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遗传密码具有简并性

简并性(degeneracy): 很多氨基酸是由超过1种以上的密码子定义的, 这种现象称为密码子的简并性。

同义密码子(synonym): 同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子。同义密码子一般都不是随机分布的, 其第一、第二位核苷酸往往是相同的, 第三位核苷酸的改变并不一定影响所编码的氨基酸, 这种安排减少了变异对生物的影响。编码某一氨基酸的同义密码子越多, 该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。

当密码子的第1和第2个核苷酸完全相同时, 第3个核苷酸无论是胞嘧啶还是尿嘧啶, 均编码相同的氨基酸, 通常腺嘌呤和鸟嘌呤可以类似地进行互换。

很多生物基因组DNA分子中AT/CG的比例有很大的变异, 但它们的蛋白质分子中氨基酸的比例却没有相应的大变化, 这一现象可以用密码子的简并性, 特别是在密码子第3位单核苷酸的常见的胞嘧啶与尿嘧啶或者腺嘌呤与鸟嘌呤的互换性来解释。

认识密码子组成的规律

密码子组成规律:

  1. 考察密码子在遗传密码中的分布, 可以得到遗传编码的进化趋向于将突变的有害效应减少到最小的规律: 密码子第1个位置上核苷酸的突变将使编码的氨基酸, 即使不完全相同, 也比较相似。密码子第2个位置的核苷酸变化往往使一个氨基酸被另一个非常相似的氨基酸所取代。最后, 如果密码子第3个位置上的核苷酸发生转换突变, 也极少产生出不同的氨基酸。在半数情况下, 即使在这个位置上发生颠换突变, 也不会带来什么不同的后果。
  2. 遗传密码中另一个显而易见的规律是:
    • 当密码子的第1个和第2个位置均为G或C时, 第3个位置上的核苷酸无论为A、T、C或G中的任何一个, 均编码相同的氨基酸。
    • 当密码子的第1个和第2个位置均为A或U时, 第3个位置的核苷酸对蛋白质的编码就会产生影响。

因为G: U碱基对比A: U碱基对强, 当密码子的第1个和第2个位置为结合力强的G:C碱基对时, 密码子将能够耐受第3个位置上碱基的错配。

在第3个位置上使所有4种核苷酸定义相同的氨基酸可能已逐渐进化为一种安全机制, 以便在阅读这种密码时将错误减少到最小。

反密码子的摆动配对

摆动理论(wobble concept): 1966年, Crick根据立体化学原理提出摆动理论, 解释了反密码子中某些稀有成分(如I)的配对以及许多氨基酸有1个以上的密码子问题。例如I可以和密码子上3’端的U、C和A配对, 由于存在摆动现象, 使得反密码子可以和一个以上的mRNA密码子结合。

摆动理论的配对组合:

反密码子中的碱基 密码子种的碱基
G U/C
C G
A U
U A/G
I A/U/C

反密码子的第一个(5’)碱基位于碱基堆叠的末端, 其运动也许比其他两个碱基相对自由些, 因而, 在密码子的第三个(3’)碱基位置上摆动。相反, 不仅反密码子的第三个(3’)碱基位于碱基堆叠的中间, 而且相邻的碱基总是庞大的修饰嘌呤残基。因此, 碱基运动的受限性可能解释了摆动为什么不出现在密码的第一个(5’)位置上。

三个密码子指导链的终止

终止密码子UAA、UAG和UGA不是由特殊的tRNA来阅读, 而是由称为释放因子(RF)的特殊蛋白质所阅读(细菌中为RF1和RF2, 在真核生物种为eRF1)。

补充: 3个终止密码子名称

  • UAA叫赭石密码子
  • UAG叫琥珀密码子
  • UGA叫蛋白石密码

遗传密码是如何破译的？

通过人工合成的mRNA刺激氨基酸的掺入。

混合多聚核苷酸使其它密码子的组成得以确定。

tRNA和特定的三联体密码子结合。

重复共聚物确定密码子。

遗传密码遵循的三条规律

遗传密码遵循指导密码子在mRNA中的排列和使用的三条规律:

  1. 密码子从5’→3’方向阅读。
  2. 密码子不重叠, 信息之间无缝隙。这意味着由相邻的三联体核苷酸所组成的密码子是连续的密码子。
  3. 信息在固定的可读框上翻译, 这些可读框是由起始密码子设定的。

遗传密码的性质:

  1. 遗传密码是三联子密码: 1个密码子由3个核苷酸组成, 它特异性地编码多肽链中的1个氨基酸。
  2. 遗传密码的连续性: 即密码子间没有空格, 密码子不重叠, 阅读mRNA时以密码子为单位, 从5’-3’方向连续阅读, 一次阅读3个核苷酸, 也不能跳过任何mRNA中的核苷酸。
  3. 遗传密码的简并性: 除AUG(Met)和UGG(Trp)以外, 每个氨基酸都有一个以上的密码子, 这种现象称为密码的简并性。
  4. 遗传密码的通用性和特殊性: 所有的生物都有相同的遗传语言, 遗传密码子都是通用的, 但也有少数例外, 如支原体中UGA被用来编码色氨酸。
  5. 密码子与反密码子的相互作用: 在蛋白质的生物合成过程中, tRNA的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与mRNA的密码子相互作用的。
  6. 密码子有起始密码子和终止密码子: 蛋白质合成的起始和终止信号在密码子中。原核生物起始密码子有AUG, GUG, UUG, 在真核生物中只有AUG, 终止密码子都有3个, 又称为无义密码子。没有相应的tRNA存在, 不代表任何氨基酸, 只供释放因子识别来实现翻译的终止。

改变遗传密码的三种点突变

错义突变(missense mutation): 引起编码一种特异氨基酸的密码子成为编码另一种氨基酸的密码子的改变称为错义突变。其结果是有错义突变的基因, 其蛋白质中的一个氨基酸被另一种氨基酸取代。

无义突变(nonsense mutation): 又称为终止突变(stop mutation), 由于突变产生终止密码子从而导致链提前终止。当遗传信息中出现无义突变时, 由于过早的链终止, 不完全的多肽链会从核糖体中释放出来, 生成无功能或无意义的多肽。不完全肽链的大小取决于无义突变的位置。

移码突变(frameshift mutation): 属于点突变的一种, 它是插入或缺失一个或者几个碱基对, 从而改变可读框。在这一突变中, 突变位点之前的密码子不发生改变, 突变位点以后的密码子都发生变化, 编码的氨基酸出现错误。

插入或者缺失一个碱基, 不但显著地改变突变位点的遗传信息编码能力, 而且同样影响下游的遗传信息。

插入或者缺失两个碱基, 其效应将扩散至突变位置下游的所有序列, 导致完全不同的可读框。

插入3个额外碱基, 在3个插入碱基位置上和之间的遗传信息会有显著的改变。但由于密码子是以3个核苷酸为单位的, 在3个插入碱基的下游, mRNA将保持正常的可读框而不发生改变。

抑制突变可以存在于相同或不同的基因中

抑制突变(suppression mutation): 通常有害突变的效应可被第2个遗传变化逆转, 通常在B位点产生其它遗传变化抑制发生在A位点的突变所带来的变化, 称为抑制突变。主要有两种类型: 一是基因间抑制, 即抑制突变和原来的突变位于同一基因内, 但在不同位置上。二是基因内抑制, 即抑制突变发生在另一个基因上。抑制突变可是使第一次突变所产生的失活蛋白质回复到原来具有活性的蛋白质。

有害突变的效应可以被第2个遗传变化逆转。

  1. 简单的逆转突变(reverse mutation)或回复突变(back mutation), 把改变了的核苷酸序列转变回原先的序列。
  2. 突变发生在染色体的不同位置, 通过在B位点产生其他遗传变化抑制发生在A位点的突变所带来的变化。这种抑制突变(suppressor mutation)主要有两种类型
    1. 基因内抑制(intragenicsuppressor), 即抑制突变和原来的突变位于同一个基因内, 但在不同的位置上
    2. 抑制突变发生在另一个基因上的基因间抑制(intergenic suppressor)。
    • 两种突变抑制作用均通过导致产生好的(或部分好的)蛋白质拷贝而起作用, 原有的有害突变则使蛋白质失活。

抑制基因(suppressor gene): 抑制其他基因的突变的基因称为抑制基因。

基因间抑制涉及tRNA

最著名的抑制突变例子之一是突变tRNA基因, 它抑制蛋白质编码基因中无疑突变的效应(但也有抑制错义突变, 甚至移码突变的突变tRNA)。

无义突变抑制也能识别正常的终止信号

无义抑制行为可以看作是抑制tRNA和释放因子之间的竞争, 当一个终止密码子进入核糖体A位点, 是读过去还是多肽链终止, 取决于这两个中的哪一个优先到达该位置。大肠杆菌可以耐受UAG终止密码子的误读, 因为UAG不常用做可读框末端的链终止密码子。因为UAA常常用作链终止密码子, 所以被抑制tRNA识别会导致产生很多异常的长肽链。

遗传密码几乎通用

通用性(universality): 指不论是病毒、原核生物还是真核生物密码子的含义都是相同的。密码子通用性的好处:

  1. 密码子的通用性对于我们了解进化有着重大的影响, 因为它使直接比较基因组序列已知的所有生物的蛋白质序列成为可能。
  2. 遗传密码的通用性还帮助建立了遗传工程领域, 使在代理宿主生物种表达编码有用蛋白质产物的克隆基因成为可能, 如在细菌中产生人类胰岛素。

真核细胞线粒体mRNA中的密码子与胞浆中mRNA的密码子有以下三点不同:

  1. 线粒体中UGA不代表终止密码子, 而是编码Trp;
  2. 线粒体有4个终止密码子: UAA, UAG, AGA, AGG;
  3. 肽链内的Met由其中的AUG和AUA编码。

考点补充

名词补充