。 – 转移RNA(transfer RNA，tRNA)是模板与氨基
酸之间的接合体。 – 在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶和其他生
tRNAaa
把已结合到核糖体上的aa-tRNA 与未结合的aa-tRNA分开。
Ribosome Nitrocellulose filter
Ser-C14…. Leu-C14 …. Lys-C14 …. Gly-C14 ….
每次只有一种 被C14标记
61个codons被破译，(仅剩UAA,UAG,UGA？)
亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的二倍。每个亚基都
含有一个分子质量较大的rRNA和许多蛋白质分子。这些大 分子rRNA能在特定位点与蛋白质结合，从而完成核糖体不 同亚基的组装。
原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。真核生 物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。
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tRNA上碱基的修饰
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tRNA产生
1. tRNA的结构
(1)二级结构
• 由于小片段碱基互补配对，形成三叶草形的二级结构。三叶 草形tRNA分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手 臂：
– 受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；3’端有未配对的3～4
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4. 氨酰-tRNA合成
氨酰-tRNA合成酶是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶。
其反应包括两步:
• 氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复合物。
AA + ATP + 酶(E) → E－AA－AMP + PPi
• 氨酰基转移到tRNA3’末端腺苷残基的2’或3’－羟基上 E－AA－AMP + tRNA → AA－tRNA + E + AMP
个碱基；3’端的CCA，最后一个碱基2’羟基可被氨酰化。
– TψC臂：其中ψ表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。 – 反密码子臂：位于套索中央，有三联反密码子。 – D臂：含有二氢尿嘧啶。
2019/11/11
23
tRNA
二 级 结 构
2019/11/11
24
• 最常见tRNA有76个碱基。所有tRNA含74～95个核苷酸。 tRNA长度的不同主要是由其中的两条手臂引起。在D臂中
31
第3节 核糖体
生物细胞内，核糖体像一个能沿mRNA模板移动 的工厂，执行着蛋白质合成的功能。
核糖体是由几十种蛋 白质和几种核糖体组 成的亚细胞颗粒。
一个细菌细胞内约有 20000 个 核 糖 体 ， 而 真 核 细 胞 内 可 达 106 个。
2019/11/11
32
核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大小两个
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5
蛋白质的生物合成步骤:
(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:由于核糖体沿mRNA5’端向3’端移动， 开始了从N端向C端的多肽合成，这是蛋白质合成过 程中速度最快的阶段。 (3)肽链的终止及释放:核糖体从mRNA上解离，准备 新一轮合成反应。