破譯遺傳密碼

1、破譯遺傳密碼 從dna雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)到遺傳密碼破譯的發(fā)展道路是如此的復(fù)雜，以至于我們很難從嚴(yán)格的時(shí)代順序來表述這個(gè)問題。 為了弄清楚蛋白質(zhì)合成過程中基因所發(fā)揮的作用，其中有兩種可能的途徑：1、可以根據(jù)dna的分子結(jié)構(gòu)和基因在細(xì)胞中的作用來推斷dna的作用。2、利用生化手段，主要通過建立體外的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。正是利用后一種方法才破譯了遺傳密碼。dna雙螺旋發(fā)現(xiàn)之后 多數(shù)觀點(diǎn)都認(rèn)為：dna雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示幾乎自然地引出了遺傳密碼的概念沃森和克里克1953年5月30日發(fā)表在自然上的論文 論文發(fā)表后，沃森和克里克驚訝地收到了一封喬治蓋莫（george gamow）的來信，信中提出了堿基和氨基酸之間的

2、直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。蓋莫的觀點(diǎn)是：dna的雙螺旋結(jié)構(gòu)包含有20種“空間”，每種“空間”的形狀取決于其周圍核苷酸的本質(zhì)。這些“空間”可以是不同氨基酸的“容器”。 蓋莫的信讓沃森和克里克感到十分吃驚。在那個(gè)時(shí)候，生物學(xué)家有關(guān)蛋白質(zhì)的知識(shí)還太模糊了，不可能對(duì)氨基酸序列嚴(yán)格的遺傳決定論有一個(gè)任何清楚的概念。 蓋莫之所以能夠提出這么一個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)，僅僅是因?yàn)樗麑?duì)這個(gè)領(lǐng)域無知的結(jié)果。 為了證明蓋莫是錯(cuò)誤的，克里克指出蓋莫選擇的20種氨基酸不是基本氨基酸?？死锟俗约哼x出了20種基本氨基酸，令人吃驚的是，這后來竟然被證明是正確的。 雖然如此，蓋莫的提議還是極富成果的?？死锟瞬杉{了其中關(guān)于遺傳密碼的想法 蓋莫的建議意

3、味著，密碼可能被直接破譯出來，而不需要做什么實(shí)驗(yàn)，不需要研究從dna到蛋白質(zhì)的所有中間的生化步驟。 在蓋莫的密碼中，每三個(gè)堿基（叫做一個(gè)三聯(lián)體或密碼子）編碼一種不同的氨基酸，但是編碼連續(xù)不同氨基酸的三聯(lián)體是重疊的。 abcdabcdabcdabcdabcd. abc bcd cda 該假設(shè)被沃森和克里克否定后，蓋莫等又提出了“組合密碼”，在這種密碼中，堿基的順序并不重要，重要的是它們的組合。（細(xì)胞機(jī)器如何識(shí)別） 一套“簡(jiǎn)單”密碼的問題在于，如果使用兩個(gè)字母（堿基），則只能提供16種可能（少于可能存在的氨基酸數(shù)目），如果使用三個(gè)字母則會(huì)有64種可能（又遠(yuǎn)多于氨基酸的數(shù)目）。 另外，如果使用一套無

4、重疊的密碼，又存在一個(gè)閱讀框架的問題。（細(xì)胞如何識(shí)別） 1957年，克里克和萊斯利奧格爾（leslie orgel）對(duì)這些問題提出了一個(gè)解決的辦法。 如果每個(gè)三聯(lián)體都被在正確的“閱讀框架”中閱讀的話，那么它將編碼一種氨基酸；但是一旦閱讀框架被位移了一個(gè)堿基的話，那么所有的三聯(lián)體將失去它們的編碼意義。 這意味著，只有20種有意義的密碼子 這種密碼子數(shù)目與氨基酸的數(shù)目之間的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系看起來似乎太完美了，不可能是不對(duì)的！ 其他更多的密碼子形式被提出來，所有這些密碼子模型都：1）力圖將“重要的”密碼子的數(shù)目減少到20種，2）或是找出一種簡(jiǎn)單的方法來確定閱讀框架。 當(dāng)遺傳密碼在1961年最終被破譯之后

5、，所有這些不同的嘗試似乎都顯得毫無意義 上述所采用的理論研究方法已經(jīng)走向了一個(gè)死胡同。對(duì)蛋白質(zhì)合成的認(rèn)識(shí) 在1950年的時(shí)候，科學(xué)家還沒有這樣的認(rèn)識(shí)：即無論氨基酸的順序是什么，一條多肽鏈都能夠自發(fā)地折疊成一種穩(wěn)定的構(gòu)象。 1937年，max bergmann和carl niemann提出了每一種蛋白質(zhì)都是由2nx3m的氨基酸所組成的。 并不是所有的生化學(xué)家都有這樣一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的精確模型。然而，很多生物學(xué)家都認(rèn)為一定有什么規(guī)則指導(dǎo)著氨基酸的組裝。 1940-1955年間，蛋白質(zhì)合成的多酶模型得到了廣泛接受。但是，這一模型逐漸地被推翻了。一個(gè)嚴(yán)重的理論上的難點(diǎn)：多酶復(fù)合體中的酶又是怎樣被合成的？

6、如果它們自身也是由多酶系統(tǒng)合成的話，整個(gè)蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)是如何啟動(dòng)的；而且這也與一個(gè)基因一個(gè)酶的假說（1941年提出）不符。多酶模型沒有給核酸留下一個(gè)位置。 1952年，亞歷山大道恩斯（alexander dounce）提出了一個(gè)與多酶模型迥異的模板模型：根據(jù)這個(gè)模型，為合成蛋白質(zhì)，氨基酸在由核酸所形成的骨架上組裝。“p1”酶把核苷酸同氨基酸聯(lián)接起來，非專一性的“p2”酶再把組裝在一起的氨基酸通過肽鍵聯(lián)接起來。dnaa.a.a.a.a.a.a.a.a.a.a.a.a.a.p1p2p2p2p2p2p2 為了回答“真核生物dna和蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所不一致”的問題，道恩斯在1953年指出，dna可能自身作

7、為合成rna的模板，而rna又是合成蛋白質(zhì)的模板。 這是對(duì)中心法則的一個(gè)大膽預(yù)言，但不是首先提出的（1947年曾被提出過）。 對(duì)道恩斯來說，p1酶單獨(dú)作用就可使一個(gè)氨基酸和一個(gè)多核苷酸序列中的一個(gè)給定核苷酸聯(lián)接起來。他第一個(gè)認(rèn)為蛋白質(zhì)和核酸之間的關(guān)系是間接的，而非立體特異的。 1950年左右，很多生物學(xué)家都認(rèn)為一定有什么規(guī)則指導(dǎo)著氨基酸的組裝。但是，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)蛋白質(zhì)的序列被測(cè)定時(shí)，試圖找出氨基酸成鏈的任何規(guī)則性的希望破滅了。弗雷德里克桑格（frederick sanger）在1955年測(cè)定了胰島素的序列。這個(gè)序列表明氨基酸在多肽鏈上有著精確的位置，但并沒有揭示出任何序列上的規(guī)則性。frederi

8、ck sanger, (1918) is an english biochemist and a two-time nobel laureate in chemistry, the only person to have been so. in 1958 he was awarded a nobel prize in chemistry for his work on the structure of proteins, especially that of insulin. in 1980, walter gilbert and sanger shared half of the chemi

9、stry prize for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acids.人胰島素氨基酸序列 看來，以前的認(rèn)為“蛋白質(zhì)的合成是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的化學(xué)過程”的觀點(diǎn)是不正確的?；?qū)Φ鞍踪|(zhì)合成的作用需要進(jìn)一步研究 1949年，波林發(fā)現(xiàn)鐮刀形貧血癥與血紅蛋白結(jié)構(gòu)異常有關(guān)；繼而詹姆斯尼爾（james neel）發(fā)現(xiàn)鐮刀形貧血癥是一個(gè)表現(xiàn)孟德爾現(xiàn)象的遺傳病。波林的發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)史上非常重要，它通過一個(gè)分子水平上的紊亂來解釋一個(gè)病癥，而建立了分子醫(yī)學(xué) 1956年弗農(nóng)英格拉姆（vernon

10、 ingram）發(fā)現(xiàn)引起鐮刀形貧血癥的突變是發(fā)生在一條肽鏈上的單個(gè)氨基酸的置換。 英格拉姆的發(fā)現(xiàn)對(duì)于生化學(xué)家有著極其重要的影響：因?yàn)樗砻骰蚩梢灾苯痈深A(yù)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，而且影響了像一個(gè)單一氨基酸的本質(zhì)和位置這種“不重要的細(xì)節(jié)”。蛋白質(zhì)體外合成體系的建立 在1950年，亨利博蘇克（henry borsook）發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)合成是在一個(gè)特殊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)微粒體中進(jìn)行的。 1951年保羅扎麥利克（paul zamecnik）成功地得到了肝細(xì)胞勻漿的粗分離樣品，利用這些無細(xì)胞樣品在體外觀察到了放射性氨基酸摻和入蛋白質(zhì)中的現(xiàn)象。 經(jīng)過一系列改進(jìn)，1954年扎麥利克建立了一個(gè)有蛋白質(zhì)合成活性的體外系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)只

11、含有：1）氨基酸2）提供能量的供體分子atp3）微粒體4）細(xì)胞粗提物經(jīng)超速離心之后得 到的上清液paul zamecnik (19122009) was an american scientist who played a central role in the early history of molecular biology. zamecnik pioneered the in vitro synthesis of proteins and helped elucidate the way cells generate proteins. with mahlon hoagland he

12、co-discovered transfer rna (trna). 在這個(gè)體外系統(tǒng)中，atp是必不可少的。 對(duì)于受過代謝研究方面訓(xùn)練的那些生化學(xué)家來說，atp的重要性暗示著一定存在一種通過與atp反應(yīng)而活化了的氨基酸形式。 一種推測(cè)的氨基酸活化形式很快被在扎麥利克實(shí)驗(yàn)室工作的馬倫霍格蘭（mahlon hoagland）所確認(rèn)。他發(fā)現(xiàn)氨基酸被同一種酶催化先固定到atp上，然后固定到一種小分子rna上他稱之為可溶性rna。 所以存在著同氨基酸種類一樣多的酶的數(shù)目?！奥?lián)接物”假說被證實(shí)第一步： aa + atp + 酶(e) e-aa-amp + ppi第二步： e-aa-amp + trna a

13、a-trna + e + amp 這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了克里克一年前（1954年）所提出的假說。根據(jù)這個(gè)假說，一定存在有稱作“聯(lián)接物”的小分子rna，它既能夠固定氨基酸，又能夠與核酸模板發(fā)生相互作用。該假說認(rèn)為存在20種“聯(lián)接物”rna分子，一種rna對(duì)應(yīng)一種氨基酸，同時(shí)存在20種酶可以把一種氨基酸專一性地結(jié)合到一種“聯(lián)接物”rna上 破譯遺傳密碼的最為理論性的方法和生化學(xué)家“腳踏實(shí)地”式的研究方法的結(jié)果殊途同歸。 隨后不久，扎麥利克又利用細(xì)菌提取物建立了一個(gè)體外的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。隨后這個(gè)系統(tǒng)又被艾爾弗雷德提西瑞斯（alfred tissieres）所改進(jìn)。 破譯遺傳密碼的一切條件都具備了破譯遺傳密碼

14、 1961年5月22日，星期一，下午3:30，一位在美國(guó)工作的德國(guó)生物學(xué)家約翰馬太（johann matthaei）取了一只試管，將以下物質(zhì)混合在一起：經(jīng)過離心分離的細(xì)菌提取物分離出來的小分子可溶性rna組分20種合成蛋白質(zhì)的氨基酸（16種被放射標(biāo)記）作為能量的atp鹽和保持混合物ph值的緩沖液幾微克體外人工合成的多聚尿嘧啶（ump） 經(jīng)過將混合物在35孵育一個(gè)小時(shí)，馬太用三氯乙酸沉淀了混合物中的蛋白質(zhì)，然后檢測(cè)其放射性。結(jié)果很清楚：在有“多聚尿嘧啶”存在時(shí)，氨基酸被摻和到蛋白質(zhì)中，沒有“多聚尿嘧啶”時(shí)，沒有這種摻入反應(yīng)發(fā)生。 在這一周的剩余時(shí)間里，馬太夜以繼日地工作，以確定在多聚尿嘧啶存在時(shí)

15、，那些氨基酸被摻和到蛋白質(zhì)中了。 5月27日，星期六，早晨6:00，他終于有了答案苯丙氨酸。遺傳密碼的第一個(gè)單詞被破譯了。 由于馬太不得不停止工作兩周去參加一個(gè)課程，馬歇爾尼倫伯格（marshall nirenberg）完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的鑒定工作。 這兩位科研人員很快就寫成了兩篇文章，一篇描述了他們對(duì)體外合成系統(tǒng)的一些改進(jìn)，一篇報(bào)告了用不同rna分子，包括多聚尿嘧啶的結(jié)果。marshall nirenberg and johann matthaei proc natl acad sci u s a. 1961 october; 47(10): 15881602. 在文章發(fā)表之前，他們的結(jié)果就成了1961年8月在莫斯科舉行的第五屆國(guó)際生物化學(xué)大會(huì)的焦點(diǎn) 與會(huì)者被他們的結(jié)果震驚了。在接下來的幾個(gè)星期里，有幾個(gè)小組重復(fù)了他們的結(jié)果，并把結(jié)果擴(kuò)展到了用其他合成的rna分子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中。 許多實(shí)驗(yàn)室都加入了這場(chǎng)競(jìng)賽尼倫伯格建立了一個(gè)非常簡(jiǎn)便的破譯遺傳密碼的方法 克里克和布倫納（sydney brenner）對(duì)付遺傳密碼問題的絕妙方法（將遺傳分析和蛋白質(zhì)測(cè)序結(jié)合起來）來得太晚了。它僅僅確認(rèn)了遺傳密碼是由三個(gè)字母組成的，以及遺傳信息是線性的。 但是，這些遺傳技術(shù)證實(shí)了一些密碼子的確是“無意義的”，但確是“有用的”，這些密碼子的功能僅僅是終止蛋白質(zhì)的合成。sydney brenne