遗传密码

基本简介

遗传密码又称密码子、遗传密码子、三联体密码。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。它决定肽链上每一个氨基酸和各氨基酸的合成顺序，以及蛋白质合成的起始、延伸和终止。

遗传密码是一组规则，将DNA或RNA序列以三个核苷酸为一组的密码子转译为蛋白质的氨基酸序列，以用于蛋白质合成。几乎所有的生物都使用同样的遗传密码，称为标準遗传密码；即使是非细胞结构的病毒，它们也是使用标準遗传密码。但是也有少数生物使用一些稍微不同的遗传密码。

基本特点

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链上硷基的插入、缺失和重叠，均造成框移突变。

简并性

指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子。密码子的第三位硷基改变往往不影响氨基酸翻译。

摆动性

mRNA上的密码子与转移RNA(tRNA)J上的反密码子配对辨认时，大多数情况遵守硷基互补配对原则，但也可出现不严格配对，尤其是密码子的第三位硷基与反密码子的第一位硷基配对时常出现不严格硷基互补，这种现象称为摆动配对。

通用性

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。

​破解历史

基本简介

遗传密码的发现是20世纪50年代的一项奇妙想象和严密论证的伟大结晶。mRNA由四种含有不同硷基腺嘌呤（简称A）、尿嘧啶（简称U）、胞嘧啶（简称C）、鸟嘌呤（简称G）的核苷酸组成。最初科学家猜想，一个硷基决定一种氨基酸，那就只能决定四种氨基酸，显然不够决定生物体内的二十种氨基酸。那麽二个硷基结合在一起，决定一个氨基酸，就可决定十六种氨基酸，显然还是不够。如果三个硷基组合在一起决定一个氨基酸，则有六十四种组合方式，看来三个硷基的三联体就可以满足二十种氨基酸的表示了，而且还有富余。

自从发现了DNA的结构，科学家便开始致力研究有关製造蛋白质的秘密。伽莫夫指出需要以三个核酸一组才能为20个氨基酸编码。1961年，美国国家卫生院的Matthaei与马歇尔·沃伦·尼伦伯格在无细胞系统环境下，把一条只由尿嘧啶组成的RNA转释成一条只有苯丙氨酸的多肽，由此破解了首个密码子。随后哈尔·葛宾·科拉纳破解了其它密码子，接着罗伯特·W·霍利发现了负责转录过程的tRNA。1968年，科拉纳、霍利和尼伦伯格分享了诺贝尔生理学或医学奖。

阅读方式

破译遗传密码，必须了解阅读密码的方式。遗传密码的阅读，可能有两种方式：一种是重叠阅读，一种是非重叠阅读。例如mRNA上的硷基排列是AUGCUACCG。若非重叠阅读为AUG、CUA、CCG、；若重叠阅读为AUG、UGC、GCU、CUA、UAC、ACC、CCG。两种不同的阅读方式，会产生不同的氨基酸排列。克裏克用T噬菌体为实验材料，研究基因的硷基增加或减少对其编码的蛋白质会有什麽影响。克裏克发现，在编码区增加或移除一个硷基，便无法产生正常功能的蛋白质；增加或移除两个硷基，也无法产生正常功能的蛋白质。但是当增加或移除三个硷基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。这样克裏克通过实验证明了遗传密码中三个硷基编码一个氨基酸，阅读密码的方式是从一个固定的起点开始，以非重叠的方式进行，编码之间没有分隔设定。

验证猜想

1959年三联体密码的猜想终于被尼伦伯格(Nirenberg Marshall Warren）等人用“体外无细胞体系”的实验证实。尼伦伯格等人的实验用人工製成的只含一种核苷酸的mRNA作模板，提供核糖体、ATP、全套蛋白翻译所必需的酶系统和二十种氨基酸单体等等作为原料，在合适的条件下接着观察这已知的核苷酸组成的mRNA翻译出的多肽链。结果发现形成一条多个氨基酸组成的肽链。从而表明mRNA上的硷基决定氨基酸。此外实验同时也证明了mRNA上的密码是奇数的三联体，因为只有奇数的三联体才能形成互动的二个密码。

破译方法

尼伦伯格等发现由三个核苷酸构成的微mRNA能促进相应的氨基酸-tRNA和核糖体结合。但微mRNA不能合成多肽，因此不一定可靠。科兰纳（Khorana,Har Gobind）用已知组成的两个、三个或四个一组的核苷酸顺序人工合成mRNA，在细胞外的转译系统中加入放射性标记的氨基酸，然后分析合成的多肽中氨基酸的组成。

通过比较，找出实验中三联码相同的部分，再找出多肽中相同的氨基酸，于是可确定该三联码就为该氨基酸的遗传密码。科兰纳用此方法破译了全部遗传密码，从而和尼伦伯格分别获得1968年诺贝尔奖金。

后来，尼伦伯格等用多种不同的人工mRNA进行实验，观察所得多肽链上的氨基酸的类别，再用统计方法推算出人工mRNA中三联体密码出现的频率，分析与合成蛋白中各种氨基酸的频率之间的相关性，以此方法也能找出20种氨基酸的全部遗传密码。最后，科学家们还用了由3个核苷酸组成的各种多核苷链来检查相应的氨基酸，进一步证实了全部密码子。

破解原理

首先是以DNA的一条链为模板合成与它互补的mRNA，根据硷基互补配对原则在这条mRNA链上，A变为U，T变为A，C变为G，G变为C。因此，这条mRNA上的遗传密码与原来模板DNA的互补DNA链是一样的，所不同的只是U代替了T。然后再由mRNA上的遗传密码翻译成多肽链中的氨基酸序列。硷基与氨基酸两者之间的密码关系，显然不可能是1个硷基决定1个氨基酸。

因此，一个硷基的密码子是不能成立的。如果是两个硷基决定1个氨基酸，那麽两个硷基的密码子可能的组合将是42=16。这种比现存的20种氨基酸还差4种因此不敷套用。如果每三个硷基决定一个氨基酸，三联体密码可能的组合将是43=64种。这比20种氨基酸多出44种，所以会产生多余密码子。可以认为是由于每个特定的氨基酸是由1个或多个的三联体密码决定的。一个氨基酸由一个以上的三联体密码子所决定的现象，称为简并。

密码子表

逆密码表