在蛋白質(zhì)翻譯的過程中，核苷酸序列與氨基酸序列之間主要通過遺傳密碼建立信息上的聯(lián)系，并進(jìn)一步的通過tRNA進(jìn)行實(shí)體上的聯(lián)系。也就是說，遺傳密碼是聯(lián)系蛋白質(zhì)與核苷酸序列的重要橋梁。

在遺傳密碼研究的早期，曾有科學(xué)家通過數(shù)學(xué)分析，認(rèn)為只有用3個堿基決定1個氨基酸的方式才能滿足編碼20種氨基酸的需要。此后，Crick通過對噬菌體進(jìn)行不同數(shù)量堿基的插入或缺失實(shí)驗(yàn)并對比其表現(xiàn)，證實(shí)了遺傳密碼為核苷酸三聯(lián)體的假說。

同時 ，Nirenberg和Matthaei利用人工合成的mRNA，以及蛋白質(zhì)的體外翻譯體系破譯了一些簡單的密碼子與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系，例如UUU、CCC、AAA等。之后不久Nirenberg又通過硝酸纖維濾膜可以滯留核糖體與結(jié)合了對應(yīng)氨基酸的tRNA以及mRNA的復(fù)合物的性質(zhì)，繼續(xù)進(jìn)行其他遺傳密碼的破譯。

首先準(zhǔn)備20個具有20種氨基酸以及核糖體的體外合成體系，20種氨基酸在各個體系中分別被C14標(biāo)記。然后，用人工合成的三核苷酸RNA分別進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后再將反應(yīng)液用硝酸纖維濾膜過濾。理論上只有完整的核糖體-氨基酸-tRNA-mRNA復(fù)合體才能留在濾膜上，并且可以在濾膜上檢測出較強(qiáng)放射性。所以用此方法就可以一一找出任意一氨基酸所對應(yīng)的核苷酸序列。最終，科學(xué)家們以這種方法實(shí)現(xiàn)了除終止密碼以外的其他全部61種遺傳密碼的破譯。

由于終止密碼子不編碼任何氨基酸，所以并不能用上述方法進(jìn)行破譯，只能另辟蹊徑。1965年Garen找到了這個新方法，即通過研究E.coli終止突變株的回復(fù)突變的方式來推測分析終止密碼子的序列。

E.coli的堿性磷酸酶琥珀突變株是在該基因的色氨酸（UGG）位點(diǎn)突變?yōu)榻K止密碼子造成的，Garen在獲得了大量回復(fù)突變后研究了該位點(diǎn)在回復(fù)突變后產(chǎn)生的新氨基酸并分析了其所對應(yīng)的序列，分別是Ser（UCG）、Leu（UUG）、Tyr（UAC）、Lys(AAG)、Gln（CAG）、Glu（GAG）。對這些序列進(jìn)行分析就可以得出，Trp（UGG）產(chǎn)生的終止突變即為UAG，從而完成了第一個終止密碼子的證明。最后在1967年Brennr和Crick用這種方法完成了最后一個終止密碼子的證明，并且根據(jù)證明過程中所用的終止突變的名稱命名了三種終止密碼子：UAG-琥珀密碼子、UAA赭石密碼子、UGA蛋白石密碼子。

在得出所有編碼氨基酸的密碼子的序列后不難發(fā)現(xiàn)，密碼子的數(shù)量要遠(yuǎn)大于氨基酸的數(shù)量，這種現(xiàn)象就被稱為遺傳密碼的簡并性。例如編碼Leu的密碼子就有四種，分別為CUU、CUC、CUA、CUG。而且通過觀察其他編碼對應(yīng)氨基酸的密碼子可以發(fā)現(xiàn)，對于任意一種氨基酸，其前兩位密碼子往往比較獨(dú)特且固定，而第三位就比較多變。從這種現(xiàn)象我們大概就可以推測出密碼子的第三位對于氨基酸的編碼并不重要，而這也是氨基酸編碼的一種重要機(jī)制，在一定程度上對遺傳密碼的簡并性做出了貢獻(xiàn)。

由于tRNA的反密碼子位于其下方的環(huán)形結(jié)構(gòu)上，所以三位反密碼子是以一個弧形結(jié)構(gòu)排列的。而RNA上的密碼子則是直線型的，這就導(dǎo)致兩者并不能完全平行并進(jìn)行比較標(biāo)準(zhǔn)的咬合。加之反密碼子的第一位由于tRNA本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)本就具有較大的自由度，就使反密碼子的第一位與密碼子第三位之間可以不嚴(yán)格按照堿基互補(bǔ)配對原則進(jìn)行配對。而如果反密碼子中這一位點(diǎn)經(jīng)過修飾，那就可以出現(xiàn)更多的配對關(guān)系。而這種配對原則使61種密碼子僅用32個tRNA就可以識讀，這一定程度上減少了編碼tRNA所需的基因。

遺傳密碼的簡并性具有重要意義，這種性質(zhì)允許生物的基因有比較大的“容錯率”，極大的降低了基因突變造成的危害。遺傳密碼在這種解讀機(jī)制下，即使一些位點(diǎn)的核苷酸發(fā)生了突變，也很有可能并不影響生物性狀的表達(dá)，從而穩(wěn)定了物種的繁衍。而且在氨基酸的編碼方式中，還有另一重進(jìn)一步降低突變風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)制。

之前我們說密碼子的第三位對于氨基酸的編碼并不重要，那么前兩位密碼子在編碼過程中其何種作用呢？這與氨基酸的理化性質(zhì)有一定聯(lián)系。

觀察密碼子與氨基酸的極性我們可以發(fā)現(xiàn)，第二位堿基相同的密碼子所編碼的氨基酸其物理或化學(xué)性質(zhì)是相似的。即：一般情況下非極性或側(cè)鏈不帶電荷的氨基酸其密碼子的第二位為C；疏水性比較強(qiáng)的氨基酸對應(yīng)密碼子的第二位則多為U；第二位為A或G所對應(yīng)的氨基酸則一般為親水氨基酸。在這種編碼機(jī)制下只要密碼子的第二位沒有發(fā)生變化，即使最后所翻譯出的氨基酸發(fā)生了改變也能保證其與原有氨基酸具有相似的功能，又進(jìn)一步降低了基因突變帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 作者：神州