以“題”帶“面” 突破密碼子與反密碼子的特性

云南

《普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱》中對(duì)“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”要求掌握的程度為Ⅱ級(jí)，即理解所列知識(shí)和其他相關(guān)知識(shí)之間的聯(lián)系和區(qū)別，并能在較復(fù)雜的情境中綜合運(yùn)用其進(jìn)行分析、判斷、推理和評(píng)價(jià)。遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中密碼子和反密碼子扮演著極其重要的角色，如何破譯密碼子、密碼子發(fā)揮作用時(shí)具有哪些特性、反密碼子閱讀密碼子的規(guī)律等一直是遺傳信息轉(zhuǎn)錄和翻譯相關(guān)試題中?？嫉暮诵闹R(shí)。筆者以4道經(jīng)典例題為載體，闡釋密碼子與反密碼子的本質(zhì)與特性，搭建密碼子與反密碼子的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，以期為高考備考提供可借鑒措施，提高高考備考的效率。

1.遺傳密碼破譯的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)

【典例1】（2019年，全國卷I，第2題）用體外實(shí)驗(yàn)的方法可合成多肽鏈。已知苯丙氨酸的密碼子是UUU，若要在體外合成同位素標(biāo)記的多肽鏈，所需的材料組合是

①同位素標(biāo)記的tRNA

②蛋白質(zhì)合成所需的酶

③同位素標(biāo)記的苯丙氨酸

④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸

⑤除去了DNA和mRNA的細(xì)胞裂解液

A.①②④ B.②③④ C.③④⑤ D.①③⑤

【參考答案】C

【解析】分析題干信息可知，合成多肽鏈的過程即翻譯過程。翻譯過程以mRNA為模板，以氨基酸為原料，產(chǎn)物是多肽鏈，場所是核糖體。翻譯的原料是氨基酸，要想讓多肽鏈帶上同位素標(biāo)記，應(yīng)該用同位素標(biāo)記的氨基酸（苯丙氨酸）作為原料，而不是同位素標(biāo)記的tRNA，①錯(cuò)誤、③正確；合成蛋白質(zhì)需要模板，由題知苯丙氨酸的密碼子是UUU，因此可以用人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸作模板，同時(shí)要除去細(xì)胞中原有核酸的干擾，④⑤正確；除去了DNA和mRNA的細(xì)胞裂解液模擬了細(xì)胞中的真實(shí)環(huán)境，其中含有核糖體、催化多肽鏈合成的酶等，因此不需要再加入蛋白質(zhì)合成所需的酶，②錯(cuò)誤。

【實(shí)驗(yàn)過程還原】英國科學(xué)家克里克以T4噬菌體為實(shí)驗(yàn)材料證明了遺傳密碼中3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸，且遺傳密碼從一個(gè)固定的起點(diǎn)開始，以非重疊的方式閱讀，編碼之間沒有分隔符。緊接著尼倫伯格和馬太利用蛋白質(zhì)的體外合成技術(shù)破譯了第一個(gè)遺傳密碼子，實(shí)驗(yàn)過程如圖1：

圖1

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果為只有加入了苯丙氨酸的試管中出現(xiàn)了多聚苯丙氨酸肽鏈，這說明多聚尿嘧啶核苷酸導(dǎo)致了多聚苯丙氨酸的合成，即尿嘧啶的堿基序列編碼由苯丙氨酸組成的肽鏈，結(jié)合克里克得出的3個(gè)堿基決定1個(gè)氨基酸的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，得出UUU編碼苯丙氨酸，即苯丙氨酸的密碼子為UUU，利用同樣的方法科學(xué)家相繼破譯出了賴氨酸和脯氨酸的密碼子。此后，科學(xué)家破譯出了全部的密碼子。

通過還原實(shí)驗(yàn)過程，領(lǐng)悟科學(xué)家發(fā)現(xiàn)密碼子的過程，不僅可以使學(xué)生扎實(shí)掌握基本知識(shí)，更重要的是可以增加學(xué)生的家國擔(dān)當(dāng)和社會(huì)責(zé)任感，樹立通過努力學(xué)習(xí)報(bào)效祖國的信心。

2.起始密碼子和終止密碼子的作用

【典例2】現(xiàn)分離得到一段DNA片段，含有編碼多肽的某個(gè)基因的前幾個(gè)密碼子，該片段的序列組成為

甲鏈：5′CGCAGGATCAGTCGATGTCCTGTG 3′

乙鏈：3′GCGTCCTAGTCAGCTACAGGACAC 5′

（1）由該DNA片段可知該基因轉(zhuǎn)錄的模板鏈?zhǔn)莀_________，依據(jù)是_________________________________________________。

（2）該基因翻譯的方向是_____________________________。

（3）已知UAG是上述基因轉(zhuǎn)錄形成的成熟mRNA上位于第303位的一個(gè)終止密碼子，但該基因表達(dá)形成的肽鏈中氨基酸數(shù)目超過302個(gè)，這說明_____________________________。

【參考答案】（1）乙鏈 轉(zhuǎn)錄形成的mRNA上應(yīng)具有起始密碼子，且起始密碼子為AUG或GUG，由此可推得該基因轉(zhuǎn)錄的模板鏈中應(yīng)具有TAC序列或CAC序列，乙鏈符合要求 （2）若以AUG為起始密碼，則按照5′端→3′端方向翻譯；若以GUG為起始密碼，則兩個(gè)方向均可進(jìn)行 （3）UAG的終止效率最低，容易被讀取

【解析】（1）以mRNA為模板進(jìn)行翻譯時(shí)需要從起始密碼子開始，起始密碼子一般是AUG或GUG，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則可知，作為轉(zhuǎn)錄模板的鏈上應(yīng)具有TAC序列或CAC序列。（2）若以AUG為起始密碼子，則按照5′端→3′端方向翻譯；若以GUG為起始密碼子，則兩個(gè)方向均可進(jìn)行。（3）一般情況下，終止密碼子位于轉(zhuǎn)錄形成的成熟mRNA上第303位時(shí)，翻譯形成的肽鏈中含有302個(gè)氨基酸，但現(xiàn)在超過302個(gè)，說明UAG的終止效率最低，容易被讀取，使得翻譯繼續(xù)進(jìn)行下去。

【知識(shí)延伸】絕大多數(shù)生物體內(nèi)AUG是起始密碼子，同時(shí)也是甲硫氨酸的密碼子，具有兼職性。少數(shù)細(xì)菌中以GUG作為起始密碼子，真核生物偶爾也會(huì)以GUG作為起始密碼子。UAA、UAG、UGA是終止密碼子，無編碼蛋白質(zhì)的能力，起到一個(gè)“句號(hào)”的作用，因此終止密碼子也稱為無意義密碼子。三者中UAA的終止效率最高，UAG的終止效率最低，容易被讀取，為保證翻譯準(zhǔn)確結(jié)束，不產(chǎn)生超長的肽鏈，有時(shí)會(huì)以連續(xù)2個(gè)甚至3個(gè)終止密碼子強(qiáng)化終止。

3.反密碼子閱讀密碼子的規(guī)律

【典例3】已知某氨基酸的密碼子為CAC或CAU，則決定該氨基酸的反密碼子為_________。

【參考答案】GUG或GUA

【知識(shí)釋疑】通常情況下，合成蛋白質(zhì)時(shí)，mRNA信息的閱讀（翻譯）是從mRNA的5′端向3′端進(jìn)行的，習(xí)慣性地把5′端寫在左側(cè)，3′端寫在右側(cè)。關(guān)于反密碼子閱讀密碼子的方式，不同教材有不同描述，目前普遍接受的是按照5′端→ 3′端方向進(jìn)行閱讀，即tRNA攜帶的反密碼子在核糖體內(nèi)通過堿基的反向配對(duì)與mRNA上的密碼子相互作用，反向配對(duì)的基本方式如圖2：

圖2

遺傳信息翻譯時(shí)，反密碼子的第一位堿基與密碼子的第三位堿基互補(bǔ)配對(duì)，一般情況下密碼子都是從5′端→3′端（從左往右）書寫，如甲硫氨酸的密碼子AUG，即5′端—AUG—3′端，反密碼子閱讀也是按照5′端→3′端方向進(jìn)行，但由于與mRNA是反向配對(duì)，而書寫時(shí)一般都是以書寫密碼子的方向?qū)懀虼思琢虬彼岬姆疵艽a子寫成UAC，第一位堿基寫在了右側(cè)。

4.密碼子的特性

【典例4】假設(shè)某個(gè)基因中決定編碼亮氨酸的密碼子的GAT中的一個(gè)堿基發(fā)生了替換，可能的變化是第一個(gè)堿基G變成了A、T、C；第二個(gè)堿基A變成了G、T、C；第三個(gè)堿基T變成了A、G、C，這9種變化中確實(shí)引起所編碼的氨基酸發(fā)生變化的有_________種（已知UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG均編碼亮氨酸），由此說明基因突變不一定導(dǎo)致所編碼的蛋白質(zhì)發(fā)生改變，這能夠防止____________________________________。

【參考答案】5 由于堿基的改變而導(dǎo)致遺傳信息的改變

【知識(shí)延伸】

（1）密碼子的簡并性

由于61種有義密碼子編碼20種氨基酸，必然會(huì)出現(xiàn)一種氨基酸對(duì)應(yīng)多個(gè)密碼子的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫作密碼子的簡并性。除甲硫氨酸和色氨酸只有1個(gè)密碼子外，其他18種氨基酸均有2個(gè)或2個(gè)以上的密碼子，如GGU、GGC、GGA、GGG四個(gè)密碼子均編碼甘氨酸，對(duì)應(yīng)于同一種氨基酸的不同種類的密碼子統(tǒng)稱為同義密碼子。密碼子的簡并性可以減少由于堿基對(duì)替換造成的有害基因突變，即突變后的密碼子與突變前的密碼子決定同一種氨基酸，使得基因突變后仍可翻譯出正常的蛋白質(zhì)，執(zhí)行正常的生理活動(dòng)。

基于上述問題的解決過程，對(duì)密碼子的其他特性進(jìn)行適當(dāng)拓展，能夠增強(qiáng)學(xué)生的知識(shí)面，為新情境試題的分析和作答積累經(jīng)驗(yàn)。

（2）密碼子的變偶性

基于密碼子的簡并性，克里克于1966年提出遺傳密碼的變偶性，他發(fā)現(xiàn)反密碼子的第一位堿基與密碼子的第三位堿基的配對(duì)可以在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，即密碼子與反密碼子的配對(duì)具有擺動(dòng)性。變偶性主要得益于密碼子的第三位堿基具有較大的靈活性。研究已知一級(jí)結(jié)構(gòu)的tRNA發(fā)現(xiàn)其反密碼子的第一位堿基為I、G、C、U，沒有出現(xiàn)常規(guī)的A，顯然I是由A轉(zhuǎn)變而來的，密碼子與反密碼子配對(duì)的變偶性具體表現(xiàn)如表：

表密碼子與反密碼子配對(duì)的變偶性

Ⅰ屬于反密碼子中的稀有堿基次黃嘌呤，反密碼子中的次黃苷酸可以和尿苷酸、胞苷酸、腺苷酸中的任何一個(gè)配對(duì)，這種配對(duì)能力對(duì)異亮氨酸的密碼子極其重要，異亮氨酸的密碼子為AUA、AUC、AUU，甲硫氨酸的密碼子為AUG，當(dāng)tRNA攜帶的反密碼子的第一位堿基為尿嘧啶時(shí)，該tRNA識(shí)別AUA的同時(shí)也會(huì)識(shí)別AUG，這種變偶作用引起的特殊配對(duì)可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成過程中氨基酸進(jìn)位錯(cuò)誤，使得編碼異亮氨酸的密碼子被閱讀為甲硫氨酸的密碼子，而次黃苷酸為第一位的反密碼子只識(shí)別AUA、AUC、AUU，不識(shí)別AUG，這樣蛋白質(zhì)合成過程中氨基酸進(jìn)位錯(cuò)誤會(huì)得以一定程度的控制，同時(shí)由于次黃苷酸的多種配對(duì)能力，使得異亮氨酸的三個(gè)密碼子被順利閱讀出來。變偶的意義在于，當(dāng)密碼子的第三位堿基改變時(shí)，仍然可以翻譯出正確的氨基酸序列，使得合成的蛋白質(zhì)具有正常的生物學(xué)活性，同時(shí)可以防止錯(cuò)誤氨基酸進(jìn)位，提高蛋白質(zhì)合成的效率。

（3）密碼子防錯(cuò)性

由標(biāo)準(zhǔn)密碼子表可以看出，當(dāng)某個(gè)密碼子的第三位堿基發(fā)生改變時(shí)基本不改變其所編碼的氨基酸；若其所編碼的氨基酸改變，也常常由性質(zhì)相似的氨基酸代替。如編碼脯氨酸的一個(gè)密碼子為CCU，若其第三位堿基轉(zhuǎn)換為A，則變?yōu)镃CA，其編碼的氨基酸依然是脯氨酸；絲氨酸和蘇氨酸的密碼子分別是UCN（N代表A、G、C、U四種堿基中的1種）和ACN，若絲氨酸的密碼子的第一位堿基突變?yōu)锳，則編碼的氨基酸由蘇氨酸代替，兩種氨基酸的理化性質(zhì)很接近，對(duì)翻譯出的蛋白結(jié)構(gòu)和功能影響較小。

（4）密碼子“特例”

20種氨基酸的標(biāo)準(zhǔn)密碼子表中，編碼甲硫氨酸和色氨酸的密碼子各只有1個(gè)，分別是AUG和UGG，然而果蠅、釀酒酵母等線粒體中的基因表達(dá)時(shí)，AUA亦編碼甲硫氨酸，這是由編碼異亮氨酸的密碼子轉(zhuǎn)變而來的，另外標(biāo)準(zhǔn)密碼子表中的終止密碼子UGA在支原體中編碼色氨酸；哺乳動(dòng)物線粒體基因表達(dá)時(shí)，原編碼精氨酸的密碼子AGA、AGG變成了終止密碼子；在部分微生物中編碼相同氨基酸的不同密碼子被使用的概率也各不相同，如大腸桿菌中，編碼蘇氨酸的4個(gè)密碼子中，ACU被使用概率約為55.38%，ACC被使用概率約為40%，ACA被使用概率約為4.62%，而ACG完全沒有被使用，經(jīng)常被使用的密碼子稱為偏愛密碼子。

隨著研究的不斷深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種特殊的氨基酸（稱為第21種氨基酸）——硒代半胱氨酸。它是蛋白質(zhì)中硒的主要存在形式，也是唯一一個(gè)含有準(zhǔn)金屬元素（硒）的氨基酸。硒代半胱氨酸由通常為終止密碼子的UGA編碼，該密碼子可被硒代半胱氨酸 — tRNA識(shí)別。硒代半胱氨酸進(jìn)入蛋白質(zhì)受到mRNA閱讀框內(nèi)的UGA密碼子和下游鏈的莖-環(huán)結(jié)構(gòu)所控制，這種特殊結(jié)構(gòu)稱為硒代半胱氨酸插入序列（SECIS），示意圖如圖3。

圖3

原核生物中，當(dāng)mRNA鏈上UGA密碼子的下游出現(xiàn)SECIS時(shí)，UGA密碼子成為硒代半胱氨酸的密碼子，進(jìn)而編碼硒代半胱氨酸，這樣使得硒代半胱氨酸參與到新合成的多肽鏈中。目前已發(fā)現(xiàn)硒代半胱氨酸是25種硒酶的活性中心，這對(duì)含硒酶正常工作有著極其重要的作用。

對(duì)于密碼子和反密碼子，科學(xué)界一直在探究和創(chuàng)造，近年來美國加州的Floyd Romesberg實(shí)驗(yàn)室成員將人工合成的堿基對(duì)植入到大腸桿菌的基因組中，得以成功復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，但不能翻譯出蛋白質(zhì)。之后該實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成員創(chuàng)造出了一種特殊的能夠識(shí)別人造堿基的tRNA，同時(shí)也創(chuàng)造出相應(yīng)的氨基酸，最終發(fā)現(xiàn)新創(chuàng)造的tRNA能夠攜帶相應(yīng)的氨基酸到核糖體中與相應(yīng)的密碼子結(jié)合，并將攜帶的氨基酸整合進(jìn)入大腸桿菌所表達(dá)的蛋白質(zhì)分子中。目前科學(xué)家已經(jīng)用實(shí)驗(yàn)室合成的、自然界不存在的X—Y堿基對(duì)和相應(yīng)的氨基酸，成功創(chuàng)造出了包含A、T、G、C、X、Y這6種堿基的全新生命體。這說明人工合成的堿基對(duì)也能完成遺傳信息的儲(chǔ)存、復(fù)制和表達(dá)，意味著密碼子和反密碼子在不斷地被拓展和更新。

5.小結(jié)

密碼子和反密碼子是將DNA中的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)的橋梁，以課本中細(xì)節(jié)知識(shí)為問題源，深度剖析密碼子與反密碼子的本質(zhì)，能夠使學(xué)生準(zhǔn)確理解遺傳信息的表達(dá)過程，提高高考備考的復(fù)習(xí)效率和準(zhǔn)確率，同時(shí)能夠深刻感受科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步帶來的新知識(shí)的魅力，也能客觀、理性地評(píng)價(jià)生物界的基因多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性。也許將來人類會(huì)利用更先進(jìn)、更科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)造出更多的人工堿基對(duì)添加到遺傳密碼中，使得某些非天然氨基酸被編碼到蛋白質(zhì)中，為醫(yī)療、養(yǎng)生提供廣闊的發(fā)展空間。