遗传信息的转译

基因的遗传信息从特定DNA的核苷酸顺序翻译成相应多肽链的氨基酸顺序，这过程称为转译。基因的遗传信息一般是通过蛋白质的一定结构和生理生化特性表现出来的。蛋白质一般由20种氨基酸以不同的种类、数量、排列组合而成。蛋白质不能直接从核酸分子上以转录的方式合成，因此需要从核酸“文字”翻译成蛋白质“文字”，这样才能将遗传信息准确地表达出来。因此，某些碱基的组合和某一种氨基酸之间存在着对应关系。
遗传信息与密码子 1961年Crick等通过一系列实验证实，遗传信息的传递是通过密码子来进行的，即mRNA的碱基顺序中每三个毗邻的碱基组成一个密码子； 不同的碱基组合，构成不同的密码子，分别同一定的氨基酸相对应，决定有关氨基酸在蛋白质分子中的位置，例如UUC,ACG,GAA,AGC……的碱基顺序分别决定苯丙氨酸、苏氨酸、谷氨酸、丝氨酸……的氨基酸顺序。密码子的特点是：
❶它是mRNA上三个连续的碱基，又称三联体密码；
❷密码子之间无标点符号；
❸某些氨基酸可为2个以上的密码子所决定，即密码子的兼并性；
❹一个起始密码子作为转译开始的信号，有三个终止密码子作为转译完毕的信号，详见下表。

遗 传 密 码 子

原核细胞的转译 mRNA碱基顺序转译成蛋白质的氨基酸顺序有两个主要步骤，第一步为氨基酸的激活和转运，第二步为mRNA的“解读”与蛋白质合成。
氨基酸的激活和转运： 转移RNA(tRNA)作为载体将相应的氨基酸转运到核糖体上。首先是氨基酸分子的活化，即它的羧基与三磷酸腺苷(ATP)反应，形成氨酰腺苷酸，被激活的氨基酸和相应的tRNA3′端的腺嘌呤残基结合，形成氨酰-tRNA。这个连续的反应，是在特异性氨酰tRNA合成酶催化下进行的(图1)。每一种氨酰合成酶具有两个结合部位： 一个部位能识别特定氨基酸的R基团；另一个部位能识别相应的tRNA，因而能促进特定氨基酸与相应的特定tRNA结合，形成氨酰-tRNA。
在起始转译时起决定作用的是甲酰甲硫氨酰-tRNA。它的形成过程是，甲硫氨酸与相应的tRNAmet结合，随后甲硫氨酸经过甲基化，形成甲酰甲硫酰-tRNArmet，即所谓起始tRNA。
“解读”与蛋白质合成 mRNA的“解读”是根据mRNA链碱基顺序中的密码子顺序去识别氨基酸顺序的过程。也就是基因所决定的蛋白质合成的过程。
(1) 蛋白质合成的开始：在原核细胞中，在三种蛋白质因子（起始因子）的作用下，核糖体的沉降系数为30S的亚基附着到mRNA上，这是依赖于16S rRNA的3′端的某2个顺序与mRNA起始密码子(AUG)之前的某两个顺序形成互补关系。然后，第一个被结合到起始密码子

图1 氨酰tRNA的形成

AUG上的是甲酰甲硫氨酰tRNA(甲酰-met-tRNAmet)。这种甲酰化的甲硫氨酰tRNA封闭了甲硫氨酸的氨基端(-NH₂)，保证第二个结合的氨基酸只能和甲硫氨酸的羧基以肽键结合。甲硫氨酸上的甲酰基直到转译完成后，再由去甲酰基酶切除掉；有些细菌甚至可以切除邻近开头的几个氨基酸。与此同时，起始tRNA的反密码子(UAC)同mRNA顺序中的起始密码子(AUG)互补连接，附在核糖体30S亚基的特定部位上。核糖体、mRNA、起始密码子、起始tRNA，还加上GTP，在三个蛋白质因子(即IF1、IF2、IF3，称为起始因子)的作用下，形成30S起始复合物。接着，核糖体的50S亚基也结合到mRNA上，与30S共同构成完整的70S核糖体。
(2) 多肽链的延长：tRNA“解读”mRNA上的遗传信息需要在核糖体准确位置上。70S核糖体有两个专门结合tRNA的部位： 一个是氨基酰部位(A位)，是接受氨基酰tRNA以反密码子和A位上的mRNA的密码子相配合的部位；另一个是肽酰部位(P位)，只能接受从A位转移的tRNA分子(起始tRNA例外，可直接进入P位)。多肽链的延长，首先是第二个氨酰tRNA同延长因子EF-Tu和GTP结合成复合物，后者再结合到70S核糖体的A位上，然后释出EF-Tu,GDP。第二步，在肽酰转移酶催化下，核糖体P位上的氨基酸以羧基端转向A位上的氨基酰tRNA的氨基上，形成肽键。这时P位脱掉氨基酸的tRNA便从核糖体上释放出来，进行下一次的循环。第三步核糖体沿mRNA 5′→3′方向移动一个密码子距离，使原在A位上的tRNA移至P位。mRNA下一个密码子定位在A位上，以接受第三个氨基酰tRNA。按上述过程周而复始，多肽链逐渐延长，直至遗传信息的末端。
(3) 多肽链的合成终止： 当核糖体移行至终止密码子UAA(或UAG、UGA)时，这些终止密码子被一种蛋白质释放因子(RF)所识别，RF阻止肽酰转移酶的作用，导致肽链终止。多肽被释放，核糖体分解成50S亚基和30S

图2 遗传信息的转译
1～4蛋白质合成的开始 5～10多肽链的延长11～12多肽链的合成终止

亚基两部分。至此，mRNA上遗传信息全部被解读和转译完毕，即合成了某个基因所要表达的蛋白质。(图2)
以上所说的仅是一个核糖体参加转译的情况，在电子显微镜下可以看到一条被转译的mRNA分子上有2个甚至是20个核糖体串连起来循序地进行转译。称为多聚核糖体(图3)。

图3 多聚核糖体示意图

电子显微镜下还显示，在原核细胞转录开始后，随即进行转译，以后转录和转译同时进行。
真核生物的转译 在真核细胞里，转译也分为起始、延长和终止三步。其机理基本上与原核细胞相同，但在细节上却较复杂，而且往往随生物种和组织的不同而异，尚难归纳出一般规律。真核细胞的核糖体较大，沉降系数为80S，由两个亚单位组成： 小的为40S，含有18S RNA；大的为60S，含28S,5.8S和5S RNA。真核细胞的蛋白质因子，即起始因子，数目约为原核细咆的3倍多。起始复合物形成过程也比较复杂。有些mRNA 5端在mG-ppp帽后还有一个长约50个核苷酸的短碱基顺序，称为引子。帽和引子可能有助于指引核糖体寻找和识别mRNA有关顺序内的第一个起始密码子AUG，在那个部位形成起始复合物。有人认为，首先与mRNA5′端结合的是核糖体40S小亚单位；待核糖体沿着mRNA链按5′→3′端的方向前进到第一个起始密码子AUG时，核糖体的60S大亚单位便参加了起始复合物的组成，形成80S·met-tRNA·mRNA起始复合物。这是转译的第一步。以后蛋白质链的延长和合成终止，与原核细胞基本相同，只在延长因子以及终止时的释放因子的结构和功能上存在着一定的差异。
重叠基因的表达方式 φX174噬菌体DNA的顺序已经被测定出来，为5375个碱基组成，共有9个基因，基因按A-B-C-D-E-J-F-G-H顺序组成(图4)。从这个基因图可以看出： 基因编码顺序之间可以被非编码的间隔顺序隔开，如J-F-G-H-A之间；也可以不存在非编码间隔顺序，如基因A,C,D,E形成了连续的编码顺序，基因图还显示了，某一个小基因包含在其他的大基因之中，如基因B在基因A之中，基因E在基因D之中。虽然大小两个基因相重叠，但他们的读出范围是不同的(图5)。

图4 φX174基因组的基因图
A、B、C、D、E、J、F、G、H表示基因编码顺序，黑色部分表示基因之间非编码的间隔顺序

图5 基因E和基因D的重叠

基因重叠现象说明：φX174这类的噬菌体DNA分子较小，要贮存9种蛋白质的信息，基因重叠是最经济的方式。
基因表达的调控 见“细菌代谢的遗传控制”和“内分泌与遗传”。