遗传密码是怎样破译的_向义和

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1、物理与工程 Vol. 17 No. 2 2007遗传密码是怎样破译的*向义和( 清华大学物理系, 北京 100084)( 收稿日期: 2006 -11 -10)摘 要 文章具体介绍了遗传密码破译的过程: 三联体密码的提出; 克里克对遗传密码性质的阐述和实验证明; 尼伦伯格关于同聚核苷酸对应的氨基酸的发现; 奥乔亚关于异聚核 苷酸对应的氨基酸的发现; 科拉纳关于密码子系列次序的确定; 全部密码子的破译及其特征.关键词 三联体密码; 遗传密码简并; 基因突变; 无细胞蛋白质的合成; 多聚核苷酸HOW THE GENETIC CODE WERE DECIPHEREDXiang Yihe( Physi

2、cs Department of T singhua University, Beijing 100084)Abstract The process of decoding the genetic codes is introduced. T he key events include theputting forward of riplet code, the expatiation and experimental proof of the nature of genetic code by F. H. C. Crick, the discovery of amino acid corre

3、sponding to homopolynucleotide byMarshall W. Nirenbreg, the discovery of amino acid corresponding to hetero -polynucleotide byS. Ochoa,the determination of the sequence of codon series by H. G. Khorana,and thedecipherment and characteristics of all codons. Key Words triplet code;genetic code degener

4、ation; gene mutation; synthesis of cel- l freeprotein; polynucleotide1953 年 5 月英国物理学家克里克( Crick.France, 1916 ) ) 和美国生物学家沃森( Watson. James. D, 1926) ) 在他们发表的 DNA 结构的遗 传学意义 一文中提出: / 碱基的排列顺序就是携 带遗传信息的密码0的论断. 这就是说, 在碱基( 或 核苷酸) 的顺序中含有特定的遗传信息, 这种遗传 信息能翻译成蛋白质上确定的氨基酸顺序. 要解答遗传密码和其中所含的信息问题, 需 要从两方面思考: ( 1) 克里

5、克和沃森倡导的密码问题其解决方式如何? 密码是怎样破译的? ( 2) 细 胞使用怎样的机制从遗传信息合成蛋白质? 本文 要讨论的是第 1 个问题. 从 1953 年提出遗传密码问题到 1966 年破译 全部遗传密码, 其间经历了从抽象的理论分析到具体的实验研究的过程. 20 世纪 50 年代, 物理学家做了大量的理论分析工作, 伽莫夫( Gamow. George) 首先提出了遗传密码的概念, 并提出了氨 基酸是有 3 个一组的碱基编码的天才猜测, 其后 克里克通过对生化学家所做的基因实验结果的分 析, 确定了遗传密码的一般性质, 为遗传密码的破 译奠定了理论基础. 20 世纪 60 年代,

6、生化学家做 了大量的实验工作. 在生化实验研究中, 经历了从 简单到复杂的过程. 从以均聚物为模板指导蛋白质的合成, 再以随机共聚物为模板指导蛋白质的 合成, 到以特定共聚物为模板指导蛋白质的合成, 最后运用多种实验手段和多种实验方法, 确定了 全部密码所对应的氨基酸, 揭示了生命的秘密. 通 过对这一探索过程的分析与讨论, 我们从中可以*本文研究课题得到清华大学工科物理基地教改项目资助.16物理与工程 Vol. 17 No. 2 2007得到丰富的教益和启迪.1 三联体密码的提出1953 年克里克和沃森的文章发表后, 首先引起了物理学家伽莫夫的注意. 这时他正在访问加 利福尼亚大学伯克利分校

7、, 正如他后来回忆的:/ 我走在放射实验室的走廊上, 碰上了阿尔瓦雷斯( Alvarez. Luis) , 他手 上拿 着 一份自 然杂 志 ,他说:-看, 沃森和克里克写了一篇多棒的文章. . 这是我第一次见到这篇文章. 后来我便回到了华盛顿, 开始思考这篇文章. 0 11954 年 2 月伽莫夫把他对于密码问题思考的最初成果, 以题为/ DNA 和蛋白质结构之间可能的联系0的文章发表在 自然 杂志上. 他在文章中 首先表述了关于遗传密码的概念, 他写道: / 任何生物体的遗传性状都可以突出地表现为用 4 个字母写成的核酸语言. 另一方面, 这些蛋白质是由大 约 20 种不同的氨基酸组成的长

8、肽链, 可以认为是用 20 个字母写成的蛋白质语言. 这样便出现了 4个字母写成的核酸语言如何翻译成 20 个字母写 成的蛋白质语言的问题. 0 2他在这篇文章中提出了一种设想, 认为蛋白质分子直接建立在 DNA 分子上, 而 DNA 分子则充当了使氨基酸按正确顺序排列的模板. 这一想 法基于这样一种推测, 即碱基在双螺旋上的排列会产生一系列 20 种形状略微不同的菱形孔洞 ( rhombshaped holes) , 它与构成蛋白质的 20 种形状不同的氨基酸的关系, 犹如锁与钥匙的关系. 于是他大胆地假设, 每种氨基酸刚好对应一种孔洞.因为相邻的孔洞间有两个相同的核苷酸, 所以每 个孔洞由

9、形成它的 4 个核苷酸中的 3 个确定. 当周围媒质中自由的氨基酸遇到了形状相同的空洞时, 就会插入这些洞内, 互相连接形成相应的肽 链, 然后从洞中脱出.不久以后, 克里克和沃森接到伽莫夫的来信,他们对信的内容感到很新奇, 从而促使他们去调 查研究蛋白质中到底有多少种氨基酸. 他们发现伽莫夫列出的 20 种氨基酸中有几种不大可能, 有几种明显存在的, 如天冬酰胺和谷氨酰胺又未列 入. 他们将蛋白质中的氨基酸分类, 将在许多不同的蛋白质中都存在的氨基酸归入标准类, 将在少数几种不常见的蛋白质中存在的氨基酸归入异常类. 结 果他们惊讶 地发现标 准的氨 基酸正 是20 种 3.在此前提下, 他们

10、思考了遗传密码的问题, 即 用 4 个字母表示的核苷酸语言和用 20 个字母表示的氨基酸语言之间的关系问题. 他们用排列组合的方法分析, 在 4 种碱基中, 如果一次只取 1 个 碱基, 你只能有 4 种不同的组合; 如果一次取 2 个一对的碱基, 你可以有 16 种不同的碱基对( 4 4) , 因为无论 4 种碱基中你取哪个作为碱基对中 的头一个, 第二个碱基都有 4 种选择. 然而 16 种组合对于所有生物体中 20 种不同的氨基酸基本成分的编码来说仍是不够的. 如果一次取 3 个一 组的碱基, 你可以得到 64 种不同的组合( 4 4 4) . 这样 对全 部 20 种 氨基 酸进 行编

11、 码就 足够了 3. 克里克和沃森肯定了伽莫夫的贡献, 他们认为伽莫夫关于每种氨基酸由 3 个一组的碱基( 即三联体) 编码是正确的. 而且从伽莫夫的研究中使 他们认识到, 可将密码问题与实际的生化细节分开而作为一个抽象的问题来研究. 他们预期当人们能够得到各种不同的氨基酸序列时, 人们或许可以通过研究它们所受到的限制以及突变对某一 特定序列的影响, 不需要搞清楚所有相关的生化步骤就可揭示出遗传密码, 这样的方法对于面临复杂 的化 学和 生 物化 学的 物 理学 家就 更 为 自然 3.克里克和沃森也指出了伽莫夫在理论上的错误, 不同意他关于重叠密码的见解. 克里克在他的 狂热的追求 ) 科学

12、发现之我见 一书中写道:/ 从几个方面来看, 伽莫夫的密码是不同于一般的, 代表下一个氨基酸的三联体与前一个是重叠 的. 例如, 如果一段碱基是,GGAC , 那么 GGA代表一种氨基酸, GAC 代表下一个氨基酸. 这自然使氨基酸的顺序受到了某些限制, 有些序列是 无法由伽莫夫的密码编码的.0除此之外, 他们还不同意伽莫夫关于 DNA 直接编码蛋白质的想法,并且非常怀疑伽莫夫关于 DNA 上的孔洞会有如 此功能, 能使不同的氨基酸插入不同的洞内 3.1955 年 12 月伽莫夫和于卡斯( Ycas. M) 在 美国国家科学院会报 上又发表了一篇关于遗传 密码的文章, 题为/ 蛋白质和 RNA

13、 组分的统计关系0. 提出了一种不重叠的三联码, 不重叠可使蛋白质中氨基酸次序上之限制于以清除; 最重要的17物理与工程 Vol. 17 No. 2 2007改变是将密码视作 RNA 模板之功能, 而非 DNA之功能. 他在该文中说: / 经验证据越来越清楚地表明, 在蛋白质的合成中 RNA 起着一种活体 ( vital) 的作用, 假设表示给定的蛋白质特征的氨基酸序列是由 RNA 分子中核苷酸序列惟一的确定似乎是合理的.0 42 遗传密码的性质1961 年 12 月 30 日克里克等人在 自然 杂志 上发表了一篇题为/ 蛋白质遗传密码的一般性质0的论文. 他们在论文一开始就说: / 现在大量

14、的证据说明沿着蛋白质的多肽链上的氨基酸序列是由沿着遗传物质的核酸的某些特定部分的碱基序列 决定的. 因为在整个自然界中发现全部蛋白质是由 20 种氨基酸组成的, 但是只有 4 种共通的碱基, 人们通常推测 4 种碱基的序列以某种方式为 氨基酸序列编码.0 5在这篇文章中他们介绍了他们做的基因实验连同其他人的工作, 说明遗传密码具有下列的一般性质:( 1) 3个碱基一组编码一个氨基酸. 碱基序列 上这 3 个相邻的碱基称为三联体( triplet) , 又叫密码子( codon) .( 2) 遗传密码互不重叠. ( 3) 碱基序列是从一个固定的起始点读取的. 这就确定了这条长的碱基序列如何正确地

15、用三联体读出. 没有特别的逗号来显示如何正确地选择三联体. 如果开始点被一个碱基置换了, 那么 读入的三联体就被置换了, 读出的密码信息就成为不正确的了.( 4) 密码可能是/ 简并0( degenerate) 的, 因为有 64 组三联体, 而需要编码的氨基酸只有 20 种, 所以有些氨基酸可能对应多个三联体 5.克里克在论文中首先依据基因的碱基置换( buse substitution) 突变的实验证明了遗传密码 互不重叠的性质. 碱基置换指的是通过化学反应在基因内部一个碱基直接变成另一个碱基. 常见的一类诱变剂是能直接与一个或多个碱基发生作用而改变它们配对性质的化合物. 例如, 亚硝酸的

16、 主要作用是引起胞嘧啶 C( cytosinede) 氧化脱氨,使胞嘧啶转换成尿嘧啶 U( uracil) . 在下一次复制周期中, U 与 A( adenine, 腺嘧啶) 配对代替了原来 的 G( guanine, 鸟嘌呤) 与 C 的配对. 这样再下一次复制周期中, 当 A 与 T ( thymine, 胸腺嘧啶) 配对时, T ) A 对就代替了 C) G 对.这个证据不是来自于克里克本人的工作, 而 是来自于其他生化学家所做的由亚硝酸产生的烟草花叶病毒突变的实验. 克里克认为在一个相互重叠的三联体中, 一般来说, 一个碱基的改变, 在多肽链上将引起 3个相邻的氨基酸的改变, 如图 1 所示. 图中显示出重叠密码和非重叠密码的区别,图中的短竖直线表示核酸的碱基. 实验表明, 用亚硝酸处理过的烟草花叶病毒的 RNA, 在该病毒的 蛋白质内产生的变更, 通常一次只改变一个氨基酸. 在很少的情况下改变了两个氨基酸, 但是它们也并不处在多肽链上相邻的位置上, 这是由于在一条