密碼子

密碼子

密碼子(codon),即信使RNA鏈上決定一個胺基酸的相鄰的三個鹼基,亦稱三聯體密碼。科學家已經發現,信使RNA在細胞中能決定蛋白質分子中的胺基酸種類和排列次序。也就是說,信使RNA分子中的四種核苷酸(鹼基)的序列能決定蛋白質分子中的20種胺基酸的序列。鹼基數目與胺基酸種類、數目的對應關係是怎樣的呢?為了確定這種關係,研究人員在試管中加入一個有120個鹼基的信使RNA分子和合成蛋白質所需的一切物質,結果產生出一個含40個胺基酸的多肽分子。

基本信息

種類

密碼子密碼子
構成RNA的鹼基有四種,每三個鹼基決定一個胺基酸。從理論上分析鹼基的組合有4的3次方=64種,64種鹼基的組合即64種密碼子。怎樣決定20種胺基酸呢?仔細分析20種胺基酸的密碼子表,就可以發現,同一種胺基酸可以由幾個不同的密碼子來決定,起始密碼子為AUG(甲硫氨酸) , 另外還有UAA、UAG、UGA三個密碼子不能決定任何胺基酸,是蛋白質合成的終止密碼子。1994年版曾邦哲著《結構論》中對密碼子和胺基酸的組合數學計算公式為:C1/4+2C2/4+C3/4=20胺基酸,C1/4+6(C2/4+C3/4)=64密碼子。

區別與聯繫

遺傳信息是指DNA分子中基因上的脫氧核苷(鹼基)排列順序,密碼子是指信使RNA上決定一個胺基酸的三個相鄰鹼基的排列順序,反密碼子是指轉運RNA上的一端的三個鹼基排列順序。其聯繫是:DNA(基因)的遺傳信息通過轉錄傳遞到信使RNA上,轉運RNA一端攜帶胺基酸,另一端反密碼子與信使RNA上的密碼子(鹼基)配對。

特點

①. 遺傳密碼子是三聯體密碼:一個密碼子由信使核糖核酸(mRNA)上相鄰的三個鹼基組成。
密碼子
② 密碼子具有通用性:不同的生物密碼子基本相同,即共用一套密碼子。
③ 遺傳密碼子無逗號:兩個密碼子間沒有標點符號,密碼子與密碼子之間沒有任何不編碼的核苷酸,讀碼必須按照一定的讀碼框架,從正確的起點開始,一個不漏地一直讀到終止信號。
④ 遺傳密碼子不重疊,在多核苷酸鏈上任何兩個相鄰的密碼子不共用任何核苷酸。
⑤ 密碼子具有簡併性:除了甲硫氨酸和色氨酸外,每一個胺基酸都至少有兩個密碼子。這樣可以在一定程度內,使胺基酸序列不會因為某一個鹼基被意外替換而導致胺基酸錯誤。
⑥ 密碼子閱讀與翻譯具有一定的方向性:從5'端到3'端。
⑦有起始密碼子和終止密碼子,起始密碼子有兩種,一種是甲硫氨酸(AUG),一種是纈氨酸(GUG),而終止密碼子(有3個,分別是UAA、UAG、UGA)沒有相應的轉運核糖核酸(tRNA)存在,只供釋放因子識別來實現翻譯的終止。
在信使RNA中,鹼基代碼A代表腺嘌呤,G代表鳥嘌呤,C代表胞嘧啶,U代表尿嘧啶(注意:RNA與DNA不同,RNA沒有胸腺嘧啶T,取而代之的是尿嘧啶U,按照鹼基互補配對原則,U與A形成配對)。

起源

除了少數的不同之外,地球上已知生物的遺傳密碼均非常接近;因此根據演化論,遺傳密碼應在生命歷史中很早期就出現。現有的證據表明遺傳密碼的設定並非是隨機的結果,對此有以下的可能解釋:
最近一項研究顯示,一些胺基酸與它們相對應的密碼子有選擇性的化學結合力,這顯示現在複雜的蛋白質製造過程可能並非一早存在,最初的蛋白質可能是直接在核酸上形成。 原始的遺傳密碼可能比今天簡單得多,隨著生命演化製造出新的胺基酸再被利用而令遺傳密碼變得複雜。雖然不少證據證明這觀點,但詳細的演化過程仍在探索之中。 經過自然選擇,現時的遺傳密碼減低了突變造成的不良影響。
尼倫伯格(M.W.Nirenberg,1927—)和馬太(H.Matthaei)破譯出了第一個遺傳密碼。
尼倫伯格和馬太採用了蛋白質的體外合成技術。他們在每個試管中分別加入一種胺基酸,再加入除去了DNA和mRNA的細胞提取液,以及人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸,結果加入了苯丙氨酸的試管中出現了多聚苯丙氨酸的肽鏈。實驗結果說明,多聚尿嘧啶核苷酸導致了多聚苯丙氨酸的合成,而多聚尿嘧啶核苷酸的鹼基序列是由許多個尿嘧啶組成的(UUUUUUUU......),可見尿嘧啶的鹼基序列編碼由苯丙氨酸組成的肽鏈。結合克里克得出的3個鹼基決定1個胺基酸的實驗結論,與苯丙氨酸對應的密碼子應該是UUU。在此後的六七年裡,科學家沿著蛋白質體外合成的思路,不斷地改進實驗方法,破譯出了全部的密碼子,並編輯出了密碼子表。

作用

密碼錶

修改後的密碼錶
首先,這個不是生物的事實。而是基於已有的20個必需胺基酸首字母縮寫,添加缺如的6個字母后得到的。
依次根據胺基酸三字母縮寫,中文譯名拼音首字母尋找相關,再以其中密碼子簡併性(即重複性)最強的胺基酸為首選進行替代,具體變換為:
GCA,GCG:A→B
AGA,AGG:R→J
CCA,CCG:P→O
UUA,UUG:L→U
GUA,GUG:V→X
CAC:H→Z
對終止密碼子亦進行了調整。
需要強調,這一編碼方案忽略了既有的B、Z的使用,以及忽略了終止密碼子間真實的強弱性。
正向翻譯備選方案
A:GCU,GCC.
B:GCA,GCG.
C:UGU,UGC.
D:GAU,GAC.
E:GAA,GAG.
F:UUU,UUC.
G:GGU,GGC,GGA,GGG.
H:CAU.
I:AUU,AUC,AUA.
J:AGA,AGG.
K:AAA,AAG.
L:CUU,CUC,CUA,CUG.
M:AUG.
N:AAU,AAC.
O:CCA,CCG.
P:CCU,CCC.
Q:CAA,CAG.
R:CGU,CGC,CGA,CGG.
S:UCU,UCC,UCA,UCG,AGU,AGC.
T:ACU,ACC,ACA,ACG.
U:UUA,UUG.
V:GUU,GUC.
W:UGG.
X:GUA,GUG.
Y:UAU,UAC.
Z:CAC.
起始符:AUG【與M的編碼相同,但之後需加空格□(UAA)】
空格□:UAA
斷句符:UAG
終止符:UGA反向翻譯:見圖“修改後的密碼錶” 

胺基酸特性

胺基酸胺基酸
第一位鹼基UUUU(Phe/F)苯丙氨酸
UUC(Phe/F)苯丙氨酸
UUA(Leu/L)亮氨酸
UUG(Leu/L)亮氨酸
UCU(Ser/S)絲氨酸
UCC(Ser/S)絲氨酸
UCA(Ser/S)絲氨酸
UCG(Ser/S)絲氨酸
UAU(Tyr/Y)酪氨酸
UAC(Tyr/Y)酪氨酸
UAA(終止)
UAG(終止)
UGU(Cys/C)半胱氨酸
UGC(Cys/C)半胱氨酸
UGA(終止)
UGG(Trp/W)色氨酸
第一位鹼基CCUU(Leu/L)亮氨酸
CUC(Leu/L)亮氨酸
CUA(Leu/L)亮氨酸
CUG(Leu/L)亮氨酸
CCU(Pro/P)脯氨酸
CCC(Pro/P)脯氨酸
CCA(Pro/P)脯氨酸
CCG(Pro/P)脯氨酸
CAU(His/H)組氨酸
CAC(His/H)組氨酸
CAA(Gln/Q)谷氨醯胺
CAG(Gln/Q)谷氨醯胺
CGU(Arg/R)精氨酸
CGC(Arg/R)精氨酸
CGA(Arg/R)精氨酸
CGG(Arg/R)精氨酸
第一位鹼基AAUU(Ile/I)異亮氨酸
AUC(Ile/I)異亮氨酸
AUA(Ile/I)異亮氨酸
AUG(Met/M)甲硫氨酸(起始)
ACU(Thr/T)蘇氨酸
ACC(Thr/T)蘇氨酸
ACA(Thr/T)蘇氨酸
ACG(Thr/T)蘇氨酸
AAU(Asn/N)天冬醯胺
AAC(Asn/N)天冬醯胺
AAA(Lys/K)賴氨酸
AAG(Lys/K)賴氨酸
AGU(Ser/S)絲氨酸
AGC(Ser/S)絲氨酸
AGA(Arg/R)精氨酸
AGG(Arg/R)精氨酸
第一位鹼基GGUU(Val/V)纈氨酸
GUC(Val/V)纈氨酸
GUA(Val/V)纈氨酸
GCU(Ala/A)丙氨酸
GCC(Ala/A)丙氨酸
GAU(Asp/D)天冬氨酸
GAC(Asp/D)天冬氨酸
GAA(Glu/E)谷氨酸
GGU(Gly/G)甘氨酸
GGC(Gly/G)甘氨酸
GCA(Ala/A)丙氨酸
GCG(Ala/A)丙氨酸
GUG(Val/V)纈氨酸
GAG(Glu/E)谷氨酸
GGG(Gly/G)甘氨酸

語法及舉例

語法

a.以AUG表示進入正式信息編碼區;
b.空格(□)用UAA;
c.逗號或其它文章內斷續標點用UAG;
d.編碼結束(最後一個句號)用UGA表示;
e.默認為表達英語,如果需要表達其它語種,可以在起始信號(5'端)前延長6個鹼基,編碼語言使用語言的國家雙字母縮寫,如拼音加注CN,日語假名羅馬體加注JP等。

舉例

通用語言:IloveU.
中轉:(Start)□I□love□U.
最終的核酸語言:AUGUAAAUUUAACUGCCAGUCGAAUAAUUAUGA
可以和連鶴或串珠等實體結構結合來進行空間變換,加強教學效果。但需要使遊戲者謹記這套密碼系統是修改過的。

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