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15.1: 遗传密码

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    培养技能

    • 解释蛋白质合成的 “中心教条”
    • 描述遗传密码以及核苷酸序列如何规定氨基酸和蛋白质序列

    细胞转录过程产生信使 RNA (mRNA)，这是一个或多个基因的移动分子拷贝，字母为 A、C、G 和尿嘧啶 (U)。 mRNA 模板的翻译将基于核苷酸的遗传信息转化为蛋白质产物。 蛋白质序列由20种常见的氨基酸组成；因此，可以说蛋白质字母表由20个字母组成（图\(\PageIndex{1}\)）。 每种氨基酸都由称为三重密码子的三核苷酸序列定义。 不同的氨基酸具有不同的化学成分（例如酸性与碱性，或极性和非极性）和不同的结构约束。 氨基酸序列的变化导致蛋白质结构和功能的巨大变化。

    给出了二十种氨基酸的结构。 六种氨基酸——甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸——是非极性和脂肪族的，这意味着它们没有环。 六种氨基酸——丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、脯氨酸、天冬酰胺和谷氨酸——具有极性但没有电荷。 三种氨基酸——赖氨酸、精氨酸和组氨酸——带正电荷。 两种氨基酸，谷氨酸和天冬氨酸，带负电荷。 三种氨基酸——苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸——是非极性和芳香性的。
    图\(\PageIndex{1}\)：显示了蛋白质中发现的20种氨基酸的结构。 每种氨基酸都由一个氨基团 (\(\text{NH}_3^+\))、一个羧基 (COO -) 和一个侧链（蓝色）组成。 侧链可以是非极性、极性或带电的，也可以是大或小。 正是氨基酸侧链的多样性导致了蛋白质结构和功能的惊人变化。

    中心教条：DNA 编码 RNA；RNA 编码蛋白质

    Central D ogma（图\(\PageIndex{2}\)）描述了细胞中遗传信息从 DNA 到 mRNA 再到蛋白质的流动，该教条指出，基因指定了 mRNA 的序列，而后者又指定了蛋白质序列。 一个分子到另一个分子的解码是由特定的蛋白质和RNA完成的。 由于存储在 DNA 中的信息对细胞功能至关重要，因此直观地认为，细胞将制作这些信息的 mRNA 拷贝用于蛋白质合成，同时保持 DNA 本身的完整性和保护。 将DNA复制到RNA相对简单，在DNA链中读取的每一个核苷酸都会在mRNA链中添加一个核苷酸。 蛋白质的翻译要复杂一些，因为三个 mRNA 核苷酸对应于多肽序列中的一个氨基酸。 但是，蛋白质的翻译仍然是系统和共线性的，因此核苷酸 1 到 3 对应于氨基酸 1，核苷酸 4 到 6 对应于氨基酸 2，依此类推。

    要制造蛋白质，必须将 DNA 编码的遗传信息转录到 mRNA 分子上。 然后通过拼接去除外显子以及添加一个 5' 帽和一个 Poly-A 尾巴来处理 RNA。 然后，核糖体读取 mRNA 上的序列，并利用这些信息将氨基酸串成蛋白质。
    图\(\PageIndex{2}\)：DNA 上的指令被转录到信使 RNA 上。 核糖体能够读取刻在信使 RNA 链上的遗传信息，并利用这些信息将氨基酸串合成蛋白质。

    遗传密码是退化的，是普遍的

    鉴于 mRNA 和蛋白质 “字母” 中不同数量的 “字母”，科学家们认为，核苷酸的组合对应于单氨基酸。 核苷酸双联体不足以指定每种氨基酸，因为只有16种可能的双核苷酸组合（4 2）。 相比之下，有64种可能的核苷酸三联体（4 3），远远超过氨基酸的数量。 科学家们认为，氨基酸是由三联核苷酸编码的，遗传密码是退化的。 换句话说，给定的氨基酸可以由多个核苷酸三联体编码。 这后来通过实验得到证实；弗朗西斯·克里克和悉尼·布伦纳使用化学诱变剂 proflavin 将一个、两个或三个核苷酸插入病毒的基因中。 当插入一两个核苷酸时，蛋白质合成被完全取消。 当插入三个核苷酸时，蛋白质被合成并起作用。 这证明三个核苷酸指定了每种氨基酸。 这些核苷酸三联体被称为密码子。 插入一两个核苷酸完全改变了三联体读取框架，从而改变了后续每一个氨基酸的信息（图\(\PageIndex{4}\)）。 尽管插入三个核苷酸会导致在翻译过程中插入额外的氨基酸，但其余蛋白质的完整性得以维持。

    科学家们通过体外翻译合成 mRNA 并对他们指定的蛋白质进行测序，精心解开了遗传密码（图\(\PageIndex{3}\)）。

    该图显示了所有 64 个密码子。 其中 62 个是氨基酸密码，三个是终止密码子。
    图\(\PageIndex{3}\)：该图显示了将mRNA中的每个核苷酸三联体转化为新生蛋白质中的氨基酸或终止信号的遗传密码。 （来源：美国国立卫生研究院对作品的修改）

    除了指示在多肽链中添加特定的氨基酸外，64 个密码子中的三个还会终止蛋白质合成并从翻译机制中释放出多肽。 这些三胞胎被称为废话密码子或停止密码子。 另一个密码子 AUG 也有一个特殊的功能。 除了指定氨基酸甲硫氨酸外，它还可以作为启动翻译的起始密码子。 翻译的读取框架由 AUG 起始密码子在 mRNA 5' 末端附近设定。

    遗传密码是通用的。 除了少数例外，几乎所有物种都使用相同的遗传密码进行蛋白质合成。 保护密码子意味着编码马体内球蛋白的纯化mRNA可以转移到郁金香细胞中，而郁金香将合成马珠蛋白。 只有一个遗传密码有力地证明地球上所有生命都有共同的起源，特别是考虑到有大约10 84 种可能的20个氨基酸和64个三重密码子的组合。

    链接到学习

    使用互补配对和该位点的遗传密码转录基因并将其转化为蛋白质。

    插图显示了一个 frameshift 突变，其中两个氨基酸的缺失会改变阅读框架。
    图\(\PageIndex{4}\)：两个核苷酸的缺失改变了mRNA的读取框架，改变了整个蛋白质信息，从而产生了非功能性蛋白质或完全终止了蛋白质合成。

    退化被认为是减少随机突变负面影响的细胞机制。 指定相同氨基酸的密码子通常只有一个核苷酸的区别。 此外，具有化学相似侧链的氨基酸由相似的密码子编码。 遗传密码的这种细微差别确保了单核苷酸替代突变可能指定相同的氨基酸但没有作用，或者指定了相似的氨基酸，从而防止蛋白质完全失效。

    科学方法连接：哪个有更多 DNA：奇异果还是草莓？

    照片显示了一小片绿色奇异果和一碗草莓。
    图\(\PageIndex{5}\)：你认为奇异果或草莓每种水果有更多的 DNA 吗？ （来源 “kiwi”：“Kelbv” /Flickr；来源：“草莓”：Alisdair McDiarmid）

    问题：大小大致相同的奇异果和草莓（图\(\PageIndex{5}\)）的DNA量也会大致相同吗？

    背景：基因携带在染色体上，由DNA组成。 所有哺乳动物都是二倍体，这意味着它们每条染色体有两个副本。 但是，并非所有植物都是二倍体。 常见的草莓是八倍体（8 n），培育的奇异果是六倍体（6 n）。 研究每种水果细胞中的染色体总数，并考虑这与这些水果细胞核中的DNA量有何对应。 阅读有关 DNA 分离技术的信息，了解分离方案中的每一步如何帮助释放和沉淀 DNA。

    假设：假设你能否检测到大小相似的草莓和奇异果的 DNA 数量的差异。 你认为哪种水果会产生更多的 DNA？

    检验你的假设：从大小相似的草莓和奇异果中分离出DNA。 对每种水果进行至少三份的实验。

    1. 从 900 mL 水、50 mL 餐具洗涤剂和两茶匙食盐中准备一瓶 DNA 提取缓冲液。 通过反向混合（盖上盖子然后将其倒置几次）。
    2. 用手在塑料袋中研磨草莓和奇异果，或者用研浆和杵研磨，或者用金属碗和钝器末端研磨。 每个水果至少研磨两分钟。
    3. 在每种水果中加入 10 mL 的 DNA 提取缓冲液，并充分混合至少一分钟。
    4. 通过粗棉布或多孔布将每种水果混合物过滤到放置在试管或适当容器中的漏斗中，去除细胞碎屑。
    5. 将冰冷的乙醇或异丙醇（外用酒精）倒入试管中。 你应该观察白色沉淀的 DNA。
    6. 将每种水果缠绕在单独的玻璃棒上，从中收集DNA。

    记录您的观察结果：由于您没有定量测量 DNA 体积，因此您可以记录每项试验中两种水果产生的DNA量是否与眼睛观察到的相同或不同量。 如果一种或另一种水果产生的DNA明显更多，也要记录下来。 确定您的观察结果是否与每种水果的几块一致。

    分析您的数据：您是否注意到每种水果产生的DNA量有明显的差异？ 你的结果可以重复吗？

    得出结论：鉴于你对每种水果中染色体数量的了解，你能否得出染色体数量必然与DNA数量相关的结论？ 你能找出这个程序有什么缺点吗？ 如果你有机会进入实验室，你怎么能将比较标准化并使其更具定量性？

    摘要

    遗传密码是指DNA字母（A、T、C、G）、RNA字母（A、U、C、G）和多肽字母（20 个氨基酸）。 中央教条描述了细胞中遗传信息从基因到 mRNA 再到蛋白质的流动。 基因用于通过转录过程制造 mRNA；mRNA 用于通过翻译过程合成蛋白质。 遗传密码是退化的，因为 mRNA 中的 64 个三重密码子仅指定 20 个氨基酸和 3 个无意义密码子。 地球上几乎每个物种都使用相同的遗传密码。

    词汇表

    中央教条
    指出基因指定了mRNA的序列，而mRNA反过来又指定了蛋白质的序列
    密码子
    mRNA 中连续三个核苷酸，指定翻译过程中氨基酸的插入或多肽链的释放
    共线性
    在RNA和蛋白质方面，三个 “单位” 的RNA（核苷酸）连续指定一个 “单位” 的蛋白质（氨基酸）
    堕落
    （遗传密码）描述给定的氨基酸可以由多个核苷酸三联体编码；该密码是退化的，但并不模棱两可
    废话密码子
    指定终止翻译的三个 mRNA 密码子之一
    阅读框架
    mRNA 中指定特定蛋白质的三重密码子序列；一个或两个核苷酸向任一方向的核糖体转移完全消除了该蛋白质的合成