第37章遺傳密碼(Geneticcode)一、DNA是遺傳信息的攜帶分子二、RNA傳遞和加工遺傳信息三、遺傳密碼的破譯四、遺傳密碼的基本特性三、遺傳密碼的破譯蛋白質(zhì)氨基酸序列的信息存在于核酸的核苷酸序列中，那么它們之間的對應(yīng)關(guān)系是什么呢？

1954年物理學(xué)家GamovG首先對遺傳密碼進(jìn)行探討。核酸分子中只有4種堿基，要為蛋白質(zhì)分子中20種氨基酸編碼，顯然一種堿基代表一種氨基酸是不行的；如果每兩個(gè)堿基代表一個(gè)氨基酸，4種堿基也只能編碼42

=16種氨基酸的信息。所以至少需要3個(gè)堿基編碼一種氨基酸，這樣4種堿基可以編碼43=64種氨基酸的信息。遺傳密碼的理論推測根據(jù)理論推測，密碼子（codon）應(yīng)該是三聯(lián)體（triplet），那么密碼子是重疊的還是不重疊的？Gamov指出，重疊的密碼子更為經(jīng)濟(jì)。但是重疊密碼子使氨基酸序列中每一個(gè)氨基酸都受前后氨基酸的約束，顯然自由度不夠。推測的密碼子格式推測的密碼子格式Crick的實(shí)驗(yàn)

1961年Crick及其同事提供了確切的證據(jù)，證明三聯(lián)體密碼子學(xué)說是正確的。他們研究了T4噬菌體γⅡ位點(diǎn)A和B兩個(gè)順反子變異的影響，這兩個(gè)基因與噬菌體能否感染大腸桿菌K株有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見后：

Crick等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三聯(lián)體密碼是非重疊的，而且連續(xù)編碼無標(biāo)點(diǎn)符號隔開。體外翻譯研究密碼子

Nirenberg等早期實(shí)驗(yàn)使用的mRNA是多聚尿嘧啶核苷酸，發(fā)現(xiàn)翻譯出的肽鏈?zhǔn)嵌嗑郾奖彼?，說明UUU代表了苯丙氨酸。

用同樣的方法研究出polyC指導(dǎo)多聚脯氨酸合成，polyA指導(dǎo)多聚賴氨酸合成，說明CCC代表了脯氨酸，AAA代表了賴氨酸。

他們實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的Mg2+濃度較高，以致合成的均聚核苷酸不需要起始密碼子就可以起始翻譯。此時(shí)翻譯的起點(diǎn)是任意的。無序polyUG對氨基酸的密碼（U:G=5:1)可能的密碼子密碼子出現(xiàn)的相對頻率氨基酸摻入的相對分子數(shù)UUU100Phe（100）UUGUGUGUU20Cys（20）Val（20）UGGGUGGGU4Gly（4）Trp（5）GGG0.8—此表有問題三核苷酸取代mRNA的實(shí)驗(yàn)

1964年Nirenberg發(fā)現(xiàn)，用人工合成的三核苷酸取代mRNA，在沒有GTP時(shí)，不能合成蛋白質(zhì)，但三核苷酸卻能與其對應(yīng)的氨酰tRNA一起結(jié)合在核糖體上。將此反應(yīng)混合物通過硝酸纖維素膜過濾，核糖體和三核苷酸以及特異結(jié)合的氨酰tRNA形成的復(fù)合物能留在膜上。用此方法，可以直接測定三核苷酸與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系。三核苷酸取代mRNA的實(shí)驗(yàn)重復(fù)序列共聚核苷酸指導(dǎo)下多聚氨基酸的合成多聚核苷酸含有的密碼子合成的多肽(AG)nAGA，GAG(Arg-Glu)n(UG)nUGU，GUG(Cys-Val)n(AAG)nAAG,AGA,GAA(Lys)n,(Arg)n,(Glu)n(UUG)nUUG,UGU,GUU(Leu)n,(Cys)n,(Val)n(GAU)nGAU,AUG,UGA(Asp)n,(Met)n,詳見P510表37-4遺傳密碼表第一位堿基（5’端）第二位堿基（中間）第三位堿基（3’端）UCAGUPhePheLeuLeuSerSerSerSerTyrTyr終止終止CysCys終止TrpUCAGCLeuLeuLeuLeuProProProProHisHisGlnGlnArgArgArgArgUCAGAIleIleIleMetThrThrThrThrAsnAsnLysLysSerSerArgArgUCAGGValValValValAlaAlaAlaAlaAspAspGluGluGlyGlyGlyGlyUCAGback四、遺傳密碼的基本特性（一）密碼的基本單位遺傳密碼的基本單位是按5’→3’方向編碼、不重疊、無標(biāo)點(diǎn)的三聯(lián)體密碼子。AUG為起始密碼子，它編碼甲硫氨酸，UAA、UAG、UGA為終止密碼子，它們不編碼任何氨基酸。其余61個(gè)密碼子對應(yīng)于20種氨基酸。要正確閱讀密碼，必須從起始密碼子開始，按每3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸讀下去，直至遇到終止密碼子為止。移碼突變?nèi)粼谀程幉迦牖騽h除1到2個(gè)核苷酸，后面的讀碼框發(fā)生錯(cuò)位，稱為移碼突變。在絕大多數(shù)生物中基因是不重疊的，但在少數(shù)病毒中，部分基因的遺傳密碼卻是重疊的，盡管基因重疊，但各自的讀碼框還是按三聯(lián)體方式連續(xù)讀碼的。重疊基因的閱讀框（二）密碼的簡并性同一種氨基酸有兩個(gè)或更多密碼子的現(xiàn)象稱為密碼子的簡并性（degeneracy）。對應(yīng)于同一種氨基酸的不同密碼子稱為同義密碼子。密碼的簡并性具有重要的生物學(xué)意義，它可以減少有害突變。如果每一種氨基酸只有一種密碼子，那么剩下的44個(gè)密碼子都是無義密碼子，基因突變時(shí)產(chǎn)生終止密碼子的概率會(huì)很大，這將極不利于生物生存。氨基酸密碼子數(shù)與氨基酸使用頻率的關(guān)系密碼子數(shù)目蛋白質(zhì)中殘基的百分?jǐn)?shù)（三）密碼的變偶性許多編碼同一種氨基酸的密碼子前2位堿基相同，只是第3位堿基不同；有些氨基酸只有2種密碼子，也是前2位相同，第3位都是嘧啶，或者都是嘌呤。從密碼表看來，密碼子的專一性主要取決于前2位堿基，而第3位堿基起的作用有限。

有些科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子配對時(shí)，也主要是前2位配對，第3位允許適當(dāng)?shù)腻e(cuò)配。Crick稱這種現(xiàn)象為變偶性（wobble，也叫搖擺現(xiàn)象）。反密碼子與密碼子之間的配對在tRNA的反密碼子中，經(jīng)常在第一位出現(xiàn)次黃嘌呤，第一位的I可以與密碼子第3位的U、A、C三者配對。在已知一級結(jié)構(gòu)的tRNA中，其反密碼子的第一位沒有A，顯然I是由A轉(zhuǎn)變而來的。1331反密碼子與密碼子之間的配對反密碼子第一位堿基密碼子第三位堿基AUCGGU、GUA、GIU、C、A由于變偶性，細(xì)胞內(nèi)只需要32種tRNA,就能識(shí)別61種編碼氨基酸的密碼子。（四）密碼的通用性和變異性密碼的通用性是指各種低等和高等生物，包括病毒、細(xì)菌及真核生物，基本上共用一套遺傳密碼。目前已知線粒體DNA的密碼表與通用密碼表有所不同。原核生物支原體中，終止密碼子UGA也被用于編碼色氨酸；少數(shù)纖毛類原生動(dòng)物以終止密碼子UAA和UAG編碼谷氨酰胺。線粒體中特殊的變偶規(guī)則使得只需要22種tRNA就能識(shí)別全部編碼氨基酸的密碼子。線粒體中變異的密碼子密碼子UGAAUAAGAAGGCUNCGG通用密碼終止IleArgLeuArg動(dòng)物脊椎動(dòng)物果蠅TrpTrpMetMet終止Ser++++酵母釀酒酵母光滑球擬酵母彭貝裂殖酵母TrpTrpTrpMetMet++++ThrThr++?+絲狀真菌Trp++++錐蟲Trp++++高等植物++++Trp密碼子的變異性在有些情況下密碼子的含義可隨上下文不同而不同。在大腸桿菌中，有時(shí)纈氨酸密碼子GUG和亮氨酸密碼子UUG也可被用作起始密碼子。當(dāng)其位于特殊mRNA翻譯的起始位置時(shí)，可被起始tRNA（tRNAf-Met）所識(shí)別。蛋白質(zhì)中硒代半胱氨酸的摻入少數(shù)蛋白質(zhì)中含有硒代半胱氨酸。硒代半胱氨酸是在蛋白質(zhì)合成過程中合成進(jìn)去的，而不是蛋白質(zhì)合成后將其中某種氨基酸修飾而成的。所以也有人認(rèn)為硒代半胱氨酸是第21種蛋白質(zhì)氨基酸。大腸桿菌中有一種絲氨酸t(yī)RNA,它能識(shí)別閱讀框中間的終止密碼子UGA。這種tRNA負(fù)載了絲氨酸后，在酶的催化下將絲氨酸轉(zhuǎn)變成硒代半胱氨酸，再合成到蛋白質(zhì)中去。蛋白質(zhì)中硒代半胱氨酸的摻入負(fù)載了硒代半胱氨酸的tRNA在某些蛋白質(zhì)的協(xié)助下，能識(shí)別編碼序列中間的UGA，將硒代半胱氨酸加入，而不會(huì)加到作為終止密碼子的UGA上。在編碼硒蛋白的mRNA中有一段稱為硒代半胱氨酸插入序列所構(gòu)成的二級結(jié)構(gòu)，幫助硒代半胱氨酸t(yī)RNA識(shí)別這種密碼子。（五）密碼的防錯(cuò)系統(tǒng)同義密碼子在密碼表中的排列十分有規(guī)則，而且密碼子的排列與相應(yīng)氨基酸的物理化學(xué)性質(zhì)之間存在巧妙的關(guān)系。如非極性的氨基酸排在一起，帶電荷的氨基酸排在一起。如果基因的編碼區(qū)中發(fā)生點(diǎn)突變，很可能不改變氨基酸，即使改變也很可能改變成性質(zhì)相近的氨基酸，這樣就可以在很大程度上保持蛋白質(zhì)產(chǎn)物