遺傳密碼

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英文名:codon

遺傳密碼又稱密碼子、遺傳密碼子、三聯(lián)體密碼。指信使RNA(mRNA)分子上從5'端到3'端方向,由起始密碼子AUG開始,每三個(gè)核苷酸組成的三聯(lián)體。它決定鏈上某一個(gè)氨基酸蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號(hào)。

遺傳密碼是一組規(guī)則,將DNA或RNA序列以三個(gè)核苷酸為一組的密碼子轉(zhuǎn)譯蛋白質(zhì)的氨基酸序列,以用于蛋白質(zhì)合成。幾乎所有的生物都使用同樣的遺傳密碼,稱為標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼;即使是非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒,它們也是使用標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼。但是也有少數(shù)生物使用一些稍微不同的遺傳密碼。  

目錄

遺傳密碼-特點(diǎn)

1.連續(xù)性。mRNA的讀碼方向從5'端至3'端方向,兩個(gè)密碼子之間無任何核苷酸隔開。mRNA鏈上堿基的插入、缺失和重疊,均造成框移突變

遺傳密碼表

2.簡(jiǎn)并性。指一個(gè)氨基酸具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的密碼子。密碼子的第三位堿基改變往往不影響氨基酸翻譯。

3.擺動(dòng)性。mRNA上的密碼子與轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)J上的反密碼子配對(duì)辨認(rèn)時(shí),大多數(shù)情況遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)原則,但也可出現(xiàn)不嚴(yán)格配對(duì),尤其是密碼子的第三位堿基與反密碼子的第一位堿基配對(duì)時(shí)常出現(xiàn)不嚴(yán)格堿基互補(bǔ),這種現(xiàn)象稱為擺動(dòng)配對(duì)。

4.通用性蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼,從原核生物到人類都通用。但已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外,如動(dòng)物細(xì)胞線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。  

遺傳密碼-破解歷史

遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)50年代的一項(xiàng)奇妙想象和嚴(yán)密論證的偉大結(jié)晶。mRNA由四種含有不同堿基腺嘌呤[簡(jiǎn)稱A]、尿嘧啶(簡(jiǎn)稱U)、胞嘧啶(簡(jiǎn)稱C)、鳥嘌呤(簡(jiǎn)稱G)的核苷酸組成。最初科學(xué)家猜想,一個(gè)堿基決定一種氨基酸,那就只能決定四種氨基酸,顯然不夠決定生物體內(nèi)的二十種氨基酸。那么二個(gè)堿基結(jié)合在一起,決定一個(gè)氨基酸,就可決定十六種氨基酸,顯然還是不夠。如果三個(gè)堿基組合在一起決定一個(gè)氨基酸,則有六十四種組合方式,看來三個(gè)堿基的三聯(lián)體就可以滿足二十種氨基酸的表示了,而且還有富余。猜想畢竟是猜想,還要嚴(yán)密論證才行。

自從發(fā)現(xiàn)了DNA的結(jié)構(gòu),科學(xué)家便開始致力研究有關(guān)制造蛋白質(zhì)的秘密。伽莫夫指出需要以三個(gè)核酸一組才能為20個(gè)氨基酸編碼。1961年,美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生院的Matthaei與馬歇爾.沃倫.尼倫伯格在無細(xì)胞系統(tǒng)(Cell-free system)環(huán)境下,把一條只由尿嘧啶(U)組成的RNA轉(zhuǎn)釋成一條只有苯丙氨酸(Phe)的多肽,由此破解了首個(gè)密碼子(UUU -> Phe)。隨后哈爾.葛賓.科拉納破解了其它密碼子,接著羅伯特.W.霍利發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄過程的tRNA。1968年,科拉納、霍利和尼倫伯格分享了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。  

1 、閱讀方式

破譯遺傳密碼,必須了解閱讀密碼的方式。遺傳密碼的閱讀,可能有兩種方式:一種是重疊閱讀,一種是非重疊閱讀。例如mRNA上的堿基排列是AUGCUACCG。若非重疊閱讀為AUG、CUA、CCG、;若重疊閱讀為AUG、UGC、GCU、CUA、UAC、ACC、CCG 。兩種不同的閱讀方式,會(huì)產(chǎn)生不同的氨基酸排列。克里克用T噬菌體為實(shí)驗(yàn)材料,研究基因的堿基增加或減少對(duì)其編碼的蛋白質(zhì)會(huì)有什么影響。克里克發(fā)現(xiàn),在編碼區(qū)增加或刪除一個(gè)堿基,便無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì);增加或刪除兩個(gè)堿基,也無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)。但是當(dāng)增加或刪除三個(gè)堿基時(shí),卻合成了具有正常功能的蛋白質(zhì)。這樣克里克通過實(shí)驗(yàn)證明了遺傳密碼中三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸,閱讀密碼的方式是從一個(gè)固定的起點(diǎn)開始,以非重疊的方式進(jìn)行,編碼之間沒有分隔符。  

2 、驗(yàn)證猜想

1959年聯(lián)體密碼的猜想終于被尼倫伯格(Nirenberg Marshall Warren)等人用體外無細(xì)胞體系的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。尼倫伯格等人的實(shí)驗(yàn)用人工制成的只含一種核苷酸的mRNA作模板,給以適當(dāng)?shù)臈l件:提供核糖體、ATP、全套必要的酶系統(tǒng)和二十種氨基酸作為原料,接著觀察這已知的核苷酸組成的mRNA翻譯出的多肽鏈。結(jié)果發(fā)現(xiàn)形成一條多個(gè)氨基酸組成的肽鏈。從而表明mRNA上的堿基決定氨基酸。此外實(shí)驗(yàn)同時(shí)也證明了mRNA上的密碼是奇數(shù)的三聯(lián)體,因?yàn)橹挥衅鏀?shù)的三聯(lián)體才能形成交互的二個(gè)密碼。  

3、 破譯方法

尼倫伯格(Nirenberg, Marshall Warren)

尼倫伯格等發(fā)現(xiàn)由三個(gè)核苷酸構(gòu)成的微mRNA能促進(jìn)相應(yīng)的氨基酸-tRNA和核糖體結(jié)合。但微mRNA不能合成多肽,因此不一定可靠。科蘭納(Khorana,Har Gobind)用已知組成的兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)組的核苷酸順序人工合成mRNA,在細(xì)胞外的轉(zhuǎn)譯系統(tǒng)中加入放射性標(biāo)記的氨基酸,然后分析合成的多肽中氨基酸的組成。

通過比較,找出實(shí)驗(yàn)中三聯(lián)碼相同的部分,再找出多肽中相同的氨基酸,于是可確定該三聯(lián)碼就為該氨基酸的遺傳密碼。科蘭納用此方法破譯了全部遺傳密碼,從而和尼倫伯格分別獲得1968年諾貝爾獎(jiǎng)金。

后來,尼倫伯格等用多種不同的人工mRNA進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀察所得多肽鏈上的氨基酸的類別,再用統(tǒng)計(jì)方法推算出人工mRNA中三聯(lián)體密碼出現(xiàn)的頻率,分析與合成蛋白中各種氨基酸的頻率之間的相關(guān)性,以此方法也能找出20種氨基酸的全部遺傳密碼。最后,科學(xué)家們還用了由3個(gè)核苷酸組成的各種多核苷鏈來檢查相應(yīng)的氨基酸,進(jìn)一步證實(shí)了全部密碼子。  

遺傳密碼-歷史起源

除了少數(shù)的不同之外,地球上已知生物的遺傳密碼均非常接近;因此根據(jù)演化論,遺傳密碼應(yīng)在生命歷史中很早期就出現(xiàn)。現(xiàn)有的證據(jù)表明遺傳密碼的設(shè)定并非是隨機(jī)的結(jié)果,對(duì)此有以下的可能解釋:

最近一項(xiàng)研究顯示,一些氨基酸與它們相對(duì)應(yīng)的密碼子有選擇性的化學(xué)結(jié)合力,這顯示現(xiàn)在復(fù)雜的蛋白質(zhì)制造過程可能并非一早存在,最初的蛋白質(zhì)可能是直接在核酸上形成。

原始的遺傳密碼可能比今天簡(jiǎn)單得多,隨著生命演化制造出新的氨基酸再被利用而令遺傳密碼變得復(fù)雜。雖然不少證據(jù)證明這觀點(diǎn)3,但詳細(xì)的演化過程仍在探索之中。

經(jīng)過自然選擇,現(xiàn)時(shí)的遺傳密碼減低了突變?cè)斐傻牟涣加绊憽! ?/p>

遺傳密碼-密碼子表

此表列出了64種密碼子以及氨基酸的標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)。

- - 第二位堿基 第二位堿基 第二位堿基 第二位堿基
- - U C A G

U UUU (Phe/F)苯丙氨酸

UUC (Phe/F)苯丙氨酸

UUA (Leu/L)亮氨酸

UUG (Leu/L)亮氨酸
UCU (Ser/S)絲氨酸

UCC (Ser/S)絲氨酸

UCA (Ser/S)絲氨酸

UCG (Ser/S)絲氨酸
UAU (Tyr/Y)酪氨酸

UAC (Tyr/Y)酪氨酸

UAA (終止)

UAG (終止)
UGU (Cys/C)半胱氨酸

UGC (Cys/C)半胱氨酸

UGA (終止)

UGG (Trp/W)色氨酸

C CUU (Leu/L)亮氨酸

CUC (Leu/L)亮氨酸

CUA (Leu/L)亮氨酸

CUG (Leu/L)亮氨酸
CCU (Pro/P)脯氨酸

CCC (Pro/P)脯氨酸

CCA (Pro/P)脯氨酸

CCG (Pro/P)脯氨酸
CAU (His/H)組氨酸

CAC (His/H)組氨酸

CAA (Gln/Q)谷氨酰胺

CAG (Gln/Q)谷氨酰胺
CGU (Arg/R)精氨酸

CGC (Arg/R)精氨酸

CGA (Arg/R)精氨酸

CGG (Arg/R)精氨酸

A AUU (Ile/I)異亮氨酸

AUC (Ile/I)異亮氨酸

AUA (Ile/I)異亮氨酸

AUG (Met/M)甲硫氨酸(起始)
ACU (Thr/T)蘇氨酸

ACC (Thr/T)蘇氨酸

ACA (Thr/T)蘇氨酸

ACG (Thr/T)蘇氨酸
AAU (Asn/N)天冬酰胺

AAC (Asn/N)天冬酰胺

AAA (Lys/K)賴氨酸

AAG (Lys/K)賴氨酸
AGU (Ser/S)絲氨酸

AGC (Ser/S)絲氨酸

AGA (Arg/R)精氨酸

AGG (Arg/R)精氨酸

G GUU (Val/V)纈氨酸

GUC (Val/V)纈氨酸

GUA (Val/V)纈氨酸

GUG (Val/V)纈氨酸
GCU (Ala/A)丙氨酸

GCC (Ala/A)丙氨酸

GCA (Ala/A)丙氨酸

GCG (Ala/A)丙氨酸
GAU (Asp/D)天冬氨酸

GAC (Asp/D)天冬氨酸

GAA (Glu/E)谷氨酸

GAG (Glu/E)谷氨酸
GGU (Gly/G)甘氨酸

GGC (Gly/G)甘氨酸

GGA (Gly/G)甘氨酸

GGG (Gly/G)甘氨酸

注:(起始)標(biāo)準(zhǔn)起始編碼,同時(shí)為甲硫氨酸編碼。mRNA中第一個(gè)AUG就是蛋白質(zhì)翻譯的起始部位。  

遺傳密碼-逆密碼子表

此表列出了和20種氨基酸和密碼子的標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)。

Ala A GCU, GCC, GCA, GCG Leu L UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Arg R CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG Lys K AAA, AAG
Asn N AAU, AAC Met M AUG
Asp D GAU, GAC Phe F UUU, UUC
Cys C UGU, UGC Pro P CCU, CCC, CCA, CCG
Gln Q CAA, CAG Ser S UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Glu E GAA, GAG Thr T ACU, ACC, ACA, ACG
Gly G GGU, GGC, GGA, GGG Trp W UGG
His H CAU, CAC Tyr Y UAU, UAC
Ile I AUU, AUC, AUA Val V GUU, GUC, GUA, GUG
起始 AUG 終止 UAG, UGA, UAA

  

遺傳密碼-技術(shù)細(xì)節(jié)

1、起始和終止密碼子

蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)譯從初始化密碼子(起始密碼子)開始,但亦需要適當(dāng)?shù)某跏蓟蛄泻?a href="/w/%E8%B5%B7%E5%A7%8B%E5%9B%A0%E5%AD%90" title="起始因子">起始因子才能使mRNA和核糖體結(jié)合。最常見的起始密碼子為AUG,其同時(shí)編碼的氨基酸在細(xì)菌甲酰甲硫氨酸,在真核生物為甲硫氨酸,但在個(gè)別情況其它一些密碼子也具有起始的功能。 在經(jīng)典遺傳學(xué)中,終止密碼子各有名稱:UAG為琥珀(amber),UGA為蛋白石(opal),UAA為赭石(ochre)。這些名稱來源于最初發(fā)現(xiàn)到這些終止密碼子的基因的名稱。終止密碼子使核糖體和釋放因子結(jié)合,使多肽從核糖體分離而結(jié)束轉(zhuǎn)譯的程序。另外,在哺乳動(dòng)物的線粒體中,AGA和AGG也充當(dāng)終止密碼子。  

2、簡(jiǎn)并性

大部分密碼子具有簡(jiǎn)并性,即兩個(gè)或者多個(gè)密碼子編碼同一氨基酸。簡(jiǎn)并的密碼子通常只有第三位堿基不同,例如,GAA和GAG都編碼谷氨酰胺。如果不管密碼子的第三位為哪種核苷酸,都編碼同一種氨基酸,則稱之為四重簡(jiǎn)并;如果第三位有四種可能的核苷酸之中的兩種,而且編碼同一種氨基酸,則稱之為二重簡(jiǎn)并,一般第三位上兩種等價(jià)的核苷酸同為嘌呤(A/G)或者嘧啶(C/T)。只有兩種氨基酸僅由一個(gè)密碼子編碼,一個(gè)是甲硫氨酸,由AUG編碼,同時(shí)也是起始密碼子;另一個(gè)是色氨酸,由UGG編碼。 遺傳密碼的這些性質(zhì)可使基因更加耐受點(diǎn)突變。例如,四重簡(jiǎn)并密碼子可以容忍密碼子第三位的任何變異;二重簡(jiǎn)并密碼子使三分可能的第三位的變異不影響蛋白質(zhì)序列。由于轉(zhuǎn)換變異(嘌呤變?yōu)猷堰驶蛘哙奏ぷ優(yōu)猷奏?比顛換變異(嘌呤變?yōu)猷奏せ蛘哙奏ぷ優(yōu)猷堰?的可能性更大,因此二重簡(jiǎn)并密碼子也具有很強(qiáng)的對(duì)抗突變的能力。不影響氨基酸序列的突變稱為沉默突變。

簡(jiǎn)并性的出現(xiàn)是由于tRNA反密碼子的第一位堿基可以和mRNA構(gòu)成擺動(dòng)堿基對(duì),常見的情況為反密碼子上的次黃嘌呤(I),以及和密碼子形成非標(biāo)準(zhǔn)的U-G配對(duì)。

另一種有助對(duì)抗點(diǎn)突變的情況,是NUN (N代表任何核苷酸) 傾向于代表疏水性氨基酸,故此即使出現(xiàn)突變,仍有較大機(jī)會(huì)維持蛋白質(zhì)的親水度,減低致命破壞的可能。  

3、閱讀框

“密碼子”是由閱讀的起始位點(diǎn)決定的。例如,一段序列GGGAAACCC,如果由第一個(gè)位置開始讀,包括3個(gè)密碼子GGG,AAA和CCC。如果從第二位開始讀,包括GGA和AAC(忽略不完整的密碼子)。如果從第三位開始讀,則為GAA和ACC。故此每段序列都可以分為三個(gè)閱讀框,每個(gè)都能產(chǎn)生不同的氨基酸序列(在上例中,相應(yīng)為Gly-Lys-Pro,Gly-Asp,和Glu-Thr)。而因?yàn)镈NA的雙螺旋結(jié)構(gòu),每段DNA實(shí)際上有六個(gè)閱讀框。 實(shí)際的框架是由起始密碼子確定,通常是mRNA序列上第一個(gè)出現(xiàn)的AUG。 破壞閱讀框架的變異(例如,插入或刪除1個(gè)或2個(gè)核苷酸)稱為閱讀框變異,通常會(huì)嚴(yán)重影響到蛋白質(zhì)的功能,故此并不常見,因?yàn)樗麄兺ǔ2荒茉谘莼写婊钕聛怼! ?/p>

4、非標(biāo)準(zhǔn)的遺傳密碼

雖然遺傳密碼在不同生命之間有很強(qiáng)的一致性,但亦存在非標(biāo)準(zhǔn)的遺傳密碼。在有“細(xì)胞能量工廠”之稱的線粒體中,便有和標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼數(shù)個(gè)相異的之處,甚至不同生物的線粒體有不同的遺傳密碼。支原體會(huì)把UGA轉(zhuǎn)譯為色氨酸。纖毛蟲則把UAG(有時(shí)候還有UAA)轉(zhuǎn)譯為谷氨酰胺(一些綠藻也有同樣現(xiàn)象),或把UGA轉(zhuǎn)譯為半胱氨酸。一些酵母會(huì)把GUG轉(zhuǎn)譯為絲氨酸。在一些罕見情況,一些蛋白質(zhì)會(huì)有AUG以外的起始密碼子。 真菌原生生物和人以及其它動(dòng)物的粒線體中的遺傳密碼與標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼的差異,主要變化如下:

密碼子 通常的作用 例外的作用 所屬的生物
UGA 中止編碼 色氨酸編碼 人、牛、酵母線粒體,支原體(Mycoplasma)基因組,如Capricolum
UGA 中止編碼 半胱氨酸編碼 一些纖毛蟲(ciliate)細(xì)胞核基因組,如游纖蟲屬(Euplotes)
AGR 精氨酸編碼 中止編碼 大部分動(dòng)物線粒體,脊椎動(dòng)物線粒體
AGA 精氨酸編碼 絲氨酸編碼 果蠅線粒體
AUA 異亮氨酸編碼 蛋氨酸編碼 一些動(dòng)物和酵母線粒體
UAA 中止編碼 谷氨酰胺編碼 草履蟲、一些纖毛蟲(ciliate)細(xì)胞核基因組,如嗜熱四膜蟲(ThermophAilus tetrahymena)
UAG 中止編碼 谷氨酸編碼 草履蟲核細(xì)胞核基因組
GUG 纈氨酸編碼 絲氨酸編碼 假絲酵母核基因組
AAA 賴氨酸編碼 天冬氨酸編碼 一些動(dòng)物的線粒體,果蠅線粒體
CUG 亮氨酸編碼 中止編碼 圓柱念珠菌(Candida cylindracea)細(xì)胞核基因組
CUN 亮氨酸編碼 蘇氨酸編碼 酵母線粒體

按信使RNA的序列,在一些蛋白質(zhì)里停止密碼子會(huì)被翻譯成非標(biāo)準(zhǔn)的氨基酸,例如UGA轉(zhuǎn)譯為硒半胱氨酸和UAG轉(zhuǎn)譯為吡咯賴氨酸,隨著對(duì)基因組序列加深了解,科學(xué)家可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)其它非標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)譯方式,以及其它未知氨基酸在生物中的應(yīng)用。  

遺傳密碼-基因組的表達(dá)

一個(gè)生物體攜帶的遺傳信息-即基因組-被記錄在DNA或RNA分子中,分子中每個(gè)有功能的單位被稱作基因。每個(gè)基因均是由一連串單核苷酸組成。每個(gè)單核苷酸均由堿基,戊糖(即五碳糖,DNA中為脫氧核糖,RNA中為核糖)和磷酸三部分組成。堿基不同構(gòu)成了不同的單核苷酸。組成DNA的堿基有腺嘌呤(A),鳥嘌呤(G),胞嘧啶(C)及胸腺嘧啶(T)。組成RNA的堿基以尿嘧啶(U)代替了胸腺嘧啶(T)。三個(gè)單核苷酸形成一組密碼子,而每個(gè)密碼子代表一個(gè)氨基酸或停止訊號(hào)。

制造蛋白質(zhì)的過程中,基因先被從DNA轉(zhuǎn)錄為對(duì)應(yīng)的RNA模板,即信使RNA(mRNA)。接下來在核糖體和轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)以及一些酶的作用下,由該RNA模板轉(zhuǎn)譯成為氨基酸組成的鏈(多肽),然后經(jīng)過轉(zhuǎn)譯后修飾形成蛋白質(zhì)。詳情參閱轉(zhuǎn)譯。

因?yàn)槊艽a子由三個(gè)核苷酸組成,故一共有43=64種密碼子。例如,RNA序列UAGCAAUCC包含了三個(gè)密碼子:UAG,CAA和UCC。這段RNA編碼了代表了長(zhǎng)度為3個(gè)氨基酸的一段蛋白質(zhì)序列。(DNA也有類似的序列,但是以T代替了U)。

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