破译遗传密码

1、破译遗传密码 从dna双螺旋结构的发现到遗传密码破译的发展道路是如此的复杂，以至于我们很难从严格的时代顺序来表述这个问题。 为了弄清楚蛋白质合成过程中基因所发挥的作用，其中有两种可能的途径：1、可以根据dna的分子结构和基因在细胞中的作用来推断dna的作用。2、利用生化手段，主要通过建立体外的蛋白质合成系统。正是利用后一种方法才破译了遗传密码。dna双螺旋发现之后 多数观点都认为：dna双螺旋结构的揭示几乎自然地引出了遗传密码的概念沃森和克里克1953年5月30日发表在自然上的论文 论文发表后，沃森和克里克惊讶地收到了一封乔治盖莫（george gamow）的来信，信中提出了碱基和氨基酸之间的

2、直接对应关系。盖莫的观点是：dna的双螺旋结构包含有20种“空间”，每种“空间”的形状取决于其周围核苷酸的本质。这些“空间”可以是不同氨基酸的“容器”。 盖莫的信让沃森和克里克感到十分吃惊。在那个时候，生物学家有关蛋白质的知识还太模糊了，不可能对氨基酸序列严格的遗传决定论有一个任何清楚的概念。 盖莫之所以能够提出这么一个简单的假设，仅仅是因为他对这个领域无知的结果。 为了证明盖莫是错误的，克里克指出盖莫选择的20种氨基酸不是基本氨基酸。克里克自己选出了20种基本氨基酸，令人吃惊的是，这后来竟然被证明是正确的。 虽然如此，盖莫的提议还是极富成果的。克里克采纳了其中关于遗传密码的想法 盖莫的建议意

3、味着，密码可能被直接破译出来，而不需要做什么实验，不需要研究从dna到蛋白质的所有中间的生化步骤。 在盖莫的密码中，每三个碱基（叫做一个三联体或密码子）编码一种不同的氨基酸，但是编码连续不同氨基酸的三联体是重叠的。 abcdabcdabcdabcdabcd. abc bcd cda 该假设被沃森和克里克否定后，盖莫等又提出了“组合密码”，在这种密码中，碱基的顺序并不重要，重要的是它们的组合。（细胞机器如何识别） 一套“简单”密码的问题在于，如果使用两个字母（碱基），则只能提供16种可能（少于可能存在的氨基酸数目），如果使用三个字母则会有64种可能（又远多于氨基酸的数目）。 另外，如果使用一套无

4、重叠的密码，又存在一个阅读框架的问题。（细胞如何识别） 1957年，克里克和莱斯利奥格尔（leslie orgel）对这些问题提出了一个解决的办法。 如果每个三联体都被在正确的“阅读框架”中阅读的话，那么它将编码一种氨基酸；但是一旦阅读框架被位移了一个碱基的话，那么所有的三联体将失去它们的编码意义。 这意味着，只有20种有意义的密码子 这种密码子数目与氨基酸的数目之间的精确对应关系看起来似乎太完美了，不可能是不对的！ 其他更多的密码子形式被提出来，所有这些密码子模型都：1）力图将“重要的”密码子的数目减少到20种，2）或是找出一种简单的方法来确定阅读框架。 当遗传密码在1961年最终被破译之后

5、，所有这些不同的尝试似乎都显得毫无意义 上述所采用的理论研究方法已经走向了一个死胡同。对蛋白质合成的认识 在1950年的时候，科学家还没有这样的认识：即无论氨基酸的顺序是什么，一条多肽链都能够自发地折叠成一种稳定的构象。 1937年，max bergmann和carl niemann提出了每一种蛋白质都是由2nx3m的氨基酸所组成的。 并不是所有的生化学家都有这样一个蛋白质结构的精确模型。然而，很多生物学家都认为一定有什么规则指导着氨基酸的组装。 1940-1955年间，蛋白质合成的多酶模型得到了广泛接受。但是，这一模型逐渐地被推翻了。一个严重的理论上的难点：多酶复合体中的酶又是怎样被合成的？

6、如果它们自身也是由多酶系统合成的话，整个蛋白质合成系统是如何启动的；而且这也与一个基因一个酶的假说（1941年提出）不符。多酶模型没有给核酸留下一个位置。 1952年，亚历山大道恩斯（alexander dounce）提出了一个与多酶模型迥异的模板模型：根据这个模型，为合成蛋白质，氨基酸在由核酸所形成的骨架上组装。“p1”酶把核苷酸同氨基酸联接起来，非专一性的“p2”酶再把组装在一起的氨基酸通过肽键联接起来。dnaa.a.a.a.a.a.a.a.a.a.a.a.a.a.p1p2p2p2p2p2p2 为了回答“真核生物dna和蛋白质合成场所不一致”的问题，道恩斯在1953年指出，dna可能自身作

7、为合成rna的模板，而rna又是合成蛋白质的模板。 这是对中心法则的一个大胆预言，但不是首先提出的（1947年曾被提出过）。 对道恩斯来说，p1酶单独作用就可使一个氨基酸和一个多核苷酸序列中的一个给定核苷酸联接起来。他第一个认为蛋白质和核酸之间的关系是间接的，而非立体特异的。 1950年左右，很多生物学家都认为一定有什么规则指导着氨基酸的组装。但是，当第一个蛋白质的序列被测定时，试图找出氨基酸成链的任何规则性的希望破灭了。弗雷德里克桑格（frederick sanger）在1955年测定了胰岛素的序列。这个序列表明氨基酸在多肽链上有着精确的位置，但并没有揭示出任何序列上的规则性。frederi

8、ck sanger, (1918) is an english biochemist and a two-time nobel laureate in chemistry, the only person to have been so. in 1958 he was awarded a nobel prize in chemistry for his work on the structure of proteins, especially that of insulin. in 1980, walter gilbert and sanger shared half of the chemi

9、stry prize for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acids.人胰岛素氨基酸序列 看来，以前的认为“蛋白质的合成是一个相对简单的化学过程”的观点是不正确的。基因对蛋白质合成的作用需要进一步研究 1949年，波林发现镰刀形贫血症与血红蛋白结构异常有关；继而詹姆斯尼尔（james neel）发现镰刀形贫血症是一个表现孟德尔现象的遗传病。波林的发现在现代医学史上非常重要，它通过一个分子水平上的紊乱来解释一个病症，而建立了分子医学 1956年弗农英格拉姆（vernon

10、 ingram）发现引起镰刀形贫血症的突变是发生在一条肽链上的单个氨基酸的置换。 英格拉姆的发现对于生化学家有着极其重要的影响：因为它表明基因可以直接干预蛋白质的结构，而且影响了像一个单一氨基酸的本质和位置这种“不重要的细节”。蛋白质体外合成体系的建立 在1950年，亨利博苏克（henry borsook）发现蛋白质合成是在一个特殊的细胞结构微粒体中进行的。 1951年保罗扎麦利克（paul zamecnik）成功地得到了肝细胞匀浆的粗分离样品，利用这些无细胞样品在体外观察到了放射性氨基酸掺和入蛋白质中的现象。 经过一系列改进，1954年扎麦利克建立了一个有蛋白质合成活性的体外系统。这个系统只

11、含有：1）氨基酸2）提供能量的供体分子atp3）微粒体4）细胞粗提物经超速离心之后得 到的上清液paul zamecnik (19122009) was an american scientist who played a central role in the early history of molecular biology. zamecnik pioneered the in vitro synthesis of proteins and helped elucidate the way cells generate proteins. with mahlon hoagland he

12、co-discovered transfer rna (trna). 在这个体外系统中，atp是必不可少的。 对于受过代谢研究方面训练的那些生化学家来说，atp的重要性暗示着一定存在一种通过与atp反应而活化了的氨基酸形式。 一种推测的氨基酸活化形式很快被在扎麦利克实验室工作的马伦霍格兰（mahlon hoagland）所确认。他发现氨基酸被同一种酶催化先固定到atp上，然后固定到一种小分子rna上他称之为可溶性rna。 所以存在着同氨基酸种类一样多的酶的数目。“联接物”假说被证实第一步： aa + atp + 酶(e) e-aa-amp + ppi第二步： e-aa-amp + trna a

13、a-trna + e + amp 这些发现证实了克里克一年前（1954年）所提出的假说。根据这个假说，一定存在有称作“联接物”的小分子rna，它既能够固定氨基酸，又能够与核酸模板发生相互作用。该假说认为存在20种“联接物”rna分子，一种rna对应一种氨基酸，同时存在20种酶可以把一种氨基酸专一性地结合到一种“联接物”rna上 破译遗传密码的最为理论性的方法和生化学家“脚踏实地”式的研究方法的结果殊途同归。 随后不久，扎麦利克又利用细菌提取物建立了一个体外的蛋白质合成系统。随后这个系统又被艾尔弗雷德提西瑞斯（alfred tissieres）所改进。 破译遗传密码的一切条件都具备了破译遗传密码

14、 1961年5月22日，星期一，下午3:30，一位在美国工作的德国生物学家约翰马太（johann matthaei）取了一只试管，将以下物质混合在一起：经过离心分离的细菌提取物分离出来的小分子可溶性rna组分20种合成蛋白质的氨基酸（16种被放射标记）作为能量的atp盐和保持混合物ph值的缓冲液几微克体外人工合成的多聚尿嘧啶（ump） 经过将混合物在35孵育一个小时，马太用三氯乙酸沉淀了混合物中的蛋白质，然后检测其放射性。结果很清楚：在有“多聚尿嘧啶”存在时，氨基酸被掺和到蛋白质中，没有“多聚尿嘧啶”时，没有这种掺入反应发生。 在这一周的剩余时间里，马太夜以继日地工作，以确定在多聚尿嘧啶存在时

15、，那些氨基酸被掺和到蛋白质中了。 5月27日，星期六，早晨6:00，他终于有了答案苯丙氨酸。遗传密码的第一个单词被破译了。 由于马太不得不停止工作两周去参加一个课程，马歇尔尼伦伯格（marshall nirenberg）完成了对实验产物的鉴定工作。 这两位科研人员很快就写成了两篇文章，一篇描述了他们对体外合成系统的一些改进，一篇报告了用不同rna分子，包括多聚尿嘧啶的结果。marshall nirenberg and johann matthaei proc natl acad sci u s a. 1961 october; 47(10): 15881602. 在文章发表之前，他们的结果就成了1961年8月在莫斯科举行的第五届国际生物化学大会的焦点 与会者被他们的结果震惊了。在接下来的几个星期里，有几个小组重复了他们的结果，并把结果扩展到了用其他合成的rna分子进行的实验中。 许多实验室都加入了这场竞赛尼伦伯格建立了一个非常简便的破译遗传密码的方法 克里克和布伦纳（sydney brenner）对付遗传密码问题的绝妙方法（将遗传分析和蛋白质测序结合起来）来得太晚了。它仅仅确认了遗传密码是由三个字母组成的，以及遗传信息是线性的。 但是，这些遗传技术证实了一些密码子的确是“无意义的”，但确是“有用的”，这些密码子的功能仅仅是终止蛋白质的合成。sydney brenne