遺傳密碼
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英文名：codon
遺傳密碼又稱密碼子、遺傳密碼子、三聯(lián)體密碼。指信使RNA(mRNA)分子上從5'端到3'端方向，由起始密碼子AUG開(kāi)始，每三個(gè)核苷酸組成的三聯(lián)體。它決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號(hào)。
遺傳密碼是一組規(guī)則，將DNA或RNA序列以三個(gè)核苷酸為一組的密碼子轉(zhuǎn)譯為蛋白質(zhì)的氨基酸序列，以用于蛋白質(zhì)合成。幾乎所有的生物都使用同樣的遺傳密碼，稱為標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼；即使是非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒，它們也是使用標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼。但是也有少數(shù)生物使用一些稍微不同的遺傳密碼。
目錄 |
遺傳密碼-特點(diǎn)
1．連續(xù)性。mRNA的讀碼方向從5'端至3'端方向，兩個(gè)密碼子之間無(wú)任何核苷酸隔開(kāi)。mRNA鏈上堿基的插入、缺失和重疊，均造成框移突變。
2．簡(jiǎn)并性。指一個(gè)氨基酸具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的密碼子。密碼子的第三位堿基改變往往不影響氨基酸翻譯。
3．擺動(dòng)性。mRNA上的密碼子與轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)J上的反密碼子配對(duì)辨認(rèn)時(shí)，大多數(shù)情況遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，但也可出現(xiàn)不嚴(yán)格配對(duì)，尤其是密碼子的第三位堿基與反密碼子的第一位堿基配對(duì)時(shí)常出現(xiàn)不嚴(yán)格堿基互補(bǔ)，這種現(xiàn)象稱為擺動(dòng)配對(duì)。
4．通用性。蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。但已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。
遺傳密碼-破解歷史
遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)50年代的一項(xiàng)奇妙想象和嚴(yán)密論證的偉大結(jié)晶。mRNA由四種含有不同堿基腺嘌呤[簡(jiǎn)稱A]、尿嘧啶（簡(jiǎn)稱U）、胞嘧啶（簡(jiǎn)稱C）、鳥嘌呤（簡(jiǎn)稱G）的核苷酸組成。最初科學(xué)家猜想，一個(gè)堿基決定一種氨基酸，那就只能決定四種氨基酸，顯然不夠決定生物體內(nèi)的二十種氨基酸。那么二個(gè)堿基結(jié)合在一起，決定一個(gè)氨基酸，就可決定十六種氨基酸，顯然還是不夠。如果三個(gè)堿基組合在一起決定一個(gè)氨基酸，則有六十四種組合方式，看來(lái)三個(gè)堿基的三聯(lián)體就可以滿足二十種氨基酸的表示了，而且還有富余。猜想畢竟是猜想，還要嚴(yán)密論證才行。
自從發(fā)現(xiàn)了DNA的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家便開(kāi)始致力研究有關(guān)制造蛋白質(zhì)的秘密。伽莫夫指出需要以三個(gè)核酸一組才能為20個(gè)氨基酸編碼。1961年，美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生院的Matthaei與馬歇爾.沃倫.尼倫伯格在無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)（Cell-free system）環(huán)境下，把一條只由尿嘧啶(U)組成的RNA轉(zhuǎn)釋成一條只有苯丙氨酸(Phe)的多肽，由此破解了首個(gè)密碼子（UUU -> Phe）。隨后哈爾.葛賓.科拉納破解了其它密碼子，接著羅伯特.W.霍利發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄過(guò)程的tRNA。1968年，科拉納、霍利和尼倫伯格分享了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
1 、閱讀方式
破譯遺傳密碼，必須了解閱讀密碼的方式。遺傳密碼的閱讀，可能有兩種方式：一種是重疊閱讀，一種是非重疊閱讀。例如mRNA上的堿基排列是AUGCUACCG。若非重疊閱讀為AUG、CUA、CCG、；若重疊閱讀為AUG、UGC、GCU、CUA、UAC、ACC、CCG 。兩種不同的閱讀方式，會(huì)產(chǎn)生不同的氨基酸排列。克里克用T噬菌體為實(shí)驗(yàn)材料，研究基因的堿基增加或減少對(duì)其編碼的蛋白質(zhì)會(huì)有什么影響。克里克發(fā)現(xiàn)，在編碼區(qū)增加或刪除一個(gè)堿基，便無(wú)法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；增加或刪除兩個(gè)堿基，也無(wú)法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)。但是當(dāng)增加或刪除三個(gè)堿基時(shí)，卻合成了具有正常功能的蛋白質(zhì)。這樣克里克通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了遺傳密碼中三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸，閱讀密碼的方式是從一個(gè)固定的起點(diǎn)開(kāi)始，以非重疊的方式進(jìn)行，編碼之間沒(méi)有分隔符。
2 、驗(yàn)證猜想
1959年聯(lián)體密碼的猜想終于被尼倫伯格(Nirenberg Marshall Warren）等人用體外無(wú)細(xì)胞體系的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。尼倫伯格等人的實(shí)驗(yàn)用人工制成的只含一種核苷酸的mRNA作模板，給以適當(dāng)?shù)臈l件：提供核糖體、ATP、全套必要的酶系統(tǒng)和二十種氨基酸作為原料，接著觀察這已知的核苷酸組成的mRNA翻譯出的多肽鏈。結(jié)果發(fā)現(xiàn)形成一條多個(gè)氨基酸組成的肽鏈。從而表明mRNA上的堿基決定氨基酸。此外實(shí)驗(yàn)同時(shí)也證明了mRNA上的密碼是奇數(shù)的三聯(lián)體，因?yàn)橹挥衅鏀?shù)的三聯(lián)體才能形成交互的二個(gè)密碼。
3、 破譯方法
尼倫伯格等發(fā)現(xiàn)由三個(gè)核苷酸構(gòu)成的微mRNA能促進(jìn)相應(yīng)的氨基酸-tRNA和核糖體結(jié)合。但微mRNA不能合成多肽，因此不一定可靠。科蘭納（Khorana,Har Gobind）用已知組成的兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)組的核苷酸順序人工合成mRNA，在細(xì)胞外的轉(zhuǎn)譯系統(tǒng)中加入放射性標(biāo)記的氨基酸，然后分析合成的多肽中氨基酸的組成。
通過(guò)比較，找出實(shí)驗(yàn)中三聯(lián)碼相同的部分，再找出多肽中相同的氨基酸，于是可確定該三聯(lián)碼就為該氨基酸的遺傳密碼。科蘭納用此方法破譯了全部遺傳密碼，從而和尼倫伯格分別獲得1968年諾貝爾獎(jiǎng)金。
后來(lái)，尼倫伯格等用多種不同的人工mRNA進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察所得多肽鏈上的氨基酸的類別，再用統(tǒng)計(jì)方法推算出人工mRNA中三聯(lián)體密碼出現(xiàn)的頻率，分析與合成蛋白中各種氨基酸的頻率之間的相關(guān)性，以此方法也能找出20種氨基酸的全部遺傳密碼。最后，科學(xué)家們還用了由3個(gè)核苷酸組成的各種多核苷鏈來(lái)檢查相應(yīng)的氨基酸，進(jìn)一步證實(shí)了全部密碼子。
遺傳密碼-歷史起源
除了少數(shù)的不同之外，地球上已知生物的遺傳密碼均非常接近；因此根據(jù)演化論，遺傳密碼應(yīng)在生命歷史中很早期就出現(xiàn)。現(xiàn)有的證據(jù)表明遺傳密碼的設(shè)定并非是隨機(jī)的結(jié)果，對(duì)此有以下的可能解釋:
最近一項(xiàng)研究顯示，一些氨基酸與它們相對(duì)應(yīng)的密碼子有選擇性的化學(xué)結(jié)合力，這顯示現(xiàn)在復(fù)雜的蛋白質(zhì)制造過(guò)程可能并非一早存在，最初的蛋白質(zhì)可能是直接在核酸上形成。
原始的遺傳密碼可能比今天簡(jiǎn)單得多，隨著生命演化制造出新的氨基酸再被利用而令遺傳密碼變得復(fù)雜。雖然不少證據(jù)證明這觀點(diǎn)3，但詳細(xì)的演化過(guò)程仍在探索之中。
經(jīng)過(guò)自然選擇，現(xiàn)時(shí)的遺傳密碼減低了突變?cè)斐傻牟涣加绊憽！ ?/p>
遺傳密碼-密碼子表
此表列出了64種密碼子以及氨基酸的標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)。
| - | - | 第二位堿基 | 第二位堿基 | 第二位堿基 | 第二位堿基 |
| - | - | U | C | A | G |
| 第
一 位 堿 基 |
U | UUU (Phe/F)苯丙氨酸
UUC (Phe/F)苯丙氨酸 UUA (Leu/L)亮氨酸 UUG (Leu/L)亮氨酸 |
UCU (Ser/S)絲氨酸
UCC (Ser/S)絲氨酸 UCA (Ser/S)絲氨酸 UCG (Ser/S)絲氨酸 |
UAU (Tyr/Y)酪氨酸
UAC (Tyr/Y)酪氨酸 UAA （終止） UAG （終止） |
UGU (Cys/C)半胱氨酸
UGC (Cys/C)半胱氨酸 UGA （終止） UGG (Trp/W)色氨酸 |
| 第
一 位 堿 基 |
C | CUU (Leu/L)亮氨酸
CUC (Leu/L)亮氨酸 CUA (Leu/L)亮氨酸 CUG (Leu/L)亮氨酸 |
CCU (Pro/P)脯氨酸
CCC (Pro/P)脯氨酸 CCA (Pro/P)脯氨酸 CCG (Pro/P)脯氨酸 |
CAU (His/H)組氨酸
CAC (His/H)組氨酸 CAA (Gln/Q)谷氨酰胺 CAG (Gln/Q)谷氨酰胺 |
CGU (Arg/R)精氨酸
CGC (Arg/R)精氨酸 CGA (Arg/R)精氨酸 CGG (Arg/R)精氨酸 |
| 第
一 位 堿 基 |
A | AUU (Ile/I)異亮氨酸
AUC (Ile/I)異亮氨酸 AUA (Ile/I)異亮氨酸 AUG (Met/M)甲硫氨酸（起始） |
ACU (Thr/T)蘇氨酸
ACC (Thr/T)蘇氨酸 ACA (Thr/T)蘇氨酸 ACG (Thr/T)蘇氨酸 |
AAU (Asn/N)天冬酰胺
AAC (Asn/N)天冬酰胺 AAA (Lys/K)賴氨酸 AAG (Lys/K)賴氨酸 |
AGU (Ser/S)絲氨酸
AGC (Ser/S)絲氨酸 AGA (Arg/R)精氨酸 AGG (Arg/R)精氨酸 |
| 第
一 位 堿 基 |
G | GUU (Val/V)纈氨酸
GUC (Val/V)纈氨酸 GUA (Val/V)纈氨酸 GUG (Val/V)纈氨酸 |
GCU (Ala/A)丙氨酸
GCC (Ala/A)丙氨酸 GCA (Ala/A)丙氨酸 GCG (Ala/A)丙氨酸 |
GAU (Asp/D)天冬氨酸
GAC (Asp/D)天冬氨酸 GAA (Glu/E)谷氨酸 GAG (Glu/E)谷氨酸 |
GGU (Gly/G)甘氨酸
GGC (Gly/G)甘氨酸 GGA (Gly/G)甘氨酸 GGG (Gly/G)甘氨酸 |
注：（起始）標(biāo)準(zhǔn)起始編碼，同時(shí)為甲硫氨酸編碼。mRNA中第一個(gè)AUG就是蛋白質(zhì)翻譯的起始部位。
遺傳密碼-逆密碼子表
此表列出了和20種氨基酸和密碼子的標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)。
| Ala | A | GCU, GCC, GCA, GCG | Leu | L | UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG |
| Arg | R | CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG | Lys | K | AAA, AAG |
| Asn | N | AAU, AAC | Met | M | AUG |
| Asp | D | GAU, GAC | Phe | F | UUU, UUC |
| Cys | C | UGU, UGC | Pro | P | CCU, CCC, CCA, CCG |
| Gln | Q | CAA, CAG | Ser | S | UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC |
| Glu | E | GAA, GAG | Thr | T | ACU, ACC, ACA, ACG |
| Gly | G | GGU, GGC, GGA, GGG | Trp | W | UGG |
| His | H | CAU, CAC | Tyr | Y | UAU, UAC |
| Ile | I | AUU, AUC, AUA | Val | V | GUU, GUC, GUA, GUG |
| 起始 | AUG | 終止 | UAG, UGA, UAA |
遺傳密碼-技術(shù)細(xì)節(jié)
1、起始和終止密碼子
蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)譯從初始化密碼子（起始密碼子）開(kāi)始，但亦需要適當(dāng)?shù)某跏蓟蛄泻?a href="/w/%E8%B5%B7%E5%A7%8B%E5%9B%A0%E5%AD%90" title="起始因子">起始因子才能使mRNA和核糖體結(jié)合。最常見(jiàn)的起始密碼子為AUG，其同時(shí)編碼的氨基酸在細(xì)菌為甲酰甲硫氨酸，在真核生物為甲硫氨酸，但在個(gè)別情況其它一些密碼子也具有起始的功能。 在經(jīng)典遺傳學(xué)中，終止密碼子各有名稱：UAG為琥珀（amber），UGA為蛋白石（opal），UAA為赭石（ochre）。這些名稱來(lái)源于最初發(fā)現(xiàn)到這些終止密碼子的基因的名稱。終止密碼子使核糖體和釋放因子結(jié)合，使多肽從核糖體分離而結(jié)束轉(zhuǎn)譯的程序。另外，在哺乳動(dòng)物的線粒體中，AGA和AGG也充當(dāng)終止密碼子。
2、簡(jiǎn)并性
大部分密碼子具有簡(jiǎn)并性，即兩個(gè)或者多個(gè)密碼子編碼同一氨基酸。簡(jiǎn)并的密碼子通常只有第三位堿基不同，例如，GAA和GAG都編碼谷氨酰胺。如果不管密碼子的第三位為哪種核苷酸，都編碼同一種氨基酸，則稱之為四重簡(jiǎn)并；如果第三位有四種可能的核苷酸之中的兩種，而且編碼同一種氨基酸，則稱之為二重簡(jiǎn)并，一般第三位上兩種等價(jià)的核苷酸同為嘌呤(A/G)或者嘧啶(C/T)。只有兩種氨基酸僅由一個(gè)密碼子編碼，一個(gè)是甲硫氨酸，由AUG編碼，同時(shí)也是起始密碼子；另一個(gè)是色氨酸，由UGG編碼。 遺傳密碼的這些性質(zhì)可使基因更加耐受點(diǎn)突變。例如，四重簡(jiǎn)并密碼子可以容忍密碼子第三位的任何變異；二重簡(jiǎn)并密碼子使三分可能的第三位的變異不影響蛋白質(zhì)序列。由于轉(zhuǎn)換變異(嘌呤變?yōu)猷堰驶蛘哙奏ぷ優(yōu)猷奏?比顛換變異(嘌呤變?yōu)猷奏せ蛘哙奏ぷ優(yōu)猷堰?的可能性更大，因此二重簡(jiǎn)并密碼子也具有很強(qiáng)的對(duì)抗突變的能力。不影響氨基酸序列的突變稱為沉默突變。
簡(jiǎn)并性的出現(xiàn)是由于tRNA反密碼子的第一位堿基可以和mRNA構(gòu)成擺動(dòng)堿基對(duì)，常見(jiàn)的情況為反密碼子上的次黃嘌呤(I)，以及和密碼子形成非標(biāo)準(zhǔn)的U-G配對(duì)。
另一種有助對(duì)抗點(diǎn)突變的情況，是NUN (N代表任何核苷酸) 傾向于代表疏水性氨基酸，故此即使出現(xiàn)突變，仍有較大機(jī)會(huì)維持蛋白質(zhì)的親水度，減低致命破壞的可能。
3、閱讀框
“密碼子”是由閱讀的起始位點(diǎn)決定的。例如，一段序列GGGAAACCC，如果由第一個(gè)位置開(kāi)始讀，包括3個(gè)密碼子GGG，AAA和CCC。如果從第二位開(kāi)始讀，包括GGA和AAC(忽略不完整的密碼子)。如果從第三位開(kāi)始讀，則為GAA和ACC。故此每段序列都可以分為三個(gè)閱讀框，每個(gè)都能產(chǎn)生不同的氨基酸序列(在上例中，相應(yīng)為Gly-Lys-Pro，Gly-Asp，和Glu-Thr)。而因?yàn)镈NA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，每段DNA實(shí)際上有六個(gè)閱讀框。 實(shí)際的框架是由起始密碼子確定，通常是mRNA序列上第一個(gè)出現(xiàn)的AUG。 破壞閱讀框架的變異(例如，插入或刪除1個(gè)或2個(gè)核苷酸)稱為閱讀框變異，通常會(huì)嚴(yán)重影響到蛋白質(zhì)的功能，故此并不常見(jiàn)，因?yàn)樗麄兺ǔ２荒茉谘莼写婊钕聛?lái)。
4、非標(biāo)準(zhǔn)的遺傳密碼
雖然遺傳密碼在不同生命之間有很強(qiáng)的一致性，但亦存在非標(biāo)準(zhǔn)的遺傳密碼。在有“細(xì)胞能量工廠”之稱的線粒體中，便有和標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼數(shù)個(gè)相異的之處，甚至不同生物的線粒體有不同的遺傳密碼。支原體會(huì)把UGA轉(zhuǎn)譯為色氨酸。纖毛蟲則把UAG(有時(shí)候還有UAA)轉(zhuǎn)譯為谷氨酰胺(一些綠藻也有同樣現(xiàn)象)，或把UGA轉(zhuǎn)譯為半胱氨酸。一些酵母會(huì)把GUG轉(zhuǎn)譯為絲氨酸。在一些罕見(jiàn)情況，一些蛋白質(zhì)會(huì)有AUG以外的起始密碼子。 真菌、原生生物和人以及其它動(dòng)物的粒線體中的遺傳密碼與標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼的差異，主要變化如下：
| 密碼子 | 通常的作用 | 例外的作用 | 所屬的生物 |
| UGA | 中止編碼 | 色氨酸編碼 | 人、牛、酵母線粒體，支原體(Mycoplasma)基因組，如Capricolum |
| UGA | 中止編碼 | 半胱氨酸編碼 | 一些纖毛蟲(ciliate)細(xì)胞核基因組，如游纖蟲屬(Euplotes) |
| AGR | 精氨酸編碼 | 中止編碼 | 大部分動(dòng)物線粒體，脊椎動(dòng)物線粒體 |
| AGA | 精氨酸編碼 | 絲氨酸編碼 | 果蠅線粒體 |
| AUA | 異亮氨酸編碼 | 蛋氨酸編碼 | 一些動(dòng)物和酵母線粒體 |
| UAA | 中止編碼 | 谷氨酰胺編碼 | 草履蟲、一些纖毛蟲(ciliate)細(xì)胞核基因組，如嗜熱四膜蟲(ThermophAilus tetrahymena) |
| UAG | 中止編碼 | 谷氨酸編碼 | 草履蟲核細(xì)胞核基因組 |
| GUG | 纈氨酸編碼 | 絲氨酸編碼 | 假絲酵母核基因組 |
| AAA | 賴氨酸編碼 | 天冬氨酸編碼 | 一些動(dòng)物的線粒體，果蠅線粒體 |
| CUG | 亮氨酸編碼 | 中止編碼 | 圓柱念珠菌(Candida cylindracea)細(xì)胞核基因組 |
| CUN | 亮氨酸編碼 | 蘇氨酸編碼 | 酵母線粒體 |
按信使RNA的序列，在一些蛋白質(zhì)里停止密碼子會(huì)被翻譯成非標(biāo)準(zhǔn)的氨基酸，例如UGA轉(zhuǎn)譯為硒半胱氨酸和UAG轉(zhuǎn)譯為吡咯賴氨酸，隨著對(duì)基因組序列加深了解，科學(xué)家可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)其它非標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)譯方式，以及其它未知氨基酸在生物中的應(yīng)用。
遺傳密碼-基因組的表達(dá)
一個(gè)生物體攜帶的遺傳信息－即基因組－被記錄在DNA或RNA分子中，分子中每個(gè)有功能的單位被稱作基因。每個(gè)基因均是由一連串單核苷酸組成。每個(gè)單核苷酸均由堿基，戊糖(即五碳糖，DNA中為脫氧核糖，RNA中為核糖)和磷酸三部分組成。堿基不同構(gòu)成了不同的單核苷酸。組成DNA的堿基有腺嘌呤(A)，鳥嘌呤(G)，胞嘧啶(C)及胸腺嘧啶(T)。組成RNA的堿基以尿嘧啶(U)代替了胸腺嘧啶(T)。三個(gè)單核苷酸形成一組密碼子，而每個(gè)密碼子代表一個(gè)氨基酸或停止訊號(hào)。
制造蛋白質(zhì)的過(guò)程中，基因先被從DNA轉(zhuǎn)錄為對(duì)應(yīng)的RNA模板，即信使RNA(mRNA)。接下來(lái)在核糖體和轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)以及一些酶的作用下，由該RNA模板轉(zhuǎn)譯成為氨基酸組成的鏈(多肽)，然后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)譯后修飾形成蛋白質(zhì)。詳情參閱轉(zhuǎn)譯。
因?yàn)槊艽a子由三個(gè)核苷酸組成，故一共有43=64種密碼子。例如，RNA序列UAGCAAUCC包含了三個(gè)密碼子：UAG，CAA和UCC。這段RNA編碼了代表了長(zhǎng)度為3個(gè)氨基酸的一段蛋白質(zhì)序列。(DNA也有類似的序列，但是以T代替了U)。
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