第十四章 遗传密码和遗传信息的翻译系统
第一节 遗传密码的破译
一, 遗传密码的试拼
1954年 G.Gamov对破译密码首先提出了设想
?若一种碱基对应与一种氨基酸，那么只可能产生 4
种氨基酸 ;
?若 2 个碱基编码一种氨基酸的话,4种碱基共有
42=16种不同的排列组合 ;
? 3个碱基编码一种氨基酸，经排列组合可产生
43=64种不同形式
?若是四联密码，就会产生 44=256种排列组合。
三联密码的证实。
? 1961年 Crick和 Brenner.S等证实了三联密码的真
实性 。
?他们用 T4染色体上的一个基因 （ rⅡ 位点 ） 通
过用 原黄素 （ proflavin） 处理, 可以使 DNA脱
落或插入单个碱基, 插入叫, 加字, 突变, 脱
落叫, 减字, 突变,无论加字和减字都可以引
起 移码突变 。
? Crick小组用这种方法获得一系列的 T4―加字,
和, 减字, 突变, 再进行杂交来获得加入或减
少一个, 二个, 三个的不同碱基数的系列突变 。
插入 － A T C T A G T C T －
－ T A G A T C A G A －
－ A T C T G T C T －
－ T A G A C A G A －
－ A C T G T C T －
缺失 － T G A C A G A －
图 14 — 1,加字”和,减字”突变
?它们只能在 B菌株上生长形成噬菌斑
?开始用原黄素诱导的突变称 FCO，
?他们再用原黄素诱导产生回复突变, 在
E.coli K（ λ） 菌株中出现了噬菌斑 。
?用遗传学的方法和野生型杂交发现它们并
不是真正的野生型 。
?校正突变 （ A suppressor mutation） 抵消
或抑制了前一次突变的效应,
r Ⅱ 回复突变 r Ⅱ r Ⅱ
野生型
F C O s u p 表 型
＋
突变型
表型
＋ ＋ ＋ s u n
图 14 － 2 抑制基因所产生的回复突变型和野生型杂交后，经交换可
产生原有的突变型 ( 仿 G ri f fi t h s A, J, F, e t a l,, An I n t ro d u c t i o n t o
G en e t i c A n a l y s i s,
校正突变的特点如下：
? (1) 校正突变是在第一次突变不同位点将它抵
消的。因此原来的突变可以通过野生型和回复
突变型之间的杂交又恢复为突变型；
? (2) 校正突变可能发生相同的基因中，抑制原
来的突变（如刚举的例子），称 基因内抑制,
或发生在不同的基因中称 基因外抑制 。
? (3) 不同的抑制可能作用的方式不同。如有的
抑制是在转录和翻译水平，有的可能是通过细
胞生理功能来实现。
图 1 4 - 基因内抑制
鸟氨酸转氨甲酰酶 ( OTC )
C O
2
氨甲酰磷酸 瓜氨酸 精氨酸 ( 在线粒体中 )
+ b (s u - )
N H
4
天冬氨酸转氨甲酰酶
A T P 氨甲酰磷酸 氨甲酰 天冬氨酸 嘧啶 ( 在核中 )
a (m - ) A T C
( 1 ) 以是否合成嘧啶为表型的标准 ;
( 2) O T C 突变仍有 2 ~ 3 % 的活性,
图 1 4 - 代谢抵偿效应产生的基因外抑制
三,利用突变来解读密码
? 1960 A,Tsugita,H.Fraenkel-Connrat小组和 H.G.
Wittmann小组试图通过用亚硝酸来对 TMV进行
诱变 。
?当时根据亚硝酸诱变的原理, mRNA中的 A→G
或 C→U 的缘故 。
?当时已搞清了 TMV肽链的一级结构由 158个氨
基酸组成,
?将突变型和野生型进行比较就能确定肽链上氨
基酸取代的位点和类型 。
四,无细胞系统的建立
? 1961年 Nirenberg建立了无细胞系统
?这一新技术又是在多核苷酸磷酸化酶发现的
基础上建立起来的。
? 1955 S.Ocha在细菌中分离了 多核苷酸磷酸化
酶 （ polynucleotide phosphorylase）,它催化核
糖核苷二磷酸的聚合,
?它不需要任何 DNA模板就可合成,
?他们的方法是,
? (1) 去模板：用 DNAase处理 E.coli抽提
物, 使 DNA降解, 除去原有的细菌模板 。
? (2) 加入 pol U,合成了 多聚 苯丙氨酸,
?这一结果不仅证实了无细胞系统的成功,
同时还表明 UUU是苯丙氨酸的密码子 。
?分别加入 polyA,polyC 和 polyG 结果相
应地获得了多聚 赖氨酸, 多聚 脯氨酸 和
多聚 甘氨酸 。
? (3) 按比例加入２种核苷混合的多聚物
?由于当时还未分离 RNA pol酶, 无法按设计的模板
来合成 RNA,Nirenberg又想出了一种新的方法, 就
是按一定的碱基比例来合成 RNA。
?比如在底物中加 5份的 UDP和 1份的 GDP，
?碱基比为 U,G＝ 5,1，
?它们能组成 8种三联体：
UUU,UUG,UGU,GUU，
GGG,GGU,GUG,UGG。
? U和 G将随机地加入到三联体中, 这样按比例各个
位于上进入 U和 G 的概率不同, 。 如氨基酸测定结
果：
?如 UUU,UGG＝（ 5?5?5）,（ 5?1?1）
＝ 25, 1
?同理 UUU,UUG ＝ 5, 1，
?根据检测结果推测,
?苯丙氨酸 （ UUU）,半胱氨酸 （ UGU）
＝ 5, 1
?苯丙氨酸 （ UUU）,缬氨酸 （ GUU）
＝ 5, 5
?苯丙氨酸 （ UUU）,甘氨酸 （ GUU）
＝ 24, 1
五,三联体结合实验
? 1964年 Nirenberg又采用
三联体结合实验
? (1) tRNA和氨基酸及三
联体的结合是特异的；
? (2) 上述结合的复合体大
分子是不能通过硝酸纤
维滤膜的微孔, 而
tRNA- 氨基酸的复合体
是可以通过的 。
A C A U G U
A G A S e r
A C A
T h r
A G A
A C A
A C A U G U
S e r
T h r N C
S e r
U C U
U C U U G U
U C U
A G A
T h r
U C U U G U
A G A
T h r
S e r
N C
T h r
图 1 4 -3 三联体结合实验。 ( 上 ) 输入翻译系统的 RN A 和标记的氨基酸 ( 以灰色表示 )
不符。 ( 下 ) 输入翻译系统的 RN A 和标记的氨基酸 ( 以灰色表示 ) 相符。
六, 利用重复共聚物破译密码
Khorara 采用了有机合成一条短的单链 DNA重复
顺序，
?然后用 DNA pol 1合成其互补链，
?再用 RNA pol及不同的底物合成两条重复的
RNA共聚物（图 14－ 3），作为翻译的 mRNA,
加入到体外表达系统中，
5 ' － T A C T A C T A C T A C － 3'
3 ' － A T G A T G A T G A T G － 5 ’
RN A P o l
+ G T P + CT P
+ U T P + U T P
+ A T P + A T P
5' － G U A G U A G U A G U A － 3 ' 5' ― U A C U A C U A C U A C ― 3'
图 1 4 -4 重复共聚体 RN A 的合成途径。 ( 仿 W at s o n,J, D, et a l, M o l e c u l a r
B i o l o g y o f t h e G e n e, 4
th
E d, 1 9 8 7,F i g, 1 5, 4 )
表 1 4 - 1 用二个或三个、四个核苷酸构造重复共聚体来确
定密码子
重复顺序 可组成的三联密码 多肽的氨基酸组
成
( U C ) n UCU - CUC S e r - L e u
( U U C ) n ( UUC ) ; ( U C U ) ; ( CUU ) p o l y P h e,p o l y S e r,
p o l y L e u
( U U A C ) n ( UUA - CUU - A C U -
U A C )
L e u - L e u - T h r - T y e
第二节 遗传密码的证实和特点
?一, 遗传密码的证实
?1966年 Sterisinger等 用噬菌体 T4证实了遗
传密码是完全正确的。
?他们采用的方法跟 Crick的原黄素诱发移
码突变的方法相同，使 T4溶菌酶产生了
移码突变，根据突变后的蛋白质一级结
构和野生型溶菌酶氨基酸顺序进行了比
较，
N T h r － L y s － S er － P r o － S er － L eu － A s n － A l a － C
5 ' A C · A A · A G U C C A U C A C U U A A U G C · 3 ' 野生型
5 ' A C · A A A G U C C A U C A C U U A A U G G C · 3 ' 突变型
N T h r － L y s － V a l － H i s － H i s － L eu － M et － A l a － C
A ( 缺失 ) G ( 插入 )
图 1 4 – 9 T 4 溶菌酶基因经原黄素诱发的插入突变和缺失突
二．遗传密码在纤毛虫和线粒体
中的改变
表 1 4 - 3 密码子在原核生物和真核生物线粒体及原生动物中的改变
生物 AUA AUG U G A U G U UAA UAG C U A C A A UAG A G A A G G AAA
一般生物 I l e M e t (
起始 )
终止 T rp 终止 终止 A r g G l n G l n A r g A r g Lys
枝原体 T rp T rp
纤毛虫 G l u G l u
四膜虫 G l u G l u G l u G l u
游仆虫 C y s —
哺乳动物 ( 线
粒体 )
T rp 终止 终止 A s p
果蝇 ( 线粒体 ) S e r A s p
酵母 ( 线粒体 ) T h r
一, 遗传密码的特点
? (1) 遗传密码是 三联体 密码 。
? (2)遗传密码 无逗号 。
? (3)遗传密码是 不重迭 的 。
? (4)遗传密码具有 通用性 。
? (5)遗传密码具有 简并性 (degeneracy (synonyms)。
? (6) 密码子有 起始密码子 和 终止密码子 。
? (7) 反密码子中的, 摆动, （ wobble）
表示第三个碱基摆动的模式。
在 八成员组成的密码子 家族中，
每个成员的四个密码子意思相
同，那么第三个碱基 U,C,A、
G对氨基酸起不到特异的作用。
在 七个成员组成的密码子 的意
思相同。第三个碱基都是 Py，
含 U或 C。 在五个成员组成的
密码子家族中，每个成员的二
个密码子都是相同的，第三碱
基都是 Pu，含 A或 G 。由一个
成员组成的密码子家族中，有
3个密码子的意思相同，第三
个碱基含有 U,C和 A。
?摆动假说 (wobble hypothesis)是由 Crick.F
（ 1966年 ） 提出的 。 即当 tRNA的反密码
子与 mRNA的密码子配对时前两对严格
遵守碱基互补配对法则, 但第三对碱基
有一定的自由度可以, 摆动, 。 摆动假
说也称为 三中读二 （ 2 out of 3 reading） 。
表 14 － 4 遗传密码中的摆动
反密码子 5 ’端碱基 密码子 3 ’端可配对碱基
G U 或 C
C G
A U
U A 或 G
I （次黄嘌呤） A, U 或 C
?三中读二一般可分为三种情况：
? (1) 第１,２两个碱基形成６个氢键时, 可三中读
二 。
如 ＣＣ Ｘ, ＣＧ Ｘ, ＧＣ Ｘ 和 ＧＧ Ｘ 。
? (2) 第 1,2两个碱基形成 4个氢键时,不可三中读二 。
如 AAX,ＡＵ Ｘ, ＵＡ X 和 ＵＵ Ｘ 。
? (3) 第１, ２两个碱基形成５个氢键时,
当第二个碱基为嘧啶时, 可三中读二；
如 ＵＣ Ｘ, ＡＣ Ｘ, ＣＵ Ｘ 和 ＧＵ Ｘ 。
当第二个碱基为嘌呤时则不能三中读二,
如 ＣＡ Ｘ, ＧＡ Ｘ, ＵＧ Ｘ 和 ＡＧ X。
第三节 tRNA的结构和功能
一, tRNA的结构
（ 一 ） 三叶草型的二维结构
? (1)各种 tRNA均含有 70~80个碱基, 其 中 22个碱
基是恒定的 。
? (2) 5’端和 3’端配对 （ 常为 7bp） 形成茎区, 称为
受体臂 （ acceptor arm） 或称 氨基酸臂 。 在 3’端
永远是 4个碱基 （ XCCA） 的单链区, 在其末端
有 2’-OH或 3’-OH,是被氨基酰化位点 。 此臂负
责携带特异的氨基酸 。
?（ 3） TψC常由 5bp的茎和 7Nt和环组成。此臂负责
和核糖体上的 rRNA 识别结合；
? (4)反密码子臂 (anticodon arm)常由 5bp的茎区和
7Nt的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。
? (5)D环 (D arm)的茎区长度常为 4bp,也称 双氢尿
嘧啶环。负责和氨基酰 tRNA聚合酶结合 ;
? (6)额外环 (extra arm)可变性大，从 4 Nt到 21 Nt不
等，其功能是在 tRNA的 L型三维结构中负责连接两
个区域（ D环－反密码子环和 TψC-受体臂）。
（二） tRNA的三维结构
三叶草二级结构具有四个臂 L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直
3 ’ T ψ C 环 氨基酸茎
3 ’
5 ’ 氨基酸茎 5 ’
D 环
D 环 T ψ C 环
可变环
可变环
反密码子环 反密码子环
图 14-15 tRNA 由三叶草型折叠成 L 型三维结构
酵母苯丙氨酸 tRNA的三级氢键
tRNA
的
碱基
堆积
L型结构
? (2)D环和 TψC环形成了, L‖ 的转角 。
? (1)氨基酸受体臂位于 L型的一侧, 距反密码子
环约 70 A
? (3)在一些保守和半保守的碱基之间形成很多的
三级氢键,使分子形成 L形 b,并使结构稳定 。
? (4)使得三维结构得以形成的这些碱基配对涉及
到与磷酸核糖主链相互作用的三级结构的磷酸
二酯键分布在核糖的 2’-OH上 。
? (5)几乎所有的碱基平面之间产生堆积的作用 。
? (6)在反密码子茎中仅有很少的三级氢键 。
二,校正 tRNA
抑制基因 （ suppressor）或称 校正基因
（一） 无义抑制 （ nonsense suppressor）
1,tRNA反密码子的突变
2,tRNA其它结构的改变
无义突变使 U U G 变为 U A G T y r - t R N A 阅读 U A G 密码子
A U G U U G U A A A U G U A G U A A A U G U A G U A A U A C
A A C AU C A U G
释放因子 抑制突变
L e u T y r T y r
图 14 － 1 7 带有突变反密码子的 t R N A 可抑制无义突变
表 1 4 - 6 由反密码子突变而产生的无义抑制基因
野生型 抑制基因基因 t R N A
识别的密码子 反密码子 反密码子 识别的密码子
S u p D ( s u 1 ) S e r UCG CGA C U A U A G
S u p E ( s u 2 ) G l n C A G CUG C U A U A G
S u p F ( s u 3 ) T y r U A C,U A U GUA C UA U A G
S u p C ( s u 4 ) T y r U A C / U A U GUA U UA U A A / U A G
S u p G ( s u 5 ) L y s A A A / A A G UUU UU A U A A / U A G
S u p U ( s u 7 ) T r p UGG CCA U CA U G A / U G G
? （二）错义抑制
错义突变 错义突变
A U G A G A U A A A U G G G A U A A A U G A G A U A A
UC U C C U U CU
抑制突变
A r g Gl y Gl y
图 14 - 18 反密码子发生突变可抑制错义突变
抑制突变的特点,
1.不是所有抑制基因都能产生有功能的蛋白质,
关键是要看氨基酸取代的情况 。
2,校正的作用不可能是完全的 。
① 校正的 tRNA分子是有限的而且还要和释放
因子竞争；
② 若是错义抑制的话, 由于氨基酸发生取
代,使得蛋白质的活性有所降低 。
3,每种抑制 tRNA一般都只识别 UAG终止密码子,
而不再识别原来相应的密码子 。
? 4.赭石突变抑制基因不仅可以识别赭石密码子
（ UUA），也可以抑制琥珀突（ Am）码子
UAG。但反过来 Am抑制基因（ CUA）就不能
抑制赭石突变（ UAA），这是由于摆动缘故所
造成。
? 5,当细胞中含有多个 tRNA拷贝时，抑制才能
发挥作用。
? 6,有的抑制基因, 不仅可以识别终止密码子,
而且还可以识别原来的密码子 。 如野生型
tRNATrp的反密码子是 CCA,它可以识别原来
的密码子 UGG,而且还可以识别终止密码子
UGA。
7.校正基因一般不会影响正常的终止
(1)校正基因识别的终止密码子不一定和正
常终止的密码子相同。有时正常终止位
点有两个连续的终止密码子，而且结构
不同，如 UAG-UAA；
(2)释放因子将和抑制基因竞争和终止密码
子的结合；
(3)抑制基因的效率很低，通常为 1~5%，所
以常不会抑制正常终止。
三, tRNA对氨基酸的识别
?（ 1） tRNA怎样接受特定的氨基酸,
氨基酰 － tRNA合成酶怎样识别 tRNA；
?（ 2） tRNA中的哪些结构和接受特定氨
基酸有关 。
? 1988年 Hou Ya-ming（ 候雅明 ） 和 Schimmel首
先取得突破 。
他们采用的方法是：
? (1) 选用 E.coli (trp-)来进行研究；
? (2) tRNA，携带 Ala，反密码子突变成 CUA，可以
和终止密码子 UAG相配对,可校正色氨酸的琥
珀突变,
? (3) 用点突变的方法来改变校正 tRNA（ Ala）上的
各个位点，观察对识别 Ala有何影响，他们证明
了 Ala tRNA的 G3:U70碱基对，仅一对碱基决定了
丙氨酰 tRNA合成酶与 tRNA的识别。
?这种小元件称为 tRNA的,identity‖，或称为 副密
码子 （ paracodon）。
表 1 4 --5 每种合成酶通过几个特殊碱基来识别其同质 t RN A
t RN A
合成酶识别的碱基
一类氨基酰 t RN A 合成酶
V al
反密码子上的三个碱基
Me t
反密码子上的三个碱基
I l e
反密码子上的 C3 4 修饰碱基
G l n
U 3 5 （反密码子） ; U 1 -A 7 2 和 G 7 3 （受体臂）
二类氨基酰 t RN A 合成酶
Ph e （酵母） 反密码子上的三个碱基,G 2 0 (D 环 ); A 7 3 ( 末端 )
Se r
G 1 -C 7 2 ; G 2 -C 7 1 ; A 3 -U 7 0 ( 受体臂 ) ; C1 1 -G 2 4 (D 环 )
A l a
G 3 -U 7 0 ( 受体臂 )
表 14-7 原核和真核生物核糖体的组成及功能
核糖体亚基 rRNAs 蛋白 RNA的特异顺序和功能
细菌
70S 50S 23S=2904b 31种 (L1-L31） 含 CGAAC和 GTψCG互补
2.5× 106D 5S=120b
66%RNA 30S 16S=1542b 21种 (S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)和 S-D
顺序 (AGGAGG)互补
哺乳动物
80S 60S 28S=4718b 49种 有 GAUC和 tRNAfMat的 TψCG互补
4.2× 106D 5S=120b
60%RNA 5.8S=160b
40S 18S=1874b 33种 和 Capm7G结合
第四节 核糖体的结构和功能
核
糖
体
的
大
小
30S小亚基的图
解表示 16Sr
RNA所占据的
不连续的部位，
而核糖体的这
些位置都已被
作图。注意此
是三维重建结
构的二维图像，
且未按比例。
表 1 4 -8 核糖体的活性位点
活性位点 功能 位置 组分
m R N A 结合
位点
结合 m R N A 和 IF
因子
30S,P 位点附近 S1, S1 8, S 2 1 ；及 S3, S4, S5,
S1 2 1 6 SrR N A 3 ′末端区域
P 位点 结合 fMe t -t RN A 和
肽基 - t RN A
大部分在 50S 亚基 L2, L 2 7 及 L 1 4, L 1 8, L24, L 3 3
16S 和 2 3 SrR N A 3 ′附近区域
A 位点 结合氨酰基 -t RN A 大部分在 30S 亚基 L1, L5, L 7 / L 1 2, L20, L 3 0, L33
16S 和 2 3 SrR N A （ 16S 的 1 4 0 0
区）
E 位点 结合脱酰 t RN A 50S 2 3 SrR N A 是重要的
5 SR N A 和 23S rRN A 结合 P 和 A 位点的附近 L5, L 1 8, L 2 5 复合体
肽酰基转移
酶
将肽链转移到氨基
酰 -t RN A 上
50S 的中心突起 L2, L3, L4, L 1 5, L 1 6 2 3 SrR N A
是重要的
E F-T u 结合
位点
氨基酰 -t RN A 的进
入
30S 外部
E F-G 结合
位点
移位 5 0 S 亚基的界面
上,L 7 / L 1 2 附近，
近 S1 2
L 7 / L 1 2 GTP 酶需要 50S 的柄 L7, L 1 2
第一节 遗传密码的破译
一, 遗传密码的试拼
1954年 G.Gamov对破译密码首先提出了设想
?若一种碱基对应与一种氨基酸，那么只可能产生 4
种氨基酸 ;
?若 2 个碱基编码一种氨基酸的话,4种碱基共有
42=16种不同的排列组合 ;
? 3个碱基编码一种氨基酸，经排列组合可产生
43=64种不同形式
?若是四联密码，就会产生 44=256种排列组合。
三联密码的证实。
? 1961年 Crick和 Brenner.S等证实了三联密码的真
实性 。
?他们用 T4染色体上的一个基因 （ rⅡ 位点 ） 通
过用 原黄素 （ proflavin） 处理, 可以使 DNA脱
落或插入单个碱基, 插入叫, 加字, 突变, 脱
落叫, 减字, 突变,无论加字和减字都可以引
起 移码突变 。
? Crick小组用这种方法获得一系列的 T4―加字,
和, 减字, 突变, 再进行杂交来获得加入或减
少一个, 二个, 三个的不同碱基数的系列突变 。
插入 － A T C T A G T C T －
－ T A G A T C A G A －
－ A T C T G T C T －
－ T A G A C A G A －
－ A C T G T C T －
缺失 － T G A C A G A －
图 14 — 1,加字”和,减字”突变
?它们只能在 B菌株上生长形成噬菌斑
?开始用原黄素诱导的突变称 FCO，
?他们再用原黄素诱导产生回复突变, 在
E.coli K（ λ） 菌株中出现了噬菌斑 。
?用遗传学的方法和野生型杂交发现它们并
不是真正的野生型 。
?校正突变 （ A suppressor mutation） 抵消
或抑制了前一次突变的效应,
r Ⅱ 回复突变 r Ⅱ r Ⅱ
野生型
F C O s u p 表 型
＋
突变型
表型
＋ ＋ ＋ s u n
图 14 － 2 抑制基因所产生的回复突变型和野生型杂交后，经交换可
产生原有的突变型 ( 仿 G ri f fi t h s A, J, F, e t a l,, An I n t ro d u c t i o n t o
G en e t i c A n a l y s i s,
校正突变的特点如下：
? (1) 校正突变是在第一次突变不同位点将它抵
消的。因此原来的突变可以通过野生型和回复
突变型之间的杂交又恢复为突变型；
? (2) 校正突变可能发生相同的基因中，抑制原
来的突变（如刚举的例子），称 基因内抑制,
或发生在不同的基因中称 基因外抑制 。
? (3) 不同的抑制可能作用的方式不同。如有的
抑制是在转录和翻译水平，有的可能是通过细
胞生理功能来实现。
图 1 4 - 基因内抑制
鸟氨酸转氨甲酰酶 ( OTC )
C O
2
氨甲酰磷酸 瓜氨酸 精氨酸 ( 在线粒体中 )
+ b (s u - )
N H
4
天冬氨酸转氨甲酰酶
A T P 氨甲酰磷酸 氨甲酰 天冬氨酸 嘧啶 ( 在核中 )
a (m - ) A T C
( 1 ) 以是否合成嘧啶为表型的标准 ;
( 2) O T C 突变仍有 2 ~ 3 % 的活性,
图 1 4 - 代谢抵偿效应产生的基因外抑制
三,利用突变来解读密码
? 1960 A,Tsugita,H.Fraenkel-Connrat小组和 H.G.
Wittmann小组试图通过用亚硝酸来对 TMV进行
诱变 。
?当时根据亚硝酸诱变的原理, mRNA中的 A→G
或 C→U 的缘故 。
?当时已搞清了 TMV肽链的一级结构由 158个氨
基酸组成,
?将突变型和野生型进行比较就能确定肽链上氨
基酸取代的位点和类型 。
四,无细胞系统的建立
? 1961年 Nirenberg建立了无细胞系统
?这一新技术又是在多核苷酸磷酸化酶发现的
基础上建立起来的。
? 1955 S.Ocha在细菌中分离了 多核苷酸磷酸化
酶 （ polynucleotide phosphorylase）,它催化核
糖核苷二磷酸的聚合,
?它不需要任何 DNA模板就可合成,
?他们的方法是,
? (1) 去模板：用 DNAase处理 E.coli抽提
物, 使 DNA降解, 除去原有的细菌模板 。
? (2) 加入 pol U,合成了 多聚 苯丙氨酸,
?这一结果不仅证实了无细胞系统的成功,
同时还表明 UUU是苯丙氨酸的密码子 。
?分别加入 polyA,polyC 和 polyG 结果相
应地获得了多聚 赖氨酸, 多聚 脯氨酸 和
多聚 甘氨酸 。
? (3) 按比例加入２种核苷混合的多聚物
?由于当时还未分离 RNA pol酶, 无法按设计的模板
来合成 RNA,Nirenberg又想出了一种新的方法, 就
是按一定的碱基比例来合成 RNA。
?比如在底物中加 5份的 UDP和 1份的 GDP，
?碱基比为 U,G＝ 5,1，
?它们能组成 8种三联体：
UUU,UUG,UGU,GUU，
GGG,GGU,GUG,UGG。
? U和 G将随机地加入到三联体中, 这样按比例各个
位于上进入 U和 G 的概率不同, 。 如氨基酸测定结
果：
?如 UUU,UGG＝（ 5?5?5）,（ 5?1?1）
＝ 25, 1
?同理 UUU,UUG ＝ 5, 1，
?根据检测结果推测,
?苯丙氨酸 （ UUU）,半胱氨酸 （ UGU）
＝ 5, 1
?苯丙氨酸 （ UUU）,缬氨酸 （ GUU）
＝ 5, 5
?苯丙氨酸 （ UUU）,甘氨酸 （ GUU）
＝ 24, 1
五,三联体结合实验
? 1964年 Nirenberg又采用
三联体结合实验
? (1) tRNA和氨基酸及三
联体的结合是特异的；
? (2) 上述结合的复合体大
分子是不能通过硝酸纤
维滤膜的微孔, 而
tRNA- 氨基酸的复合体
是可以通过的 。
A C A U G U
A G A S e r
A C A
T h r
A G A
A C A
A C A U G U
S e r
T h r N C
S e r
U C U
U C U U G U
U C U
A G A
T h r
U C U U G U
A G A
T h r
S e r
N C
T h r
图 1 4 -3 三联体结合实验。 ( 上 ) 输入翻译系统的 RN A 和标记的氨基酸 ( 以灰色表示 )
不符。 ( 下 ) 输入翻译系统的 RN A 和标记的氨基酸 ( 以灰色表示 ) 相符。
六, 利用重复共聚物破译密码
Khorara 采用了有机合成一条短的单链 DNA重复
顺序，
?然后用 DNA pol 1合成其互补链，
?再用 RNA pol及不同的底物合成两条重复的
RNA共聚物（图 14－ 3），作为翻译的 mRNA,
加入到体外表达系统中，
5 ' － T A C T A C T A C T A C － 3'
3 ' － A T G A T G A T G A T G － 5 ’
RN A P o l
+ G T P + CT P
+ U T P + U T P
+ A T P + A T P
5' － G U A G U A G U A G U A － 3 ' 5' ― U A C U A C U A C U A C ― 3'
图 1 4 -4 重复共聚体 RN A 的合成途径。 ( 仿 W at s o n,J, D, et a l, M o l e c u l a r
B i o l o g y o f t h e G e n e, 4
th
E d, 1 9 8 7,F i g, 1 5, 4 )
表 1 4 - 1 用二个或三个、四个核苷酸构造重复共聚体来确
定密码子
重复顺序 可组成的三联密码 多肽的氨基酸组
成
( U C ) n UCU - CUC S e r - L e u
( U U C ) n ( UUC ) ; ( U C U ) ; ( CUU ) p o l y P h e,p o l y S e r,
p o l y L e u
( U U A C ) n ( UUA - CUU - A C U -
U A C )
L e u - L e u - T h r - T y e
第二节 遗传密码的证实和特点
?一, 遗传密码的证实
?1966年 Sterisinger等 用噬菌体 T4证实了遗
传密码是完全正确的。
?他们采用的方法跟 Crick的原黄素诱发移
码突变的方法相同，使 T4溶菌酶产生了
移码突变，根据突变后的蛋白质一级结
构和野生型溶菌酶氨基酸顺序进行了比
较，
N T h r － L y s － S er － P r o － S er － L eu － A s n － A l a － C
5 ' A C · A A · A G U C C A U C A C U U A A U G C · 3 ' 野生型
5 ' A C · A A A G U C C A U C A C U U A A U G G C · 3 ' 突变型
N T h r － L y s － V a l － H i s － H i s － L eu － M et － A l a － C
A ( 缺失 ) G ( 插入 )
图 1 4 – 9 T 4 溶菌酶基因经原黄素诱发的插入突变和缺失突
二．遗传密码在纤毛虫和线粒体
中的改变
表 1 4 - 3 密码子在原核生物和真核生物线粒体及原生动物中的改变
生物 AUA AUG U G A U G U UAA UAG C U A C A A UAG A G A A G G AAA
一般生物 I l e M e t (
起始 )
终止 T rp 终止 终止 A r g G l n G l n A r g A r g Lys
枝原体 T rp T rp
纤毛虫 G l u G l u
四膜虫 G l u G l u G l u G l u
游仆虫 C y s —
哺乳动物 ( 线
粒体 )
T rp 终止 终止 A s p
果蝇 ( 线粒体 ) S e r A s p
酵母 ( 线粒体 ) T h r
一, 遗传密码的特点
? (1) 遗传密码是 三联体 密码 。
? (2)遗传密码 无逗号 。
? (3)遗传密码是 不重迭 的 。
? (4)遗传密码具有 通用性 。
? (5)遗传密码具有 简并性 (degeneracy (synonyms)。
? (6) 密码子有 起始密码子 和 终止密码子 。
? (7) 反密码子中的, 摆动, （ wobble）
表示第三个碱基摆动的模式。
在 八成员组成的密码子 家族中，
每个成员的四个密码子意思相
同，那么第三个碱基 U,C,A、
G对氨基酸起不到特异的作用。
在 七个成员组成的密码子 的意
思相同。第三个碱基都是 Py，
含 U或 C。 在五个成员组成的
密码子家族中，每个成员的二
个密码子都是相同的，第三碱
基都是 Pu，含 A或 G 。由一个
成员组成的密码子家族中，有
3个密码子的意思相同，第三
个碱基含有 U,C和 A。
?摆动假说 (wobble hypothesis)是由 Crick.F
（ 1966年 ） 提出的 。 即当 tRNA的反密码
子与 mRNA的密码子配对时前两对严格
遵守碱基互补配对法则, 但第三对碱基
有一定的自由度可以, 摆动, 。 摆动假
说也称为 三中读二 （ 2 out of 3 reading） 。
表 14 － 4 遗传密码中的摆动
反密码子 5 ’端碱基 密码子 3 ’端可配对碱基
G U 或 C
C G
A U
U A 或 G
I （次黄嘌呤） A, U 或 C
?三中读二一般可分为三种情况：
? (1) 第１,２两个碱基形成６个氢键时, 可三中读
二 。
如 ＣＣ Ｘ, ＣＧ Ｘ, ＧＣ Ｘ 和 ＧＧ Ｘ 。
? (2) 第 1,2两个碱基形成 4个氢键时,不可三中读二 。
如 AAX,ＡＵ Ｘ, ＵＡ X 和 ＵＵ Ｘ 。
? (3) 第１, ２两个碱基形成５个氢键时,
当第二个碱基为嘧啶时, 可三中读二；
如 ＵＣ Ｘ, ＡＣ Ｘ, ＣＵ Ｘ 和 ＧＵ Ｘ 。
当第二个碱基为嘌呤时则不能三中读二,
如 ＣＡ Ｘ, ＧＡ Ｘ, ＵＧ Ｘ 和 ＡＧ X。
第三节 tRNA的结构和功能
一, tRNA的结构
（ 一 ） 三叶草型的二维结构
? (1)各种 tRNA均含有 70~80个碱基, 其 中 22个碱
基是恒定的 。
? (2) 5’端和 3’端配对 （ 常为 7bp） 形成茎区, 称为
受体臂 （ acceptor arm） 或称 氨基酸臂 。 在 3’端
永远是 4个碱基 （ XCCA） 的单链区, 在其末端
有 2’-OH或 3’-OH,是被氨基酰化位点 。 此臂负
责携带特异的氨基酸 。
?（ 3） TψC常由 5bp的茎和 7Nt和环组成。此臂负责
和核糖体上的 rRNA 识别结合；
? (4)反密码子臂 (anticodon arm)常由 5bp的茎区和
7Nt的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。
? (5)D环 (D arm)的茎区长度常为 4bp,也称 双氢尿
嘧啶环。负责和氨基酰 tRNA聚合酶结合 ;
? (6)额外环 (extra arm)可变性大，从 4 Nt到 21 Nt不
等，其功能是在 tRNA的 L型三维结构中负责连接两
个区域（ D环－反密码子环和 TψC-受体臂）。
（二） tRNA的三维结构
三叶草二级结构具有四个臂 L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直
3 ’ T ψ C 环 氨基酸茎
3 ’
5 ’ 氨基酸茎 5 ’
D 环
D 环 T ψ C 环
可变环
可变环
反密码子环 反密码子环
图 14-15 tRNA 由三叶草型折叠成 L 型三维结构
酵母苯丙氨酸 tRNA的三级氢键
tRNA
的
碱基
堆积
L型结构
? (2)D环和 TψC环形成了, L‖ 的转角 。
? (1)氨基酸受体臂位于 L型的一侧, 距反密码子
环约 70 A
? (3)在一些保守和半保守的碱基之间形成很多的
三级氢键,使分子形成 L形 b,并使结构稳定 。
? (4)使得三维结构得以形成的这些碱基配对涉及
到与磷酸核糖主链相互作用的三级结构的磷酸
二酯键分布在核糖的 2’-OH上 。
? (5)几乎所有的碱基平面之间产生堆积的作用 。
? (6)在反密码子茎中仅有很少的三级氢键 。
二,校正 tRNA
抑制基因 （ suppressor）或称 校正基因
（一） 无义抑制 （ nonsense suppressor）
1,tRNA反密码子的突变
2,tRNA其它结构的改变
无义突变使 U U G 变为 U A G T y r - t R N A 阅读 U A G 密码子
A U G U U G U A A A U G U A G U A A A U G U A G U A A U A C
A A C AU C A U G
释放因子 抑制突变
L e u T y r T y r
图 14 － 1 7 带有突变反密码子的 t R N A 可抑制无义突变
表 1 4 - 6 由反密码子突变而产生的无义抑制基因
野生型 抑制基因基因 t R N A
识别的密码子 反密码子 反密码子 识别的密码子
S u p D ( s u 1 ) S e r UCG CGA C U A U A G
S u p E ( s u 2 ) G l n C A G CUG C U A U A G
S u p F ( s u 3 ) T y r U A C,U A U GUA C UA U A G
S u p C ( s u 4 ) T y r U A C / U A U GUA U UA U A A / U A G
S u p G ( s u 5 ) L y s A A A / A A G UUU UU A U A A / U A G
S u p U ( s u 7 ) T r p UGG CCA U CA U G A / U G G
? （二）错义抑制
错义突变 错义突变
A U G A G A U A A A U G G G A U A A A U G A G A U A A
UC U C C U U CU
抑制突变
A r g Gl y Gl y
图 14 - 18 反密码子发生突变可抑制错义突变
抑制突变的特点,
1.不是所有抑制基因都能产生有功能的蛋白质,
关键是要看氨基酸取代的情况 。
2,校正的作用不可能是完全的 。
① 校正的 tRNA分子是有限的而且还要和释放
因子竞争；
② 若是错义抑制的话, 由于氨基酸发生取
代,使得蛋白质的活性有所降低 。
3,每种抑制 tRNA一般都只识别 UAG终止密码子,
而不再识别原来相应的密码子 。
? 4.赭石突变抑制基因不仅可以识别赭石密码子
（ UUA），也可以抑制琥珀突（ Am）码子
UAG。但反过来 Am抑制基因（ CUA）就不能
抑制赭石突变（ UAA），这是由于摆动缘故所
造成。
? 5,当细胞中含有多个 tRNA拷贝时，抑制才能
发挥作用。
? 6,有的抑制基因, 不仅可以识别终止密码子,
而且还可以识别原来的密码子 。 如野生型
tRNATrp的反密码子是 CCA,它可以识别原来
的密码子 UGG,而且还可以识别终止密码子
UGA。
7.校正基因一般不会影响正常的终止
(1)校正基因识别的终止密码子不一定和正
常终止的密码子相同。有时正常终止位
点有两个连续的终止密码子，而且结构
不同，如 UAG-UAA；
(2)释放因子将和抑制基因竞争和终止密码
子的结合；
(3)抑制基因的效率很低，通常为 1~5%，所
以常不会抑制正常终止。
三, tRNA对氨基酸的识别
?（ 1） tRNA怎样接受特定的氨基酸,
氨基酰 － tRNA合成酶怎样识别 tRNA；
?（ 2） tRNA中的哪些结构和接受特定氨
基酸有关 。
? 1988年 Hou Ya-ming（ 候雅明 ） 和 Schimmel首
先取得突破 。
他们采用的方法是：
? (1) 选用 E.coli (trp-)来进行研究；
? (2) tRNA，携带 Ala，反密码子突变成 CUA，可以
和终止密码子 UAG相配对,可校正色氨酸的琥
珀突变,
? (3) 用点突变的方法来改变校正 tRNA（ Ala）上的
各个位点，观察对识别 Ala有何影响，他们证明
了 Ala tRNA的 G3:U70碱基对，仅一对碱基决定了
丙氨酰 tRNA合成酶与 tRNA的识别。
?这种小元件称为 tRNA的,identity‖，或称为 副密
码子 （ paracodon）。
表 1 4 --5 每种合成酶通过几个特殊碱基来识别其同质 t RN A
t RN A
合成酶识别的碱基
一类氨基酰 t RN A 合成酶
V al
反密码子上的三个碱基
Me t
反密码子上的三个碱基
I l e
反密码子上的 C3 4 修饰碱基
G l n
U 3 5 （反密码子） ; U 1 -A 7 2 和 G 7 3 （受体臂）
二类氨基酰 t RN A 合成酶
Ph e （酵母） 反密码子上的三个碱基,G 2 0 (D 环 ); A 7 3 ( 末端 )
Se r
G 1 -C 7 2 ; G 2 -C 7 1 ; A 3 -U 7 0 ( 受体臂 ) ; C1 1 -G 2 4 (D 环 )
A l a
G 3 -U 7 0 ( 受体臂 )
表 14-7 原核和真核生物核糖体的组成及功能
核糖体亚基 rRNAs 蛋白 RNA的特异顺序和功能
细菌
70S 50S 23S=2904b 31种 (L1-L31） 含 CGAAC和 GTψCG互补
2.5× 106D 5S=120b
66%RNA 30S 16S=1542b 21种 (S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)和 S-D
顺序 (AGGAGG)互补
哺乳动物
80S 60S 28S=4718b 49种 有 GAUC和 tRNAfMat的 TψCG互补
4.2× 106D 5S=120b
60%RNA 5.8S=160b
40S 18S=1874b 33种 和 Capm7G结合
第四节 核糖体的结构和功能
核
糖
体
的
大
小
30S小亚基的图
解表示 16Sr
RNA所占据的
不连续的部位，
而核糖体的这
些位置都已被
作图。注意此
是三维重建结
构的二维图像，
且未按比例。
表 1 4 -8 核糖体的活性位点
活性位点 功能 位置 组分
m R N A 结合
位点
结合 m R N A 和 IF
因子
30S,P 位点附近 S1, S1 8, S 2 1 ；及 S3, S4, S5,
S1 2 1 6 SrR N A 3 ′末端区域
P 位点 结合 fMe t -t RN A 和
肽基 - t RN A
大部分在 50S 亚基 L2, L 2 7 及 L 1 4, L 1 8, L24, L 3 3
16S 和 2 3 SrR N A 3 ′附近区域
A 位点 结合氨酰基 -t RN A 大部分在 30S 亚基 L1, L5, L 7 / L 1 2, L20, L 3 0, L33
16S 和 2 3 SrR N A （ 16S 的 1 4 0 0
区）
E 位点 结合脱酰 t RN A 50S 2 3 SrR N A 是重要的
5 SR N A 和 23S rRN A 结合 P 和 A 位点的附近 L5, L 1 8, L 2 5 复合体
肽酰基转移
酶
将肽链转移到氨基
酰 -t RN A 上
50S 的中心突起 L2, L3, L4, L 1 5, L 1 6 2 3 SrR N A
是重要的
E F-T u 结合
位点
氨基酰 -t RN A 的进
入
30S 外部
E F-G 结合
位点
移位 5 0 S 亚基的界面
上,L 7 / L 1 2 附近，
近 S1 2
L 7 / L 1 2 GTP 酶需要 50S 的柄 L7, L 1 2
