碱基密码子进化突变稳定性详解演示文稿

碱基密码子进化突变稳定性详解演示文稿本文档共28页；当前第1页；编辑于星期六\8点36分优选碱基密码子进化突变稳定性本文档共28页；当前第2页；编辑于星期六\8点36分3.序列的平均长度：4.信息量的极大化利用拉格朗日未定乘子法：化简可得：本文档共28页；当前第3页；编辑于星期六\8点36分n足够大，N为一特定常数，有：遗传信息的可复制性，碱基数N为偶数且一半嘌呤，一半嘧啶。接下来考虑结构的稳定性：1.假设进化是以单碱基突变为主要形式，突变有两种：

a.转换突变、b.颠换突变本文档共28页；当前第4页；编辑于星期六\8点36分转换突变：嘌呤与嘌呤之间或嘧啶与嘧啶之间颠换突变：嘌呤与嘧啶之间自对的突变率很小，例如A-A本文档共28页；当前第5页；编辑于星期六\8点36分2.突变频率为：这里K是一个密码字内碱基数目，a、b分别是转换和颠换突变常数。3.若氨基酸的数目为L，给定L下的突变率M：本文档共28页；当前第6页；编辑于星期六\8点36分17≤L≤6465≤L≤256N=200N=4K(=3)K(=4)N=62K(=2,3)2K(=3,4)N=83K(=2)3K(=3)N=104K(=2)4K(=2,3)本文档共28页；当前第7页；编辑于星期六\8点36分讨论1.N=4的稳定性是最高的，N=6次稳定。2.当L≤36，6种碱基的二联体（K=2）作为密码子来编码氨基酸，稳定性也相当高。3.实验已发现某些类嘌呤和类嘧啶物质也可构成碱基对，因此这种密码系统需要注意。4.或者进化从原有基础上(N=4,K=3)扩展为(N=6,K=3)，即保持三联体编码的道路。本文档共28页；当前第8页；编辑于星期六\8点36分二、遗传密码的简并规则遗传密码的极高普适性和内在单纯性说明了密码表的构成遵循一定的逻辑。我们试图从进化稳定性的角度说明现有密码表的结构，即讨论每一氨基酸和终止密码在密码表上的排布：

1.每一多重态的简并规则；（局部性）

2.多重态如何分布在密码表上。（整体性）本文档共28页；当前第9页；编辑于星期六\8点36分本文档共28页；当前第10页；编辑于星期六\8点36分由密码表观察到：1.二度简并密码子分布在方块的上方或下方，2.四度简并密码子占据整个方块，3.三度密码子也仅在16方块中的一块，即密码子1，2位相同，3位是突变。4.终止密码子三度简并。5.六度简并密码子是一个四度加一个二度。本文档共28页；当前第11页；编辑于星期六\8点36分讨论密码子的简并规则前提假设：

发展总是向稳定化方向前进，即现在的密码表是目前最稳定的，能够抵抗碱基突变干扰；

对于每一假想密码子多重态，可定义一个突变危险性系数(mutationaldeterioration,MD),代表这个多重态受到突变干扰的频率和引起的危险性。本文档共28页；当前第12页；编辑于星期六\8点36分MD的极小化可确定密码的简并规则。突变危险性系数包括三类：a.单碱基转换突变(U↔C,G↔A)，系数u；b.单碱基颠换突变(U↔A,G↔C,C↔A,U↔G)，系数v；c.附加摆动突变系数wu,wv

只对密码子第三碱基有效本文档共28页；当前第13页；编辑于星期六\8点36分1966年，Crick根据立体化学原理提出摆动学说，解释了反密码子中某些稀有成分（如I）的配对。摆动学说认为，在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动”，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。本文档共28页；当前第14页；编辑于星期六\8点36分前提假定4v>u>2vwv>u-vwu-wv>u+vwu<4wv危险性方面，转换突变大于颠换突变，摆动突变最大，特别是转换摆动突变本文档共28页；当前第15页；编辑于星期六\8点36分以下标志描述两密码子位置关系：不相邻转换相邻(第3位)颠换相邻(第3位)转换相邻(第1，2位)颠换相邻(第1，2位)本文档共28页；当前第16页；编辑于星期六\8点36分MD(2)=c2=6u+12v+2wu+4wvMD(2)=c2-2uMD(2)=c2-2vMD(2)=c2-2v-2wvMD(2)=c2-2u-2wu二度简并密码子突变极小化本文档共28页；当前第17页；编辑于星期六\8点36分由于u>v且u+wu>v+wv因此即二密码子简并取转换相邻。目前，9个二度简并都属于此。MD(2)=c2-2u-2wu最小本文档共28页；当前第18页；编辑于星期六\8点36分MD(3)=c3=9u+18v+3wu+6wvMD(3)=c3-2u-4v-2wu-4wv三度简并密码子突变极小化突变危险性最小情况：Ile的三度密码子简并属于此种情况。由于u>v且u+wu>v+wv，2wv>u-2v本文档共28页；当前第19页；编辑于星期六\8点36分MD(4)=c4=12u+24v+4wu+8wvMD(4)=c4-4u-8v-4wu-8wv四度简并密码子突变极小化突变危险性最小情况：5个四度密码子简并均属于此种情况。由于u>v且u+wu>v+wv，2wv>u-2v本文档共28页；当前第20页；编辑于星期六\8点36分总突变危险性：MD(5)=c5=15u+30v+5wu+10wvMD(5)=c5-6u-8v-4wu-8wv五度简并密码子突变极小化突变危险性最小情况：若存在五度兼并密码子，必属于此种情况。由于u>v且u+wu>v+wv，2wv>u-2v本文档共28页；当前第21页；编辑于星期六\8点36分总突变危险性：MD(6)=c6=18u+36v+6wu+12wvMD(6)=c6-10u-8v-6wu-8wv六度简并密码子突变极小化突变危险性最小情况：由于u>v且u+wu>v+wv，2wv>u-2vLeu本文档共28页；当前第22页；编辑于星期六\8点36分MD(6)=c6-6u-12v-6wu-8wv突变危险性次小情况：ArgMD(6)=c6-6u-8v-6wu-8wv突变危险性第三小情况：Ser本文档共28页；当前第23页；编辑于星期六\8点36分终止密码子突变危险性由于密码子不与tRNA相互作用，故不引入摆动突变。MD(3)=c3=9u+18vMD(3)=c3-4u=5u+18v突变危险性最小情况：终止密码子简并属于此种情况。本文档共28页；当前第24页；编辑于星期六\8点36分从极小MD到次小MD的距离dMD(2)=2(wu-wv+u-v)dMD(3)=2(2wv-u+2v)dMD(4)=4(2wv-u+2v)本文档共28页；当前第25页；编辑于星期六\8点36分dMD(6Leu,Arg)=4(u-v)dMD(6Leu,Ser)=4u除六重态外，其它态的“基态”比“激发态”稳定的多。而六重态的三个氨基酸接近于简并，因此可解释6重态的分布。本文档共28页；当前第26页；编辑于星期六\8点36分u=2.5v,wu=9v,wv=2.5vdMD(2)MDmin(2)dMD(3)MDmin(3)dMD(4)MDmin(4)dMD(6,Arg)MDmin(6)dMD(6,Ser)MDmin(6)50%20%50%10%17%这样，我们从一个统一的观点解释了各种简并度的氨基酸和终止密码