遗传密码特点例析

遗传密码特点例析
吉林省梨树县第一高级中学姜万录
遗传密码又称密码子、三联体密码。

是指信使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。

1967年科学家破译了全部密码子并绘制了密码子表。

下面结合实例对遗传密码子的特点进行解读，以便对遗传密码表的信息有较全面地把握。

1 三联体密码
例1．细胞内编码20种氨基酸的密码子总数为：（）
A．4 B．64 C．20 D．61
解析：蛋白质由20种基本氨基酸组成，而mRNA只含有4种核苷酸，由4种核苷酸构成的序列是如何决定多肽链中多至20种氨基酸的序列的呢？显然，在核苷酸和氨基酸之间不能采取简单的一对一的对应关系。

2个核苷酸决定一个氨基酸也只能编码16种氨基酸，如果用3个核苷酸决定一个氨基酸，43=64，就足以编码20种氨基酸了，这说明可能需要3个或更多个核苷酸编码一个氨基酸。

1961年Francis Crick及其同事的遗传实验进一步肯定3个碱基编码一个氨基酸，此三联体碱基即称为密码子。

在64个密码子中，有3个密码子不编码任何氨基酸，从而成为肽链合成的终止信号，称为终止密码子或无义密码子，它们是UAA、UAG、UGA。

其余的61个密码子均编码不同的氨基酸，其中AUG和GUG分别是甲硫氨酸和缬氨酸的密码子，同时二者又是肽链合成的起始信号，称为起始密码子。

答案：D
2 不间断性
例2．如果……CGUUUUCUUACGCCU……是某基因产生的 mRNA 中的一个片断 , 如果在序列中某一位置增添了一个碱基 , 则表达时可能发生 ( )。

①肽链中的氨基酸序列全部改变②肽链提前中断③肽链延长④没有变化⑤不能表达出肽链
A．①②③④⑤ B．①②③④ C．①③⑤ D．②④⑤
解析: mRNA的三联体密码是连续排列的，相邻密码之间无核苷酸间隔。

翻译从起始码AUG开始，3个碱基代表1个氨基酸，从mRNA的5’→3’方向构成1个连续的阅读框，直至终止码。

所以，若在某基因编码区的DNA序列或其mRNA中间插入或删除1～2个核苷酸，则其后的三联体组合方式都会改变，不能合成正常的蛋白质，这样的突变亦称移码突变，对微生物常有致死作用。

若增添一个碱基后，导致密码子编组改变，从添加一个碱基的那个密码子开始，一直到末尾都出现误读，相应的氨基酸序列也会从某个氨基酸开始发生全面的改变。

这种情况就有
可能发生①；若增添一个碱基后，使正常的密码子变成终止密码子，则肽链将提前中断。

这种情况就有可能发生②；若增添了一个碱基后，使终止的密码子变成正常密码子，则会使肽链延长，发生可能③；若增添的一个碱基位于基因的内含子，则发生可能④；若增添的一个碱基使原有的起始密码子遭到时破坏，又正好这段mRNA中只有一个起始密码子，则就可能发生⑤。

答案：A
3 不重叠性
例3．某mRNA中碱基序列GAUCGA，每3个确定一个氨基酸。

按照重叠方式和非重叠方式阅读，分别能控制的氨基酸为（）
A．4种和2种 B．5种和2种 C．6种和2种 D．2种和2种
解析：题中碱基序列，如果按照重叠方式阅读，可以有GAU、AUG、UCG、CGA四种读法，如果按不重叠方式阅读，可以有GAU、CGA两种读法。

而实际上对于特定的三联体密码而言，其中的每个核苷酸都具有不重叠性。

例如，如果RNA分子UCAGACUGC的密码解读顺序为：UCA、GAC、UGC，则它不可以同时解读为UCA、CAG、AGA、GAC……等。

不重叠性使密码解读简单而准确无误。

并且，当一个核苷酸被异常核苷酸取代时，不会在肽链中影响到多个氨基酸。

不过，在大肠杆菌噬菌体基因组中，确有部分遗传密码是重叠使用的，这可以看成一种例外现象。

答案：A
4 简并性和摆动性
例4下列关于遗传密码的描述哪一项是错误的？（）
A．密码阅读有方向性，5'端开始，3'端终止
B．密码第3位（即3'端）碱基与反密码子的第1位（即5'端）碱基配对具有一定自由度，有时会出现多对一的情况。

C．一种氨基酸只能有一种密码子
D．一种密码子只代表一种氨基酸
解析：密码子具有方向性，即mRNA从5'端到3'端的核苷酸排列顺序；mRNA上的密码子与转运RNA(tRNA)上的反密码子配对辨认时，大多数情况遵守碱基互补配对原则，但也可出现不严格配对，尤其是密码子的第三位碱基与反密码子的第一位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种现象称为摆动配对。

密码第3位（即3'端）碱基与反密码子的第1位（即5'端）碱基配对具有一定自由度，有时会出现多对一的情况；除色氨酸和甲硫氨酸只有一个
密码子外，其余氨基酸有多个密码子，以2～4个居多，多的可有6个。

这种由多种密码编码一种氨基酸的现象称为简并性，代表一种氨基酸的密码子称为同义密码子。

从遗传密码表可看到，决定同一种氨基酸密码子的头两个核苷酸往往是相同的，只是第三个核苷酸不同，表明密码子的特异性由第一、第二个核苷酸决定，第三位碱基发生点突变时仍可翻译出正常的氨基酸。

由于简并性，某些DNA碱基变化不会引起相应蛋白质的氨基酸序列改变，这对维持物种的稳定性有重要意义。

一种氨基酸可能有一或多种密码子，但一种密码子只代表一种氨基酸。

答案：C
5 通用性
例5．下列关于遗传密码的叙述中正确的是（）
A．DNA分子中的碱基序列称为遗传密码
B． tRNA上3个相邻的碱基称为遗传密码
C．所有的遗传密码都决定一种氨基酸
D．所有的生物共用一套密码子
解析：密码子是存在于信使RNA中的三个相邻的核苷酸顺序，是蛋白质合成中某一特定氨基酸的密码单位。

由于具有简并性，因此多种密码可编码一种氨基酸。

除线粒体的个别密码外，生物界通用一套遗传密码，不论是病毒、原核生物还是真核生物密码子的含义都是相同的，共用一套密码子。

细菌、动物和植物等不同物种之间，蛋白质合成机制及其mRNA都是可以互换的。

例如，真核生物的基因可以在原核生物中表达，反之亦然。

所以说遗传密码基本通用，但非绝对通用。

答案：D
6 方向性
例6．某一种tRNA的反密码子是5?UGA3?，它识别的密码子序列是：
A．UCA B．ACU C．UCG D．GCU
解析：mRNA上的密码子与转运RNA(tRNA)上的反密码子配对辨认时，遵守碱基互补配对原则，密码子的第三位碱基与反密码子的第一位碱基配对，读码顺序均为5ˊ端碱基→3ˊ端碱基。

因此密码也具有方向性，即mRNA从5'端到3'端的核苷酸排列顺序就决定了多肽链中从N端到C端的氨基酸排列顺序，决定翻译的方向性。

答案：A
变式训练：
1．下列哪一个不是终止密码？（B ）
A．UAA B．UAC C．UAG D．UGA
2．假设翻译时可从任一核苷酸起始读码，人工合成的（AAC）n（n为任意整数）多聚核苷酸，能够翻译出几种多聚核苷酸？（C ）
A．一种 B．二种 C．三种 D．四种
3．下列关于氨基酸密码的描述哪一项是错误的？（A ）
A．密码有种属特异性，所以不同生物合成不同的蛋白质
B．密码阅读有方向性，5’端起始，3’端终止
C．一种氨基酸可有一组以上的密码
D．一组密码只代表一种氨基酸
4．遗传密码的阅读方式是（ A ）
A．非重叠的阅读方式 B．重叠阅读方式
C．两种情况都有 D．两种情况都无
5．在研究mRNA如何决定蛋白质的过程中，为了弄清搭配的密码子是由mRNA上的几个碱基组成的，科学家曾经进行过这样的实验：人工合成只有C、U两种碱基相间排列的mRNA，然后以它作为模板合成多肽。

如果所合成的肽链中只含有一种氨基酸，则说明组成一个密码子的碱基数是（ D ）
A．2个 B．3个 C．4个 D．2个或4个
6．在遗传密码研究的早期，有人从数学的角度推测只有mRNA上三个碱基决定一个蛋白质中一个氨基酸才能满足编码20种氨基酸的需要（43=64＞20）。

这种推论很快被离体实验所证实。

Matthaei和Nirenbeng把大量的大肠杆菌细胞磨碎，制成无细胞提取液，用DNA 酶处理这种提取液，使细菌的DNA水解，除去细胞壁等。

将上清液装入试管，再加上20种氨基酸和必要的其他物质，其中至少有一种氨基酸用14C标记，最后在这种无细胞提取液中加入人工合成的多聚核苷酸……
最后通过分析试管内多肽链中氨基酸的种类和含量并结合数学分析来确定遗传密码的组成和方式。

具体结果如下：
根据上述信息回答下列问题：
（1）上述上清液中与实验直接有关的物质或结构有：
①________________________。

②________________________。

③________________________。

（2）上述必要的其他物质是__________，实验中多聚核苷酸的作用是____________。

（3）通过表中的实验结果可确定苯丙氨酸和赖氨酸的遗传密码分别是_____、______。

（4）通过表中第2组的实验结果可初步确定异亮氨酸和亮氨酸的遗传密码可能是_____
（5）通过表中第3组实验你可以得出什么结果：________________________________。

解析：通过翻译过程合成肽链，翻译过程需要的条件有：核糖体（场所）、酶、氨基酸（原料）、转运RNA、ATP（能源物质）等。

实验中的多聚核苷酸实际是RNA链，其作用是作为翻译时的模板。

根据第2组实验可知，加入多聚U，遗传密码子只有UUU一种，为苯丙氨酸的遗传密码。

加入多聚U、A，遗传密码子有8种，因A占30%，所以AAA的密码子组成概率为30%×30%×30%=2．7%，对应表中的赖氨酸。

异亮氨酸和亮氨酸的比例均占15%，根据两种碱基的含量可知，70%×70%×30%=15%。

所以组成异亮氨酸和亮氨酸的碱基中应含有两个U和一个A，即有三种可能：UUA、AUU、UAU。

第3组中的模板只有两种密码子：UCU 和CUC，对应丝氨酸和亮氨酸两种氨基酸，所以可知UCU和CUC分别编码的氨基酸是丝氨酸和亮氨酸的一种。

答案：（1）①酶②核糖体③转运RNA（2）ATP；翻译时的模板（3）UUU、AAA（4）UUA、AUU、UAU（5）UCU和CUC分别编码的氨基酸是丝氨酸和亮氨酸的一种。