密码子

----更新时间:2022-08-18

密码子(codon),即信使RNA链上决定一个氨基酸的相邻的三个碱基,亦称三联体密码。科学家已经发现,信使RNA在细胞中能决定蛋白质分子中的氨基酸种类和排列次序。也就是说,信使RNA分子中的四种核苷酸(碱基)的序列能决定蛋白质分子中的20种氨基酸的序列。碱基数目与氨基酸种类、数目的对应关系是怎样的呢?为了确定这种关系,研究人员在试管中加入一个有120个碱基的信使RNA分子和合成蛋白质所需的一切物质,结果产生出一个含40个氨基酸的多肽分子。

2019年5月16日,顶尖学术期刊《自然》上线的一篇论文载:英国剑桥MRC分子生物学实验室的Jason Chin教授与其同事就在大肠杆菌中实现了目标。他们重新编码了一个大肠杆菌菌株的全部基因组,只用59个密码子就合成出所有的必需氨基酸,代表终止信号的密码子也从3个压缩为2个。而“节省”下来的密码子,可以为将来在活细胞内生成非天然的“定制蛋白质”提供合成空间。

密码定义

科学家把信使RNA链上决定一个氨基酸的相邻的三个碱基叫做一个“密码子”,亦称三联体密码。

构成RNA的碱基有四种,每三个碱基的开始两个决定一个氨基酸。从理论上分析碱基的组合有4的3次方=64种,64种碱基的组合即64种密码子。怎样决定20种氨基酸呢?仔细分析20种氨基酸的密码子表,就可以发现,同一种氨基酸可以由几个不同的密码子来决定,起始密码子为AUG(甲硫氨酸) , 另外还有UAA、UAG、UGA三个密码子不能决定任何氨基酸,是蛋白质合成终止密码子。1994年版曾邦哲著《结构论》中对密码子和氨基酸的组合数学计算公式为:C1/4+2C2/4+C3/4=20氨基酸,C1/4+6(C2/4+C3/4)=64密码子。(另有算法4*4*4=64,一个密码子里面三个碱基每个位置有4种可能)

遗传信息、密码子、反密码子的区别与联系

遗传信息是指DNA分子中基因上的脱氧核苷(碱基)排列顺序,密码子是指信使RNA上决定一个氨基酸的三个相邻碱基的排列顺序,反密码子是指转运RNA上的一端的三个碱基排列顺序。其联系是:DNA(基因)的遗传信息通过转录传递到信使RNA上,转运RNA一端携带氨基酸,另一端反密码子与信使RNA上的密码子(碱基)配对。

密码起源

除了少数的不同之外,地球上已知生物的遗传密码均非常接近;因此根据演化论,遗传密码应在生命历史中很早期就出现。现有的证据表明遗传密码的设定并非是随机的结果,对此有以下的可能解释:

一项研究显示,一些氨基酸与它们相对应的密码子有选择性的化学结合力,这显示复杂的蛋白质制造过程可能并非一早存在,最初的蛋白质可能是直接在核酸上形成。 原始的遗传密码可能比今天简单得多,随着生命演化制造出新的氨基酸再被利用而令遗传密码变得复杂。虽然不少证据证明这观点,但详细的演化过程仍在探索之中,。 经过自然选择,现时的遗传密码减低了突变造成的不良影响。

尼伦伯格(M.W.Nirenberg,1927—2010)和马太(H.Matthaei)破译出了第一个遗传密码。

尼伦伯格和马太采用了蛋白质的体外合成技术。他们在每个试管中分别加入一种氨基酸,再加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液,以及人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸,结果加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链。实验结果说明,多聚尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的合成,而多聚尿嘧啶核苷酸的碱基序列是由许多个尿嘧啶组成的(UUUUUUUU......),可见尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链。结合克里克得出的3个碱基决定1个氨基酸的实验结论,与苯丙氨酸对应的密码子应该是UUU。在此后的六七年里,科学家沿着蛋白质体外合成的思路,不断地改进实验方法,破译出了全部的密码子,并编辑出了密码子表。

密码特点

①. 遗传密码子是三联体密码:一个密码子由信使核糖核酸(mRNA)上相邻的三个碱基组成。

② 密码子具有通用性:不同的生物密码子基本相同,即共用一套密码子。

③ 遗传密码子无逗号:两个密码子间没有标点符号,密码子与密码子之间没有任何不编码的核苷酸,读码必须按照一定的读码框架,从正确的起点开始,一个不漏地一直读到终止信号

④ 遗传密码子不重叠,在多核苷酸链上任何两个相邻的密码子不共用任何核苷酸。

⑤ 密码子具有简并性:除了甲硫氨酸和色氨酸外,每一个氨基酸都至少有两个密码子。这样可以在一定程度内,使氨基酸序列不会因为某一个碱基被意外替换而导致氨基酸错误。

⑥ 密码子阅读与翻译具有一定的方向性:从5'端到3'端。

⑦有起始密码子和终止密码子,起始密码子有两种,一种是甲硫氨酸(AUG),一种是缬氨酸(GUG),而终止密码子(有3个,分别是UAA、UAG、UGA)没有相应的转运核糖核酸(tRNA)存在,只供释放因子识别来实现翻译的终止。

在信使RNA中,碱基代码A代表腺嘌呤,G代表鸟嘌呤,C代表胞嘧啶,U代表尿嘧啶(注意:RNA与DNA不同,RNA没有胸腺嘧啶T,取而代之的是尿嘧啶U,按照碱基互补配对原则,U与A形成配对)。

密码表

首先,这个不是生物的事实。而是基于已有的20个必需氨基酸首字母缩写,添加缺如的6个字母后得到的。

依次根据氨基酸三字母缩写,中文译名拼音首字母寻找相关,再以其中密码子简并性(即重复性)最强的氨基酸为首选进行替代,具体变换为:

GCA,GCG: A→B

AGA,AGG: R→J

CCA,CCG: P→O

UUA,UUG: L→U

GUA,GUG: V→X

CAC : H→Z

终止密码子亦进行了调整。

需要强调,这一编码方案忽略了既有的B、Z的使用,以及忽略了终止密码子间真实的强弱性。

正向翻译备选方案

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【与M的编码相同,但之后需加空格□(UAA)】

空格□:UAA

断句符:UAG

终止符:UGA

反向翻译:见图“修改后的密码表”

研究发现

2019年5月16日,顶尖学术期刊《自然》上线的一篇论文载:英国剑桥MRC分子生物学实验室的Jason Chin教授与其同事就在大肠杆菌中实现了目标。他们重新编码了一个大肠杆菌菌株的全部基因组,只用59个密码子就合成出所有的必需氨基酸,代表终止信号的密码子也从3个压缩为2个。而“节省”下来的密码子,可以为将来在活细胞内生成非天然的“定制蛋白质”提供合成空间。

[1]

氨基酸的特性

第 一 位 碱 基 U

UUU (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)丝氨酸

UCC (Ser/S)丝氨酸

UCA (Ser/S)丝氨酸

UCG (Ser/S)丝氨酸

UAU (Tyr/Y)酪氨酸

UAC (Tyr/Y)酪氨酸

UAA (终止)

UAG (终止)

UGU (Cys/C)半胱氨酸

UGC (Cys/C)半胱氨酸

UGA (终止)

UGG (Trp/W)色氨酸

第 一 位 碱 基 C

CUU (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)组氨酸

CAC (His/H)组氨酸

CAA (Gln/Q)谷氨酰胺

CAG (Gln/Q)谷氨酰胺

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 碱 基 A

AUU (Ile/I)异亮氨酸

AUC (Ile/I)异亮氨酸

AUA (Ile/I)异亮氨酸

AUG (Met/M)甲硫氨酸(起始)

ACU (Thr/T)苏氨酸

ACC (Thr/T)苏氨酸

ACA (Thr/T)苏氨酸

ACG (Thr/T)苏氨酸

AAU (Asn/N)天冬酰胺

AAC (Asn/N)天冬酰胺

AAA (Lys/K)赖氨酸

AAG (Lys/K)赖氨酸

AGU (Ser/S)丝氨酸

AGC (Ser/S)丝氨酸

AGA (Arg/R)精氨酸

AGG (Arg/R)精氨酸

第 一 位 碱 基 G

GUU (Val/V)缬氨酸

GUC (Val/V)缬氨酸

GUA (Val/V)缬氨酸

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)缬氨酸

GAG (Glu/E)谷氨酸

GGG (Gly/G)甘氨酸G)

语法及举例

语法:

a.以AUG表示进入正式信息编码区;

b.空格 (□) 用 UAA;

c.逗号或其它文章内断续标点用 UAG;

d.编码结束(最后一个句号)用 UGA表示;

e. 默认为表达英语,如果需要表达其它语种,可以在起始信号(5'端)前延长6个碱基,编码语言使用语言的国家双字母缩写,如拼音加注CN,日语假名罗马体加注JP等。

举例:

通用语言:I love U.

中转:(Start)□I□love□U.

最终的核酸语言:AUG UAA AUU UAA CUG CCA GUC GAA UAA UUA UGA

可以和连鹤或串珠等实体结构结合来进行空间变换,加强教学效果。但需要使游戏者谨记这套密码系统是修改过的。

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