遗传密码

遗传密码

遗传密码-

概述

遗传密码

遗传密码又称密码子、遗传密码子、三联体密码。指信使RNA(mRNA)分子上从5'端到3'端方向，由起始密码子AUG 开始，每三个核苷酸组成的三联体。它决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号。

遗传密码决定蛋白质中氨基酸顺序的核苷酸顺序，由3个连续的核苷酸组成的密码子所构成。由于脱氧核糖核酸（DNA）双链中一般只有一条单链（称为有义链或编码链）被转录为信使核糖核酸（mRNA），而另一条单链（称为反义链）则不被转录，所以即使对于以双链DNA作为遗传物质的生物来讲，密码也用核糖核酸(RNA）中的核苷酸顺序而不用DNA中的脱氧核苷酸顺序表示。

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简介

人体遗传密码正在被逐步破译图册

在转移核糖核酸

（tRNA）分子中有一组与mRNA中的密码子配对的三联体，称为反密码子

。每种tRNA携带一种特定的氨基酸，在遗传密码的解读中起着关键性的作用。1961年英国分子生物学家F·H·C·克里克

等在大肠杆菌

噬菌体T4中用遗传学方法证明密码子由三个连续的核苷酸所组成。美国

生物化学家M·W·尼伦伯格

等从1961年开始用生物化学

方法进行解码研究。1964年尼伦伯格等人进行人工合成的三核苷酸和氨基酰-tRNA、核糖体三者的结合试验，证明三核苷酸已经具备信使的作用。通过种种实验，遗传密码已于1966年全部阐明。表中所列的64个密码子编码18种氨基酸和两种酰胺。至于胱氨酸、羟脯氨酸、羟赖氨酸等氨基酸则都是在肽链合成后再行加工而成的。64个密码子中还包括3个不编码任何氨基酸的终止密码子，它们是UAA、UAG、UGA。这种由3个连续的核苷酸组成的密码称为三联体密码。

1954年２月，美国物理学家Gamow根据Watson和Crick发表的DNA双股螺旋结构，提出了DNA的腺嘌呤N5C5H5,鸟嘌呤N5C5H5O,胞嘧啶N3C4H5O和胸腺嘧啶N2C5H6O2等四种碱基可能就是密码子的最初设想。1955-1956年，Gamow陆续发表文章,从排列组合计算，1种碱基对应1种氨基酸不够，2种碱基的16种组合对应20种氨基酸也不够，4种碱基的256种组合对应20种氨基酸太多，只有三种碱基组成64种组合对应20种氨基酸较合适。1959年，Crick本人提出“中心法则”支持Gamow的假说；1961年，Crick 和Brenner用实验证明了细菌和噬菌体遗传密码的三联性质。1961年夏天，Nirenberg领导的生化小组合成了碱基尿嘧啶，然后用３个尿嘧啶合成了苯丙氨酸分子，从而确定了Crick所排遗传密码表的第一个密码子的意义：三个尿嘧啶是一个苯丙氨酸的密码子，并由此拉开了实验室里反应发生结果论证Gamow所提四种碱基分子排列对应蛋白质的二十种氨基酸分子的排列数计算的序幕。1964年，威斯康星大学的Khorana合成出了一个ＵＧ交替的共聚物…UGUGUGUGUG…，并用之作为合成蛋白质的信使，产生了半胱氨酸和缬氨酸交替的多肽链…半胱氨酸－缬氨酸－半胱氨酸－缬氨酸…，由此得出“ＵＧＵ是半胱氨酸的密码子和ＧＵＧ是缬氨酸的密码子”结论,并首创了实验室里“DNA 链上碱基顺序不同致使反应发生的结果不同”分辨Gamow

和Crick数学排列表中“某一类元素相同但顺序不同致使排列不同”的方法。1965-66，剑桥MRC分子生物学实验室的Clark等做出起始密码子结论；同一实验室的Brenner等和美国耶鲁大学的A．Garen等各自做出终止密码子结论。到1966年，关于Gamow所提出的64个排列对应20种氨基酸分子的遗传密码意义全部被实验室里的反应所破译。

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破译过程

究竟是哪3个核苷酸组成1个密码子来决定哪个氨基酸呢？这是多年来一直困扰分子遗传学家与生化学家的一个老大难问题。这个问题的解决，美国科学家尼伦伯格（M·W·Nirenberg）与美籍印裔科学家霍拉纳（H·G·Khorana）贡献卓著。遗传密码图册

阐明遗传密码这个难题，在1961年终于露出一线曙光。尼伦伯格先合成了一条全部由尿嘧啶核苷酸（U）组成的多苷酸链，即UUU……。然后将这种多聚U加入到含有20种氨基酸以及有关酶的缓冲液中，结果只产生了一种由苯丙氨酸组成的多肽链。这是一个惊人的发现：与苯丙氨酸对应的遗传密码是UUU。这是世界上解读出的第一个遗传密码子。后

来，尼伦伯格及其合作者参考霍利的研究结果，将人工合成的密码子（核苷酸三联体）“栽种”在核糖体上，这个人工密码子便像天然的mRNA一样，从介质中“捞起”完全确定的tRNA及其所携带的氨基酸。尼伦伯格及其合作者合成了64种理论上可能的核苷酸三联体密码子，终于将64个密码子的含义一一解读出来。在这个64个密码子中，有3个并不编码任何氨基酸，而是作为蛋白质合成的终止信号（“句点”），称为终止密码子。

霍拉纳则按照事先的设计合成具有特定核苷酸排列顺序的

人工mRNA（这个结果本身已是卓越的成就），并用它来指导多肽或蛋白质的合成，以检测各个密码子的含义，证实了构成基因编码的一般原则和单个密码的词义。霍拉纳确定，在一个分子中，每个三联体密码子是分开读取的，互不重叠，密码子之间没有间隔。1966年，霍拉纳宣布基因密码已全部被破译。遗传密码的破译，是生物学史上一个重大的里程碑。尼伦伯格与霍拉纳于1968年荣获诺贝尔生理学医学奖。

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历史起源除了少数的不同之外，地球上已知生物的遗传密码均非常接近；因此根据演化论，遗传密码应在生命历史中很早期就出现。现有的证据表明遗传密码的设定并非是随机

的结果，对此有以下的可能解释：

最近一项研究显示，一些氨基酸与它们相对应的密码子有选择性的化学结合力，这显示现在复杂的蛋白质制造过程可能并非一早存在，最初的蛋白质可能是直接在核酸上形成。

原始的遗传密码可能比今天简单得多，随着生命演化制造出新的氨基酸再被利用而令遗传密码变得复杂。虽然不少证据证明这观点3，但详细的演化过程仍在探索之中。

经过自然选择，现时的遗传密码减低了突变造成的不良影响。

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破译原理

DNA分子是由四种核苷酸的多聚体。这四种核苷酸的不同之处在于所含碱基的不同，即A、T、C、G四种碱基的不同。用A、T、C、G分别代表四种核苷酸，则DNA分子中将含有四种密码符号。以一段DNA含有1000对核苷酸而言，这四种密码的排列就可以有41000种形式，理论上可以表达出