遗传密码是怎样破译的_向义和

遗传密码是怎样破译的*

向义和

(清华大学物理系,北京100084)

(收稿日期:2006-11-10)

摘要文章具体介绍了遗传密码破译的过程:三联体密码的提出;克里克对遗传密码性质的阐述和实验证明;尼伦伯格关于同聚核苷酸对应的氨基酸的发现;奥乔亚关于异聚核苷酸对应的氨基酸的发现;科拉纳关于密码子系列次序的确定;全部密码子的破译及其特征.

关键词三联体密码;遗传密码简并;基因突变;无细胞蛋白质的合成;多聚核苷酸HOW THE GENETIC CODE WERE DECIPHERED

Xiang Yihe

(Physics Department of T sin ghua Un iversity,Beijin g100084)

Abstract The process o f decoding the g enetic co des is introduced.T he key events include the putting fo rw ard o f riplet code,the ex patiation and experimental proof of the nature of genetic code by F.H.C.Crick,the discov er y of amino acid corr espo nding to homopoly nucleotide by M arshall W.Nirenbreg,the discovery of amino acid corresponding to hetero-po lynucleo tide by S.Ochoa,the determ inatio n of the sequence of codo n series by H.G.Khor ana,and the decipherment and characteristics o f all codo ns.

Key Words triplet code;genetic code deg eneration;g ene mutation;sy nthesis o f cel-l free protein;polynucleotide

1953年5月英国物理学家克里克(Crick. France,1916))和美国生物学家沃森(Watson. James.D,1926))在他们发表的《DNA结构的遗传学意义》一文中提出:/碱基的排列顺序就是携带遗传信息的密码0的论断.这就是说,在碱基(或核苷酸)的顺序中含有特定的遗传信息,这种遗传信息能翻译成蛋白质上确定的氨基酸顺序.

要解答遗传密码和其中所含的信息问题,需要从两方面思考:(1)克里克和沃森倡导的密码问题其解决方式如何?密码是怎样破译的?(2)细胞使用怎样的机制从遗传信息合成蛋白质?本文要讨论的是第1个问题.

从1953年提出遗传密码问题到1966年破译全部遗传密码,其间经历了从抽象的理论分析到具体的实验研究的过程.20世纪50年代,物理学家做了大量的理论分析工作,伽莫夫(Gam ow. Georg e)首先提出了遗传密码的概念,并提出了氨基酸是有3个一组的碱基编码的天才猜测,其后克里克通过对生化学家所做的基因实验结果的分析,确定了遗传密码的一般性质,为遗传密码的破译奠定了理论基础.20世纪60年代,生化学家做了大量的实验工作.在生化实验研究中,经历了从简单到复杂的过程.从以均聚物为模板指导蛋白质的合成,再以随机共聚物为模板指导蛋白质的合成,到以特定共聚物为模板指导蛋白质的合成,最后运用多种实验手段和多种实验方法,确定了全部密码所对应的氨基酸,揭示了生命的秘密.通过对这一探索过程的分析与讨论,我们从中可以

*本文研究课题得到清华大学工科物理基地教改项目资助.

得到丰富的教益和启迪.

1三联体密码的提出

1953年克里克和沃森的文章发表后,首先引起了物理学家伽莫夫的注意.这时他正在访问加利福尼亚大学伯克利分校,正如他后来回忆的: /我走在放射实验室的走廊上,碰上了阿尔瓦雷斯(Alvarez.Luis),他手上拿着一份《自然》杂志,,他说:-看,沃森和克里克写了一篇多棒的文章..这是我第一次见到这篇文章.后来我便回到了华盛顿,开始思考这篇文章.0[1]

1954年2月伽莫夫把他对于密码问题思考的最初成果,以题为/DNA和蛋白质结构之间可能的联系0的文章发表在《自然》杂志上.他在文章中首先表述了关于遗传密码的概念,他写道:/任何生物体的遗传性状都可以突出地表现为用4个字母写成的核酸语言.另一方面,这些蛋白质是由大约20种不同的氨基酸组成的长肽链,可以认为是用20个字母写成的蛋白质语言.这样便出现了4个字母写成的核酸语言如何翻译成20个字母写成的蛋白质语言的问题.0[2]

他在这篇文章中提出了一种设想,认为蛋白质分子直接建立在DNA分子上,而DNA分子则充当了使氨基酸按正确顺序排列的模板.这一想法基于这样一种推测,即碱基在双螺旋上的排列会产生一系列20种形状略微不同的菱形孔洞(rhombshaped holes),它与构成蛋白质的20种形状不同的氨基酸的关系,犹如锁与钥匙的关系.于是他大胆地假设,每种氨基酸刚好对应一种孔洞.因为相邻的孔洞间有两个相同的核苷酸,所以每个孔洞由形成它的4个核苷酸中的3个确定.当周围媒质中自由的氨基酸遇到了形状相同的空洞时,就会插入这些洞内,互相连接形成相应的肽链,然后从洞中脱出.

不久以后,克里克和沃森接到伽莫夫的来信,他们对信的内容感到很新奇,从而促使他们去调查研究蛋白质中到底有多少种氨基酸.他们发现伽莫夫列出的20种氨基酸中有几种不大可能,有几种明显存在的,如天冬酰胺和谷氨酰胺又未列入.他们将蛋白质中的氨基酸分类,将在许多不同的蛋白质中都存在的氨基酸归入标准类,将在少数几种不常见的蛋白质中存在的氨基酸归入异常

类.结果他们惊讶地发现标准的氨基酸正是20种[3].

在此前提下,他们思考了遗传密码的问题,即用4个字母表示的核苷酸语言和用20个字母表示的氨基酸语言之间的关系问题.他们用排列组合的方法分析,在4种碱基中,如果一次只取1个碱基,你只能有4种不同的组合;如果一次取2个一对的碱基,你可以有16种不同的碱基对(4@ 4),因为无论4种碱基中你取哪个作为碱基对中的头一个,第二个碱基都有4种选择.然而16种组合对于所有生物体中20种不同的氨基酸基本成分的编码来说仍是不够的.如果一次取3个一组的碱基,你可以得到64种不同的组合(4@4@ 4).这样对全部20种氨基酸进行编码就足够了[3].

克里克和沃森肯定了伽莫夫的贡献,他们认为伽莫夫关于每种氨基酸由3个一组的碱基(即三联体)编码是正确的.而且从伽莫夫的研究中使他们认识到,可将密码问题与实际的生化细节分开而作为一个抽象的问题来研究.他们预期当人们能够得到各种不同的氨基酸序列时,人们或许可以通过研究它们所受到的限制以及突变对某一特定序列的影响,不需要搞清楚所有相关的生化步骤就可揭示出遗传密码,这样的方法对于面临复杂的化学和生物化学的物理学家就更为自然[3].

克里克和沃森也指出了伽莫夫在理论上的错误,不同意他关于重叠密码的见解.克里克在他的《狂热的追求)))科学发现之我见》一书中写道: /从几个方面来看,伽莫夫的密码是不同于一般的,代表下一个氨基酸的三联体与前一个是重叠的.例如,如果一段碱基是,GGAC,,那么GGA 代表一种氨基酸,GAC代表下一个氨基酸.这自然使氨基酸的顺序受到了某些限制,有些序列是无法由伽莫夫的密码编码的.0除此之外,他们还不同意伽莫夫关于DNA直接编码蛋白质的想法,并且非常怀疑伽莫夫关于DNA上的孔洞会有如此功能,能使不同的氨基酸插入不同的洞内[3].

1955年12月伽莫夫和于卡斯(Ycas.M)在《美国国家科学院会报》上又发表了一篇关于遗传密码的文章,题为/蛋白质和RNA组分的统计关系0.提出了一种不重叠的三联码,不重叠可使蛋白质中氨基酸次序上之限制于以清除;最重要的