trna含有大量稀有碱基吗（原来生物体内的tRNA的种类这般多样）

tRNA（transfer RNA）简称转运RNA，顾名思义，它的功能之一就是发挥搬运功能（之所以说成“之一”是因为tRNA还有别的生物学功能，此处不做详细的介绍）。

在高中学生物时，老师课堂上讲到，细胞中有20种的tRNA也是可以说的通的，因为蛋白质翻译过程中需要有20种氨基酸，那么这20种氨基酸也就需要20种tRNA来搬运。

如果我们抛开中学教科书的限制，事实上，细胞中的tRNA种类不止20种。首先，我们先来认识一下tRNA是何方神圣，为什么称它为神圣呢，因为它有三“头”八“臂”啊，哈哈哈，允许楼主这么形容它吧。看官如若不信，请往下看，tRNA本身有一级、二级和三级结构。一级结构就是它本身的核苷酸序列，长度在76-93个核苷酸之间，二级结构为三叶草的形状， tRNA的三级结构，也就是它的空间立体结构，是由二级结构进一步折叠成的“L”型，如下图所示。

tRNA的二级结构和三级结构

好了，接下来，我们对tRNA的二级结构图放大，进一步了解它的结构特点，如下图所示。前面我们提到tRNA具有三“头”八“臂”，三“头”其实是指它3’端的-CCA，这个位置是氨基酸的结合位点，八“臂”其实是指它结构中的四个茎、三个环和一个可变区（对应英文中的stem、loop和variable loop），三个环分别为D环（D loop）、反密码子环（Anticodon loop）、TΨC环（TΨC loop），四个茎分别为接受茎（Acceptor stem）、D茎（D stem）、反密码子茎（Anticodon stem）和TΨC茎（TΨC stem），一个可变区是指位于反密码子茎和TΨC茎之间的部分。

tRNA二级结构

在Anticodon loop中间，也就是34、35和36这三个位点（如上图红色数字所示），为反密码子（Anticodon），三者的作用是通过反密码子-密码子相互作用，在核糖体上（Ribosome），识别信使RNA（message RNA, mRNA）上的密码子（Codon），从而将具有遗传意义的核苷酸序列翻译成蛋白质中的氨基酸序列。这个翻译的过程如下简图所示（答主的作图能力也就这样了，各位看官将就着看吧，如果大家有更好的建议，答主定虚心请教学习）。图中所示的tRNA的反密码子为CUG（为便于描述，核苷酸序列为5’到3’，下同），它能够识别mRNA上的CAG，也就是谷氨酰胺（Glutamine，Gln，下同）的密码子，因而在它的3’端携带了Gln。

蛋白质翻译

简单聊了tRNA的结构后，接下来我们再聊一聊密码子。现在，我们知道不同生物的密码子基本相同，也就是共用一套密码子，共计64种。在这64种密码子里，有三种密码子是用来参与终止蛋白质翻译的，也就是没有对应的氨基酸的，这三种密码子叫作终止密码子，分别为UAA、UAG和UGA。剩余的61种对应的20种氨基酸，我们暂且把这61个密码子称为有义密码子。那么，这时候我们发现，除了甲硫氨酸（Met）和色氨酸（Trp）外，一种氨基酸可以有多种密码子，也就是密码子的简并性，如下图所示（最上面一行黑色字母是指密码子，中间一行紫色字母如Ala是指丙氨基酸英文单词的前三个字母，最下面一行紫色字母如A是指丙种氨基酸的英文缩写）。

密码子表

理论上，每种有义密码子都应该有对应的tRNA，这里还以Ala为例，Ala有4种密码子，分别为GCA、GCC、GCG和GCU，应该有4种tRNA与之对应，而实际上，我们从现有的GtRNAdb（http://gtrnadb.ucsc.edu/）里发现， 只有3种tRNA，分别识别GCA、GCG和GCU，而GCC没有对应的tRNA。那么，如果在mRNA上出现了GCC时，是不是就没有tRNA能够识别它呢？答案是否定的。早在1966年，英国生物学家Crick就提出了摇摆假说（Wobble hypothesis），按照该假说，反密码子中的次黄嘌呤（I）可以与密码子上的碱基A或C或U配对，具体如下图所示（为了保证原汁原味，答主就将文献里的图抠下来直接用了）。

碱基摇摆理论

在这里，需要给大家引入两个概念，分别为tRNA isoacceptors和tRNA isodecoders。tRNA isoacceptors是指包括反密码子在内序列不同，但是能够转运相同氨基酸的tRNA；tRNA isodecoders是指具有相同的反密码子但其他序列不同的tRNA。干巴巴的文字看起来太过无趣且费解，还是给大家呈现图片以便于了解，这里还是以Ala-tRNA为例，具体如下图所示。

tRNA isodecoders 和 isoacceptors

前面我们提到，Ala有3种tRNA，如上图Isoacceptor families一行所示，它们的反密码子分别为AGC、CGC、UGC；然后呢，在每一种tRNA下面，又有多条tRNA，比如反密码子为AGC的tRNA就有26条，那么这26条tRNA就称为isodecoder，另外两种反密码子为CGC和UGC的tRNA分别有5和8条tRNA。对于Ala来说，就有共计39条tRNA。其实，在人类基因组中，有将近450个tRNA基因，分布在49个Isoacceptor families中，编码超过270条的tRNA isodecoders。

其实高等生物细胞里面存在两套tRNA系统，一套是细胞质里面的，另一套是线粒体里面的。为便于区分，我们把细胞质里的tRNA简称为ctRNA（Cytoplasmic tRNA，ctRNA），线粒体tRNA简称为（Mitochondrial RNA，mtRNA）。在这里，我们以人为例。线粒体作为真核细胞特有的重要双层膜结构细胞器，它能够产生ATP，从而为细胞各项生理功能提供大量的能量。而线粒体作为半自主细胞器，它拥有自身的遗传物质。线粒体DNA（Mitochondrial DNA，mtDNA）是一条环状的双链DNA，含有37个基因，负责编码2个rRNA（ribosomal RNA，rRNA）、多肽及22个mtRNA。mtRNA是mtDNA的重要组成部分，从而能够使线粒体拥有独立合成蛋白质的功能。

其实mtRNA在结构上也有别于ctRNA。一般而言，mtRNA要比ctRNA短小，mtRNA长度为59-75个的核苷酸，而ctRNA长度为76-93个的核苷酸。这里我们举个例子，比如下图左、右分别为mtRNA-Ser和mtRNA-Lys，这些tRNA的stem和loop更小，有的甚至是缺失的。

mtRNA结构示意图

文章开头已经提到，tRNA的功能之一就是发挥转运氨基酸的功能，这些tRNA isodecoders并不都是用来参与蛋白质翻译的，有些在生物体内发挥着重要的生理调节功能，后面有机会的话，再和大家探讨一下这方面的内容。

下面附上文中参考的文献

1、J Mol Biol. 1966 Aug;19(2):548-55.

2、J Mol Biol. 2010 Feb 26;396(3):821-31.

3、Nat Rev Mol Cell Biol. 2018 Jan;19(1):45-58.

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