破譯遺傳密碼

1、破譯遺傳密碼 從dna雙螺旋結構的發(fā)現到遺傳密碼破譯的發(fā)展道路是如此的復雜，以至于我們很難從嚴格的時代順序來表述這個問題。 為了弄清楚蛋白質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dna的分子結構和基因在細胞中的作用來推斷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)現之后 多數觀點都認為：dna雙螺旋結構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、直接對應關系。蓋莫的觀點是：dna的雙螺旋結構包含有20種“空間”，每種“空間”的形狀取決于其周圍核苷酸的本質。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。在那個時候，生物學家有關蛋白質的知識還太模糊了，不可能對氨基酸序列嚴格的遺傳決定論有一個任何清楚的概念。 蓋莫之所以能夠提出這么一個簡單的假設，僅僅是因為他對這個領域無知的結果。 為了證明蓋莫是錯誤的，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，而不需要做什么實驗，不需要研究從dna到蛋白質的所有中間的生化步驟。 在蓋莫的密碼中，每三個堿基（叫做一個三聯體或密碼子）編碼一種不同的氨基酸，但是編碼連續(xù)不同氨基酸的三聯體是重疊的。 abcdabcdabcdabcdabcd. abc bcd cda 該假設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。（細胞機器如何識別） 一套“簡單”密碼的問題在于，如果使用兩個字母（堿基），則只能提供16種可能（少于可能存在的氨基酸數目），如果使用三個字母則會有64種可能（又遠多于氨基酸的數目）。 另外，如果使用一套無

4、重疊的密碼，又存在一個閱讀框架的問題。（細胞如何識別） 1957年，克里克和萊斯利奧格爾（leslie orgel）對這些問題提出了一個解決的辦法。 如果每個三聯體都被在正確的“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堿基的話，那么所有的三聯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 這種密碼子數目與氨基酸的數目之間的精確對應關系看起來似乎太完美了，不可能是不對的！ 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”密碼子的數目減少到20種，2）或是找出一種簡單的方法來確定閱讀框架。 當遺傳密碼在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走向了一個死胡同。對蛋白質合成的認識 在1950年的時候，科學家還沒有這樣的認識：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)定的構象。 1937年，max bergmann和carl niemann提出了每一種蛋白質都是由2nx3m的氨基酸所組成的。 并不是所有的生化學家都有這樣一個蛋白質結構的精確模型。然而，很多生物學家都認為一定有什么規(guī)則指導著氨基酸的組裝。 1940-1955年間，蛋白質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。一個嚴重的理論上的難點：多酶復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，整個蛋白質合成系統(tǒng)是如何啟動的；而且這也與一個基因一個酶的假說（1941年提出）不符。多酶模型沒有給核酸留下一個位置。 1952年，亞歷山大道恩斯（alexander dounce）提出了一個與多酶模型迥異的模板模型：根據這個模型，為合成蛋白質，氨基酸在由核酸所形成的骨架上組裝?！皃1”酶把核苷酸同氨基酸聯接起來，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和蛋白質合成場所不一致”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又是合成蛋白質的模板。 這是對中心法則的一個大膽預言，但不是首先提出的（1947年曾被提出過）。 對道恩斯來說，p1酶單獨作用就可使一個氨基酸和一個多核苷酸序列中的一個給定核苷酸聯接起來。他第一個認為蛋白質和核酸之間的關系是間接的，而非立體特異的。 1950年左右，很多生物學家都認為一定有什么規(guī)則指導著氨基酸的組裝。但是，當第一個蛋白質的序列被測定時，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年測定了胰島素的序列。這個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，以前的認為“蛋白質的合成是一個相對簡單的化學過程”的觀點是不正確的?；驅Φ鞍踪|合成的作用需要進一步研究 1949年，波林發(fā)現鐮刀形貧血癥與血紅蛋白結構異常有關；繼而詹姆斯尼爾（james neel）發(fā)現鐮刀形貧血癥是一個表現孟德爾現象的遺傳病。波林的發(fā)現在現代醫(yī)學史上非常重要，它通過一個分子水平上的紊亂來解釋一個病癥，而建立了分子醫(yī)學 1956年弗農英格拉姆（vernon

10、 ingram）發(fā)現引起鐮刀形貧血癥的突變是發(fā)生在一條肽鏈上的單個氨基酸的置換。 英格拉姆的發(fā)現對于生化學家有著極其重要的影響：因為它表明基因可以直接干預蛋白質的結構，而且影響了像一個單一氨基酸的本質和位置這種“不重要的細節(jié)”。蛋白質體外合成體系的建立 在1950年，亨利博蘇克（henry borsook）發(fā)現蛋白質合成是在一個特殊的細胞結構微粒體中進行的。 1951年保羅扎麥利克（paul zamecnik）成功地得到了肝細胞勻漿的粗分離樣品，利用這些無細胞樣品在體外觀察到了放射性氨基酸摻和入蛋白質中的現象。 經過一系列改進，1954年扎麥利克建立了一個有蛋白質合成活性的體外系統(tǒng)。這個系統(tǒng)只

11、含有：1）氨基酸2）提供能量的供體分子atp3）微粒體4）細胞粗提物經超速離心之后得 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). 在這個體外系統(tǒng)中，atp是必不可少的。 對于受過代謝研究方面訓練的那些生化學家來說，atp的重要性暗示著一定存在一種通過與atp反應而活化了的氨基酸形式。 一種推測的氨基酸活化形式很快被在扎麥利克實驗室工作的馬倫霍格蘭（mahlon hoagland）所確認。他發(fā)現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目。“聯接物”假說被證實第一步： 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)現證實了克里克一年前（1954年）所提出的假說。根據這個假說，一定存在有稱作“聯接物”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。該假說認為存在20種“聯接物”rna分子，一種rna對應一種氨基酸，同時存在20種酶可以把一種氨基酸專一性地結合到一種“聯接物”rna上 破譯遺傳密碼的最為理論性的方法和生化學家“腳踏實地”式的研究方法的結果殊途同歸。 隨后不久，扎麥利克又利用細菌提取物建立了一個體外的蛋白質合成系統(tǒng)。隨后這個系統(tǒng)又被艾爾弗雷德提西瑞斯（alfred tissieres）所改進。 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3:30，一位在美國工作的德國生物學家約翰馬太（johann matthaei）取了一只試管，將以下物質混合在一起：經過離心分離的細菌提取物分離出來的小分子可溶性rna組分20種合成蛋白質的氨基酸（16種被放射標記）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） 經過將混合物在35孵育一個小時，馬太用三氯乙酸沉淀了混合物中的蛋白質，然后檢測其放射性。結果很清楚：在有“多聚尿嘧啶”存在時，氨基酸被摻和到蛋白質中，沒有“多聚尿嘧啶”時，沒有這種摻入反應發(fā)生。 在這一周的剩余時間里，馬太夜以繼日地工作，以確定在多聚尿嘧啶存在時

15、，那些氨基酸被摻和到蛋白質中了。 5月27日，星期六，早晨6:00，他終于有了答案苯丙氨酸。遺傳密碼的第一個單詞被破譯了。 由于馬太不得不停止工作兩周去參加一個課程，馬歇爾尼倫伯格（marshall nirenberg）完成了對實驗產物的鑒定工作。 這兩位科研人員很快就寫成了兩篇文章，一篇描述了他們對體外合成系統(tǒng)的一些改進，一篇報告了用不同rna分子，包括多聚尿嘧啶的結果。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，他們的結果就成了1961年8月在莫斯科舉行的第五屆國際生物化學大會的焦點 與會者被他們的結果震驚了。在接下來的幾個星期里，有幾個小組重復了他們的結果，并把結果擴展到了用其他合成的rna分子進行的實驗中。 許多實驗室都加入了這場競賽尼倫伯格建立了一個非常簡便的破譯遺傳密碼的方法 克里克和布倫納（sydney brenner）對付遺傳密碼問題的絕妙方法（將遺傳分析和蛋白質測序結合起來）來得太晚了。它僅僅確認了遺傳密碼是由三個字母組成的，以及遺傳信息是線性的。 但是，這些遺傳技術證實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的合成。sydney brenne