堿基密碼子進(jìn)化突變穩(wěn)定性

1、關(guān)于堿基密碼子進(jìn)化突變穩(wěn)定性第一張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、堿基為什么是四個(gè)字母？從信息的角度考慮1. 假設(shè)堿基數(shù)種類為N，序列長(zhǎng)度為n，此序列的 信息量為：2. 若該序列出現(xiàn)的概率表示為p(n, N)，則平 均信息量：第二張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. 序列的平均長(zhǎng)度：4. 信息量的極大化 利用拉格朗日未定乘子法： 化簡(jiǎn)可得：第三張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月n足夠大，N為一特定常數(shù)，有：遺傳信息的可復(fù)制性，堿基數(shù)N為偶數(shù)且一半嘌呤，一半嘧啶。接下來(lái)考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：1. 假設(shè)進(jìn)化是以單堿基突變?yōu)橹饕问剑?突變有兩種： a. 轉(zhuǎn)換突變、b. 顛

2、換突變第四張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月轉(zhuǎn)換突變： 嘌呤與嘌呤之間 或 嘧啶與嘧啶之間顛換突變： 嘌呤與嘧啶之間自對(duì)的突變率很小，例如A-A第五張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 突變頻率為：這里K是一個(gè)密碼字內(nèi)堿基數(shù)目，a、b分別是轉(zhuǎn)換和顛換突變常數(shù)。3. 若氨基酸的數(shù)目為L(zhǎng)，給定L下的突變率M：第六張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月17L6465L256N=200N=4K(=3)K(=4)N=62K(=2, 3)2K(=3, 4)N=83K(=2)3K(=3)N=104K(=2)4K(=2, 3)第七張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月討論1. N=4

3、的穩(wěn)定性是最高的，N=6次穩(wěn)定。2. 當(dāng)L36，6種堿基的二聯(lián)體（K=2）作為 密碼子來(lái)編碼氨基酸，穩(wěn)定性也相當(dāng)高。3. 實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)某些類嘌呤和類嘧啶物質(zhì)也可 構(gòu)成堿基對(duì)，因此這種密碼系統(tǒng)需要注 意。4. 或者進(jìn)化從原有基礎(chǔ)上(N=4, K=3)擴(kuò)展為 (N=6, K=3)，即保持三聯(lián)體編碼的道路。第八張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、遺傳密碼的簡(jiǎn)并規(guī)則 遺傳密碼的極高普適性和內(nèi)在單純性說(shuō)明了密碼表的構(gòu)成遵循一定的邏輯。 我們?cè)噲D從進(jìn)化穩(wěn)定性的角度說(shuō)明現(xiàn)有密碼表的結(jié)構(gòu)，即討論每一氨基酸和終止密碼在密碼表上的排布： 1. 每一多重態(tài)的簡(jiǎn)并規(guī)則；（局部性） 2. 多重態(tài)如何分布在密碼表

4、上。（整體性）第九張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第十張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月由密碼表觀察到：1. 二度簡(jiǎn)并密碼子分布在方塊的上方或下方，2. 四度簡(jiǎn)并密碼子占據(jù)整個(gè)方塊，3. 三度密碼子也僅在16方塊中的一塊， 即密碼子1，2位相同，3位是突變。4. 終止密碼子三度簡(jiǎn)并。5. 六度簡(jiǎn)并密碼子是一個(gè)四度加一個(gè)二度。第十一張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月討論密碼子的簡(jiǎn)并規(guī)則前提假設(shè)： 發(fā)展總是向穩(wěn)定化方向前進(jìn)，即現(xiàn)在的密碼表是目前最穩(wěn)定的，能夠抵抗堿基突變干擾； 對(duì)于每一假想密碼子多重態(tài)，可定義一個(gè)突變危險(xiǎn)性系數(shù)(mutational deteriorati

5、on, MD), 代表這個(gè)多重態(tài)受到突變干擾的頻率和引起的危險(xiǎn)性。第十二張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月MD的極小化可確定密碼的簡(jiǎn)并規(guī)則。突變危險(xiǎn)性系數(shù)包括三類：a. 單堿基轉(zhuǎn)換突變(UC, GA)，系數(shù)u；b. 單堿基顛換突變(UA, GC, CA, UG) ，系數(shù)v；c. 附加擺動(dòng)突變系數(shù)wu, wv 只對(duì)密碼子第三堿基有效第十三張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1966年，Crick根據(jù)立體化學(xué)原理提出擺動(dòng)學(xué)說(shuō)，解釋了反密碼子中某些稀有成分（如I）的配對(duì)。擺動(dòng)學(xué)說(shuō)認(rèn)為，在密碼子與反密碼子的配對(duì)中，前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基配對(duì)原則，第三對(duì)堿基有一定的自由度，可以“擺動(dòng)”，因而使

6、某些tRNA可以識(shí)別1個(gè)以上的密碼子。第十四張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月前提假定4v u2vwvu-vwu-wvu+vwuv且u+wuv+wv因此即二密碼子簡(jiǎn)并取轉(zhuǎn)換相鄰。目前，9個(gè)二度簡(jiǎn)并都屬于此。MD(2)=c2-2u-2wu 最小第十八張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月MD(3)=c3=9u+18v+3wu+6wvMD(3)=c3-2u-4v-2wu-4wv三度簡(jiǎn)并密碼子突變極小化突變危險(xiǎn)性最小情況：Ile的三度密碼子簡(jiǎn)并屬于此種情況。由于uv且u+wuv+wv，2wv u-2v第十九張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月MD(4)=c4=12u+24v+4wu

7、+8wvMD(4)=c4-4u-8v-4wu-8wv四度簡(jiǎn)并密碼子突變極小化突變危險(xiǎn)性最小情況：5個(gè)四度密碼子簡(jiǎn)并均屬于此種情況。由于uv且u+wuv+wv，2wv u-2v第二十張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月總突變危險(xiǎn)性：MD(5)=c5=15u+30v+5wu+10wvMD(5)=c5-6u-8v-4wu-8wv五度簡(jiǎn)并密碼子突變極小化突變危險(xiǎn)性最小情況：若存在五度兼并密碼子，必屬于此種情況。由于uv且u+wuv+wv，2wv u-2v第二十一張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月總突變危險(xiǎn)性：MD(6)=c6=18u+36v+6wu+12wvMD(6)=c6-10u-8v

8、-6wu-8wv六度簡(jiǎn)并密碼子突變極小化突變危險(xiǎn)性最小情況：由于uv且u+wuv+wv，2wv u-2vLeu第二十二張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月MD(6)=c6-6u-12v-6wu-8wv突變危險(xiǎn)性次小情況：ArgMD(6)=c6-6u-8v-6wu-8wv突變危險(xiǎn)性第三小情況：Ser第二十三張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月終止密碼子突變危險(xiǎn)性由于密碼子不與tRNA相互作用，故不引入擺動(dòng)突變。MD(3)=c3=9u+18vMD(3)=c3-4u=5u+18v突變危險(xiǎn)性最小情況：終止密碼子簡(jiǎn)并屬于此種情況。第二十四張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月從極小MD到

9、次小MD的距離dMD(2)=2(wu-wv+u-v)dMD(3)=2(2wv-u+2v)dMD(4)=4(2wv-u+2v)第二十五張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月dMD(6Leu,Arg)=4(u-v)dMD(6Leu,Ser)=4u除六重態(tài)外，其它態(tài)的“基態(tài)”比“激發(fā)態(tài)”穩(wěn)定的多。而六重態(tài)的三個(gè)氨基酸接近于簡(jiǎn)并，因此可解釋6重態(tài)的分布。第二十六張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月u=2.5v, wu =9v, wv=2.5vdMD(2)MDmin(2)dMD(3)MDmin (3)dMD(4)MDmin (4)dMD(6,Arg) MDmin (6)dMD(6,Ser) M

10、Dmin (6)50%20%50%10%17% 這樣，我們從一個(gè)統(tǒng)一的觀點(diǎn)解釋了各種簡(jiǎn)并度的氨基酸和終止密碼子在密碼表上的分布位置。第二十七張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月氨基酸的不可取代性 將20種氨基酸的MD值除以簡(jiǎn)并度可定義為平均突變危險(xiǎn)性(AMD)。 平均突變危險(xiǎn)性反映了突變干擾的水平和危險(xiǎn)性，此值應(yīng)與氨基酸在蛋白質(zhì)序列中的不可取代性一致。第二十八張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月單態(tài) AMD=3u+6v+wu+2wv （1）二重態(tài)： AMD=2u+6v+2wv （2）三重態(tài)： AMD=(7u+14v+wu+2wv)/3 （3）六重態(tài) Ser：AMD=(6u+14v+

11、2wv)/3 （4）六重態(tài) Arg：AMD=(6u+12v+2wv)/3 （5）六重態(tài) Leu：AMD=(4u+14v+2wv)/3 （6）四重態(tài) Leu：AMD=2u+4v （7）第二十九張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（1）-（2）=u+wu（2）-（3）=(4v-u+4wv-wu)/3（3）-（4）=(u+wu)/3（4）-（5）=2u/3（5）-（6）=(2u-2v)/3（6）-（7）=(2v-2u+2wv)/3上式均為正值。第三十張，PPT共三十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Trp: 1.82單重簡(jiǎn)并Met: 1.25單重簡(jiǎn)并Cys: 1.12二重簡(jiǎn)并Tyr: 0.98二重簡(jiǎn)并His: 0.94二重簡(jiǎn)并Phe: 0.86二重簡(jiǎn)并Gln: 0.86二重簡(jiǎn)并Lys: 0.81二重簡(jiǎn)并Asn: 0.79二重簡(jiǎn)并Asp: 0.77二重簡(jiǎn)并Glu: 0.76二重簡(jiǎn)并Ile: 0.65三重簡(jiǎn)并Ser: 0.64六重簡(jiǎn)并Pro: 0.61四重簡(jiǎn)并Arg: 0.60六重簡(jiǎn)并Leu: 0.58六重簡(jiǎn)并Thr: 0.56四重簡(jiǎn)并Gly: 0.56四重簡(jiǎn)并Val: 0.54四重簡(jiǎn)并Ala: 0.52四重簡(jiǎn)并氨基酸不可取代性Volkenstein統(tǒng)計(jì)脊椎動(dòng)物血紅蛋白20