“遺傳密碼”解讀與例析

江蘇 張卓鵬

“遺傳密碼”解讀與例析

江蘇 張卓鵬

遺傳密碼又稱密碼子、三聯體密碼，是指信使RNA（mRNA）分子上從5′端（磷酸基團的末端）到3′端（羥基的末端）方向，由起始密碼子AUG或GUG開始，每三個核糖核苷酸組成的三聯體。1967年科學家破譯了全部密碼子并繪制了密碼子表。下面結合實例對遺傳密碼子的特點進行解讀分析，以便對遺傳密碼子表的信息有較全面地掌握。

一、三聯體密碼

【例1】人體細胞內編碼20種氨基酸的密碼子總數為（ ）

A. 4 B. 64

C. 20 D. 61

【解析】能組成生物蛋白的氨基酸約20種，而mRNA只含有4種核苷酸，由4種核苷酸構成的序列是如何決定多肽鏈中多至20種氨基酸的序列呢？顯然，在核苷酸和氨基酸之間不能采取簡單的一對一的對應關系。2個核苷酸決定一個氨基酸最多也只能編碼16種氨基酸，如果用3個核苷酸決定一個氨基酸，43=64，就足以編碼20種氨基酸了，這說明可能需要3個或更多個核苷酸編碼一個氨基酸。在64個密碼子中，有3個密碼子不編碼任何氨基酸，而成為肽鏈合成的終止信號，稱為終止密碼子或無義密碼子，它們是UAA、UAG、UGA。其余的61個密碼子編碼20種氨基酸，其中AUG和GUG分別是甲硫氨酸和纈氨酸的密碼子，同時二者又是肽鏈合成的起始信號，稱為起始密碼子。

【答案】D

二、方向性

【例2】某一種tRNA的反密碼子是5′UGA3′，它識別的密碼子序列是 （ ）

A. 3′UCA5′ B. 5′UCA3′

C. 5′ACT3′ D. 3′ACT5′

【解析】mRNA上的密碼子與轉運RNA（tRNA）上的反密碼子配對辨認時，遵守堿基互補配對原則，密碼子的第三位堿基與反密碼子的第一位堿基配對，讀碼順序均為5′端堿基→3′端堿基。因此密碼子也具有方向性，即mRNA從5′端到3′端的核苷酸排列順序就決定了多肽鏈中從N端到C端的氨基酸排列順序，從而決定翻譯的方向性。

【答案】B

三、不間斷性

【例3】如果……ACGUUUUCUUACGCCU……是某基因產生的 mRNA中的一個片段，如果在序列中某一位置增添了一個堿基，則表達時可能發生 （ ）

①肽鏈中的氨基酸序列全部改變

②肽鏈提前中斷

③肽鏈延長

④沒有變化

⑤不能表達出肽鏈

A. ①②③④⑤ B. ①②③④

C. ①③⑤ D. ②④⑤

【解析】若增添一個堿基后，導致密碼子編組改變，從添加一個堿基的那個密碼子開始，一直到末尾都出現誤讀，相應的氨基酸序列也會從某個氨基酸開始發生全面的改變。這種情況就有可能發生①；若增添一個堿基后，使正常的密碼子變成終止密碼子，則肽鏈將提前中斷。這種情況就有可能發生②；若增添了一個堿基后，使終止的密碼子變成正常密碼子，則會使肽鏈延長，就可能發生③；若增添的一個堿基位于基因的內含子中，內含子不進行轉錄和翻譯，則可能發生④；若增添的一個堿基使原有的起始密碼子遭到破壞，又正好這段mRNA中原先只有一個起始密碼子，則就可能發生⑤。

【答案】A

四、不重疊性

【例4】某mRNA中堿基序列GAUCGA，每3個堿基確定一個氨基酸。按照重疊方式和非重疊方式閱讀，分別能表示的氨基酸為 （ ）

A. 4種和2種

B. 5種和2種

C. 6種和2種

D. 2種和2種

【解析】題中堿基序列，如果按照重疊方式閱讀，可以有GAU、AUC、UCG、CGA四種讀法，如果按不重疊方式閱讀，可以有GAU、CGA兩種讀法。而實際上對于特定的三聯體密碼而言，其中的每個核苷酸都具有不重疊性。例如，如果RNA分子UCAGACUGC的密碼解讀順序為：UCA、GAC、UGC，則它不可以同時解讀為UCA、CAG、AGA、GAC……不重疊性使密碼解讀簡單而準確無誤。并且，當一個核苷酸被異常核苷酸取代時，不會在肽鏈中影響到多個氨基酸。不過，在大腸桿菌噬菌體基因組中，確有部分遺傳密碼是重疊使用的，這可以看成一種例外現象。

【答案】A

五、簡并性和擺動性

【例5】 若mRNA上決定氨基酸的某個密碼子的一個堿基發生替換，則識別該密碼子的tRNA及其攜帶的氨基酸的變化情況是 （ ）

A. tRNA一定改變，氨基酸不一定改變

B. tRNA不一定改變，氨基酸不一定改變

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C. tRNA一定改變，氨基酸一定改變

D. tRNA不一定改變，氨基酸一定改變

【解析】 mRNA上的密碼子與轉運RNA（tRNA）上的反密碼子配對遵守堿基互補配對原則，但也可出現不嚴格配對，尤其是密碼子的第三位堿基與反密碼子的第一位堿基配對時常出現不嚴格堿基互補，這種現象稱為擺動配對。密碼第3位（即3′端）堿基與反密碼子的第1位（即5′端）堿基配對具有一定自由度，有時會出現多對一的情況。除色氨酸和甲硫氨酸只有一個密碼子外，其余氨基酸有多個密碼子，以2～4個居多，最多的可有6個。這種由多種密碼子編碼一種氨基酸的現象稱為簡并性，代表一種氨基酸的密碼子稱為同義密碼子。從遺傳密碼表可看到，決定同一種氨基酸密碼子的頭兩個核苷酸往往是相同的，只是第三個核苷酸不同，表明密碼子的特異性由第一、第二個核苷酸決定，第三位堿基發生替換時仍可翻譯出正常的氨基酸。由于簡并性，某些DNA堿基變化不會引起相應蛋白質的氨基酸序列改變，結果基因中堿基替換卻未引起生物的性狀發生改變，這對維持物種的穩定性有重要意義。

【答案】B

六、 通用性

【例6】下列關于遺傳密碼的敘述中正確的是 （ ）

A. DNA分子中的堿基序列稱為遺傳密碼

C. 所有的遺傳密碼都決定一種氨基酸

D. 所有的生物共用一套密碼子

【解析】密碼子是存在于信使RNA中的三個相鄰的核苷酸順序，是蛋白質合成中決定某一特定氨基酸位置的堿基序列。除線粒體的個別密碼外，生物界通用一套遺傳密碼，不論是病毒、原核生物還是真核生物密碼子的含義都是相同的，共用一套密碼子。細菌、動物和植物等不同物種之間，蛋白質合成機制及其mRNA都是可以互換的。例如，真核生物的基因可以在原核生物中表達，反之亦然，這也為基因工程的成功提供了可能。所以說遺傳密碼基本通用，但非絕對通用。

【答案】D

七、起始密碼、終止密碼區別于啟動子、終止子

【例7】目的基因轉錄產物內部結構中有TSS（轉錄起始位點）、TTS（轉錄終止位點）、STC（起始密碼子）、SPC（終止密碼子），它們在轉錄產物內部的正確排序是 （ ）

A. TSS——STC——SPC ——TTS

B. TSS——STC——TTS ——SPC

C. STC——TSS——TTS ——SPC

D. STC——SPC—— TSS ——TTS

【解析】啟動子是一段有特殊結構的DNA片段，位于基因的首端，它是RNA聚合酶識別和結合的部位，有了它才能驅動基因轉錄出mRNA；終止子位于基因的尾端，也是一段有特殊結構的DNA短片段，使轉錄停止下來。密碼子（包括起始密碼、終止密碼）位于mRNA上，故四者的正確排序是TSS——STC——SPC ——TTS。

【答案】A

八、針對訓練

在遺傳密碼研究的早期，有人從數學的角度推測只有mRNA上三個堿基決定蛋白質中一個氨基酸才能滿足編碼20種氨基酸的需要（43=64＞20）。這種推論很快被離體實驗所證實。

Matthaei和Nirenbeng把大量的大腸桿菌細胞磨碎，制成無細胞提取液，用DNA酶處理這種提取液，使細菌的DNA水解，除去細胞壁等。將上清液裝入試管，再加上20種氨基酸和必要的其他物質，其中至少有一種氨基酸用14C標記，最后在這種無細胞提取液中加入人工合成的多聚核苷酸……最后通過分析試管內多肽鏈中氨基酸的種類和含量并結合數學分析來確定遺傳密碼的組成和方式。具體結果如下：

編號堿基種類和比例多聚核苷酸氨基酸種類和比例1 100%U多聚U 100%苯丙氨酸2 70%U、30%A多聚U、A 34%苯丙氨酸2.7%賴氨酸15%異亮氨酸15%亮氨酸3 U、C……UCUCUC……絲氨酸、亮氨酸……………………

根據上述信息回答下列問題：

（1）上述上清液中與實驗直接有關的物質或結構有：

①______________。

②______________。

③_____________。

（2）上述必要的其他物質是__________，實驗中多聚核苷酸的作用是____________。

（3）通過表中的實驗結果可確定苯丙氨酸和賴氨酸的遺傳密碼分別是______、___ __。

（4）通過表中第2組的實驗結果可初步確定異亮氨酸和亮氨酸的遺傳密碼可能是_____。

（5）通過表中第3組實驗你可以得出什么結果：__________________________。

【解析】通過翻譯過程合成肽鏈，翻譯過程需要的條件有：核糖體（場所）、酶、氨基酸（原料）、轉運RNA、ATP（能源物質）等。實驗中的多聚核苷酸實際是信使RNA，其作用是作為翻譯時的模板。根據第1組實驗可知，加入多聚U，遺傳密碼子只有UUU一種，為苯丙氨酸的遺傳密碼。第2組實驗加入多聚U、A，遺傳密碼子有23=8種，因A占30%，所以AAA的密碼子組成概率為30%×30%×30%=2.7%，對應表中的賴氨酸。異亮氨酸和亮氨酸的比例均占15%，根據兩種堿基的含量可知，70%×70%×30%≈15%。所以組成異亮氨酸和亮氨酸的堿基中應含有兩個U和一個A，即有三種可能：UUA、AUU、UAU。第3組實驗中的模板只有兩種密碼子：UCU和CUC，對應絲氨酸和亮氨酸兩種氨基酸，所以可知UCU和CUC分別編碼的氨基酸是絲氨酸和亮氨酸的一種。

【答案】（1）①酶 ②核糖體 ③轉運RNA （2）ATP翻譯時的模板 （3）UUU、AAA （4）UUA、AUU、UAU

（5）UCU和CUC分別編碼的氨基酸是絲氨酸和亮氨酸的一種。

（作者單位：江蘇省南通市通州區金沙中學）