第5章 翻译

构成副密码子的碱基 没有统一的位置，且 不必集中在一个地方。 副密码子中常包括反 密码子区，例如在大 肠杆菌中， 20 种 AARS 中有 17 种识别 tRNA 的反密码子区。 AARS 识别副密码子 的错误率很低，不超 过 10-5，从而保证了蛋 白质合成的可靠性。
四、tRNA 丰度与密码子使用频率
碱基配对法则，这种现象称为“摆动”。（苯基丙氨酸） 摆动使得一种 tRNA 能 够识别多种密码子。理论 上，识别 61 种密码子需 要 32 种反密码子。由于 同功 tRNA的存在，实际 的 tRNA 要多于 32 种。
大肠杆菌有 41 种反密码 子，64 种 tRNA。
真核生物至少有 42 种反 密码子。
达效率较高。
密码子的使用频率还与其第 3 位碱基在基因组中的含量 呈正比。若基因组中 G+C % 较高，则在同义密码子中， 第 3 位为 G 或 C 的密码子使用频率可能较高。 若反密码子第 1 位碱基为硫代或甲基化的 U，则密码子 的第 3 位多用 A 而非 G；若反密码子第 1 位碱基为 I， 则密码子的第 3 位多用 U 和 C，很少用 A。
tRNA 中有 23 个碱基（包括 3 端的三个）是 保守或半保守的，亦即在所有或大多数 tRNA 中 都相同。
tRNA 中包含一些被修饰过的碱基。在各种生
物中，已发现有 60 多种修饰方式。 tRNA 的三维结构为 L 形。
二、反密码子与摆动
反密码子对密码子的识别
反密码子与密码子是反向互补的 密码子 反密码子 1 2 3 5 – C U A – 3 3 – G A U – 5 3 2 1
密码子的方向规定为 5 3
生物中只有 20 种氨基酸，而
密码子却有 61 种，故遗传密 码是简并的。除了 Met 和 Trp 只有 1 个密码子外，所有其它 氨基酸都有 2 个或 2 个以上密 码子，最多的有 6 个。 若简并密码子第 3 位碱基包含 了所有 4 种类型（U、C、A、
反密码子是 tRNA 解读密码子的必要条件，但并非充分 条件。整个反密码子环上的核甘酸序列（尤其是第 36 ~ 38 碱基）对 tRNA 解读密码子的能力都有影响。即使反 密码子相同，而其它位置的碱基发生变化，也可能解读 不同的密码子。
摆动
密码子第 3 位碱基与反密码子第 1 位碱基间的配对可以不遵循
支原体AGRΒιβλιοθήκη AAA UARArg
Lys 终止
Ser 终止
Asn Gln 伞藻、纤毛原生动物 （游仆虫除外）
动物（脊椎动物除外） 脊椎动物
扁虫、棘皮动物
CUN CUG
Leu Leu
Thr Ser 圆柱形假丝酵母
酵母
注：R = A、G；Y = U、C；N = A、G、U、C
三、起始密码和终止密码
不论是原核生物还是真核生物，翻译都从 AUG 开始。
延伸因子
EF-Tu EF-Ts EF-G eEFI eEF1 eEF2 eRF 将合成好的肽链释放出来
释放因子
RF1 RF2 RF3
第五节
翻译过程
一、起始
原核生物的翻译起始
第一步：IF1 和 IF3 使 70S 核糖体 解离，并与 30S 亚基结合。 第二步：IF2-GTP 携带起始 tRNA （tRNAfMet）与 mRNA 和核糖 体结合，释放出 IF3。 注：tRNA 与 mRNA 之间靠氢键互 补结合，而 mRNA 与 30S 亚基 之间靠 Shine-Dalgarno 序列（核 糖体结合位点）与 16S rRNA 互 补配对结合。 第三步：IF1 和 IF2 释放出来， GTP GDP + Pi，50S 亚基与 30S 结合，形成 70S 起始复合体。 于是翻译起始阶段完成。
三、氨酰-tRNA 合成与副密码子
tRNA 作为翻译必须知道两种语言，一种是 RNA 语言， 靠反密码子来识别；另一种是蛋白质语言，以使密码子 与特定的氨基酸对应，这要靠副密码子来识别。 氨基酸以酯键挂接到 tRNA 的 3 端形成氨酰-tRNA ， 该反应由氨酰-tRNA 合成酶（AARS）催化：
第五章
翻
译
翻译是指依据 mRNA 的核甘酸序列合成多肽链的过程
第一节
遗传密码
一、通用密码子

密码子：由 3 个核甘酸组
成一个氨基酸的密码，也称
三联体密码。
4 种核甘酸共组成 64 种密码 子，其中
61 种用于编码氨基酸 3 种用于提供终止信号， 称为终止密码或无义密码 编码甲硫氨酸（Met）的 密码子也是起始密码
G），则称为“家族框”
（family box）密码子。若在 家族框之外还存在简并密码子，
则称之为“额外”（extra）
密码子。
二、异常密码子
某些生物的线粒体乃至核基因组中，有些密码子的意义被改变，原因多是 tRNA 中反密码子改变了，或是氨酰 tRNA 合成酶对 tRNA 的识别改变了。 密码子 通用含义 异常含义 UGA AUA AUG 终止 Ile Met Trp Met Ile 核基因 线粒体基因 酵母、动物 （棘皮动物除外） 棘皮动物
谷 中央突起 平台 裂口
三、核糖体的功能位点
双位点模型
P （肽基）位点：肽基-tRNA 结合位点
A （氨酰基）位点：氨酰-tRNA 结合位点
三位点模型
1983 年提出，增加了一个 E （出口）位点：即 tRNA 脱离的位点 实验证据：空载的 tRNA 能够与核糖体某一位 点结合，而该位点与 P 和 A 位点不同。
真核生物的翻译起始
第一步：形成
43S 核糖体复合体 mRNA 复合体 eIF2-GTP-Met-tRNA复合体
第二步：
43S 核糖体复合体
+
mRNA 复合体 +
eIF2-GTP-Met-tRNA复合体
48S 前起始复合体
第三步：
48S 前起始复合体
+
60S 核糖体亚基
80S 起始复合体
密码子第二位碱基与氨基酸亲水性的关系
第二位碱基 U A C、G 编码的氨基酸类型 疏水性氨基酸 亲水性氨基酸 亲水性中等的氨基酸
密码子第三位碱基与氨基酸分子量的关系
在 8 种第三位碱基 N 同功的密码子中，有 6 种氨基酸的分 子量都属最小，其侧链最简单（Arg 例外）。
第二节
tRNA
一、tRNA 的结构
第二步（转肽）：
AA + ATP + AARS AA-AMP-AARS + PP（焦磷酸） AA-AMP-AARS + tRNA AA-tRNA + AMP + AARS
每种氨基酸都有相应的 AARS 来催化产生 AA-tRNA， 因此大多数生物都有 20 种 AARS。
AARS 催化 AA-tRNA 的专一性靠的是识别 tRNA 上的 特定识别位点，即副密码子。
密码子中 A、U 与 G、C 在数量上较均衡时，则其与反密 码子的匹配能力就较适中。若 1、2 位碱基为 A 、U，则第 3 为以 C 或 G 为宜，反之亦然。
密码子的使用还应与 tRNA 的解读能力相匹配。例如，
若有两种 tRNAGly，其中 tRNA1Gly 只能解读 GGG，而
tRNA2Gly 能解读 GGG 和 GGA，则基因将倾向于使用密 码子 GGG，因为这样可有两种 tRNA 参与翻译，从而表
tRNA 的二维结构为三叶草形，包括 茎-环结构 D 环：含有被修饰碱基二氢脲嘧啶（D） 反密码子环：第 34 ~ 36 碱基为反密码子
T C 环：含有被修饰碱基胸腺嘧啶（T）和假脲嘧 啶（ ）
可变环：不同 tRNA 的大小主要相差在可变环上 接纳茎 3单链区：所有 tRNA 的 3 末端均为 CCA
一些要点：
多数情况下 tRNAfMet 结合于 第一个起始密码，一般位于 Shine-Dalgarno 序列下游若干 个核甘酸处。 起始密码定位于核糖体的 P 位点。 起始密码为 AUG，但有时也 可能为 GUG （Val）和 UUG （Leu），但第一个氨基酸仍 然是 fMet，因为起始 tRNA 只能是 tRNAfMet。 翻译起始后，甲酰基或整个 fMet 被切除。
G C C (A/G) C C A U G G –6 –5 –4 –3 –2 –1 +1 +2 +3 +4
其中 +4 位的 G 和 –3 位的嘌呤最为重要。该最佳翻译起始法则称为
Kozak 法则。
二、延伸
延伸是一个循环过程，每一循环使肽链增加一个氨基酸。
延伸中每个循环的起点和终点都是多肽-tRNA 位于 P 位点。
遗传密码是简并的，但同义密码的使用频率并不均等。一般 有以下规律： 密码子使用频率与 tRNA 丰度呈正相关，这种关系在表达 量高的基因中尤其明显。
与反密码子匹配能力适中的密码子最适合于基因的高效表 达，因为匹配太弱则不利于 tRNA 进入核糖体，太强则不 利于 tRNA 脱离核糖体，二者皆会影响翻译的速度。因此， 高表达的基因特别偏爱匹配能力适中的密码子。
摆动不是任意的， 具有一定的规则
注： I = 次黄嘌呤 xm5s2U = 5-甲基-2-硫 脲嘧啶 xm5Um = 5-甲基-2O-甲基脲嘧啶 Um = 2-O-甲基脲嘧 啶 xm5U = 5-甲基脲嘧啶 xo5U = 5-羟基脲嘧啶 k2C = lysidine（胞嘧 啶衍生物 ）2-甲基 间二氮杂环戊烯-[2]
四、密码子组成的规律
密码子第一位碱基与氨基酸代谢的关系
第一位碱基
G A C
编码的氨基酸类型
代谢途径起始的氨基酸 以 Asp 为合成出发点的一族氨基酸 以 Glu 为合成出发点的一族氨基酸
U
例外：
芳香族氨基酸
Leu（CUN、UUR）、Ala（GCN）、Val（GUN）皆由丙酮酸代谢而来； His（CAY）是从磷酸核糖焦磷酸代谢而来的唯一氨基酸； Leu、Ser、Arg 的额外密码子也不服从该规律。
AUG 在原核生物中翻译成 f-Met（甲酰甲硫氨酸），而
在真核生物中翻译成 Met （甲硫氨酸）。
3 个终止密码中，终止效率依次为 UAA > UGA > UAG。
其中 UAG 容易被通读，从而翻译成超长的肽链。
有的基因中会出现 2 个甚至 3 个终止密码连在一起，这 样可以保证翻译被严格终止。
第四节
翻译蛋白因子
原核生物
起始因子
真核生物
功能
IF1
IF2 IF3 eIF2 eIF3、eIF4C CBPI eIF4A、eIF4B、eIF4F eIF5 eIF6 参与帽的结合 参与搜索第一个 AUG 帮助 eIF2、eIF3、eIF4C 的解离 帮助 60S 亚基解离 将氨酰-tRNA 运输到核糖体 帮助上面延伸因子的再循环 移位因子 参与翻译起始复合体的形成
一些要点：
CBPI（帽结合蛋白因子）、eIF4A、eIF4B、eIF4F 能够识别 mRNA 上 的 7-甲基鸟苷帽子（m7G），结合到 mRNA 上，使 mRNA 上的任何 二级结构解开，从而能够与核糖体结合，并帮助识别起始密码。 识别帽子结构是正确识别起始密码的关键。核糖体与 mRNA 结合后， 沿着帽子下游滑行寻找起始密码。许多情况下使用第一个遇到的 AUG。 有些情况下，核糖体使用后面的 AUG 作为起始密码，这主要取决于 AUG 周围的核甘酸序列。共同的起始密码识别序列为：
合成的肽链从核糖体大亚基腹部的一个洞口伸出。
原核生物的翻译速度为 15 ~ 18 个氨基酸 / 秒，真核生物为 6
个氨基酸 / 秒。 肽链合成方向与 mRNA 的 5 3 方向平行，与此对应，肽 链合成方向为氨基（N）端 羧基（C）端。
第一步（进入）：由 EFTu （或 eEFI）携带氨酰 -tRNA 进入 A 位，反密码 子与密码子互补。
第三节
核糖体
一、核糖体的组成
原核生物核糖体
核糖体电镜像
小亚基
大亚基
真核生物 核糖体
注： rRNA 在细胞 核中合成，蛋 白质在细胞质 中合成。 大、小亚基在 核仁中组装。 大、小亚基在 细胞质中拼装 成核糖体。
二、核糖体的形态
大亚基的谷与小亚基的裂口构成了 一个开口，作为 mRNA 的通道。