遗传密码的“携带者”

（一）模板

以DNA为模板，按碱基互补规律合成mRNA，从而转录了DNA分子中的遗传信息。以这些mRNA为模板，合成的蛋白质的结构和功能也就多种多样。

（二）遗传密码

发现DNA的双螺旋结构之后，分子生物学如雨后春笋般蓬勃发展。许多科学家的研究，使人们基本了解了遗传信息的流动方向：DNA→mRNA→蛋白质。也就是说蛋白质由mRNA指导合成，遗传密码应该在mRNA上。1954年，物理学家George Gamov根据在DNA中存在4种核苷酸，在蛋白质中存在20种氨基酸的对应关系，作出如下数学推理：如果每一个核苷酸为一个氨基酸编码，只能决定4种氨基酸（41＝4）；如果每2个核苷酸为一个氨基酸编码，可决定16种氨基酸（42＝16）。上述2种情况编码的氨基酸数＜20种氨基酸，显然是不可能的。那么如果3个核苷酸为一个氨基酸编码，可编码64种氨基酸（43＝64）。Gamov认为只有43＝64这种关系是理想的，因为在有4种核苷酸条件下，64是能满足20种氨基酸编码的最小数，且符合生物体在亿万年进化过程中形成的和遵循的经济原则，因此认为4个以上核苷酸决定一个氨基酸也是不可能的。1961年，Brenner和Grick根据DNA模板上的脱氧核糖核苷酸序列、mRNA上的核糖核苷酸序列，以及蛋白质上的氨基酸序列，发现三者是一一对应的关系，肯定了3个核苷酸决定一个氨基酸的推理。随后的实验研究证明上述假想是正确的，即mRNA传递遗传信息是通过mRNA分子中碱基排列顺序而实现的， mRNA分子中的遗传密码（genetic code）决定蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。在mRNA的开放阅读框架区，从5′→3′的方向，以每3个相邻的碱基为一组，编码一种氨基酸。串联排列的3个碱基被称为一个三联体密码子（codon）。4种碱基所组成的64种密码子（表11－1），其中61个编码20种直接在蛋白质合成中使用的氨基酸，如AUG代表甲硫氨酸和肽链合成起始密码子；另有3个UAA、UAG、UGA不编码任何氨基酸，而作为肽链合成的终止密码子（terminator codon）。

表11－1 遗传密码表

＊位于mRNA起始部位的AUG又为肽链合成的起始密码子

遗传密码的基本特点如下。

1．密码的方向性 组成密码子的各碱基在mRNA序列中的排列具有方向性。翻译时的阅读方向只能从5′→3′，即从mRNA的起始密码子AUG开始，按5′→3′的方向逐一阅读，直至终止密码子。mRNA阅读框架中从5′－端到3′－端排列的核苷酸顺序决定了肽链中从N－端到C－端的氨基酸排列顺序。密码子AUG具有特殊性，不仅代表甲硫氨酸，如果位于mRNA起始部位，它还代表肽链合成的起始密码子（initiator codon）（图11－1）。

图11－1 mRNA的阅读框架

2．密码的连续性 翻译时从起始密码子开始，沿着mRNA的5′→3′方向，不重叠地连续阅读氨基酸密码子，一直进行到终止密码子停止，结果从N－端到C－端生成一条具有特定顺序的肽链。两个密码子之间没有任何核苷酸加以隔开。因此要正确地阅读密码，必须从起始密码子开始，此后连续不断地一个密码子接一个密码子被连续阅读，直至终止密码子出现。由于密码子的连续性，在开放阅读框中发生插入或缺失1个或2个碱基的基因突变，都会引起这一点以后的读码发生错误，这种错误称为阅读框移位（frame shift）。由于移码引起的突变叫做移码突变，使后续的氨基酸序列大部分被改变（图11－2），其编码的蛋白质彻底丧失功能。如同时连续插入或缺失3个碱基，则只会在蛋白产物中增加1个或缺失1个氨基酸，但不会导致阅读框移位，对蛋白质功能的影响相对较小。

图11－2 不同的开放阅读框会产生完全不同的多肽链

3．密码的简并性与摆动性 密码子的翻译通过与tRNA的反密码子配对反应而实现。只有色氨酸及甲硫氨酸仅有一个密码子。多数氨基酸可由多个密码子编码，这种现象被称为简并性（degeneracy）。如UUA、UUG、CUU、CUC、CUA及CUG均是亮氨酸的密码子。为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子。此种简并性主要是由于密码的第3位碱基呈摆动（wobble）而形成的（表11－2），即密码子的专一性主要由前2个碱基决定，第3位碱基发生突变往往并不改变其密码子编码的氨基酸，从而使合成的蛋白质分子中氨基酸序列不变。同义的密码子越多，生物遗传的稳定性越大。因为当DNA分子上的碱基发生变化时，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氨基酸，在多肽链上就不会表现任何变异。因而简并现象对生物遗传的稳定性具有重要意义。

表11－2 第1位密码子与第3位反密码子的摇摆配对

4．密码的通用性 病毒、细菌、植物、动物到人类都使用着同一套遗传密码。遗传密码的通用性中仍有个别例外，在哺乳动物线粒体内有些密码子编码方式不同于通用遗传密码，如AUA、AUG、AUU都为起始密码子，AUA也可作为甲硫氨酸密码子，UAG为色氨酸密码子，AGA、AGG为终止密码子。