没有起始密码子多肽也能合成吗

蒋世禄（安徽省临泉第二中学）236400

 在人教版高中生物学教材《必修2·遗传与进化》的第4章“遗传密码的破译”这一节中提到“尼伦伯格和马太破译了第一个遗传密码，他们采用了蛋白质的体外合成技术，在每个试管中分别加入一种氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液，以及人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，结果加入苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链。”

 1 疑问

在这个实验中，多聚尿嘧啶核苷酸就相当于mRNA，这个mRNA的碱基序列是由许多尿嘧啶组成的（UUUUU．．．．．．），并没有起始密码子，那么，多肽链是如何合成的呢？

为了回答这个问题，首先我们以原核生物细菌为例，看看在生物体内翻译是怎样开始的：

2 翻译的起始

在细菌的活细胞中，翻译的起始需要如下7种成分：①核糖体30S小亚基；②模板mRNA；③fMet–tRNA^fMet；④3个翻译起始因子，IF–1、IF–2、IF–3；⑤GTP；⑥核糖体50S大亚基；⑦Mg²⁺。

翻译起始又可被分成三步：第一步，核糖体30S小亚基首先与翻译起始因子IF–l，IF–3结合，通过识别mRNA的SD序列（在紧靠起始密码子的上游有一段长约6~8个核苷酸的序列，5’-AGGAGGU-3’，它是核糖体与mRNA的结合部位，是由Shine和Dalgarno两人共同发现的，所以人们称之为Shine–Dalgarno序列，简称SD序列）与mRNA相结合；第二步，在IF–2和GTP的帮助下，fMet–tRNA^fMet（fMet–tRNA^fMet是甲硫氨酸Met和起始tRNA结合的产物Met–tRNA^Met经过甲酰化生成的）进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对；第三步，带有tRNA、mRNA及3个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放翻译起始因子（翻译起始因子是非核糖体蛋白质，它们只是临时性地与核糖体发生作用，参与蛋白质的起始，之后会从核糖体复合物上解离下来）。

由此可知，起始密码子的功能并不是使翻译开始，而是充当定位翻译起始的位置信号。

3 实验解读

尼伦伯格和马太实验所用的细胞提取液实际上是大肠杆菌的非细胞合成体系。其制备过程是将大肠杆菌细胞破碎，离心除去细胞碎片，上清液含有蛋白质合成所需的各种成分，其中包括DNA、mRNA、tRNA、核糖体、氨酰-tRNA合成酶及蛋白质合成必需的各种因子。将上清液加入DNA酶，降解体系中的DNA，再保温一段时间，以消耗掉内源mRNA，导致该系统自身蛋白质的合成即停止。

上述非细胞合成体系和翻译起始所需的7种成分中只有一种不一样，就是mRNA。人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸（polyU）没有起始密码子也无SD序列。所以当时认为poly U不能代替mRNA，或活性很低。但后来研究发现polyU之所以能合成多聚苯丙氨酸，是因为上述非细胞体系中Mg²⁺浓度很高，以致人工合成的多聚核苷酸不需要起始密码子就能指导多肽的生物合成，并且读码起始位点位置也是随机选择的。也就是说当没有SD序列时，翻译起始第一步核糖体与polyU的结合是随机的；起始第二步tRNA上的反密码子与poly U的结合也是随机的。由于polyU的序列都是U，因此，无论从哪开始，对应的氨基酸都是苯丙氨酸。如果人工合成的mRNA不止一种碱基，比如是UUUAAAUUUAAA．．．．．．，那么翻译出来的就不会只有UUU和AAA决定的氨基酸，还会有UUA，UAA，AAU，AUU决定的氨基酸，因为开始阅读密码子的位置是随机的。

但是，在生理情况下，由于Mg2+浓度太低，没有起始密码子的多聚核苷酸则不能被用作多肽合成的模板。

参考文献