第10篇 遗传密码

密码的防错系统 1）密码的编排方式使得密码子中一个碱基被置 换，其结果常常是编码相同的氨基酸或是为 物理化学性质接近的氨基酸取代。
第二位的转换将导致化学性质相似氨基酸间的互换
第二位的颠换将改变氨基酸类型
第三位的转换通常不改变其编码的氨基酸 第三位的颠换通常导致相似氨基酸间的互换
2）密码子具有变偶性，tRNA上的反密码子与 mRNA密码子配对时可以在一定范围内变动。
UCU/CUC
Ser/Leu ?
无细胞体系中Mg2+浓度很高，人工合成的多聚核苷酸不需要 起始密码子就能指导多肽的生物合成，读码起始是随机的 。然而，在生理Mg2+条件下，没有起始密码子的多核苷酸不 能被用作多肽合成的模板。
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以多聚三核苷酸作为模板可得到有3种氨基酸组成 的多肽。如以多聚（UUC）为模板，可能有3种起 读方式： 5 ’ ……UUC UUC UUC UUC UUC……3’ 或5 ’ ……UCU UCU UCU UCU UCU……3’ 或5 ’ ……CUU CUU CUU CUU CUU……3 ’ 根据读码起点不同，产生的密码子可能是UUC （Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu），所以得到的 多肽可能是多聚苯丙氨酸、多聚丝氨酸或多聚亮 氨酸，由此可知UUC、UCU、CUU分别是苯丙氨、丝 氨酸及亮氨酸的密码子。
密码的防错系统：可使基因突变造成的危害降至最 低程度。
五. 密码子是不重叠的并且无标点


ABCDEFGHIJKH Aa1 Aa2 Aa3 Aa4
可读框（Open reading frame, ORF)：是指从起始密码子起到终止 密码子止的一段连续的密码子区域，或DNA序列测定中，由计算机 辨认出的可能的编码序列。即：可辨认出始于ATG，止于TGA、 TAA或TAG的连续的密码子区域。当没有已知的蛋白质产物时，该 区域被称为可读框，而当确知该可读框编码某一确定蛋白质时，就 被称为编码区。可读框是潜在的编码区。
三. 遗传密码的性质
1. 密码子的简并性
存在61种密码子而只有20种氨基酸，所以许多氨基酸有多个密 码子。实际上除色氨酸（UGG）和甲硫氨酸（Met）只有一个密 码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子，其中9种氨基酸有 2个密码子，1种氨基酸有3个密码子，5种氨基酸有4个密码子， 3种氨基酸有6个密码子。
2. 密码子的变偶性－摆动假说(Wobble base) 变偶性——密码子的第三位碱基比前三个碱基具有 较小的专一性。
即在密码子与反密码子配对时，前面两对碱基严格 按碱基配对原则，而第三时碱基允许有一定的自由 度——摆动假说，变偶假说。
根据摆动假说，在 密码子与反密码子 的配对中，前两对 严格遵守碱基配对 原则，第三对碱基 有一定的自由度， 可以“摆动”，因 而使某些tRNA可以 识别1个以上的密码 子。
反密码子第一位 A C G U I
密码子第三位 U G C,U A,G A,U,C
Wobble base的摇摆配对原则
3. 遗传密码的通用性和变异性
遗传密码无论在体内还是体外，也无论是对病毒、细菌、 动物还是植物而言都是适用的，所以，密码子具有通用性。已 经查明，在支原体中，终止密码子UGA被用来编码色氨酸；在 嗜热四膜虫中，另一个终止密码子UAA被用来编码谷氨酰胺。 密码子具有特殊性。
B 核糖体结合技术
1964年Nirenberg又采用 三联体结合实验 (1) tRNA和氨基酸及三联 体的结合是特异的； (2) 上述结合的复合体大 分子是不能通过硝酸纤维 滤膜的微孔，而 tRNA- 氨 基酸的复合体是可以通过 的。
通过该方法，61个codons被破译(仅剩UAA,UAG,UGA？) Stop codon 的证实
这个方法是以人工合成的三 核苷酸如UUU、UCU、UGU等 为模板，在含核糖体、AAtRNA的适当离子强度的反应 液中保温，然后使反应液通 过硝酸纤维素滤膜。 发现，游离的AA-tRNA因相 对分子质量小能自由通过滤 膜，加入三核苷酸模板可以 促使其对应的AA-tRNA结合 到核糖体上，体积超过膜上 的微孔而被滞留，这样就能 把已结合到核糖体上的AAtRNA与未结合的AA-tRNA分 开。
Marshall Nirenberg (1961) In vitro Poly(U) Poly(C) poly(Phe) peptide poly(Pro) peptide
Poly(A)
Poly(G) But poly(UCUCUC…)
poly(Lys) peptide
poly(Gly) peptide poly(Ser-Leu-Ser-Leu…)
线粒体与核DNA密码子使用情况的比较
生物 所有 酵母 果蝇 哺乳类
密码子
线粒体DNA编码的氨基酸 色氨酸 苏氨酸 丝氨酸 终止子
核DNA编码的氨基酸 终止子 亮氨酸 精氨酸 精氨酸
UGA CUA AGA AGA/G
哺乳类
AUA
甲硫氨酸
异亮氨酸
四. 突变的效应及遗传密码的防错系统
转换（Transition): 由一嘧啶突变为另一嘧 啶；或由一嘌呤转变为另一嘌呤 颠换（Transversion):由嘧啶突变为嘌呤 或由嘌呤转变为嘧啶的突变 1.密码表的编排特点
肽链内部Met的密码子 AUG：原核生物编码甲酰甲硫氨酸起始密码 真核生物编码甲硫氨酸
另有三种是终止密码（标点密码子、无意义密码 子），根据无义突变的三种昵称，三个终止密码子：
UAA叫赭石（ochre）密码子（相应于赭石突变）； UAG叫琥珀（amber)密码子（相应于琥珀突变）； UGA 叫蛋白石（ opal ）密码子（相应于蛋白石突变）。
1.实验证实三联子密码
1）遗传学证据 1、mRNA模板中插入、删除一个核苷酸后，该密码子后 面的氨基酸序列全部改变。 2、同时插入、删除一个不同核苷酸后，后续蛋白质不 变。 3、同时删除三个核苷酸后，翻译减少一个氨基酸，序 列没有变化。
烟草花叶病毒外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，而 相应的RNA片段长约1200个核苷酸
核糖体结合技术 技术要点： 以人工合成的三核苷酸为模板+核糖体+AA-tRNA
保温
硝酸纤维滤膜过滤
分析留在滤膜上的核糖体-AAtRNA
确定与核糖体结合的AA
分20组，每组1种带标记 AA-tRNA+三核苷酸模板+ 核糖体
保温
硝酸纤维滤膜过滤
放射自显影分析留在滤膜上的核糖体AA-tRNA
确定与核糖体结合的AA
第10章 遗传密码
一. 遗传密码—三联子
mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一 个氨基酸，这3个核苷酸就称为密码子。也叫 三联子密码。 遗传密码： mRNA中核苷酸的排列顺序。 起始：AUG 终止：UAA UAG UGA 方向：5 ’ －3’（mRNA）
Ser
5’
Tyr
5’
二. 遗传密码的破译
简并：1个氨基酸有多个密码子的现象或多个密码子为1个氨基 酸编码。 编码同一种氨基酸的密码子称同义密码子
简并密码的生物学意义： 减少变异对生物的影响
The Genetic Code
同义密码子一般都不是随机分布的，因为其第一、第 二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变并 不一定影响所编码的氨基酸，这种安排减少了变异对 生物的影响。一般说来，编码某一氨基酸的密码子越 多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。
2）实验破译三联子密码
A. 以均聚物、随机共聚物和特定序列的共聚物为模板 指导多肽的合成 制备大肠杆菌的无细胞合成体系： （在含DNA、mRNA、tRNA、核糖体、AA-tRNA合成酶及其他
酶类的抽提物中加入DNase，降解体系中的DNA，耗尽mRNA 时，体系中的蛋白质合成即停止）
当补充外源mRNA或人工合成的各种均聚物或共聚 物作为模板以及ATP、GTP、氨基酸等成分时又能合 成新的肽链，新生肽链的氨基酸顺序由外加的模板 所决定。因此，分析比较加入的模板和合成的肽链 即可推知编码某些氨基酸的密码。
氨基酸的极性通常由密码子第二位碱基决定，简并 性由第三位决定
1）中间碱基是U时编码非极性、疏水和支链氨基酸， 常在球蛋白的内部
2）中间碱基是C时，相应的氨基酸是非极性的或具有不 带电荷的极性侧链；
3）中间碱基是A或G时，其相应氨基酸常在球蛋 白外周，具有亲水性；
4）第一位碱基是A或C，第二位碱基是A或G，第三位是 任意碱基时，其相应氨基酸具有可解离的亲水侧链并具 有碱性
遗传密码的总结：
(1) 遗传密码是三联体密码。 (2)遗传密码无逗号。 (3)遗传密码是不重叠的。 (4)遗传密码具有通用性。
(5)遗传密码具有简并性(degeneracy )。
(6) 密码子有起始密码子和终止密码子。 (7) 反密码子中的“ 摆动”（wobble）。
遗传密码的破译，即确定代表每种氨基酸的具体密码。 蛋白质中的氨基酸序列是由mRNA中的核苷酸序列决 定的。mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨 基酸。
数学考虑 ： 一种碱基 二种碱基 三种碱基
→ → →
一种 Aa 一种 Aa 一种 Aa
41 = 42 = 43 =
4 ＜20 16＜20 64＞20