第4章-思考题解析

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1.简述破译遗传密码的主要过程。

答：遗传密码的破译是20世纪60年代分子生物学最辉煌的成就，先后经历了50年代的数学推理阶段和1961-1965年的实验研究阶段。

1954年物理学家George Gamow根据在DNA中存在四种核苷酸，在蛋白质中存在20种氨基酸的对应关系，通过数学推理，得出三个核苷酸编码一个氨基酸。1961年Brenner和Grick根据DNA链与蛋白质链的共线性（colinearity），首先肯定了三个核苷酸的推理。随后用各种人工合成的核苷酸均聚物或共聚物模板在体外翻译蛋白质的方法确定遗传密码子。1964年Nirenberg和Leder用核糖体结合技术测定密码子中的核苷酸排列顺序，历经4年时间，最终确定了编码20种天然氨基酸的密码子，编出了遗传密码字典。

70 年代以来，分子生物学技术如DNA、RNA 序列测定及氨基酸序列测定技术的进步，使遗传密码的存在得到验证。

2.遗传密码有哪些特性？说出遗传密码简并性的生物学意义。

答：（1）遗传密码的特性有方向性、连续性、简并性、摆动性、通用性与特殊性。

①方向性，遗传密码是三联子密码，即密码子（codon），1个密码子由3个核苷酸组成，它特异性地编码多肽链中的1个氨基酸；密码子是对mRNA分子的碱基序列而言的，它的阅读方向是与mRNA的合成方向或mRNA编码方向一致，即从5'端至3'端。

②连续性，mRNA的读码方向从5'端至3'端方向，两个密码子之间无任何核苷酸隔开。mRNA链上碱基的插入、缺失和重叠，均造成移码突变（frame-shift mutation）。

③简并性（degeneracy），指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子，61个密码子编码20种氨基酸，多数氨基酸有2～4个密码子。同一氨基酸的不同密

码子称为同义密码子（synonyms codon），密码虽有简并性，但它们使用的频率并不相等，有的密码子使用的机会较多，有的几乎不用。

④摆动性，mRNA上的密码子与转移RNA（tRNA）上的反密码子配对时，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。1966年Crck根据立体化学原理提出摆动学说（wabble hypothesis），解释了反密码子中某些稀有成分（如I）的配对以及许多氨基酸有2个以上密码子的问题。

⑤通用性与特殊性，蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。但已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体中的密码子有特殊性。

⑥密码子有起始密码子和终止密码子，蛋白质合成的起始和终止信号含在密码子中，无论在真核生物还是在原核生物中AUG（Met）都是用作起始密码子,但在少数情况下也用GUG。遗传密码表中有3个终止密码子（stop code），称为无义密码子（nonsense codons）或链终止密码子（chain-terminating codons）。终止密码子没有相应的tRNA存在，只供释放因子识别来实现翻译的终止。

（2）遗传密码简并性的生物学意义：

①减少变异对生物的影响，对生物物种的稳定有一定意义。

②简并性除了能降低突变所造成的损害外，还可减少所需的tRNA种类。密码子共有64种，但并不需64种tRNA。

3.终止密码子主要有哪几种？

答：有三种，即UAA、UGA和UAG。UAA叫赭石密码，UAG叫琥珀密码，UGA叫蛋白石密码。

4.tRNA 在组成和结构上有哪些特点？

答：tRNA是由73～93个核苷酸组成的单股RNA，有利于与单股的模板mRNA进行酮基和氨基反应，形成氢键。它含大量稀有碱基，如假尿嘧啶核苷

（ψ），各种甲基化的嘌呤和嘧啶核苷，二氢尿嘧啶（hU或D）和胸腺嘧啶（T）核苷等。

所有的tRNA均有类似的三叶草结构，结构的共同特点如下：

（1）一般由4臂4环组成，以76nt的tRNA分子为标准，超过76nt的tRNA 增加的核苷酸位于17位20位和47位，均位于分子的单链环部分。

（2）3′端氨基酸接受臂：5′端1～7位与3′端66～72位形成7bp的氨基酸臂，3′端有共同的CCA-OH序列，因为该序列是单股突伸出来，并且氨基酸总是接在该序列腺苷酸残基（A）上，所以CCA-OH序列称为氨基酸接受臂（amino acid acceptor arm）。CCA通常接在3′端第4个可变核苷酸上。

（3）TψC环（TψCloop）：TψC环是第一个环，由7个不配对的核苷酸残基组成，几乎总是含5′GTψC3′序列。该环涉及tRNA与核糖体表面的结合，有人认为GTψC序列可与5S rRNA的GAAC序列识别。

（4）额外环或可变环（extro variable loop）：位于44～48位，这个环的碱基种类和数量高度可变，有80%的tRNA可变环由4～5nt组成，20%的由13～21nt组成，富有稀有碱基。

（5）反密码子环（anticodon loop）与反密码子臂（anticodon arm）：第27～43位有5bp的反密码子臂和7nt的反密码子环组成。其中34～36位是与mRNA 相互作用的反密码子。毗邻反密码子的3′端碱基往往为烷基化修饰嘌呤，其5′端为U，即：-U-反密码子-修饰的嘌呤。

（6）二氢尿嘧啶环（dihydrouracil loop）/D环（D-loop）：第10～25位形成3～4bp的臂和8～14nt的环。由于环上有（2+1或2-1）个修饰的二氢尿嘧啶（D），故称为二氢尿嘧啶环或D环。相应的臂称为D臂。

（7）tRNA分子中含有多少不等的修饰碱基，某些位置的核苷酸在不同的tRNA分子中很少变化，称不变碱基。

5.tRNA 如何转运活化氨基酸至mRNA 模板上？

答：由于tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，可以为氨酰tRNA合成酶所识别，在该酶的催化下活化相应地氨基酸，形成氨酰tRNA（在细菌中，起始氨酰tRNA是甲酰甲硫氨酸tRNA fMet；真核生物中，起始氨酰tRNA是甲硫氨酰tRNAi Met），结合GTP的起始因子IF2-GTP（或延伸因子EF-Tu-GTP）与该活化氨基酸结合形成三元复合物，该氨酰tRNA上的反密码子通过碱基互补配对的原则识别mRNA上相应的密码子，与起始复合物的P（A）位点结合（只有第一个活化的氨基酸进入P位点，链延伸过程中，氨酰RNA均进入A位点），这样就将活化的氨基酸转运至mRNA模板上。

6.原核生物与真核生物的核糖体组成有哪些异同点？

答：核糖体（ribosome）亦称核蛋白体，由rRNA和蛋白质组成。单核糖体有二个亚基，分别称为大亚基和小亚基。在原核细胞和真核细胞中核糖体的组成见下表：

表：原核生物和真核生物的核糖体组成

7.什么是SD 序列，其功能是什么？