以“题”带“面” 突破密码子与反密码子的特性

云南

《普通高等学校招生全国统一考试大纲》中对“遗传信息的转录和翻译”要求掌握的程度为Ⅱ级，即理解所列知识和其他相关知识之间的联系和区别，并能在较复杂的情境中综合运用其进行分析、判断、推理和评价。遗传信息的转录和翻译过程中密码子和反密码子扮演着极其重要的角色，如何破译密码子、密码子发挥作用时具有哪些特性、反密码子阅读密码子的规律等一直是遗传信息转录和翻译相关试题中常考的核心知识。笔者以4道经典例题为载体，阐释密码子与反密码子的本质与特性，搭建密码子与反密码子的知识网络，以期为高考备考提供可借鉴措施，提高高考备考的效率。

1.遗传密码破译的经典实验

【典例1】（2019年，全国卷I，第2题）用体外实验的方法可合成多肽链。已知苯丙氨酸的密码子是UUU，若要在体外合成同位素标记的多肽链，所需的材料组合是

①同位素标记的tRNA

②蛋白质合成所需的酶

③同位素标记的苯丙氨酸

④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸

⑤除去了DNA和mRNA的细胞裂解液

A.①②④ B.②③④ C.③④⑤ D.①③⑤

【参考答案】C

【解析】分析题干信息可知，合成多肽链的过程即翻译过程。翻译过程以mRNA为模板，以氨基酸为原料，产物是多肽链，场所是核糖体。翻译的原料是氨基酸，要想让多肽链带上同位素标记，应该用同位素标记的氨基酸（苯丙氨酸）作为原料，而不是同位素标记的tRNA，①错误、③正确；合成蛋白质需要模板，由题知苯丙氨酸的密码子是UUU，因此可以用人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸作模板，同时要除去细胞中原有核酸的干扰，④⑤正确；除去了DNA和mRNA的细胞裂解液模拟了细胞中的真实环境，其中含有核糖体、催化多肽链合成的酶等，因此不需要再加入蛋白质合成所需的酶，②错误。

【实验过程还原】英国科学家克里克以T4噬菌体为实验材料证明了遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸，且遗传密码从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读，编码之间没有分隔符。紧接着尼伦伯格和马太利用蛋白质的体外合成技术破译了第一个遗传密码子，实验过程如图1：

图1

上述实验结果为只有加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸肽链，这说明多聚尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的合成，即尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链，结合克里克得出的3个碱基决定1个氨基酸的实验结论，得出UUU编码苯丙氨酸，即苯丙氨酸的密码子为UUU，利用同样的方法科学家相继破译出了赖氨酸和脯氨酸的密码子。此后，科学家破译出了全部的密码子。

通过还原实验过程，领悟科学家发现密码子的过程，不仅可以使学生扎实掌握基本知识，更重要的是可以增加学生的家国担当和社会责任感，树立通过努力学习报效祖国的信心。

2.起始密码子和终止密码子的作用

【典例2】现分离得到一段DNA片段，含有编码多肽的某个基因的前几个密码子，该片段的序列组成为

甲链：5′CGCAGGATCAGTCGATGTCCTGTG 3′

乙链：3′GCGTCCTAGTCAGCTACAGGACAC 5′

（1）由该DNA片段可知该基因转录的模板链是__________，依据是_________________________________________________。

（2）该基因翻译的方向是_____________________________。

（3）已知UAG是上述基因转录形成的成熟mRNA上位于第303位的一个终止密码子，但该基因表达形成的肽链中氨基酸数目超过302个，这说明_____________________________。

【参考答案】（1）乙链 转录形成的mRNA上应具有起始密码子，且起始密码子为AUG或GUG，由此可推得该基因转录的模板链中应具有TAC序列或CAC序列，乙链符合要求 （2）若以AUG为起始密码，则按照5′端→3′端方向翻译；若以GUG为起始密码，则两个方向均可进行 （3）UAG的终止效率最低，容易被读取

【解析】（1）以mRNA为模板进行翻译时需要从起始密码子开始，起始密码子一般是AUG或GUG，根据碱基互补配对原则可知，作为转录模板的链上应具有TAC序列或CAC序列。（2）若以AUG为起始密码子，则按照5′端→3′端方向翻译；若以GUG为起始密码子，则两个方向均可进行。（3）一般情况下，终止密码子位于转录形成的成熟mRNA上第303位时，翻译形成的肽链中含有302个氨基酸，但现在超过302个，说明UAG的终止效率最低，容易被读取，使得翻译继续进行下去。

【知识延伸】绝大多数生物体内AUG是起始密码子，同时也是甲硫氨酸的密码子，具有兼职性。少数细菌中以GUG作为起始密码子，真核生物偶尔也会以GUG作为起始密码子。UAA、UAG、UGA是终止密码子，无编码蛋白质的能力，起到一个“句号”的作用，因此终止密码子也称为无意义密码子。三者中UAA的终止效率最高，UAG的终止效率最低，容易被读取，为保证翻译准确结束，不产生超长的肽链，有时会以连续2个甚至3个终止密码子强化终止。

3.反密码子阅读密码子的规律

【典例3】已知某氨基酸的密码子为CAC或CAU，则决定该氨基酸的反密码子为_________。

【参考答案】GUG或GUA

【知识释疑】通常情况下，合成蛋白质时，mRNA信息的阅读（翻译）是从mRNA的5′端向3′端进行的，习惯性地把5′端写在左侧，3′端写在右侧。关于反密码子阅读密码子的方式，不同教材有不同描述，目前普遍接受的是按照5′端→ 3′端方向进行阅读，即tRNA携带的反密码子在核糖体内通过碱基的反向配对与mRNA上的密码子相互作用，反向配对的基本方式如图2：

图2

遗传信息翻译时，反密码子的第一位碱基与密码子的第三位碱基互补配对，一般情况下密码子都是从5′端→3′端（从左往右）书写，如甲硫氨酸的密码子AUG，即5′端—AUG—3′端，反密码子阅读也是按照5′端→3′端方向进行，但由于与mRNA是反向配对，而书写时一般都是以书写密码子的方向写，因此甲硫氨酸的反密码子写成UAC，第一位碱基写在了右侧。

4.密码子的特性

【典例4】假设某个基因中决定编码亮氨酸的密码子的GAT中的一个碱基发生了替换，可能的变化是第一个碱基G变成了A、T、C；第二个碱基A变成了G、T、C；第三个碱基T变成了A、G、C，这9种变化中确实引起所编码的氨基酸发生变化的有_________种（已知UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG均编码亮氨酸），由此说明基因突变不一定导致所编码的蛋白质发生改变，这能够防止____________________________________。

【参考答案】5 由于碱基的改变而导致遗传信息的改变

【知识延伸】

（1）密码子的简并性

由于61种有义密码子编码20种氨基酸，必然会出现一种氨基酸对应多个密码子的现象，这一现象叫作密码子的简并性。除甲硫氨酸和色氨酸只有1个密码子外，其他18种氨基酸均有2个或2个以上的密码子，如GGU、GGC、GGA、GGG四个密码子均编码甘氨酸，对应于同一种氨基酸的不同种类的密码子统称为同义密码子。密码子的简并性可以减少由于碱基对替换造成的有害基因突变，即突变后的密码子与突变前的密码子决定同一种氨基酸，使得基因突变后仍可翻译出正常的蛋白质，执行正常的生理活动。

基于上述问题的解决过程，对密码子的其他特性进行适当拓展，能够增强学生的知识面，为新情境试题的分析和作答积累经验。

（2）密码子的变偶性

基于密码子的简并性，克里克于1966年提出遗传密码的变偶性，他发现反密码子的第一位碱基与密码子的第三位碱基的配对可以在一定范围内变动，即密码子与反密码子的配对具有摆动性。变偶性主要得益于密码子的第三位碱基具有较大的灵活性。研究已知一级结构的tRNA发现其反密码子的第一位碱基为I、G、C、U，没有出现常规的A，显然I是由A转变而来的，密码子与反密码子配对的变偶性具体表现如表：

表密码子与反密码子配对的变偶性

Ⅰ属于反密码子中的稀有碱基次黄嘌呤，反密码子中的次黄苷酸可以和尿苷酸、胞苷酸、腺苷酸中的任何一个配对，这种配对能力对异亮氨酸的密码子极其重要，异亮氨酸的密码子为AUA、AUC、AUU，甲硫氨酸的密码子为AUG，当tRNA携带的反密码子的第一位碱基为尿嘧啶时，该tRNA识别AUA的同时也会识别AUG，这种变偶作用引起的特殊配对可能导致蛋白质合成过程中氨基酸进位错误，使得编码异亮氨酸的密码子被阅读为甲硫氨酸的密码子，而次黄苷酸为第一位的反密码子只识别AUA、AUC、AUU，不识别AUG，这样蛋白质合成过程中氨基酸进位错误会得以一定程度的控制，同时由于次黄苷酸的多种配对能力，使得异亮氨酸的三个密码子被顺利阅读出来。变偶的意义在于，当密码子的第三位碱基改变时，仍然可以翻译出正确的氨基酸序列，使得合成的蛋白质具有正常的生物学活性，同时可以防止错误氨基酸进位，提高蛋白质合成的效率。

（3）密码子防错性

由标准密码子表可以看出，当某个密码子的第三位碱基发生改变时基本不改变其所编码的氨基酸；若其所编码的氨基酸改变，也常常由性质相似的氨基酸代替。如编码脯氨酸的一个密码子为CCU，若其第三位碱基转换为A，则变为CCA，其编码的氨基酸依然是脯氨酸；丝氨酸和苏氨酸的密码子分别是UCN（N代表A、G、C、U四种碱基中的1种）和ACN，若丝氨酸的密码子的第一位碱基突变为A，则编码的氨基酸由苏氨酸代替，两种氨基酸的理化性质很接近，对翻译出的蛋白结构和功能影响较小。

（4）密码子“特例”

20种氨基酸的标准密码子表中，编码甲硫氨酸和色氨酸的密码子各只有1个，分别是AUG和UGG，然而果蝇、酿酒酵母等线粒体中的基因表达时，AUA亦编码甲硫氨酸，这是由编码异亮氨酸的密码子转变而来的，另外标准密码子表中的终止密码子UGA在支原体中编码色氨酸；哺乳动物线粒体基因表达时，原编码精氨酸的密码子AGA、AGG变成了终止密码子；在部分微生物中编码相同氨基酸的不同密码子被使用的概率也各不相同，如大肠杆菌中，编码苏氨酸的4个密码子中，ACU被使用概率约为55.38%，ACC被使用概率约为40%，ACA被使用概率约为4.62%，而ACG完全没有被使用，经常被使用的密码子称为偏爱密码子。

随着研究的不断深入，科学家发现了一种特殊的氨基酸（称为第21种氨基酸）——硒代半胱氨酸。它是蛋白质中硒的主要存在形式，也是唯一一个含有准金属元素（硒）的氨基酸。硒代半胱氨酸由通常为终止密码子的UGA编码，该密码子可被硒代半胱氨酸 — tRNA识别。硒代半胱氨酸进入蛋白质受到mRNA阅读框内的UGA密码子和下游链的茎-环结构所控制，这种特殊结构称为硒代半胱氨酸插入序列（SECIS），示意图如图3。

图3

原核生物中，当mRNA链上UGA密码子的下游出现SECIS时，UGA密码子成为硒代半胱氨酸的密码子，进而编码硒代半胱氨酸，这样使得硒代半胱氨酸参与到新合成的多肽链中。目前已发现硒代半胱氨酸是25种硒酶的活性中心，这对含硒酶正常工作有着极其重要的作用。

对于密码子和反密码子，科学界一直在探究和创造，近年来美国加州的Floyd Romesberg实验室成员将人工合成的碱基对植入到大肠杆菌的基因组中，得以成功复制和转录，但不能翻译出蛋白质。之后该实验室团队成员创造出了一种特殊的能够识别人造碱基的tRNA，同时也创造出相应的氨基酸，最终发现新创造的tRNA能够携带相应的氨基酸到核糖体中与相应的密码子结合，并将携带的氨基酸整合进入大肠杆菌所表达的蛋白质分子中。目前科学家已经用实验室合成的、自然界不存在的X—Y碱基对和相应的氨基酸，成功创造出了包含A、T、G、C、X、Y这6种碱基的全新生命体。这说明人工合成的碱基对也能完成遗传信息的储存、复制和表达，意味着密码子和反密码子在不断地被拓展和更新。

5.小结

密码子和反密码子是将DNA中的遗传信息传递到蛋白质的桥梁，以课本中细节知识为问题源，深度剖析密码子与反密码子的本质，能够使学生准确理解遗传信息的表达过程，提高高考备考的复习效率和准确率，同时能够深刻感受科学技术不断进步带来的新知识的魅力，也能客观、理性地评价生物界的基因多样性、物种多样性和生态系统多样性。也许将来人类会利用更先进、更科学的技术创造出更多的人工碱基对添加到遗传密码中，使得某些非天然氨基酸被编码到蛋白质中，为医疗、养生提供广阔的发展空间。