密碼子

密碼子（codon）：mRNA（或DNA）上的三聯體核苷酸殘基序列，該序列編碼着一個特定的氨基酸，tRNA 的反密碼子與mRNA的密碼子互補。

起始密碼子（iniation codon）：指定蛋白質合成起始位點的密碼子。最常見的起始密碼子是甲硫氨酸或纈氨酸密碼。

終止密碼子（termination codon）：任何tRNA分子都不能正常識別的，但可被特殊的蛋白質結合並引起新合成的肽鏈從翻譯機器上釋放的密碼子。存在三個終止密碼子：UAG，UAA和UGA。

除了少數的不同之外，地球上已知生物的遺傳密碼均非常接近；因此根據演化論，遺傳密碼應在生命歷史中很早期就出現。現有的證據表明遺傳密碼的設定並非是隨機的結果，有一種解釋是，一些氨基酸和它們相對應的密碼子有選擇性的化學結合力，這就顯示現 在複雜的蛋白質製造過程可能並不是一早就存在，而最初的蛋白質很可能是在核酸上直接形成。 ^[4] 

立體化學作用理論的代表人物是伍斯。他認為密碼起源於氨基酸和密碼子或反密碼子（或更一般地和RNA）的立體化學相互作用。這個觀點可以追溯至1962年，伍斯推測編碼關係可能是核酸與氨基酸間的立體化學作用，他把“簡併性”中涉及的密碼子看作是相等的核苷酸，1965年5月，伍斯發表題為《密碼的規則》的論文闡明遺傳密碼的排布規則，認為利用氨基酸色譜可以為分析“簡併性”提供有用的證據，傾向於密碼關係是一種核苷酸與氨基酸間的立體化學作用。此時，普適密碼還沒有完全確立，伍斯研究的編碼關係還具有一定的推測性。事實上，全部密碼關係的最佳立體化學匹配從來也沒有被證明過。但是，氨基酸的疏水性和反密碼予3’二核苷的疏水性順序相同是已確認的事實，説明立體化學作用的因素確實重要地影響着氨基酸和反密碼子的識別。 ^[5] 

凍結偶然性理論的代表人物是克里克。該理論認為密碼關係是進化過程中的偶然性被固定下來的結果，這種關係一旦建立便永久保留下來。密碼子與氨基酸的對應關係是在某個生命發生時段裏被固定下來，並且很難被改變，克里克在這篇論文中討論的編碼關係來源於他在1966年冷泉港會議上呈現的密碼錶，這張表除了起始密碼與UGA不同外，與今 天公認的普適密碼是基本一致的。儘管這個假説一直受到來自密碼的適應性、歷史性和化學特性三方面論點的挑戰，但是，從密碼結構的角度，不難看出克里克當時的密碼研究已經具有較強的客觀性和前瞻性了。另一方面，從氨基酸的生物合成看，在一條合成路徑上的幾個氨基酸所用編碼的密碼子往往只差一個鹼基。看來，後期形成的氨基酸和早期出現的氨基酸的編碼存在關係，這種氨基酸和密碼字典的協同進化説明編碼關係並非純屬偶然。

共進化假説提出傳統的密碼是從原始的簡單密碼進化而來，密碼子的進化與氨基酸生物合成的進化是並列的。主要證據是這個原始的密碼可能是由64個密碼子通過高度簡併只編碼少量的氨基酸，而後的進化中，那些來自相關合成路徑的物理化學性質不同的氨基酸卻具有相似的密碼子，表明密碼子的進化與氨基酸生物合成具有密切相關性。王子暉認為後引入的氨基酸密碼可能是通過篡奪與它具有相近生物合成路徑氨基酸的密碼而得到的，共進化理論鑑定了8組成對的前體和產物。這個假説後來還由朱利奧（M.Di Giulio）加以發展。

艾根等在研究遺傳密碼起源時進行試驗：在試管裏沒有任何酶和模板的參與下，僅僅依靠鋅離子的催化，將核苷酸單體聚合成寡核苷酸，並通過彼此互為模板的複製、擴增，最終在不同條件的繼代培養下，優選出不同的tRNA克隆，然後形成RNA分子的準種羣。這個實驗被稱為“試管選擇性理論”，證明在無生命力作用的情況下，自然條件下完全可以形成啓動生命形成的核糖核酸。根據地球形成之後的物理化學環境，推測生物大分子形成的活躍期是在距今38億年至40億年左右。依據實驗獲得的啓示，研究者認為地球的早期條件會影響早期短序列RNA的產生及密碼進化。但這個理論並沒有對密碼錶結構本身給予足夠的關注。 ^[5] 

原始的遺傳密碼可能比今 天簡單得多，隨着生命演化製造出新的氨基酸再被利用而令遺傳密碼變得複雜。雖然不少證據證明這觀點，但詳細的演化過程仍在探索之中。 經過自然選擇，現時的遺傳密碼減低了突變造成的不良影響。即，遺傳密碼是由選擇（selection）、歷史（history）和化學（chemistry）三個因素在不同階段起作用的（綜合進化假説）。 ^[6] 

尼倫伯格（M.W.Nirenberg，1927—2010）和馬太（H.Matthaei）破譯出了第一個遺傳密碼。

尼倫伯格和馬太採用了蛋白質的體外合成技術。他們在每個試管中分別加入一種氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的細胞提取液，以及人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，結果加入了苯丙氨酸的試管中出現了多聚苯丙氨酸的肽鏈。實驗結果説明，多聚尿嘧啶核苷酸導致了多聚苯丙氨酸的合成，而多聚尿嘧啶核苷酸的鹼基序列是由許多個尿嘧啶組成的（UUUUUUUU......），可見尿嘧啶的鹼基序列編碼由苯丙氨酸組成的肽鏈。結合克里克得出的3個鹼基決定1個氨基酸的實驗結論，與苯丙氨酸對應的密碼子應該是UUU。在此後的六七年裏，科學家沿着蛋白質體外合成的思路，不斷地改進實驗方法，破譯出了全部的密碼子，並編輯出了密碼子表。 ^[7] 

構成RNA的鹼基有四種，每三個鹼基的開始兩個決定一個氨基酸。從理論上分析鹼基的組合有4的3次方=64種，64種鹼基的組合即64種密碼子。怎樣決定20種氨基酸呢？仔細分析20種氨基酸的密碼子表，就可以發現，同一種氨基酸可以由幾個不同的密碼子來決定，起始密碼子為AUG（甲硫氨酸），另外還有UAA、UAG、UGA三個密碼子不能決定任何氨基酸，是蛋白質合成的終止密碼子。1994年版曾邦哲著《結構論》中對密碼子和氨基酸的組合數學計算公式為：C1/4+2C2/4+C3/4=20氨基酸，C1/4+6（C2/4+C3/4）=64密碼子。（另有算法4*4*4=64，一個密碼子裏面三個鹼基每個位置有4種可能）

①. 遺傳密碼子是三聯體密碼：一個密碼子由信使核糖核酸（mRNA）上相鄰的三個鹼基組成。

② 密碼子具有通用性：不同的生物密碼子基本相同，即共用一套密碼子。

③ 遺傳密碼子無逗號：兩個密碼子間沒有標點符號，密碼子與密碼子之間沒有任何不編碼的核苷酸，讀碼必須按照一定的讀碼框架，從正確的起點開始，一個不漏地一直讀到終止信號。

④ 遺傳密碼子不重疊，在多核苷酸鏈上任何兩個相鄰的密碼子不共用任何核苷酸。

⑤ 密碼子具有簡併性：除了甲硫氨酸和色氨酸外，每一個氨基酸都至少有兩個密碼子。這樣可以在一定程度內，使氨基酸序列不會因為某一個鹼基被意外替換而導致氨基酸錯誤。

⑥ 密碼子閲讀與翻譯具有一定的方向性：從5'端到3'端。

⑦有起始密碼子和終止密碼子，起始密碼子有兩種，一種是甲硫氨酸（AUG），一種是纈氨酸（GUG），而終止密碼子（有3個，分別是UAA、UAG、UGA）沒有相應的轉運核糖核酸（tRNA）存在，只供釋放因子識別來實現翻譯的終止。

在信使RNA中，鹼基代碼A代表腺嘌呤，G代表鳥嘌呤，C代表胞嘧啶，U代表尿嘧啶（注意：RNA與DNA不同，RNA沒有胸腺嘧啶T，取而代之的是尿嘧啶U，按照鹼基互補配對原則，U與A形成配對）。

首先，密碼錶不是生物的事實。而是基於已有的20個必需氨基酸首字母縮寫，添加缺如的6個字母后得到的。依次根據氨基酸三字母縮寫，中文譯名拼音首字母尋找相關，再以其中密碼子簡併性（即重複性）最強的氨基酸為首選進行替代，具體變換為：

GCA，GCG：A→B

AGA，AGG：R→J

CCA，CCG：P→O

UUA，UUG：L→U

GUA，GUG：V→X

CAC ：H→Z

對終止密碼子亦進行了調整。需要強調，這一編碼方案忽略了既有的B、Z的使用，以及忽略了終止密碼子間真實的強弱性。

正向翻譯備選方案

A：GCU，GCC.

B：GCA，GCG.

C：UGU，UGC.

D：GAU，GAC.

E：GAA，GAG.

F：UUU，UUC.

G：GGU，GGC，GGA，GGG.

H：CAU.

I：AUU，AUC，AUA.

J：AGA，AGG.

K：AAA，AAG.

L：CUU，CUC，CUA，CUG.

M：AUG.

N：AAU，AAC.

O：CCA，CCG.

P：CCU，CCC.

Q：CAA，CAG.

R：CGU，CGC，CGA，CGG.

S：UCU，UCC，UCA，UCG，AGU，AGC.

T：ACU，ACC，ACA，ACG.

U：UUA，UUG.

V：GUU，GUC.

W：UGG.

X：GUA，GUG.

Y：UAU，UAC.

Z：CAC.

起始符：AUG【與M的編碼相同，但之後需加空格（UAA）】

空格□：UAA

斷句符：UAG

終止符：UGA

反向翻譯：見圖“修改後的密碼錶”

第一位鹼基U

UUU （Phe/F）苯丙氨酸

UUC （Phe/F）苯丙氨酸

UUA （Leu/L）亮氨酸

UUG （Leu/L）亮氨酸

UCU （Ser/S）絲氨酸

UCC （Ser/S）絲氨酸

UCA （Ser/S）絲氨酸

UCG （Ser/S）絲氨酸

UAU （Tyr/Y）酪氨酸

UAC （Tyr/Y）酪氨酸

UAA （終止）

UAG （終止）

UGU （Cys/C）半胱氨酸

UGC （Cys/C）半胱氨酸

UGA （終止）

UGG （Trp/W）色氨酸

第一位鹼基C

CUU （Leu/L）亮氨酸

CUC （Leu/L）亮氨酸

CUA （Leu/L）亮氨酸

CUG （Leu/L）亮氨酸

CCU （Pro/P）脯氨酸

CCC （Pro/P）脯氨酸

CCA （Pro/P）脯氨酸

CCG （Pro/P）脯氨酸

CAU （His/H）組氨酸

CAC （His/H）組氨酸

CAA （Gln/Q）谷氨醯胺

CAG （Gln/Q）谷氨醯胺

CGU （Arg/R）精氨酸

CGC （Arg/R）精氨酸

CGA （Arg/R）精氨酸

CGG （Arg/R）精氨酸

第一位鹼基A

AUU （Ile/I）異亮氨酸

AUC （Ile/I）異亮氨酸

AUA （Ile/I）異亮氨酸

AUG （Met/M）甲硫氨酸（起始）

ACU （Thr/T）蘇氨酸

ACC （Thr/T）蘇氨酸

ACA （Thr/T）蘇氨酸

ACG （Thr/T）蘇氨酸

AAU （Asn/N）天冬醯胺

AAC （Asn/N）天冬醯胺

AAA （Lys/K）賴氨酸

AAG （Lys/K）賴氨酸

AGU （Ser/S）絲氨酸

AGC （Ser/S）絲氨酸

AGA （Arg/R）精氨酸

AGG （Arg/R）精氨酸

第一位鹼基G

GUU （Val/V）纈氨酸

GUC （Val/V）纈氨酸

GUA （Val/V）纈氨酸

GCU （Ala/A）丙氨酸

GCC （Ala/A）丙氨酸

GAU （Asp/D）天冬氨酸

GAC （Asp/D）天冬氨酸

GAA （Glu/E）穀氨酸

GGU （Gly/G）甘氨酸

GGC （Gly/G）甘氨酸

GCA （Ala/ A）丙氨酸

GCG （Ala/A）丙氨酸

GUG （Val/V）纈氨酸

GAG （Glu/E）穀氨酸

GGG （Gly/G）甘氨酸

GGA （Gly/G）甘氨酸 ^[10] 

遺傳信息、密碼子、反密碼子的區別與聯繫：

遺傳信息是指DNA分子中基因上的脱氧核苷（鹼基）排列順序，密碼子是指信使RNA上決定一個氨基酸的三個相鄰鹼基的排列順序，反密碼子是指轉運RNA上的一端的三個鹼基排列順序。其聯繫是：DNA（基因）的遺傳信息通過轉錄傳遞到信使RNA上，轉運RNA一端攜帶氨基酸，另一端反密碼子與信使RNA上的密碼子（鹼基）配對。 ^[8] 

可通過分析密碼子使用模式，預測目的基因的最佳宿主；或者應用基因工程手段，為目的基因表達提供最優的密碼子使用模式。3種不同的方式，目的都是利用密碼子偏愛性來提高異源基因的表達。

mRNA濃度是翻譯起始速率的主要影響因素之一，密碼子直接影響轉錄效率，決定mRNA濃度。如單子葉植物在“翻譯起始區”的密碼子偏性大於“翻譯終止區”，暗示“翻譯起始區”的密碼子使用對提高蛋白質翻譯的效率和精確性更為重要，因此，通過修飾編碼區5′端的DNA序列，來提高蛋白質的表達水平將有望成為可能。

基因的密碼子偏性與所編碼蛋白質結構域的連接區和二級結構單元的連接區有關、翻譯速率在連接區會降低。馬建民等通過聚類分析的方法研究發現，哺乳動物MHC基因的密碼子偏愛性與所編碼蛋白質的三級結構密切相關，並可通過影響mRNA不同區域的翻譯速度，來改變編碼蛋白質的空間構象。其研究所選取的蛋白質結構單位是蛋白指紋，它在很大程度上也是一種蛋白質功能單位，表明密碼子偏性與蛋白質的功能也存在密切相關。改變密碼子使用模式可目的性改變特定蛋白質的結構與功能。

密碼子的使用模式在細胞核和細胞質遺傳物質之間也存在差異，如核基因中的起始密碼子只有ATG，而線粒體基因中的起始密碼子為ATN；核基因中的終止密碼子TGA在線粒體基因中用來編碼色氨酸等。因此，可以通過比較密碼子的使用模式，來進行真核生物核糖體在細胞內以及未知基因在基因組的定位。

類似的密碼子使用模式，預示着物種相近的親緣關係或生存環境。目 前已有研究通過比較密碼子偏性的差異程度，來分析物種間的親緣關係和進化歷程。線粒體基因組具有母系遺傳、分子結構簡單、多態性豐富等優點，是一種重要的分子標記，研究其密碼子使用偏好性，可以很好地用於確定動物類羣的遺傳分化和系統發生關係。 ^[9] 

2023年5月10日晚，天舟六號貨運飛船上行了98件科學實驗產品，其中，在空間生命科學與生物技術領域，問天實驗艙生物技術實驗櫃將開展蛋白與核酸共起源及密碼子起源的分子進化研究等4項科學實驗 ^[11]  。