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21.12: 从DNA到蛋白质
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从DNA到蛋白质
 
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21.12: 从DNA到蛋白质

细胞中遗传信息从DNA到mRNA到蛋白质的流动是由中央教条描述的,它指出基因指定mRNA的序列,而mRNA又指定构成所有蛋白质的氨基酸序列。一个分子对另一个分子的解码是由特定的蛋白质和RMAS执行的。由于DNA中存储的信息对细胞功能至关重要,因此直观地感觉到细胞会复制这些信息以进行蛋白质合成,同时保持DNA本身的完整性和保护性。将DNA复制到RNA上相对简单,在DNA链中读取的每一个核苷酸中,都会在mRNA链中加入一个核苷酸。对蛋白质的转换要复杂一些,因为三个mRNA核苷酸对应于多肽序列中的一种氨基酸。然而,对蛋白质的转化仍然是系统性的和线性的,因此核苷酸1至3对应氨基酸1,核苷酸4至6对应氨基酸2,等等。

遗传密码退化和普遍

每个氨基酸由三核苷酸序列定义,称为三胞胎。鉴于mRNA和蛋白质"字母表"中的"字母"数量不同,科学家理论认为单一氨基酸必须用核苷酸的组合来表示。核苷酸双酸不足以指定每种氨基酸,因为只有16种可能的双核苷酸组合(42)。相比之下,有64个可能的核苷酸三胞胎(43),这远远超过氨基酸的数量。科学家理论认为氨基酸是由核苷酸三胞胎编码的,遗传密码是"退化的"。换句话说,给定的氨基酸可以由多个核苷酸三胞胎编码。这后来在实验中得到了证实:弗朗西斯·克里克和悉尼·布伦纳使用化学突变的 proflavin 将一、二或三个核苷酸插入病毒基因中。当插入一两个核苷酸时,正常蛋白质没有产生。当插入三个核苷酸时,蛋白质被合成并发挥作用。这表明氨基酸必须由三个核苷酸组指定。这些核苷酸三胞胎被称为科顿。插入一两个核苷酸完全改变了三胞胎读取框架,从而改变了随后每一种氨基酸的信息。虽然插入三个核苷酸导致在翻译过程中插入额外的氨基酸,但蛋白质其余部分的完整性得以保持。

除了指示在多肽链中添加特定氨基酸的 codons 外,64 个科顿中还有 3 个终止蛋白质合成并从转化机械中释放多肽。这些三胞胎被称为无稽之谈或 停止科顿。另一个科顿,8月,也有一个特殊的功能。除了指定氨基酸甲硫氨酸,它也是启动翻译的开始。翻译的阅读框架由靠近 mRNA 5' 端的 8 月启动 codon 设置。开始科顿之后,mRNA 被分成三组读取,直到遇到停止科顿。

多个类似科顿的单个氨基酸的规格称为"退化"。退化被认为是一种细胞机制,以减少随机突变的负面影响。指定相同氨基酸的科顿通常只因一个核苷酸而异。此外,具有化学相似侧链的氨基酸也由类似的科顿编码。例如,占据 GA* 块的阿斯巴酸盐 (Asp) 和谷氨酸 (Glu) 都受到负电荷。遗传密码的这种细微差别确保单核苷酸替代突变可能指定相同的氨基酸,但没有影响或指定类似的氨基酸,防止蛋白质完全失效。

遗传密码几乎是通用的。 除了一些小例外,几乎所有物种都使用相同的遗传密码进行蛋白质合成。保护鳕鱼意味着在马中编码球蛋白的纯化mRNA可以转移到郁金香细胞中,郁金香会合成马球蛋白。只有一个遗传密码是强有力的证据,证明地球上所有的生命都有一个共同的起源,特别是考虑到大约有1084 种可能的20种氨基酸和64种三胞胎的组合。

本文改编自 《通斯塔克斯》,《生物学2e》,第15.1章:《 遗传密码》。

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