生物遺傳密碼的揭示是西方科學在20世紀最偉大的貢獻之一。遺傳密碼是如何被翻譯的呢?首先是以DNA的一條鏈為模板合成與它互補的mRNA,根據堿基互補配對的原則在這條mRNA鏈上,A變為U,T變為A,C變為G,G變為C。因此,這條mRNA上的遺傳密碼與原來模板DNA的互補DNA鏈是一樣的,所不同的隻是U代替了T。然後再由mRNA上的遺傳密碼翻譯成多肽鏈中的氨基酸序列。
堿基與氨基酸兩者之間的密碼關係,顯然不可能是1個堿基決定1個氨基酸。因此一個堿基的密碼是不能成立的。如果是2個堿基決定1個氨基酸,那麼2個堿基的密碼可能的組合將是42=16。這種比現存的20種氨基酸還少4種,因此不敷應用。如果每3個堿基決定1個氨基酸,三聯體密碼可能的組合將是43=64種。這比20種氨基酸還多出44種,所以會產生多餘密碼。這樣我們就可以認為每個特定的氨基酸是由1個或多個的三聯體密碼決定的。
從1961年開始,研究者經過大量的實驗,分別利用64個已知的三聯體密碼,找出了與它們相對應的氨基酸。1967年美國尼倫伯格等人首先破譯遺傳密碼,確定核苷酸三聯體為基本的編碼組。從此,研究者們不斷地闡明各種生物的DNA序列和蛋白質的氨基酸序列。尼倫伯格用人工合成的多聚尿苷酸,做試管內合成蛋白質的研究,經實驗確定了第一個遺傳密碼,即UUU是苯丙氨酸密碼。同樣的方法,又做出了CCC是脯氨酸密碼,AAA是賴氨酸密碼,GGG是甘氨酸密碼。以後又用交錯排列的聚核苷酸測定出氨基酸的其他密碼,其中亮氨酸、精氨酸、絲氨酸各有6個密碼,纈氨酸、脯氨酸、蘇氨酸、丙氨酸、甘氨酸各有4個密碼,異亮氨酸有3個密碼,酪氨酸、苯丙氨酸、組氨酸、半胱氨酸、賴氨酸、穀氨酸、穀氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺各有2個密碼,蛋氨酸、色氨酸各有1個密碼,加上3個終止因子密碼,正好是64個遺傳密碼。
大多數氨基酸都有幾個三聯體密碼,多則6個,少則2個,這就是所謂的簡並現象。隻有色氨酸與甲硫氨酸(蛋氨酸)這兩種氨基酸例外,僅有1個三聯體密碼。此外,還有3個三聯體密碼UAA、UAG和UGA,它們不編碼任何氨基酸,因為它們是蛋白質合成的終止信號。三聯體密碼AUG在原核生物中編碼甲酰化甲硫氨酸,在真核生物中編碼甲硫氨酸,並起到合成的起點作用。GUG編碼纈氨酸,在某些生物中也兼有合成的起點作用。
一個氨基酸由一個以上的三聯體密碼所決定的現象,稱為簡並。分析簡並現象時可以看到,當三聯體密碼的第一個、第二個堿基決定之後,有時不管第三個堿基是什麼,都可能決定同一個氨基酸。例如,脯氨酸是由下列4個三聯體密碼決定的:CCU、CCC、CCA、CCG。也就是說,在一個三聯體密碼上,第一個、第二個堿基比第三個堿基更為重要,這就是產生簡並現象的基礎。
同義的密碼越多,生物遺傳的穩定性越大。因為當DNA分子上的堿基發生變化時,突變後所形成的三聯體密碼,可能與原來的三聯體密碼翻譯成同樣的氨基酸或化學性質相近的氨基酸,在多肽鏈上就不會表現任何變異或者變化不明顯。因而簡並現象對生物遺傳的穩定性具有重要意義。
我們就能掌握生命活動的基本規律。細胞中DNA的基因被啟動後,先將特定的序列轉錄到小片段的RNA上,細胞以此為模板,按序列選取20種氨基酸,先合成不同的多肽鏈,繼而組成人體所需的各種蛋白質。
細胞內每個蛋白質分子的生物合成都受到細胞內DNA的指導,但是貯存遺傳信息的DNA並非蛋白質合成的直接模板,它經轉錄作用把遺傳信息傳遞到信使核糖核酸(mRNA)的結構中,所以mRNA才是蛋白質合成的直接模板。mRNA的密碼是由核苷酸構成,而蛋白質是由20種氨基酸構成的多肽聚合體,它們之間遺傳信息的傳遞並不像轉錄那麼簡單。從多核苷酸上所攜帶的遺傳信息到多肽鏈上所攜帶的遺傳信息的傳遞,與從一種語言翻譯成另一種語言有些相似,所以我們稱以mRNA為模板的蛋白質合成過程為翻譯。在蛋白質合成中,tRNA按mRNA模板的要求將相應的氨基酸搬運到蛋白質合成的場所——核糖體上,所以我們把核糖體稱作蛋白質合成的工廠。在核糖體上,氨基酸之間以肽鍵連接,生成具有一定排列順序的各種蛋白質。