阿维菌素油膏第五章 信使RNA
基因表达分两步进行：
=转录产生与双链DNA 其中一条序列相同的单链RNA 。转录产生几种不同类型的RNA ，三种与蛋白合成有关的主要类型包括：信使RNA(Messenger RNA ，mRNA)、转移RNA(Transfer RNA ，tRNA)和核糖体RNA(Ribosomal RNA ，rRNA)。 =翻译将RNA 的核苷酸序列转变为组成蛋白质的氨基酸序列。mRNA 被翻译成蛋白质序列；而tRNA 与rRNA 为蛋白合成基构提供其余成分，mRNA 的全长并不都被翻译，但每个mRNA 至少包括一个编码区(Coding region)，编码区域通过遗传密码与蛋白质序列相对应。编码区的每一个核苷酸三联体(密码子)都代表一个氨基酸。 双链DNA 中只有一条链被转录成mRNA(图5.1)。
图5.1 转录产生与模板链互补与编码链序列一
一个氨基酸。DNA 双螺旋走3圈有30个碱基的
距离，这能够产生10个氨基酸。 图5.2 tRNA 具有可识别氨基酸和密码适应器的双重性质。3′Φ腺苷与一个氨基酸共价连接，而反密码子与mRNA 密码配对。
=通过互补碱基对指导mRNA 合成的DNA 链称为模板链(Template strand)或反义链(Antisense strand)(我们将认识到“反义”是用来描述与mRNA 互补的DNA 或RNA 序列的术语)。
=另外一条DNA 链与mRNA 相比带有相同的序列(除了T 被换为U)，被称为编码链(Coding strand)或者有义链(Sense strand)。
本章中我们将讨论mRNA 以及其被用于蛋白质合成的模板。第六章我们讨论蛋白质
合成过程，第七章讨论遗传密码被用来解读mRNA序列含义的途径，第八章讨论蛋白质合成后是如何被定位到细胞的合适部位。
智慧教室互动黑板5.1tRNA是双向适应器
mRNA能在体外的无细胞翻译系统中被翻译成蛋白质，这使之区别于其翻译机构，一个细胞类型的蛋白质合成系统可翻译另一细胞类型中的mRNA，这表明编码和翻译机构是通用的。
mRNA中的每个核苷酸三联体代表一个氨基酸。三核苷酸与氨基酸结构上的不一致性很快提出一个问题，即每个密码子是如何与特定的氨基酸匹配的。tRNA是只由74-95nt 长的小多聚核苷酸分子，它能起一种“双向适应器(Adapter)”的作用。 tRNA有两个关键性质：
电子台历=它代表唯一的氨基酸并与其共价相连。
=它包括一个三核酸序列，即反密码子(Anticodon)，它与代表氨基酸的密码子(codon)是互补的。反密码子使tRNA能够通过碱基配对识别密码子。
所有tRNA的二级和三级结构具有普遍的特征。他们含有一些4种标准碱基和在转录后经修饰而产生的“稀有”碱基。在图5.2中tRNA的二级结构被描述为三叶草形，其中互补碱基对为构成茎环而形成单链带环。茎—环结构被称为tRNA的臂(Arm)。
其三叶草形结构在图5.3中详细说明。四个主要臂根据其功能或结构命名：
=接受臂由碱基配对的茎组成，其端部有不配对的序列，其2′-或3′-OH能与氨基酸相连。=TΨC臂因其上存在TΨC三联体而得名(Ψ代表假尿嘧啶，一个修饰碱基)。
=反密码子臂必然在其带环中央含有反密码子三联体。
=D臂因其中含由二氢尿嘧啶(Dihydrouridine)(另一个tRNA中的修饰碱基)而得名。
tRNA上的数字表明其结构的恒定性。最常见的tRNA结构具有76个碱基，位置被从5′端向3′顺序编号。tRNA长度范围为74-95碱基配对。两个臂的结构变化导致了tRNA全长的变化。
D环的长度变化可达4个之多。其额外核苷酸与普通核苷酸的比例认为是17∶1、20∶1和20∶2。然而，在有些最小的D环中，第17残基和以上三种碱基都缺失。
最具变化特征的tRNA结构被称为额外臂，存在于TΨC臂与反密码子臂之间。根据额外臂的性质，tRNA能可分为两类。Ⅰ型tRNA有一个小的额外臂，由3-5个碱基组成，Ⅰ型tRNA占所有tRNA的约75%。Ⅱ型tRNA的额外臂较大，甚至可能是tRNA中最大的茎环，由13-21碱基组成，其茎部由约5碱基配对组成，额外的碱基从47∶1到47∶18。额外臂的功能尚不清楚。
安全审计系统维持二级结构的碱基配对通常是稳定不变的，如图5.3所示。在某一给定的tRNA中，除传统的A·U和G·C配对以外，偶尔会出现G·U，G·Ψ和A·Ψ配对。这类碱基配对比有规则的碱基配对稳定性差，但仍可在RNA中形成双螺旋结构。
当比较tRNA 序列时，会发现一些位置上的碱基是保守的(Conserved ，即不变的)，在特定位置上总能发现某一特定碱基(图5.3)。事实上随着已测序tRNA 的增多，那些似乎完全保守的位置上也偶尔出现
例外情况。说某一位置上保守是指此特异性碱基会出现在90-95%的tRNA 中。多数情况下只是个别碱基会发生改变，但有些特殊细胞的许多碱基都发生变化。旗杆底座
有些位置的碱基是半保守的(Semiconserved ，或半可变)，因为它们的变化似乎限定在同类碱基之中(嘌呤或嘧啶)，但每类碱基的各种变化都可能存在。
当一个tRNA 携带与其相反密码子对应的氨基酸时，称为氨酰-tRNA 。氨基酸的羟基与tRNA 通过tRNA 3′端碱基(通常为A)的2′或3′-OH 形成酯链而连接。
每个氨基酸至少有一个tRNA(通常更多)。tRNA 的命名是将其所携带的氨基酸的三字母缩写为上标表示。如果同一氨基酸有多个tRNA ，则用数字下标加以区别。例如，酪氨酸的两个tRNA 表示为tRNA 1Tyr 和tRNA 2Tyr 。氨酰tRNA 用一前缀表示，如Ala-tRNA 表示携带丙氨酸的tRNA Ala 。
每个tRNA 的二级结构进一步折叠成倒L 形的三级结构，其中与氨基酸结合的3′端和与mRNA 结合的反密码子是远离的。虽然存在个体差异，所有tRNA 都具有类似的三级结构。
图5.3 tRNA 三叶草结构具有恒定或半恒定的碱
基和一组保守的碱基配对相互作用。 图5.4 将RNA 折叠成L-型的三维结构，使其一端带有氨基酸，另一端带有反密码子。
tRNA 二级结构中碱基配对形成的茎环在三级结构能够继续保持(图5.4)，但它们在三维空间中的排列形成互相垂直的两个双螺旋。接受臂与T ΨC 茎形成带有单一缺口的连续双螺旋；D 环与反密码子环则形成另一连续双螺旋，也带有一缺口。两个双螺旋之间，即
L形的拐角处包括TΨC环和D环。所以氨基酸残基出现在L形某一臂的顶端，反密码子环则形成另外一端。
三级结构由氢键维持，很大程度上也与在二级结构中不配对的碱基有关。三叶草结构中的键被称为二级氢键；在三级结构中形成的氢键称为三级氢键(Tertiary H-bonds)。许保守或半保守的碱基都与三级氢键的形成有关，这也解释了它们保守的的原因。并非每一个相互作用都是普遍的，但它们可能表明tRNA结构形成的通常模式。
酵母tRNA phe的分子模型如图5.5所示。在其它tRNA分子中存在着某些结构差异，这也解释了所有tRNA有相似结构而又能被区分识别的矛盾。例如，tRNA Asp的两轴夹角要略大一些，其分子构象也略显开放。
图5.5 示苯丙氨酸tRNA Phe三维结构的空间填
充模型，结构相当紧密，两副图展示900旋转效
果。
图5.6 决定tRNA作用的不是其携带的氨基
酸，而是它的反密码子。
tRNA的结构表明了其功能的一般特征。执行不同功能的区域在空间上要被最大程度地分开。例如氨基
酸要尽可能远离反密码子，这与其在蛋白质合成中的功能是相符的。tRNA携带氨基酸的过程由特殊的酶——氨酰-tRNA合成酶(Aminoacyl-tRNA sythetase)来催化。至少有20种氨酰-tRNA合成酶，每一个识别唯一氨基酸和所有允许与其结合的tRNA。
是否是反密码子序列使氨酰-tRNA识别正确密码子呢？图5.6所示的经典实验验证了这一问题。还原脱硫使半胱酰-tRNA的半胱酸转变为丙氨酸，即丙氨酰-tRNA Cys，这个tRNA 具有识别密码子UGU的反密码子。对氨基酸进行修饰并没有影响反密码子与密码子之间
相互作用的特异性，因此丙氨酸被加入到原本应由半胱氨酸占据的位置上。表明一旦tRNA 携带上氨基酸，该氨基酸对其特异性便不起作用，唯一起作用的只是反密码子。
5.2 mRNA被核糖体翻译
核糖体(Ribosome)催化mRNA翻译成多肽链。核糖体通常用其大致的沉降速度来描述。细菌核糖体的沉降系数一般为70S。高等真核细胞的核糖体较大，沉降系数为80S。
核糖体是由两个亚基组成的核糖核蛋白颗粒。核糖体与其亚基的关系如图5.7所示。当Mg2+浓度下降时，两个亚基在体外可解离。在各种状态下，大亚基质量约为小亚基的二倍。细菌(70S)核糖体的亚基沉降系数分别为50S和30S。真核胞质核糖体的亚基沉降系数则为60S和40S。两个亚基作为整个核糖
体的部件共同工作，在蛋白质合成中它们催化完成不同的反应。同一细胞区室中的所有核糖体都相同。它们通过与能提供确凿编码序列的不同mRNA结合而合成不同的蛋白质。
图5.7 核糖体有大小两个亚基(真核生物60s和40s)。图5.8 多聚核糖体由一条mRNA和数个同时沿着5′ - 3′方向对mRNA进行翻译的核糖体组成。每个核糖体有两个tRNA分子，一个负载新生肽链，另一个携带待添加的氨基酸。苏州反光背心
核糖体提供了mRNA的密码子与tRNA的反密码子之间识别的环境。在一个编码区从头至尾，蛋白合成通过连续阅读相邻三联体密码而实现。当核糖体沿mRNA移动时，蛋白质的合成是通过由N端向C端逐个添加氨基酸来实现的。
核糖体在编码区的5′端开始翻译，当其向3′移动时它将每个三联体密码子翻译为一个氨基酸，在每一个密码子处，合适的氨酰tRNA与核糖体结合并将其携带的氨基酸加到正
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