第10章遗传密码

第十章遗传密码(Genetic code）1内容：1.遗传密码的破译2.遗传密码的基本特性3.突变效应和遗传密码的防错系统4.可读框与重叠基因2 正文：1.遗传密码：DNA链上的核苷酸与蛋白质链上的氨基酸的对应关系2.密码子：mRNA链上三个连续的核苷酸决定一个特定的氨基酸；mRNA链上特定的核苷酸序列对应蛋白质链上特定的氨基酸序列1.1 遗传密码是三联体的推测伽莫夫G.Gamov（1904—1968）:俄国出生的美国物理学家首先对遗传密码进行探讨，第一个提出具体设想。

1954年Gamow在自然杂志发表《脱氧核糖核酸与蛋白质之间的关系》论文提出遗传密码的构想。

●在的双螺旋结构中，四个碱基之间形成一定空穴游离氨基酸进入空穴形成多肽链●四个碱基中由三个碱基决定一种氨基酸，因为氨基酸有20种一个碱基决定一种氨基酸时只能决定41 = 4种两个碱基决定一个氨基酸时只能决定42=16种三个碱基决定一个氨基酸时能决定43=64种四个碱基决定一个氨基酸时能决定44=256种1.2 遗传密码是三联体的证实1961年Crick给出确切证据- 三联体密码是正确的Crick的T4噬菌体实验1961年，Crick与Brenner合作，用大肠杆菌的T4噬菌体实验T4噬菌体r+：能在大肠杆菌B菌株生长形成嗜菌斑;能在大肠杆菌K菌株上生长形成嗜菌斑T4噬菌体r¯: 不能在K菌株上生长，不形成嗜菌斑用可以引起移码突变的丫啶类药物处理野生型噬菌体，在此噬菌体DNA发生缺失1个、2个、3个或插入1个、2个、3个核苷酸的各种突变类型1、缺失一个核苷酸时在K菌株上不生长ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABA BCA BCA BCA BCA BC插入一个核苷酸时在K菌株上不生长ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABC CAB CAB CAB CAB CAB C2、缺失两个核苷酸时在K菌株上不生长ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABB CAB CAB CAB C插入两个核苷酸时在K菌株上不生长ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABC CAB CAB CCA BCA BCA BC3 、缺失三个核苷酸时在K菌株上生长（拟野生型）ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABA BAB ABC ABC插入三个核苷酸时在K菌株上生长（拟野生型）ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABC CAB CAB CCA BCC ABC ABC为四联体时插入三个核苷酸则不在K菌株上生长ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCDABCD ABCD DABC DABC DDAB CDDABCDA BCD该实验证明遗传密码是三联体，非重叠、连续编码。

若是二联体时，缺失或插入三个核苷酸时不会成为拟野生型的，既不能在K菌株上生长在相关碱基序列中增加或删除1个碱基，无法产生正常功能的蛋白质；在相关碱基序列中增加或删除2个碱基，无法产生正常功能的蛋白质；在相关碱基序列中增加或删除3个碱基，却合成了正常功能的蛋白质；结论：1、遗传密码中3个碱基编码一个氨基酸。

2、遗传密码从一个固定的起点开始，以非重读的方式阅读，编码之间没有分隔符。

60年代初，对DNA或RNA中核苷酸顺序尚无法直接分析测定，对蛋白质中氨基酸顺序所知也有限，所以没有办法直接比较二者在顺序上的联系1.3 遗传密码的破译第一个用实验给遗传密码以确切解答的是德国出生的美国生物化学家Nirenberg，1927—1961年他和另一位德国科学家Heinrich Matthaei在美国国家卫生研究院的实验室内发现了苯丙氨酸的密码是RNA上的尿嘧啶（UUU）-(用大肠杆菌的无细胞提取液研究蛋白质的生物合成时发现的).初步破译1961年，当克里克和布伦纳在讨论论证遗传密码为三联体的时候，美国两位年轻的生化学家Nirenberg和Matthaei就开始进行遗传密码的破译标赖标苯丙标苏共用20个试管，每一个试管中的20种氨基酸只用14C标记一种氨基酸当他将多聚U作为模板加入到无细胞体系中时，那就是只有加有标记苯丙氨酸所产生的那一试管蛋白质沉淀具有放射性。

而加其他标记氨基酸的各管则均无放射性进入沉淀。

结果发现用人工合成的多聚U时得到的是多聚苯丙氨酸，说明苯丙氨酸的遗传密码是UUU 第一个密码便被破译出来，即UUU是苯丙氨酸的密码子用同样方法证明又测出CCC是脯氨酸的密码子; AAA是赖氨酸的密码子。

多聚G的氨基酸密码子当时用此法测定时形成二级节后，未能测出GGG为甘氨酸的密码子美国生物化学家Severo Ochoa（1905—）：1955年发现了多核苷酸磷酸化酶（PNP酶）帮助了尼伦贝格合成了同聚核苷酸-多聚U（PolyU）Ochoa因发现此酶而获得1959年诺贝尔奖多聚核苷酸磷酸化酶进一步破译-在取得第一阶段突破性成果之后，Nireberg用混合的核苷酸制备人工合成的mRNA模板，分别测试其作用。

●用2种或3种不同的核苷酸制备mRNA模板时，PNP酶合成的产物都是杂聚物，其中核苷酸的顺序是随机的，无法预测●但各种三联体出现的相对几率则是可以推算出来的●在测定了各种标记氨基酸参入蛋白质的量之后，将其相对参入量和三联体出现的几率加以比较，即可知道每种三联体相对应的是那一种氨基酸含UA的RNA 含UC的RNA 含UG的RNARNA中每种核苷酸的比例取决于各种核苷酸的比例此法的应用有局限性1.密码子中不同核苷酸的比例可以推测出来，但其排序却不能确定；尽管如此编码的范围还是大大缩小了。

2.又发现有些密码子具有重复性，即一种氨基酸可以有多种密码子，但是每一种密码子只编码一种氨基酸。

完全破译1.为了搞清密码子中核苷酸顺序，Nirenberg设计了第三阶段的实验2.采用核糖体结合法新技术，加入的模板是有一定顺序的单个三联体3.实验仍在无细胞体系中进行4.合成了全部64种单个的、顺序固定的三联体密码实验设计●人工合成只含三个核苷酸的片段，如UUG、UGU、GUU等●将三个核苷酸的片段与大肠杆菌核糖体结合●配制含20种氨基酸和相应tRNA的溶液1-20号，每号溶液中各有一种氨基酸是14C标记的●将含有核苷酸片段的核糖体、配制的溶液加在一起，然后硝酸纤维素膜过滤，其他东西可以滤掉，但核糖体过滤不掉，测定核糖体上的放射性可以知道那种氨基酸结合到了核糖体上，测知那种氨基酸的密码子（六）遗传密码是没有标点符号的阅读框架(reading frame): 从起点至终止信号之间所阅读的碱基对，称为一个读码框架。

移码和移码突变：插入或去掉一个碱基，就会使以后的读码发生错误，这称移码，由于移码引起的突变称移码突变。

（七）遗传密码一般情况下是不重叠的起始密码的确定Nirenberg的三联体结合试验是在体外进行的试验，合成时能从任何一个密码子开始，可以合成任意一个氨基酸开头的多肽链。

分不清哪个是起始密码子1966年，英国A.J.Clark等发现在体内进行合成的多肽链，其开头在细菌都为甲酰甲硫氨酸，在真核生物都为甲硫氨酸，且都是从AUG密码子开始把AUG定为起始密码子。

实验结果使50种密码子所对应的氨基酸确定下来●1966年完全确定了编码20种氨基酸的密码子●有三个密码子并不编码任何氨基酸-终止信号●甲硫氨酸的密码子兼作起始信号●除甲硫氨酸和色氨酸只有一个密码子外，其余AA均有一个以上的AA1.4 遗传密码的基本特性不间断性、不重叠性、简并性、通用性通用的三联体密码a、mRNA上连续排列的三个NT序列，编码一个AA信息的遗传单位b、具有四大生物系统（病毒、细菌、动植物）的通用性和保守性（Mt除外）C、一个基因序列中，有不重叠性和无标点性（一）密码的基本单位应用生物化学和遗传学研究技术，已证明三个碱基编码一个氨基酸，所以称为三联体密码(triplet code)或密码子(codon)基本单位是按照5‘-3’方向编码、不重叠、无标点的三联体密码子（二）起始密码与终止密码起始密码子：AUG终止密码子：UAA UAG UGA（三）密码的简并性●同一种AA具有两个或更多个密码子的现象，大多数氨基酸有几组不同的密码子，这一现象称密码的简并●可以编码相同的密码子称同义密码子，仅Trp和Met只有一个密码子生物学意义：可以减少有害突变，对物种稳定起一定作用（四）密码的变偶性wobble hypothesisCrick为解释反密码子中某些稀有成分的配对以及许多氨基酸有两个以上密码子的问题而提出的假说1.密码的简并性主要表现在密码子的第三位碱基上，密码子第三位碱基具有较小的专一性2.有些AA只有两个密码子，第三位或者都是嘧啶或者都是嘌呤称“摆动性”或“变偶性”3.mRNA上的密码子的第一、第二个碱基与tRNA上的反密码子相应的碱基形成强的配对;密码的专一性,主要是由于这两个碱基对决定。

4.当一种氨基酸是由几个不同的密码子编码时,如果密码子的前2个碱基的任一个是不同的,便必须有不同的tRNA。

5.反密码子的第一个碱基(以5‘→3’方向,与密码子的第三个碱基配对)决定一个tRNA所能解读的密码子数目6.当反密码子的第一个碱基是C或A时,则只能和一个密码子结合。

但当反密码子上的第一个碱基是U或G时,则可以和两个密码子结合,即U可以和A或G配对,G可以和C或U配对。

即U可以和A或G配对,G可以和C或U配对。

而当反密码子的第一个碱基是I（次黄嘌呤）时,便可以和3个密码子结合,即I可以和A,U或C配对。

7.变偶性的存在，细胞内只需32种tRNA,就能识别61个编码aa的密码子（五）遗传密码的通用性和变异性遗传密码是近于通用的，指各种低等和高等生物，包括病毒、细菌及真核生物，基本上共用一套遗传密码线粒体DNA的编码方式与通常遗传密码有所不同，称变异性。

脊椎动物的mtDNA含有编码13种蛋白质、2种rRNA和22种tRNA的基因特殊的变偶规则使得22中tRNA就能识别全部AA密码子。