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6.4 遗传密码表
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:7933    更新时间:2011/4/15
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6.4.1 密码子的特点

①每个密码子三联体(triplet)决定一种氨基酸

除Trp和Met只有1个密码子外,其它18种氨基酸均有1个以上的密码子,Phe、Tyr、His、Gln、Glu、Asn、Asp、Lys、Cys各有2个密码子;Ile有3个密码子;Val、Pro、Thr、Ala、Gly各有4个密码子;Leu、Arg、Ser各有6个密码子。

 

许多氨基酸的密码子的第1和第2个碱基相同,只有第3个碱基不同,在同一方框内。如有4个密码子的氨基酸。

有些方框内有两种氨基酸的密码子。它们的第1、2个碱基均相同,第3个嘌呤或嘧啶分别编码不同氨基酸。

 

有6个密码子的氨基酸的密码子分布在不同方框内,它们的第1或第1和第2个碱基不同,如Leu密码子的第1个碱基为U或C,Arg的第1个碱基为C或A,Ser密码子的第1个碱基为U或A,第2个碱基为C或G。

 

氨基酸密码子的数量与在蛋白质中这种氨基酸残基出现的频率无密切关系。

 

一个氨基酸若有几个不同的密码子,大多前面两个核苷酸相同,只是第3个核苷酸有差异。它除了能降低突变所造成的损害外,还可减少所需的tRNA种类。密码子共有64种,但并不需64种tRNA。

 

②理化性质相近的氨基酸的密码子排列较近,有利于在基因突变时不大影响蛋白质的性质。

第1纵行(第2碱基为U)的Phe、Leu、Ile、Met、Val以及第2纵行(第2碱基为C)的Pro和Ala均为疏水氨基酸;

 

第3和第4纵行的His、Lys、Asp、Glu和Arg均为带电荷的氨基酸;

第2、3、4纵行的Ser、Thr、Asn、Gln、Cys、Gly则为不带电荷的氨基酸。

 

大部分同类氨基酸密码子含2个相同的核苷酸。如Ser和Thr理化性质很接近,其密码子分别是UCN和ACN。若Ser的第1个核苷酸U突变成A,就变成Thr,这对蛋白质的结构和功能影响不大。若Ser的第3个核苷酸突变成其他核苷酸,则仍是Ser。

 

③mRNA上的密码子是连续的,两个密码子间无任何成分分隔,即无间断讯号。

翻译从起始码AUG开始,3个碱基代表1个氨基酸,从mRNA的5’→3’方向构成1个连续的读框,直至终止码。

若在读框中间插入或缺失1或2nt,或核糖体在mRNA上移动时偶然跳越过1nt,会造成移码突变,引起突变位点下游氨基酸排列错误生成不完全的蛋白质。

 

④起始密码子和终止密码子

肽链合成的第一个氨基酸都是Met(或fMet)。AUG是起始密码子,也是Met的密码子,具有兼职性。

AUG有两个tRNA

起始tRNA:fMet-tRNAiMet与起始因子IF2作用形成30S复合物;

中间tRNA:Met-tRNAmMet与延长因子EF-Tu作用,使Met进入mRNA的内部AUG。

 

少数细菌也用GUG做起始码(起始位点编码fMet,密码表中编码Val)。在E. coli中GUG起始频率为AUG的1/30。

 

变偶原因是反密码子的3’邻位是未修饰的A,而其它tRNA常是一个体积较大的烷基衍生物Q(Queuine)。

Q:碱基为7-去氮鸟嘌呤,C7通过氨甲基与环戊烯二醇相连,有的Q化合物其侧链羟基与糖连接形成β-D-甘露糖苷(manQ)和β-D-半乳糖苷(galQ)。Q核苷对酸碱稳定,常出现在某些tRNA反密码子的摆动位置。

 

真核生物偶尔也用CUG作起始Met的起始密码子。

UUG、CUG有时也具有起始密码子作用,但使用频率更低。

 

密码子UAA,UAG,UGA是肽链成的终止密码,不代表任何氨基酸,也称无意义密码子。

UAA终止效率最高,UAG最低。

密码子由终止释放因子识别

RF1:识别UAA、UAG

RF2:识别UAA、UGA

 

根据165个大肠杆菌基因、52个枯草杆菌基因和105个酿酒酵母基因的统计结果,凡使用有义密码子偏爱性(bias)强的基因,多用UAA作为终止密码子;使用有义密码子的偏爱性降低,UGA使用增加;

UAG容易被读通,有的基因有时连用2个、甚至3个终止密码子以强化终止,保证翻译到此终止,不致产生超长蛋白质。

 

 

⑤密码子有简并性(degeneracy)

一种氨基酸有几个密码子的现象称为密码子的简并性。

简并性主要是因密码子第3个碱基发生摆动现象形成的。密码子的专一性主要由前两个碱基决定,这对保证物种稳定性有一定意义。但并不是所有的简并性都是前两个核苷酸相同。

如GCU,GCC,GCA,GCG都代表Ala。

Met和Trp只有1个密码子,其它氨基酸均有2个以上密码子,如Arg有6个密码子。

 

⑥密码子有通用性,即不论是病毒、原核生物还是真核生物密码子的含义都是相同的。

但真核线粒体的密码子有例外:线粒体中UGA不是终止密码子,而编码Trp;

肽链内的Met由AUG和AUA二个密码子编码,起始部位的Met由AUG、AUA、AUU和AGG均可编码;

AGA和AGG不是Arg的密码子,而是终止密码子,即UAA、UAG、AGA和AGG均为终止密码子。

 

1980年发现人、牛、酵母、连孢霉等的线粒体和枝原体、腺病毒、草履虫等密码子意义有例外。

 

除植物外大多数生物的粒线体mRNA发现有非标准起始密码子,包含AUA、AUU、AUC、GUG、UUA、UUG的其中几个。同类生物的起始密码子亦不尽相同。

 

有些遗传系统中存在特定位点的密码变异,包括用无义密码子编码氨基酸和非三联体的翻译。

如E. coli的基因fdhF编码含有硒代半胱氨酸(selenocysteine Se-Cys)的甲酸脱氢酶,其结构基因含715密码子。其肽链的第140aa是由UGA编码的Se-Cys。在哺乳动物中也发现UGA编码Se-Cys。

 

E. coli的释放因子2(RF2)的基因的第26个密码子是UGA,但在这个密码子发生移码,解读为4个碱基的UGAC,编码为Asp(Asp的密码子是GAC)。以后即按这个新的(+1)框架进行翻译。

只在少数情况下出现密码子的变异。说明地球上的生物在遗传上是同源的。

 

6.4.2 密码子结构与氨基酸性质

密码子的3个碱基决定编码氨基酸的性质。

第1位碱基是G的密码子,编码的氨基酸是代谢途径起始的氨基酸。

以Asp为出发点的一族氨基酸,密码子第1位都是A。

以Glu为出发点的一族氨基酸,密码子第1位都是C。

芳香族氨基酸的密码子以U作为第1位碱基。

 

但也有例外,如Leu的密码子是CUN和UUA(G),Ala的密码子是GCN,Val的密码子是GUN,这3种氨基酸都由丙酮酸代谢而来;

His的密码子是CAU(C),His是从PRPP代谢而来的唯一氨基酸。

Leu、Ser和Arg等3种氨基酸的额外密码子也不服从这种规律。

 

第2位碱基是U的密码子编码疏水性氨基酸;

Pro、Val、Leu、Ile、Met

 

第2位碱基是A的密码子编码亲水性氨基酸;

Tyr、His、Gln、Asn、Lys、Asp、Glu

 

第2位碱基是G或C的密码子编码亲水性和疏水性居中的氨基酸。

C:Ser、Pro、Thr、Ala

 

G:Cys、Trp、Arg、Ser、Gly

 

对8种第3位碱基N同功的密码子(Leu、Val、Pro、Thr、Ala、Gly、Ser、Arg),除Arg外其它氨基酸分子量都较小、侧链简单。

 

6.4.3 密码的简并性与变偶假说

6.4.3.1 密码的简并性

许多氨基酸都是由多个密码子编码的,称为简并性(degeneracy)。

如UUU和UUC编码Phe,UCU、UCC、UCA、UCG、AGU和AGC编码Ser。可见前两个核苷酸相同时第3个核苷酸可以是C或U,也可以是A或G,而仍编码同一氨基酸。

 

但并不是所有的简并性都是前两个核苷酸相同。如Leu可由UUA和UUG编码,也可由CUU,CUC,CUA,CUG编码。

密码子的简并性,特别是第3位的C和U或G和A的简并性常常等同,这说明为何在不同生物DNA中的AT/GC比率有很大的差异,而其蛋白质的氨基酸相对比例却无很大的变化。

 

tRNA是以反密码子与mRNA上的密码子碱基配对的,理论上需有61种tRNA才能与61个密码子配对。但一些tRNA(如Ala-tRNAAla)可识别几种密码子;

 

有些tRNA的反密码子含有稀有碱基次黄嘌呤(I),I可与A、U或C配对。

此现象可用1966年Crick提出的“变偶(摆动)假说”来解释。

 

翻译遗传密码时,tRNA的反密码子要和密码子配对。翻译61种密码子,并不需61种反密码子,因为密码子的第3位碱基和反密码子的第1位碱基可以摆动(wobble),不是非Watson-Crick配对不可。但摆动不是任意摆动,对不同的生物所遵循的规则不尽相同。理论上,翻译61种密码子,要用32种反密码子,至少要有32种tRNA。

 

由于存在同功tRNA,实际tRNA不止32种。已知大肠杆菌有89份tRNA基因。由于有些tRNA基因是重复的,所以只有46种tRNA,41种反密码子。真核生物至少应有42种(可能是45种)反密码子。古细菌至少41种,可能还有4种反密码子。

 

叶绿体有31种,脊椎动物线粒体只有22种反密码子。22种少于理论数32,原因在于反密码子第1位U不修饰,能和密码子第3位任何碱基摆动配对之故。

多数生物反密码子数多于理论数的另一原因,可能是由于反密码子碱基的修饰限制了配对能力的缘故。

 

6.4.3.2 变偶假说(wobble hypothesis)

变偶性是反密码子的5’-端碱基与密码子的3’-端碱基的非正规配对,而使正确的氨基酸进入非正确的密码子的现象。

由于tRNA三维结构的影响,反密码子的5’-端碱基在与密码子3’-端碱基配对时,产生了一定范围的摆动。

 

①mRNA上的密码子的第1、2个碱基与tRNA上的反密码子相应的碱基形成强的配对,密码的专一性,主要是由于这两个碱基对的作用。

 

密码子第1、2碱基必需按标准配对,第3碱基的配对可以有一定灵活性,但不是任意组合。

 

②反密码子的第1个碱基(以5’→3’方向,与密码子的第3个碱基配对)决定1个tRNA所能解读的密码子数目。

反密码子的第1个碱基是C或A时,只能和1个密码子结合;

反密码子的第1个碱基是U或G时,可和两个密码子结合,即U可和A或G配对,G可和C或U配对。

反密码子的第1个碱基是I时,可和3个密码子结合,即I可和A、U或C配对。

 

反密码与密码碱基配对时的摇摆(变偶配对)现象

 

③当一个氨基酸是由几个不同的密码子编码时,如果密码子的头两个碱基的任一个是不同的,便必须有不同的tRNA。

④这样便要求至少要有32种tRNA来与61个密码子相结合。

 

6.4.4 密码子的使用频率

遗传密码是简并密码,多数氨基酸有2~6个密码子。但密码子的使用不是平均和随机的。

高表达的基因,要求密码子的使用和tRNA分子的数量相匹配,尽量使用相应tRNA分子数量多的密码子。

①主要tRNA

一种氨基酸可有2~6种各自特异的tRNA(同功tRNA),它们之间的特异性是靠氨基酰tRNA合成酶(每种氨基酸都有一种氨基酰tRNA合成酶)来识别的。

它们在细胞内的量不同,分别称为主要tRNA(major tRNA)和次要tRNA(minor tRNA)。

 

主要tRNA中反密码子所识别的密码子为高频使用密码子。

密码子的选择受tRNA利用性的限制,利用次要tRNA会减慢翻译。

②偏爱密码子

同种氨基酸的一组密码子的使用频率不同。使用频率高的称为偏爱密码子。

高频密码子多出现在那些表达量高的蛋白质基因中,如核糖体蛋白质基因等。这种使用频率与细胞内一组tRNA中的不同tRNA含量有关。

 

高表达的基因,要求翻译速度快,要求密码子和反密码子配对快、分手也快。因为只有第3位是摆动的位置,第1、2位并没有选择的余地,所以只能在第3位取舍。

 

不同生物偏爱密码子的特点:

a.反密码子的5’位(变偶位)U被修饰,可使之优先与密码子的A配对胜过与G配对。

b.反密码子的5’位I与密码子的U和C配对优先与A配对。

 

c.一般高表达的基因,要求密码子和反密码子的匹配能力适中,以利于快速反应。

当一个密码子第1、2位碱基是A、U,则第3位碱基优先用G、C。若前2个碱基是G、C时,则第3个碱基优先用A、U,因为3位都用G、C,配对容易拆开难,3位都用A、U,则相反。

 

高表达的基因,其密码子的使用还要与tRNA的解读能力相匹配,若有tRNA1Gly和tRNA2Gly两种tRNAGly,tRNA1Gly只能解读密码子GGG,tRNA2Gly能解读密码子GGA和GGG,密码子那就应该用GGG、而不用GGA,这样可以左右逢源。

 

E. coli核糖体蛋白质的密码子使用频率

 

动物基因密码密码子的使用频率

 

比较多种生物的许多基因,证明密码子的使用不平均。但不同种属的生物,其偏爱的密码子和偏爱程度各不相同。

同义密码子相对使用度可表示不同生物密码子偏爱性不同,RSCU(relative synonymous code usage)=实际使用次数/按平均使用计算所得次数。

 

在同义密码子中,有偏爱必有偏废。在不同物种中,偏废或罕用的密码子,也各不相同。

克隆基因时应注意偏爱密码子。

 

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