一、            前言

自從1953年發現了DNA的結構後，一股興奮的浪潮傳播在科學界。自孟德爾以來，從來沒有有如此多的問題被仔細考慮過，如此多的觀念被公式化，如此多的實驗在進行著，這是生物學黃金時代的開端。

雙螺旋結構所引發的問題之一是：DNA的結構是如何地來決定蛋白質的結構？在當初華生和柯立克模型的時代，DNA和蛋白質之間的關係已經為人所熟知，而且對於這種關係的一般特性也沒有什麼疑問。科學家很快地建立一項假說：DNA的鹼基順序決定蛋白質的胺基酸順序：這好像就是一種遺傳密碼(genetic code)，它能將DNA上鹼基的語言翻譯成蛋白質的語言。但DNA的密碼是什麼？這類翻譯又是如何進行？

二、            三位一體密碼(The triplet code)

基於理論考慮，柯立克假設DNA尚有四種字母(A, T, C, G)，它們每三個一組存在，稱之為「三位一體」(triplet)。這裡由很簡單，因為蛋白質中含有20種不同的胺基酸，如果以一對一的方式來進行顯然不可行-四個鹼基，只能形成四個胺基酸；同樣地，如果是二個一組，則只有16個密碼形成，仍然不夠20個；但如果是三個一組時，則可以產生64個可能的DNA密碼。雖然這樣子的數目比預期的還要多，但它最起碼可以使每一個胺基酸都有一組密碼與之相對。

直到1960年代早期，「三位一體」的理論才有了直接的證據。為什麼這樣晚才發現直接證據呢？這是有原因的。第一，科學家必須區分出DNA所儲存的訊息是否被利用來形成蛋白質，這個工作不簡單。第二個原因是要瞭解另一種核酸-核糖核酸(RNA)在這些過程中扮演的角色。

三、            RNA和轉錄(RNA and transcription)

RNA也是由一些醣類和磷酸所組成，但它是單股(single-stranded) ，且具有核醣而非去氧核醣。另外還有一點不同，RNA的含氮鹼基中有一個是尿嘧啶(uracil)而不是胸線嘧啶(thymine)。大部分RNA都存在細胞質內，有三種型式：傳訊RNA(messenger RNA, mRNA)，核醣RNA(ribosomal RNA, rRNA)和轉運RNA(transfer RNA, tRNA)。這三種RNA各有其功能。

訊息RNA (Messenger RNA) 如同命名的定義一樣，mRNA就是負責攜帶基因訊號的RNA。在真核細胞裡，每個mRNA都是從DNA的部分片段轉錄而來。mRNA進到細胞質中，成為一個指導者，它指導胺基酸排列成多胜肽鏈。不同的基因密碼，就出現不同的mRNA，它們攜帶獨特的三位一體組合，稱為密碼組(codons)。每個密碼組會形成一個特殊的胺基酸，所以說mRNA是DNA和蛋白質之間的中間人。

核醣RNA (Ribosomal RNA) 核醣體是一種微小的顆粒，它可以幫助將mRNA轉譯成多胜肽鏈。每個核醣體包括兩個部分，一大一小。一般相信，rRNA可以幫忙mRNA附到核醣體上，然後形成mRNA-核醣體複體(mRNA-ribosomal complex)。

轉運RNA (Transfer RNA) 轉運RNA分子就是蛋白質合成中的掮客-它可以將個別的胺基酸帶到mRNA-核醣體複體、然後再形成多胜肽鏈。單股的tRNA分子通常扭成一種苜蓿葉形(cloverleaf)，中間由氫鍵吸引著。tRNA的一端是腺嘌呤基，其後會接上許多特殊的胺基酸；在另一端，tRNA形成環狀沒有配對的鹼基，包括反密碼組(anticodon)-一組每個tRNA都互異的鹼基。經由胺基酸的附著和核醣體的幫忙，反密碼組會和mRNA上的密碼組相配對。如此tRNA就運載了胺基酸以供形成多胜肽鏈。許多蛋白質合成的精確度是建立在tRNA這層次上。對每一個胺基酸而言，它一定有一個獨特的tRNA，和一個獨特的酵素，使得特定胺基酸附在一定的tRNA上。

四、            轉錄(Transcription)

由DNA合成RNA的過程及稱為轉錄(transcription)。轉錄的過程和DNA複製相當類似。它起使於DNA分子中一段沒有扭轉的區域。兩股DNA中的一股，稱為轉錄股(sense strand)一用來構成RNA分子；另一股稱為不轉錄股(antisense strand)，無法轉錄成RNA。

部分DNA分子不扭轉後，RNA聚合酶(RNA polymerase)會附到轉錄股，然後它再沿著DNA鏈，幫助游離的RNA核甘酸排列在互補的DNA含氮鹼基上。此酶還可以將RNA核甘酸與核醣及磷酸連結在一起，形成RNA鏈。RNA合成的配對原則和DNA複製一樣，但有一個例外，即在轉錄時，DNA的腺嘌呤和RNA的尿嘧啶配對。一旦整條基因都轉錄完畢，合成好的RNA分子就從RNA聚合脢-DNA複合體中釋放出來。

三種型式的RNA都被轉錄完成後，就進入細胞質以便進行蛋白質的合成。rRNA和核醣蛋白結合形成核醣體；tRNA分佈在細胞質中，並可和相對的胺基酸鍵結在一起。核醣體和tRNA都是蛋白質合成所不可或缺者。除了少數例外，一個已知的mRNA只能合成一種多胜肽鏈，所以，一種特殊蛋白質的合成受特定基因的控制。

五、            蛋白質的合成(Protein synthesis)

從mRNA到蛋白質，這期間訊息的轉換不只是mRNA，tRNA和核醣體即可，它還需要能量、許多脢、和其他細胞質內因子的幫助。瞭解整個現象花了研究者們許多年的努力，直到1960年代中期蛋白質合成的謎解開，科學家才能夠解開遺傳密碼的問題。

如同柯立克所預測的，遺傳密碼是三位一體的鹼基所連結成的。每個mRNA的訊息裡包括了一長列的三字母密碼子，每個字（含三字母）就暗示了一種特別的胺基酸。例如，UCU這組就可以譯成絲胺酸(Serine)；GGU則譯為甘胺酸(glycine)等等。

六十四組密碼當中有三個-UAG, UAA, UGA-並不攜帶任何胺基酸，稱為停止密碼(stop codons)。只要三者之一出現在mRNA上，胺基酸組合就會停止，表示多胜肽鏈的合成已結束。多出來的61種密碼就負責翻譯20種胺基酸（每一種密碼組只能有一種胺基酸）。既然密碼組較胺基酸數為多，所以我們說密碼組「簡併」(degenerate)了，所有的胺基酸，除了甲硫胺酸(methionine)和色胺酸(tryptophan)以外，都有一組以上的密碼來負責。胱胺酸(arginine)、白胺酸(leucine)和絲胺酸(serine)甚至有六組不同的密碼，其他的則約有2~4組。

遺傳密碼的破解得自許多精巧的生化實驗所賜，實驗中，研究者把細胞打破，分離出合成蛋白質的機器-核醣體、酵素、所有的tRNA及其他因子，將這些混合成懸浮液並放進一根置有20種不同胺基酸的能量(ATP)的試管中，然後加入已知鹼基順序的人工合成mRNA。由於已知多胜肽鏈上的胺基酸順序，是由mRNA上的鹼基所決定，所以我們只要分析多胜肽鏈上胺基酸的組成，就可以知道mRNA上的密碼組。例如，在第一個成功的實驗中，以poly U（只含有U的核甘酸長鏈）作為合成mRNA，在形成的多胜肽鏈上所含的胺基酸單元體為苯胺酸(phenylalaline)。所以我們知道UUU識負責苯胺酸的密碼。利用上法，我們可知曉mRNA上所有密碼組與胺基酸的關係。至此，生命的一個主要奧秘就被解開了。原始的解密碼研究室以細菌為對象，後來的研究至植物、動物和真菌上。結果他們發現，所有生物的密碼完全相同，密碼是共通的(universal)！這是生物界的一大發現，因為從這裡，我們可以說明今日現存的生物都是來自共同的祖先。

當然，也有一些例外。1979年，許多報告指出人類和酵母菌粒線體的基因密碼在某些方面與一般共通密碼並不相同（粒線體具有少量的DNA和蛋白質合成的機構）。這些差異雖小，但仍有相當的意義：粒線體的UGA密碼（此密碼通常是停止密碼）譯成色胺酸，而AUA（通常譯成isoleucine）則譯成甲硫胺酸。那是不是說生物來自共同祖先的理論是不對的呢？其實並不盡然，以上的例外只能說明細胞質和粒線體密碼的差異，是因為粒線體在的生命歷史上起源極早，而且演化路線不同。

六、            訊息的轉譯

生物學家將mRNA訊息轉成polypeptide bond的流程，比喻為把訊息轉譯成語言(translation)。轉譯作用起始於核醣體附於mRNA的AUG密碼上，形成mRNA-核醣體複體。真核生物中，AUG密碼代表著基因的起始，所以也稱為啟動密碼(start codon)，因AUG密碼負責甲硫胺酸的形成，所以胜肽類的第一個胺基酸通常都是甲硫胺酸。甲硫胺酸被tRNA（簡寫為met-tRNA）帶到”mRNA-核醣體”複體上，met-tRNA的反密碼是UAC，可與密碼AUG形成完全的配對。

接著，第二個tRNA附在mRNA的第二個密碼上。例如，密碼如果是UUU，則具反密碼AAA的tRNA會與之配對，此處tRNA攜帶著苯胺酸(phe)，苯胺酸和上述的甲硫胺酸會結合成胜肽鏈，胜肽是由核醣體上的一種酵素所催化。形成胜肽鏈後，甲硫胺酸和tRNA之間的鍵結便會打斷，因此只附在第二個tRNA上，第一個tRNA則脫離核醣體，使核醣體能夠再去結合第三個tRNA，以便形成多胜肽鏈。如此循環下去，我們便可看到核醣體沿著mRNA鏈一直增加胺基酸的數目，以形成一條多胜肽鏈，上述轉譯的步驟稱為「鏈的延長作用」(chain elongation)。

鏈的延長作用一直持續到出現任何一個終止密碼為止，因在終止密碼上不會結合tRNA，胜肽就終止，核醣體從mRNA上解離，整條胜肽鍊也就釋出，稱為”鏈的終止作用”(chain termination)。有時新形成的多胜肽會進行”轉譯後的修飾作用”(post-translational modification)，最常見的作用是利用酵素來切除多胜肽末端的胺基酸。假如前面被切掉，則起始胺基酸也隨之去掉。

一個mRNA分子可以轉譯成數百個相同的多胜肽拷貝。它之所以能夠如此準確地完成工作，主要是因為胺基酸會附在一定的tRNA，以及tRNA反密碼會與mRNA上的相對密碼形成專一配對。遺傳情報由DNA流到蛋白質，有賴於DNA轉錄成mRNA的正確性。