中心法则的发现使人们清楚地了解到遗传信息的构成和传递,围绕其进行了一系列科学研究,使得一个又一个生命的奥秘从分子水平得到更加清晰地阐释。而密码子水平的生物信息学分析是研究遗传信息传递过程的重要一环,研究密码子各相位核苷酸的使用能够帮助我们理解遗传密码的起源和进化、了解相关疾病的发生机制以及指导蛋白质的设计与定向突变。目前研究最为广泛的是密码子第三位,而关于密码子第二位的研究比较少。本论文则围绕密码子第二位核苷酸频率与氨基酸性质,进而与蛋白质功能以及翻译效率的关系进行了如下4个内容的研究。首先是密码子第二位核苷酸种类偏差导致的基因双聚类模式以及这种模式下功能偏好分布的研究。本论文对生命三域3799个基因组做了系统的研究,发现根据密码子第二位核苷酸A和T的相对频率可以将蛋白质编码基因聚成大小两个簇并且这种现象普遍存在,在原核生物中表现得尤其明显,97.47%的原核生物基因组都可以聚成两个簇。进一步用卡方检验,揭示大小两个簇间COG功能分布存在显著差异。最后在物种、生物分类门和原核生物域三个水平上发现一致的规律:与功能类P相关的基因在小簇（T2相对较多的簇）中分布多,而与功能类J,K,L相关的基因在大簇（A2相对较多的簇）中分布较多。其次,揭示了从密码子第二位核苷酸种类、到氨基酸性质、再到蛋白质性质及功能的一种完整联系。提出了一种定量评估特定密码子位核苷酸组合与氨基酸理化性质关联的方法,并用其对13种常用的氨基酸理化性质进行了探索研究。发现13种氨基酸理化性质中有7种与密码子第二相位的核苷酸组合存在最强关联,相比较于密码子第一和第三相位。进一步在蛋白质水平上证明密码子第二位核苷酸T2-A2与蛋白质疏水性GRAVY值之间的相关性比单一氨基酸水平上的相关性更强。在生命三域3799个基因组中皮尔逊相关系数R均高于0.73,表明这种关联现象普遍存在。最后,观察到信息基因的疏水性GRAVY值明显低于操作基因,并从宏观生物进化层面和微观亚细胞定位角度分别阐明形成这种差异的潜在机理。然后,采用前面提出的特定密码子位核苷酸组合与氨基酸理化性质关联的方法,解析了AAindex数据库中553种氨基酸性质指数和密码子各相位核苷酸组合之间的关系。发现整体上密码子第二位比第一位和第三位的相关系数更高。进一步对各相位最高相关系数进行统计分析,得出平均相关系数最高和单个组合相关系数最高的都在密码子第二位。接着又对密码子第二位的最高相关系数进行分类别分析,得出密码子第二位的核苷酸和氨基酸的Hydrophobicity类属性有最强的相关性,再次证明密码子第二位核苷酸对氨基酸的亲疏水性影响最为强烈。最后以大肠杆菌为例分析了氨基酸六大类性质和COG功能类之间的关联。最后一部分是关于密码子第二位核苷酸与翻译效率等特征因子之间的研究。从生物发生过程出发,建立了密码子第二位核苷酸A、T和生物发生过程中各种组学特征（蛋白质丰度、mRNA丰度、fitness基因适应度、RPF、翻译效率）之间的关联,并证明密码子第二位核苷酸A确实对氨基酸的翻译效率有显著影响。进一步在原核基因组、单基因和密码子三个水平上,证明密码子第二位核苷酸A编码的氨基酸相比较其他两类（T编码和G/C编码）氨基酸翻译更快。最后对大肠杆菌、酵母和人类三个模式生物的翻译效率与氨基酸组成进行回归分析。