6遗传密码要点分析.doc

6 遗传密码 6.1 mRNA与遗传密码 蛋白质是由20种氨基酸组成的，不同的蛋白质中氨基酸排列顺序不同，这种排列顺序是按基因中碱基顺序决定的。 基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程称翻译。即蛋白质的生物合成过程。 6.1.1 mRNA 1956~1961年Jacob等四个实验室用T4噬菌体感染大肠杆菌，发现了真正的模板。T4噬菌体感染后，宿主细胞E. coli的RNA合成停止，转录出的RNA仅来源于T4 DNA，T4 RNA的碱基组成不仅与T4 DNA非常相似，而且能与tRNA和E. coli核糖体结合指导合成蛋白质。因为T4 RNA携带了T4 DNA的遗传信息，所以称为mRNA (messenger RNA)。 现已纯化了许多真核细胞mRNA，并测定了一些mRNA的序列。mRNA都有合成一种多肽链的信息，具有共同的结构特征。如成熟的卵清蛋白mRNA含1859nt。5’端有“帽子”，3’端含poly A。在5’端非翻译序列(64nt)和3’端非翻译序列(637nt)间是编码区(1158nt)。 原核细胞每个mRNA分子带有多个功能相关蛋白质的编码信息，以多顺反子形式排列，可翻译出几种蛋白质。原核mRNA半衰期很短，一般只有2min。 真核细胞每个mRNA一般只带一种肽链编码信息，是单顺反子的形式。mRNA半衰期为1～24hr。 不同的蛋白质有各自不同的mRNA，mRNA除含有编码区外，两端还有非编码区。 非编码区对于mRNA的模板活性是必需的，特别是5’-端非编码区在蛋白质合成中可能是与核糖体结合的部位。 基因中各种序列的一般排列次序为：启动子-5’-端非编码区-编码区-3’-非编码区–终止子。 6.1.2 遗传密码 遗传密码（Genetic code）是DNA上核苷酸与蛋白质中的氨基酸的对应关系。也是mRNA中蕴藏遗传信息的碱基顺序。 mRNA中的4种碱基组成的密码子代表了20种氨基酸，同时决定了翻译过程的起始与终止位置。 所有多肽链都从AUG，终止密码子是UAA、UAG及UGA。 mRNA分子上以5’→3’方向，从AUG开始每3个连续的核苷酸（三联体）组成一个密码子(codon)，决定一种氨基酸。 DNA上从起始密码子至终止密码子间的一段序列称为一个开放读框(open reading frame，ORF或可读框)。 每种氨基酸至少有一种密码子，最多的有6种密码子。通过遗传学和生物化学实验，1966年编排出遗传密码表。 6.2 体外翻译系统 在生物体内，蛋白质合成过程中需要200多种生物大分子参加，包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。 蛋白质体外合成实验 用活跃进行蛋白质合成的大肠杆菌制备细胞提取液，并用放射性同位素标记(3H、14C、35S)的氨基酸以研究氨基酸掺入到蛋白质中的情况。 低温破碎迅速生长的大肠杆菌细胞，离心收集细胞液，加入DNase破坏DNA；在含有核糖体、mRNA、tRNA及酶的细胞液中加入ATP，GTP和放射性氨基酸，于37℃保温不同时间；沉淀蛋白质，从沉淀的放射活性测出氨基酸掺入蛋白质的量。 由于在提取液中存在RNase使mRNA分解，合成一般只进行几min便逐渐减慢以至停止。 如果加入新的mRNA于已停止合成蛋白质的提取液，又可重新开始合成。这证明无细胞体系也可以进行蛋白质的合成。同时，蛋白质合成需要mRNA作为模板。而且用已停止合成蛋白质的提取液，加入不同的mRNA，都可进行蛋白质的合成。 1962年，用E. coil提取液进行体外合成实验，加入细菌病毒f2的RNA，合成了与天然f2蛋白完全相同的蛋白质。证明在体外条件下可准确地按mRNA的遗传信息合成相应的蛋白质。 现在已用无细胞系统合成多种病毒和细菌蛋白以及哺乳动物蛋白（如血红蛋白、轻链和重链免疫球蛋白、肌动蛋白、胶原蛋白、肌球蛋白等），证明高等生物蛋白也能在体外合成。 无细胞翻译体系自身的mRNA可被自解，在加入外源mRNA(人工合成模板）则可利用无细胞翻译体系的蛋白质合成组分，研究mRNA的编码情况。 用于蛋白质的生物合成研究的体外翻译系统主要有：细菌（大肠杆菌）无细胞系统、动物无肝细胞系统、网织红细胞裂解系统和麦胚系统等。只要加入外源mRNA模板，则可进行体外翻译。 6.3 遗传密码的破译 基因密码的破译是多位科学家从五十年代开始，先后经过了数学推理和一系列实验研究，于1966年才解决了这个问题。 6.3.1 遗传密码的推测阶段 1954年物理学家George Gamov提出遗传密码的问题，并根据DNA中有4种核苷酸和蛋白质中有20种氨基酸的对应关系，推理认为3个核苷酸为一个氨基酸编码，可编64种氨基酸(43=64)是最理想的。因为在有四种核苷酸条件下，64是