遗传密码( 二 )


遗传密码

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遗传密码验证猜想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胺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胺基酸组成的肽链 。从而表明mRNA上的硷基决定胺基酸 。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 。
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遗传密码破译方法尼伦伯格等发现由三个核苷酸构成的微mRNA能促进相应的胺基酸-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胺基酸 , 然后分析合成的多肽中胺基酸的组成 。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胺基酸 , 于是可确定该三联码就为该胺基酸的遗传密码 。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 。
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尼伦伯格(Nirenberg,Marshall Warren)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胺基酸的类别 , 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胺基酸的频率之间的相关性 , 以此方法也能找出20种胺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胺基酸 , 进一步证实了全部密码子 。破解原理DNA分子是由四种核苷酸的多聚体 。这四种核苷酸的不同之处在于所含硷基的不同 , 即A、T、C、G四种硷基的不同 。用A、T、C、G分别代表四种核苷酸 , 则DNA分子中将含有四种密码符号 。以一段DNA含有1000对核苷酸而言 , 这四种密码的排列就可以有41000种形式 , 理论上可以表达出无限信息 。遗传密码遗传密码(geneticcode)又是如何翻译的呢?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胺基酸序列 。硷基与胺基酸两者之间的密码关係 , 显然不可能是1个硷基决定1个胺基酸 。因此 , 一个硷基的密码子(codon)是不能成立的 。如果是两个硷基决定1个胺基酸 , 那幺两个硷基的密码子可能的组合将是42=16 。这种比现存的20种胺基酸还差4种因此不敷套用 。如果每三个硷基决定一个胺基酸 , 三联体密码可能的组合将是43=64种 。这比20种胺基酸多出44种 , 所以会产生多余密码子 。可以认为是由于每个特定的胺基酸是由1个或多个的三联体(triplet)密码决定的 。一个胺基酸由一个以上的三联体密码子所决定的现象 , 称为简併(degeneracy) 。每种三联体密码决定什幺胺基酸呢?从1961年开始 , 经过大量的实验 , 分别利用64个已知三联体密码 , 找出了与他们对应的胺基酸 。1966-1967年 , 全部完成了这套遗传密码的字典 。大多数胺基酸都有几个三联体密码 , 多则6个 , 少则2个 , 这就是上面提到过的简併现象 。只有色氨酸与甲硫氨酸这两种胺基酸例外 , 只有1个三联体密码 。此外 , 还有3个三联体密码UAA、UAG和UGA不编码任何胺基酸 , 它们是蛋白质合成的终止信号 。三联体密码AUG在原核生物中编码甲醯化甲硫氨酸 , 在真核生物中编码甲硫氨酸 , 并起合成起点作用 。GUG编码结氨酸 , 在某些生物中也兼有合成起点作用 。分析简併现象时可以看到 , 当三联体密码的第一个、第二个硷基决定之后 , 有时不管第三个硷基是什幺 , 都可能决定同一个胺基酸 。例如 , 脯氨酸是由下列四个三联体密码决定的:CCU、CCC、CCA、CCG 。也就是说 , 在一个三联体密码上 , 第一个 , 第二个硷基比第三个硷基更为重要 , 这就是产生简併现象的基础 。同义的密码子越多 , 生物遗传的稳定性越大 。因为当DNA分子上的硷基发生变化时 , 突变后所形成的三联体密码 , 可能与原来的三联体密码翻译成同样的胺基酸 , 或者化学性质相近的胺基酸 , 在多肽链上就不会表现任何变异或者变化不明显 。因而简併现象对生物遗传的稳定性具有重要意义 。历史起源除了少数的不同之外 , 地球上已知生物的遗传密码均非常接近;因此根据演化论 , 遗传密码应在生命历史中很早期就出现 。现有的证据表明遗传密码的设定并非是随机的结果 , 对此有以下的可能解释:韦斯(Carl Richard Woese)认为 , 一些胺基酸与它们相对应的密码子有选择性的化学结合力(立体化学假说 , stereochemical hypothesis) , 这显示现在複杂的蛋白质製造过程可能并非一早存在 , 最初的蛋白质可能是直接在核酸上形成 。但王子晖(J. Tze-Fei Wong)认为 , 胺基酸和相应编码的忠实性反映了胺基酸生物合成路径的相似性 , 并非物理化学性质的相似性(共进化假说 , co-evolution hypothesis) 。谢平指出 , 遗传密码子是生化系统的一部分 , 因此 , 必须与生化系统的演化相关联 , 而生化系统的核心是ATP , 只有它才能建立起核酸和蛋白质之间的联繫(ATP中心假说 , ATP-centric hypothesis):ATP(a)是光能转化成化学能的终端 , (b)导演了一系列的生化循环(如卡尔文循环、糖酵解和三羧酸循环等)及元素重组 , (c)它通过自身的转化与缩合将错综複杂的生命过程信息化——筛选出用4种硷基编码20多个胺基酸的三联体密码子系统、精巧地构建了一套遗传信息的保存、複製、转录和翻译以及多肽链的生产体系 , (d)演绎出蛋白质与核酸互为因果的反馈体系 , 在个体生存的方向性筛选中 , 构筑了对细胞内成百上千种同步发生的生化反应进行秩序化管控(自组织)的複杂体系与规则 , 并最终建立起个性生命的同质化传递机制——遗传 。因此 , 遗传密码子的起源是原始生命从能量转换到信息化的过程中实现的 。