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生物化学第37章遗传密码 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望三、遗传密码的破译 蛋蛋白白质质氨氨基基酸酸序序列列的的信信息息存存在在于于核核酸酸的的核核苷苷酸序列中，那么它们之间的对应关系是什么呢？酸序列中，那么它们之间的对应关系是什么呢？1954年年物物理理学学家家Gamov G首首先先对对遗遗传传密密码码进进行行探探讨讨。核核酸酸分分子子中中只只有有4种种碱碱基基，要要为为蛋蛋白白质质分分子子中中20种种氨氨基基酸酸编编码码，显显然然一一种种碱碱基基代代表表一一种种氨氨基基酸酸是是不不行行的的；如如果果每每两两个个碱碱基基代代表表一一个个氨氨基基酸酸，4种种碱碱基基也也只只能能编编码码42=16种种氨氨基基酸酸的的信信息息。所所以以至至少少需需要要3个个碱碱基基编编码码一一种种氨氨基基酸酸，这这样样4种种碱基可以编码碱基可以编码43=64种氨基酸的信息。种氨基酸的信息。遗传密码的理论推测 根根据据理理论论推推测测，密密码码子子（codon）应应该该是是三三联联体体（triplet），那那么么密密码码子子是是重重叠叠的的还还是是不不重重叠叠的的？Gamov指指出出，重重叠叠的的密密码码子子更更为为经经济济。但但是是重重叠叠密密码码子子使使氨氨基基酸酸序序列列中中每每一一个个氨氨基基酸酸都都受受前前后后氨基酸的约束，显然自由度氨基酸的约束，显然自由度不够。不够。推测的密码子格式推测的密码子格式Crick的实验 1961年年Crick及及其其同同事事提提供供了了确确切切的的证证据据，证证明明三三联联体体密密码码子子学学说说是是正正确确的的。他他们们研研究究了了T4噬噬菌菌体体位位点点A和和B两两个个顺顺反反子子变变异异的的影影响响，这这两两个个基基因因与与噬噬菌菌体体能能否否感感染染大大肠肠杆杆菌菌K株株有有关关。实实验验结果见后：结果见后：Crick等等的的实实验验结结果果表表明明三三联联体体密密码码是是非非重重叠叠的，而且连续编码无标点符号隔开。的，而且连续编码无标点符号隔开。Crick等的实验结果 CAT CAT CAT CAT CAT CAT 正常正常 -1 CAT CAC ATC ATC ATC ATC 缺陷缺陷 -1+1 CAT CAC AXT CAT CAT CAT 正常正常 +3 CAX TXC ATX CAT CAT CAT 正常正常 此实验表明密码子是三联体。此实验表明密码子是三联体。缺少一个碱基缺少一个碱基 X 增加一个碱增加一个碱 基基无细胞翻译系统 Nirenberg等等将将大大肠肠杆杆菌菌破破碎碎，离离心心除除去去细细胞胞碎碎片片，上上清清液液中中含含有有蛋蛋白白质质合合成成所所需需的的各各种种成成分分，其其中中包包括括DNA、mRNA、tRNA、核核糖糖体体、氨氨酰酰tRNA合成酶以及蛋白质合成必需的各种因子。合成酶以及蛋白质合成必需的各种因子。将将上上清清液液保保温温一一段段时时间间，内内源源mRNA被被降降解解，该该系系统统自自身身蛋蛋白白质质的的合合成成停停止止。当当补补充充外外源源mRNA以以及及ATP、GTP和和氨氨基基酸酸等等成成分分，再再在在37保保温温就就能能合合成成新新的的蛋蛋白白质质。为为了了检检测测某某种种氨氨基基酸酸是是否否掺掺入入了新合成的蛋白质，需将氨基酸用放射性标记。了新合成的蛋白质，需将氨基酸用放射性标记。体外翻译研究密码子 Nirenberg等等早早期期实实验验使使用用的的mRNA是是多多聚聚尿尿嘧嘧啶啶核核苷苷酸酸，发发现现翻翻译译出出的的肽肽链链是是多多聚聚苯苯丙丙氨氨酸酸，说说明明UUU代表代表了苯丙氨酸。了苯丙氨酸。用用同同样样的的方方法法研研究究出出poly C指指导导多多聚聚脯脯氨氨酸酸合合成成，poly A指指导导多多聚聚赖赖氨氨酸酸合合成成，说说明明CCC代代表表了了脯脯氨氨酸酸，AAA代表了赖氨酸。代表了赖氨酸。他他们们实实验验时时使使用用的的Mg2+浓浓度度较较高高，以以致致合合成成的的均均聚聚核核苷苷酸酸不需要起始密码子就可以起始翻译。此时翻译的起点是任意的。不需要起始密码子就可以起始翻译。此时翻译的起点是任意的。无序poly UG对氨基酸的密码（U:G=5:1)可能的密码子可能的密码子密码子出现的相对频率密码子出现的相对频率氨基酸掺入的相对分子数氨基酸掺入的相对分子数UUU100Phe（100）UUG UGUGUU20LeuCys（20）Val（20）UGG GUG GGU4Trp（5）ValGly（4）GGG0.8Gly此表有问题此表有问题随机AC序列RNA指导翻译多肽中氨基酸出现的频率（A:C=5:1)Amino acidObservedfrequency ofincorporation(Lys=100)Tentative assignmentfor nucleotidecomposition*ofcorresponding codonExpected frequencyof incorporationbased onassignment(Lys=100)AsparagineGlutamineHistidineLysineProlineThreonine24246100726A2CA2CAC2AAAAC2,CCCA2C,AC2202041004.824三核苷酸取代mRNA的实验 1964年年Nirenberg发发现现，用用人人工工合合成成的的三三核核苷苷酸酸取取代代mRNA，能能与与其其对对应应的的氨氨酰酰tRNA一一起起结结合合在在核核糖糖体体上上。将将此此反反应应混混合合物物通通过过硝硝酸酸纤纤维维素素膜膜过过滤滤，核核糖糖体体和和三三核核苷苷酸酸以以及及特特异异结结合合的的氨氨酰酰tRNA形形成成的的复复合合物物能能留留在在膜膜上上。用用此此方方法法，可以直接测定三核苷酸与氨基酸的对应关系。可以直接测定三核苷酸与氨基酸的对应关系。三核苷酸取代mRNA的实验Radioactivityon filterRadioactivity in filtrateRibosome重复序列共聚核苷酸指导下多聚氨基酸的合成（Khorana）多聚核苷酸多聚核苷酸含有的密码子含有的密码子合成的多肽合成的多肽(AG)nAGA，GAG(Arg-Glu)n(UG)nUGU，GUG(Cys-Val)n(AAG)nAAG,AGA,GAA(Lys)n,(Arg)n,(Glu)n(UUG)nUUG,UGU,GUU(Leu)n,(Cys)n,(Val)n(GAU)nGAU,AUG,UGA(Asp)n,(Met)n,详详见见P510表表37-4遗传密码表（1966年完成）年完成）第一位碱基第一位碱基（5端）端）第二位碱基（中间）第二位碱基（中间）第三位碱基第三位碱基（3端）端）UCAGUPhePheLeuLeuSerSerSerSerTyrTyr终止终止终止终止CysCys终止终止TrpUCAGCLeuLeuLeuLeuProProProProHisHisGlnGlnArgArgArgArgUCAGAIleIleIleMetThrThrThrThrAsnAsnLysLysSerSerArgArgUCAGGValValValValAlaAlaAlaAlaAspAspGluGluGlyGlyGlyGlyUCAGbackThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesisHar Gobind KhoranaMarshall W.NirenbergRobert W.HolleyCornell UniversityNational Institutes of HealthUniversity of Wisconsin 四、遗传密码的基本特性（一）密码的基本单位（一）密码的基本单位 遗遗传传密密码码的的基基本本单单位位是是按按53方方向向编编码码、不不重重叠叠、无无标标点点的的三三联联体体密密码码子子。AUG为为起起始始密密码码子子，它它编编码码甲甲硫硫氨氨酸酸，UAA、UAG、UGA为为终终止止密密码码子子，它它们们不不编编码码任任何何氨氨基基酸酸。其其余余60个个密密码码子子对应于对应于19种氨基酸。种氨基酸。要要正正确确阅阅读读密密码码，必必须须从从起起始始密密码码子子开开始始，按按每每3个个核核苷苷酸酸代代表表一一个个氨氨基基酸酸读读下下去去，直直至至遇遇到到终终止密码子为止。止密码子为止。移码突变 若若在在某某处处插插入入或或删删除除1到到2个个核核苷苷酸酸，后后面面的的读码框发生错位，读码框发生错位，称为移码突变。称为移码突变。在在绝绝大大多多数数生生物物中中基基因因是是不不重重叠叠的的，但但在在少少数数病病毒毒中中，部部分分基基因因的的遗遗传传密密码码却却是是重重叠叠的的，尽尽管管基基因因重重叠叠，但但各各自自的的读读码码框框还还是是按按三三联联体体方方式式连续读码的。连续读码的。重叠基因的阅读框（二）密码的简并性 同同一一种种氨氨基基酸酸有有两两个个或或更更多多密密码码子子的的现现象象称称为为密密码码子子的的简简并并性性（degeneracy）。对对应应于于同同一一种种氨氨基基酸酸的不同密码子称为的不同密码子称为同义密码子同义密码子。密密码码的的简简并并性性具具有有重重要要的的生生物物学学意意义义，它它可可以以减减少少有有害害突突变变。如如果果每每一一种种氨氨基基酸酸只只有有一一种种密密码码子子，那那么么剩剩下下的的4444个个密密码码子子都都是是无无义义密密码码子子，基基因因突突变变时时产产生终止密码子的概率会很大，这将极不利于生物生存。生终止密码子的概率会很大，这将极不利于生物生存。氨基酸密码子数与氨基酸使用频率的关系密码子数目密码子数目蛋蛋白白质质中中残残基基的的百百分分数数（三）密码的变偶性 许许多多编编码码同同一一种种氨氨基基酸酸的的密密码码子子前前2位位碱碱基基相相同同，只只是是第第3位位碱碱基基不不同同；有有些些氨氨基基酸酸只只有有2种种密密码码子子，也也是是前前2位位相相同同，第第3位位都都是是嘧嘧啶啶，或或者者都都是是嘌嘌呤呤。从从密密码码表表看看来来，密密码码子子的的专专一一性性主主要要取取决决于于前前2位位碱碱基基，而第而第3位碱基起的作用有限。位碱基起的作用有限。有有些些科科学学家家也也发发现现，tRNA上上的的反反密密码码子子与与mRNA上上的的密密码码子子配配对对时时，也也主主要要是是前前2位位配配对对，第第3位位允允许许适适当当的的错错配配。Crick称称这这种种现现象象为为变变偶偶性性（wobble，也叫摇摆现象）。，也叫摇摆现象）。反密码子与密码子之间的配对 在在tRNA的的反反密密码码子子中中，经经常常在在第第一一位位出出现现次次黄黄嘌嘌呤呤，第第一一位位的的I可可以以与与密密码码子子第第3位位的的U、A、C三三者者配配对对。在在已已知知一一级级结结构构的的tRNA中中，其其反反密密码码子子的的第第一一位位没没有有A，显显然然 I 是由是由A转变而来的。转变而来的。1 33 1反密码子与密码子之间的配对反密码子第一位碱基反密码子第一位碱基密码子第三位碱基密码子第三位碱基AUCGGU、CUA、GIU、C、A 由由于于变变偶偶性性，细细胞胞内内只只需需要要32种种tRNA，就就能识别能识别61种编码氨基酸种编码氨基酸的密码子。的密码子。（四）密码的通用性和变异性 密密码码的的通通用用性性是是指指各各种种低低等等和和高高等等生生物物，包包括括病病毒毒、细细菌菌及及真真核核生生物物，基基本本上上共共用用一一套套遗遗传传密码。密码。目目前前已已知知线线粒粒体体DNA的的密密码码表表与与通通用用密密码码表表有有所所不不同同。原原核核生生物物支支原原体体中中，终终止止密密码码子子UGA也也被被用用于于编编码码色色氨氨酸酸；少少数数纤纤毛毛类类原原生生动动物物以以终终止密码子止密码子UAA和和UAG编码谷氨酰胺。编码谷氨酰胺。线线粒粒体体中中特特殊殊的的变变偶偶规规则则使使得得只只需需要要22种种tRNA就能识别全部编码氨基酸的密码就能识别全部编码氨基酸的密码子。子。线粒体中变异的密码子密码子密码子UGAAUAAGAAGGCUNCGG通用密码通用密码终止终止IleArgLeuArg动物动物 脊椎动物脊椎动物 果蝇果蝇TrpTrpMetMet终止终止Ser+酵母酵母 酿酒酵母酿酒酵母 光滑球拟酵母光滑球拟酵母 彭贝裂殖酵母彭贝裂殖酵母TrpTrpTrpMetMet+ThrThr+?+丝状真菌丝状真菌Trp+锥虫锥虫Trp+高等植物高等植物+Trp密码子的变异性 在在有有些些情情况况下下密密码码子子的的含含义义可可随随上上下下文文不不同同而而不不同同。在在大大肠肠杆杆菌菌中中，有有时时缬缬氨氨酸酸密密码码子子GUG和和亮亮氨氨酸酸密密码码子子UUG也也可可被被用用作作起起始始密密码码子子。当当其其位位于于特特 殊殊 mRNA翻翻 译译 的的 起起 始始 位位 置置 时时，可可 被被 起起 始始tRNA（tRNAf-Met）识别）识别。蛋白质中硒代半胱氨酸的掺入 少少数数蛋蛋白白质质中中含含有有硒硒代代半半胱胱氨氨酸酸。硒硒代代半半胱胱氨氨酸酸是是在在蛋蛋白白质质合合成成过过程程中中合合成成进进去去的的，而而不不是是蛋蛋白白质质合合成成后后将将其其中中某某种种氨氨基基酸酸修修饰饰而而成成的的。所所以以也也有有人认为硒代半胱氨酸是第人认为硒代半胱氨酸是第21种种蛋白质氨基酸。蛋白质氨基酸。大大肠肠杆杆菌菌中中有有一一种种丝丝氨氨酸酸tRNA，它它能能识识别别阅阅读读框框中中间间的的终终止止密密码码子子UGA。这这种种tRNA负负载载了了丝丝氨氨酸酸后后，在在酶酶的的催催化化下下将将丝丝氨氨酸酸转转变变成成硒硒代代半半胱胱氨氨酸酸，再合成到蛋白质中去。再合成到蛋白质中去。蛋白质中硒代半胱氨酸的掺入 负负载载了了硒硒代代半半胱胱氨氨酸酸的的tRNA在在某某些些蛋蛋白白质质的的协协助助下下，能能识识别别编编码码序序列列中中间间的的UGA，将将硒硒代代半半胱胱氨氨酸酸加加入入，而而不不会会加加到到作作为为终终止止密密码码子子的的UGA上上。在在编编码码硒硒蛋蛋白白的的mRNA中中有有一一段段称称为为硒硒代代半半胱胱氨氨酸酸插插入入序序列列所所构构成成的的二二级级结结构构，帮帮助助硒硒代代半半胱氨酸胱氨酸tRNA识别这种密码子。识别这种密码子。（五）密码的防错系统 同同义义密密码码子子在在密密码码表表中中的的排排列列十十分分有有规规则则，而而且且密密码码子子的的排排列列与与相相应应氨氨基基酸酸的的物物理理化化学学性性质质之之间间存存在在巧巧妙妙的的关关系系。如如非非极极性性的的氨氨基基酸酸排排在在一一起，带电荷的氨基酸排在一起。起，带电荷的氨基酸排在一起。如如果果基基因因的的编编码码区区中中发发生生点点突突变变，很很可可能能不不改改变变氨氨基基酸酸，即即使使改改变变也也很很可可能能改改变变成成性性质质相相近近的的氨氨基基酸酸，这这样样就就可可以以在在很很大大程程度度上上保保持持蛋蛋白白质质产物的活性。产物的活性。go
