生物化学第37章遗传密码课件

第37章遗传密码(Geneticcode)一、DNA是遗传信息的携带分子二、RNA传递和加工遗传信息三、遗传密码的破译四、遗传密码的基本特性第37章遗传密码(Geneticcode)一、DNA是遗1三、遗传密码的破译蛋白质氨基酸序列的信息存在于核酸的核苷酸序列中，那么它们之间的对应关系是什么呢？

1954年物理学家GamovG首先对遗传密码进行探讨。核酸分子中只有4种碱基，要为蛋白质分子中20种氨基酸编码，显然一种碱基代表一种氨基酸是不行的；如果每两个碱基代表一个氨基酸，4种碱基也只能编码42

=16种氨基酸的信息。所以至少需要3个碱基编码一种氨基酸，这样4种碱基可以编码43=64种氨基酸的信息。三、遗传密码的破译蛋白质氨基酸序列的信息存在于核酸的2遗传密码的理论推测根据理论推测，密码子（codon）应该是三联体（triplet），那么密码子是重叠的还是不重叠的？Gamov指出，重叠的密码子更为经济。但是重叠密码子使氨基酸序列中每一个氨基酸都受前后氨基酸的约束，显然自由度不够。遗传密码的理论推测根据理论推测，密码子（codon）3推测的密码子格式推测的密码子格式4推测的密码子格式推测的密码子格式5Crick的实验

1961年Crick及其同事提供了确切的证据，证明三联体密码子学说是正确的。他们研究了T4噬菌体γⅡ位点A和B两个顺反子变异的影响，这两个基因与噬菌体能否感染大肠杆菌K株有关。实验结果见后：

Crick等的实验结果表明三联体密码是非重叠的，而且连续编码无标点符号隔开。Crick的实验1961年Crick及其同事提供了确6Crick等的实验结果

CATCATCATCATCATCAT

正常-1CATCA∨C

ATCATCATCATC

缺陷-1+1

CATCA∨C

AXTCATCATCAT正常

+3

CAXTXCATXCATCATCAT正常

此实验表明密码子是三联体。∨缺少一个碱基

X增加一个碱

基Crick等的实验结果CAT7无细胞翻译系统

Nirenberg等将大肠杆菌破碎，离心除去细胞碎片，上清液中含有蛋白质合成所需的各种成分，其中包括DNA、mRNA、tRNA、核糖体、氨酰tRNA合成酶以及蛋白质合成必需的各种因子。将上清液保温一段时间，内源mRNA被降解，该系统自身蛋白质的合成停止。当补充外源mRNA以及ATP、GTP和氨基酸等成分，再在37℃保温就能合成新的蛋白质。为了检测某种氨基酸是否掺入了新合成的蛋白质，需将氨基酸用放射性标记。无细胞翻译系统Nirenberg等将大肠杆菌破碎，离8体外翻译研究密码子

Nirenberg等早期实验使用的mRNA是多聚尿嘧啶核苷酸，发现翻译出的肽链是多聚苯丙氨酸，说明UUU代表了苯丙氨酸。

用同样的方法研究出polyC指导多聚脯氨酸合成，polyA指导多聚赖氨酸合成，说明CCC代表了脯氨酸，AAA代表了赖氨酸。

他们实验时使用的Mg2+浓度较高，以致合成的均聚核苷酸不需要起始密码子就可以起始翻译。此时翻译的起点是任意的。体外翻译研究密码子Nirenberg等早期实验使用的9无序polyUG对氨基酸的密码（U:G=5:1)可能的密码子密码子出现的相对频率氨基酸掺入的相对分子数UUU100Phe（100）UUG

UGUGUU20LeuCys（20）Val（20）UGGGUGGGU4Trp（5）ValGly（4）GGG0.8Gly此表有问题无序polyUG对氨基酸的密码（U:G=5:1)可能的10随机AC序列RNA指导翻译多肽中氨基酸出现的频率（A:C=5:1)AminoacidObservedfrequencyofincorporation(Lys=100)Tentativeassignmentfornucleotidecomposition*ofcorrespondingcodonExpectedfrequencyofincorporationbasedonassignment(Lys=100)AsparagineGlutamineHistidineLysineProlineThreonine24246100726A2CA2CAC2AAAAC2,CCCA2C,AC2202041004.824随机AC序列RNA指导翻译多肽中氨基酸出现的频率（A:C=11三核苷酸取代mRNA的实验

1964年Nirenberg发现，用人工合成的三核苷酸取代mRNA，能与其对应的氨酰tRNA一起结合在核糖体上。将此反应混合物通过硝酸纤维素膜过滤，核糖体和三核苷酸以及特异结合的氨酰tRNA形成的复合物能留在膜上。用此方法，可以直接测定三核苷酸与氨基酸的对应关系。三核苷酸取代mRNA的实验1964年Nirenber12三核苷酸取代mRNA的实验RadioactivityonfilterRadioactivityinfiltrateRibosome三核苷酸取代mRNA的实验RadioactivityRadi13重复序列共聚核苷酸指导下多聚氨基酸的合成（Khorana）多聚核苷酸含有的密码子合成的多肽(AG)nAGA，GAG(Arg-Glu)n(UG)nUGU，GUG(Cys-Val)n(AAG)nAAG,AGA,GAA(Lys)n,(Arg)n,(Glu)n(UUG)nUUG,UGU,GUU(Leu)n,(Cys)n,(Val)n(GAU)nGAU,AUG,UGA(Asp)n,(Met)n,详见P510表37-4重复序列共聚核苷酸指导下多聚氨基酸的合成（Khorana）多14遗传密码表（1966年完成）第一位碱基（5’端）第二位碱基（中间）第三位碱基（3’端）UCAGUPhePheLeuLeuSerSerSerSerTyrTyr终止终止CysCys终止TrpUCAGCLeuLeuLeuLeuProProProProHisHisGlnGlnArgArgArgArgUCAGAIleIleIleMetThrThrThrThrAsnAsnLysLysSerSerArgArgUCAGGValValValValAlaAlaAlaAlaAspAspGluGluGlyGlyGlyGlyUCAGback遗传密码表（1966年完成）第一位碱基第二位碱基（中间）第三15TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968"fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis"HarGobindKhoranaMarshallW.NirenbergRobertW.HolleyCornellUniversityNationalInstitutesofHealthUniversityofWisconsin

TheNobelPrizeinPhysiology16四、遗传密码的基本特性（一）密码的基本单位遗传密码的基本单位是按5’→3’方向编码、不重叠、无标点的三联体密码子。AUG为起始密码子，它编码甲硫氨酸，UAA、UAG、UGA为终止密码子，它们不编码任何氨基酸。其余60个密码子对应于19种氨基酸。要正确阅读密码，必须从起始密码子开始，按每3个核苷酸代表一个氨基酸读下去，直至遇到终止密码子为止。四、遗传密码的基本特性（一）密码的基本单位遗传密码的17移码突变若在某处插入或删除1到2个核苷酸，后面的读码框发生错位，称为移码突变。在绝大多数生物中基因是不重叠的，但在少数病毒中，部分基因的遗传密码却是重叠的，尽管基因重叠，但各自的读码框还是按三联体方式连续读码的。移码突变若在某处插入或删除1到2个核苷酸，后面的读码18重叠基因的阅读框重叠基因的阅读框19（二）密码的简并性同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象称为密码子的简并性（degeneracy）。对应于同一种氨基酸的不同密码子称为同义密码子。密码的简并性具有重要的生物学意义，它可以减少有害突变。如果每一种氨基酸只有一种密码子，那么剩下的44个密码子都是无义密码子，基因突变时产生终止密码子的概率会很大，这将极不利于生物生存。（二）密码的简并性同一种氨基酸有两个或更多密码子的现20氨基酸密码子数与氨基酸使用频率的关系密码子数目蛋白质中残基的百分数氨基酸密码子数与氨基酸使用频率的关系密码子数目蛋白质中残基的21（三）密码的变偶性许多编码同一种氨基酸的密码子前2位碱基相同，只是第3位碱基不同；有些氨基酸只有2种密码子，也是前2位相同，第3位都是嘧啶，或者都是嘌呤。从密码表看来，密码子的专一性主要取决于前2位碱基，而第3位碱基起的作用有限。

有些科学家也发现，tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对时，也主要是前2位配对，第3位允许适当的错配。Crick称这种现象为变偶性（wobble，也叫摇摆现象）。（三）密码的变偶性许多编码同一种氨基酸的密码子前2位22反密码子与密码子之间的配对在tRNA的反密码子中，经常在第一位出现次黄嘌呤，第一位的I可以与密码子第3位的U、A、C三者配对。在已知一级结构的tRNA中，其反密码子的第一位没有A，显然I是由A转变而来的。1331反密码子与密码子之间的配对在tRNA的反密码子中，经23反密码子与密码子之间的配对反密码子第一位碱基密码子第三位碱基AUCGGU、CUA、GIU、C、A由于变偶性，细胞内只需要32种tRNA，就能识别61种编码氨基酸的密码子。反密码子与密码子之间的配对反密码子第一位碱基密码子第三位碱基24（四）密码的通用性和变异性密码的通用性是指各种低等和高等生物，包括病毒、细菌及真核生物，基本上共用一套遗传密码。目前已知线粒体DNA的密码表与通用密码表有所不同。原核生物支原体中，终止密码子UGA也被用于编码色氨酸；少数纤毛类原生动物以终止密码子UAA和UAG编码谷氨酰胺。线粒体中特殊的变偶规则使得只需要22种tRNA就能识别全部编码氨基酸的密码子。（四）密码的通用性和变异性密码的通用性是指各种低等和25线粒体中变异的密码子密码子UGAAUAAGAAGGCUNCGG通用密码终止IleArgLeuArg动物脊椎动物果蝇TrpTrpMetMet终止Ser++++酵母酿酒酵母光滑球拟酵母彭贝裂殖酵母TrpTrpTrpMetMet++++ThrThr++?+丝状真菌Trp++++锥虫Trp++++高等植物++++Trp线粒体中变异的密码子密码子UGAAUAAGACUNCGG通用26密码子的变异性在有些情况下密码子的含义可随上下文不同而不同。在大肠杆菌中，有时缬氨酸密码子GUG和亮氨酸密码子UUG也可被用作起始密码子。当其位于特殊mRNA翻译的起始位置时，可被起始tRNA（tRNAf-Met）识别。密码子的变异性在有些情况下密码子的含义可随上下文不同27蛋