第10章遗传密码

第十章遗传密码(Genetic code）

1内容：

1.遗传密码的破译

2.遗传密码的基本特性

3.突变效应和遗传密码的防错系统

4.可读框与重叠基因

2 正文：

1.遗传密码：DNA链上的核苷酸与蛋白质链上的氨基酸的对应关系

2.密码子：mRNA链上三个连续的核苷酸决定一个特定的氨基酸；mRNA链上特定的核苷酸序列对应蛋白质链上特定的氨基酸序列

1.1 遗传密码是三联体的推测

伽莫夫G.Gamov（1904—1968）:俄国出生的美国物理学家首先对遗传密码进行探讨，第一个提出具体设想。1954年Gamow在自然杂志发表《脱氧核糖核酸与蛋白质之间的关系》论文提出遗传密码的构想。

●在的双螺旋结构中，四个碱基之间形成一定空穴游离氨基酸进入空穴形成多肽链

●四个碱基中由三个碱基决定一种氨基酸，因为氨基酸有20种

一个碱基决定一种氨基酸时只能决定41 = 4种

两个碱基决定一个氨基酸时只能决定42=16种

三个碱基决定一个氨基酸时能决定43=64种

四个碱基决定一个氨基酸时能决定44=256种

1.2 遗传密码是三联体的证实

1961年Crick给出确切证据- 三联体密码是正确的

Crick的T4噬菌体实验

1961年，Crick与Brenner合作，用大肠杆菌的T4噬菌体实验

T4噬菌体r+：能在大肠杆菌B菌株生长形成嗜菌斑;能在大肠杆菌K菌株上生长形成嗜菌斑

T4噬菌体r¯: 不能在K菌株上生长，不形成嗜菌斑

用可以引起移码突变的丫啶类药物处理野生型噬菌体，在此噬菌体DNA发生缺失1个、2个、3个或插入1个、2个、3个核苷酸的各种突变类型

1、缺失一个核苷酸时在K菌株上不生长

ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC

ABC ABA BCA BCA BCA BCA BC

插入一个核苷酸时在K菌株上不生长

ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC

ABC ABC CAB CAB CAB CAB CAB C

2、缺失两个核苷酸时在K菌株上不生长

ABC ABC ABC ABC ABC ABC

ABC ABB CAB CAB CAB C

插入两个核苷酸时在K菌株上不生长

ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC

ABC ABC CAB CAB CCA BCA BCA BC

3 、缺失三个核苷酸时在K菌株上生长（拟野生型）

ABC ABC ABC ABC ABC ABC

ABC ABA BAB ABC ABC

插入三个核苷酸时在K菌株上生长（拟野生型）

ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC

ABC ABC CAB CAB CCA BCC ABC ABC

为四联体时插入三个核苷酸则不在K菌株上生长

ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD

ABCD ABCD DABC DABC DDAB CDDA

BCDA BCD

该实验证明遗传密码是三联体，非重叠、连续编码。

若是二联体时，缺失或插入三个核苷酸时不会成为拟野生型的，既不能在K菌株上生长在相关碱基序列中增加或删除1个碱基，无法产生正常功能的蛋白质；

在相关碱基序列中增加或删除2个碱基，无法产生正常功能的蛋白质；

在相关碱基序列中增加或删除3个碱基，却合成了正常功能的蛋白质；

结论：1、遗传密码中3个碱基编码一个氨基酸。

2、遗传密码从一个固定的起点开始，以非重读的

方式阅读，编码之间没有分隔符。

60年代初，对DNA或RNA中核苷酸顺序尚无法直接分析测定，对蛋白质中氨基酸顺序所知也有限，所以没有办法直接比较二者在顺序上的联系

1.3 遗传密码的破译

第一个用实验给遗传密码以确切解答的是德国出生的美国生物化学家Nirenberg，1927—1961年他和另一位德国科学家Heinrich Matthaei在美国国家卫生研究院的实验室内发现了苯丙氨酸的密码是RNA上的尿嘧啶（UUU）-(用大肠杆菌的无细胞提取液研究蛋白质的生物合成时发现的).

初步破译

1961年，当克里克和布伦纳在讨论论证遗传密码为三联体的时候，美国两位年轻的生化学家Nirenberg和Matthaei就开始进行遗传密码的破译

标赖标苯丙标苏

共用20个试管，每一个试管中的20种氨基酸只用14C标记一种氨基酸

当他将多聚U作为模板加入到无细胞体系中时，那就是只有加有标记苯丙氨酸所产生的那一试管蛋白质沉淀具有放射性。

而加其他标记氨基酸的各管则均无放射性进入沉淀。

结果发现用人工合成的多聚U时得到的是多聚苯丙氨酸，说明苯丙氨酸的遗传密码是UUU 第一个密码便被破译出来，即UUU是苯丙氨酸的密码子

用同样方法证明又测出CCC是脯氨酸的密码子; AAA是赖氨酸的密码子。

多聚G的氨基酸密码子当时用此法测定时形成二级节后，未能测出GGG为甘氨酸的密码子美国生物化学家Severo Ochoa（1905—）：1955年发现了多核苷酸磷酸化酶（PNP酶）帮助

了尼伦贝格合成了同聚核苷酸-多聚U（PolyU）Ochoa因发现此酶而获得1959年诺贝尔奖多聚核苷酸磷酸化酶

进一步破译-在取得第一阶段突破性成果之后，Nireberg用混合的核苷酸制备人工合成的mRNA模板，分别测试其作用。

●用2种或3种不同的核苷酸制备mRNA模板时，PNP酶合成的产物都是杂聚物，其中核

苷酸的顺序是随机的，无法预测

●但各种三联体出现的相对几率则是可以推算出来的

●在测定了各种标记氨基酸参入蛋白质的量之后，将其相对参入量和三联体出现的几率加

以比较，即可知道每种三联体相对应的是那一种氨基酸

含UA的RNA 含UC的RNA 含UG的RNA

RNA中每种核苷酸的比例取决于各种核苷酸的比例

此法的应用有局限性

1.密码子中不同核苷酸的比例可以推测出来，但其排序却不能确定；尽管如此编码的范围还是大大缩小了。

2.又发现有些密码子具有重复性，即一种氨基酸可以有多种密码子，但是每一种密码子只编码一种氨基酸。

完全破译

1.为了搞清密码子中核苷酸顺序，Nirenberg设计了第三阶段的实验

2.采用核糖体结合法新技术，加入的模板是有一定顺序的单个三联体

3.实验仍在无细胞体系中进行

4.合成了全部64种单个的、顺序固定的三联体密码

实验设计

●人工合成只含三个核苷酸的片段，如UUG、UGU、GUU等

●将三个核苷酸的片段与大肠杆菌核糖体结合

●配制含20种氨基酸和相应tRNA的溶液1-20号，每号溶液中各有一种氨基酸是14C标

记的

●将含有核苷酸片段的核糖体、配制的溶液加在一起，然后硝酸纤维素膜过滤，其他东西

可以滤掉，但核糖体过滤不掉，测定核糖体上的放射性可以知道那种氨基酸结合到了核糖体上，测知那种氨基酸的密码子

（六）遗传密码是没有标点符号的

阅读框架(reading frame): 从起点至终止信号之间所阅读的碱基对，称为一个读码框架。

移码和移码突变：插入或去掉一个碱基，就会使以后的读码发生错误，这称移码，由于移码引起的突变称移码突变。

（七）遗传密码一般情况下是不重叠的