关于中心法则和密码子的思考
摘要
中心法则是现代生物学中最重要最基本的规律之一， 其在探索生命现象的本质及普遍规律方面起了巨大的作用，极大地推动了现代生物学的发展，是现代生物学的理论基石，并为生物学基础理论的统一指明了方向，在生物科学发展过程中占有重要地位。mRNA的３个核苷酸就称为密码子，也就是三联密码子。翻译过程从起始密码子开始，沿着mRNA的５＇端到３＇的方向连续阅读，直到终止密码子，合成一条具有特定序列的多肽链－蛋白质。我们可以非线性映射方法分析原核生物密码子，识别古细菌。另一方面，基于生物学中DNA编码和中心法则的思想，可以提出一种基于位面层次的编码分组加密方案，它具有更大的密钥空间，更好的直观加密效果，而且，在加密安全性和加密效率上，且它可以应用于各种数字媒体，只要它们是数字可编码的。
一．基本知识
1.中心法则简介
中心法则是现代生物学中最重要最基本的规律之一， 其在探索生命现象的本质及普遍规律方面起了巨大的作用，极大地推动了现代生物学的发展，是现代生物学的理论基石，并为生物学基础理论的统一指明了方向，在生物科学发展过程中占有重要地位。中心法则是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA
的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的RNA自我复制(如烟草花叶病毒等)和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程(某些致癌病毒)是对中心法则的补充。其中的遗传信息的转移可以分为两类:第一类用实线箭头表示，包括DNA的复制、RNA的转录和蛋白质的翻译，即１．DNA→DNA(复制);２．DNA→RNA(转录);３．RNA→蛋白质(翻译)。这三种遗传信息的转移方向普遍地存在于所有生物细胞中。第二类用虚线箭头表示，是特殊情况下的遗传信息转移，包括RNA的复制，RNA反向转录为DNA和从DNA直接翻译为蛋白质。即１．RNA→RNA(复制);２．RNA→DNA(反向转录);３．DNA→蛋白质。RNA复制只在RNA病毒中存在。反向转录最初在RNA致癌病毒中发现，后来在人的白细胞和胎盘滋养层中也测出了与反向转录有关的反向转录酶的活性。至于遗传信息从DNA到蛋白质的直接转移仅在理论上具可能性，在活细胞中尚未发现。
2.密码子简介
储存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上，蛋白质上的氨基酸序列是有mRNA中的核苷酸序列决定的。所以，要了解他们之间的关系要清楚核苷酸和氨基酸数目之间的关系。由长期的研究表明每３个核苷酸决定一个氨基酸。这３个核苷酸就称为密码子，也就是三联密码子。翻译过程从起始密码子开始，沿着mRNA的５＇端到３＇的方向连续阅读，直到终止密码子，合成一条具有特定序列的多肽链－蛋白质。其特点为：１．密码子具有通用性:不同的生物密
码子基本相同，即共用一套密码子。２．遗传密码子不重叠，在多核苷酸链上任何两个相邻的密码子不共用任何核苷酸。３．密码子具有简并性:除了甲硫氨酸和色氨酸外，每一个氨基酸都至少有两个密码子。这样可以在一定程度内，使氨基酸序列不会因为某一个碱基被意外替换而导致氨基酸错误。４．密码子阅读与翻译具有一定的方向性:从5'端到3'端。５．有起始密码子和终止密码子，起始密码子有两种，一种是甲硫氨酸(AUG)，一种是缬氨酸(GUG)，而终止密码子(有3个，分别是UAA、UAG、UGA)没有相应的转运核糖核酸(tRNA)存在，只供释放因子识别来实现翻译的终止。
二．非线性映射方法分析原核生物密码子
有非线性映射方法分析原核生物密码子使用的情况，从结果我们可以看到：高表达基因的密码子使用在分布上和其他基因有着明显的差异，高表达基因倾向与使用具有较高丰度的ｔRNA对应的密码子。因此，不对称复制和翻译水平上的选择机制共同共同决定了原核生物基因的同义密码子的使用模式。
另一方面可以利用排列原核生物基因组中复制起始点两侧碱基含量的不对称来识别古细菌。古细菌是一类很特别的细菌，多生活在一些极端的环境中，并具有原核生物的特征，复制的起始区有很大的保守性。我们可根据古细菌DNA链上的碱基含量的不对称性，根据小波分析的方法找出每条链上碱基G和T含量的变化趋势，从而预测古细菌的复制起始区域。
即利用生物信息学方法分析机对分析生物遗传规律具有重要意义。清楚的了解各个物种的基因组结构，是我们更好的掌握基因组进化过程的前提。通过非线性映射方法将高维空间数据投影到二维空间可以对所研究的对象进行分类和识别。
三. 基于类DNA编码分组与替换的加密方案
阅读了张顺，高铁杠基于类DNA编码分组与替换的加密方案，我发现基于生物学中DNA编码和中心法则的思想，他们提出一种基于位面层次的编码分组加密方案。方案首先将图像编码成DNA序列，之后编码成密码子序列，然后通过设计一种随机分组替换方案来实现图像的加密。主要的创新工作为：根据分子生物学的思想对图像进行位面层次的编码；通过密码子置乱和随机分组方案并结合编码后的序列实现了一种任意进制数制编码方案；由超混沌系统结合前面形成的任意进制数制编码方案产生加密控制信息；根据加密控制信息完成编码成密码子序列的图像的位面层次的替换操作，并最终实现图像的加密。从某种程度上讲，该方案实现了置乱与替换的融合。而且，相比于传统基于像素的置乱方案和近几年提出的基于位面的置乱方案，所提出的方案具有更大的密钥空间，更好的直观加密效果，而且，在加密安全性和加密效率上，也有明显的优势。
通过对DNA编码和中心法则的了解及对相关资料的查阅，基于生物学中DNA编码和中心法则的思想，可以创造一种基于位面层次的编码分组加密方案。并且加密方案可以应用于各种数字媒体，只要它们是数字可编码的。
这次的学习让我更加了解到我知识的局限性及运用知识的创新能力，在以后的学习中，我应该养成积极努力学习的习惯，阅读更多有意义，有启发的学术文章，开阔眼界，拥有一定的理论知识，并不断养成养成一定的创新思维。
参考文献
1.张顺 高铁杠 基于类DNA编码分组与替换的加密方案 南开大学软件学院天津300071
2.韩志娴 原核生物基因及基因组结构分析 河北工业大学 硕士学位论文
关于中心法则和密码子的思考
摘要
中心法则是现代生物学中最重要最基本的规律之一， 其在探索生命现象的本质及普遍规律方面起了巨大的作用，极大地推动了现代生物学的发展，是现代生物学的理论基石，并为生物学基础理论的统一指明了方向，在生物科学发展过程中占有重要地位。mRNA的３个核苷酸就称为密码子，也就是三联密码子。翻译过程从起始密码子开始，沿着mRNA的５＇端到３＇的方向连续阅读，直到终止密码子，合成一条具有特定序列的多肽链－蛋白质。我们可以非线性映射方法分析原核生物密码子，识别古细菌。另一方面，基于生物学中DNA编码和中心法则的思想，可以提出一种基于位面层次的编码分组加密方案，它具有更大的密钥空间，更好的直观加密效果，而且，在加密安全性和加密效率上，且它可以应用于各种数字媒体，只要它们是数字可编码的。
一．基本知识
1.中心法则简介
中心法则是现代生物学中最重要最基本的规律之一， 其在探索生命现象的本质及普遍规律方面起了巨大的作用，极大地推动了现代生物学的发展，是现代生物学的理论基石，并为生物学基础理论的统一指明了方向，在生物科学发展过程中占有重要地位。中心法则是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA
的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的RNA自我复制(如烟草花叶病毒等)和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程(某些致癌病毒)是对中心法则的补充。其中的遗传信息的转移可以分为两类:第一类用实线箭头表示，包括DNA的复制、RNA的转录和蛋白质的翻译，即１．DNA→DNA(复制);２．DNA→RNA(转录);３．RNA→蛋白质(翻译)。这三种遗传信息的转移方向普遍地存在于所有生物细胞中。第二类用虚线箭头表示，是特殊情况下的遗传信息转移，包括RNA的复制，RNA反向转录为DNA和从DNA直接翻译为蛋白质。即１．RNA→RNA(复制);２．RNA→DNA(反向转录);３．DNA→蛋白质。RNA复制只在RNA病毒中存在。反向转录最初在RNA致癌病毒中发现，后来在人的白细胞和胎盘滋养层中也测出了与反向转录有关的反向转录酶的活性。至于遗传信息从DNA到蛋白质的直接转移仅在理论上具可能性，在活细胞中尚未发现。
2.密码子简介
储存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上，蛋白质上的氨基酸序列是有mRNA中的核苷酸序列决定的。所以，要了解他们之间的关系要清楚核苷酸和氨基酸数目之间的关系。由长期的研究表明每３个核苷酸决定一个氨基酸。这３个核苷酸就称为密码子，也就是三联密码子。翻译过程从起始密码子开始，沿着mRNA的５＇端到３＇的方向连续阅读，直到终止密码子，合成一条具有特定序列的多肽链－蛋白质。其特点为：１．密码子具有通用性:不同的生物密
码子基本相同，即共用一套密码子。２．遗传密码子不重叠，在多核苷酸链上任何两个相邻的密码子不共用任何核苷酸。３．密码子具有简并性:除了甲硫氨酸和色氨酸外，每一个氨基酸都至少有两个密码子。这样可以在一定程度内，使氨基酸序列不会因为某一个碱基被意外替换而导致氨基酸错误。４．密码子阅读与翻译具有一定的方向性:从5'端到3'端。５．有起始密码子和终止密码子，起始密码子有两种，一种是甲硫氨酸(AUG)，一种是缬氨酸(GUG)，而终止密码子(有3个，分别是UAA、UAG、UGA)没有相应的转运核糖核酸(tRNA)存在，只供释放因子识别来实现翻译的终止。
二．非线性映射方法分析原核生物密码子
有非线性映射方法分析原核生物密码子使用的情况，从结果我们可以看到：高表达基因的密码子使用在分布上和其他基因有着明显的差异，高表达基因倾向与使用具有较高丰度的ｔRNA对应的密码子。因此，不对称复制和翻译水平上的选择机制共同共同决定了原核生物基因的同义密码子的使用模式。
另一方面可以利用排列原核生物基因组中复制起始点两侧碱基含量的不对称来识别古细菌。古细菌是一类很特别的细菌，多生活在一些极端的环境中，并具有原核生物的特征，复制的起始区有很大的保守性。我们可根据古细菌DNA链上的碱基含量的不对称性，根据小波分析的方法找出每条链上碱基G和T含量的变化趋势，从而预测古细菌的复制起始区域。
即利用生物信息学方法分析机对分析生物遗传规律具有重要意义。清楚的了解各个物种的基因组结构，是我们更好的掌握基因组进化过程的前提。通过非线性映射方法将高维空间数据投影到二维空间可以对所研究的对象进行分类和识别。
三. 基于类DNA编码分组与替换的加密方案
阅读了张顺，高铁杠基于类DNA编码分组与替换的加密方案，我发现基于生物学中DNA编码和中心法则的思想，他们提出一种基于位面层次的编码分组加密方案。方案首先将图像编码成DNA序列，之后编码成密码子序列，然后通过设计一种随机分组替换方案来实现图像的加密。主要的创新工作为：根据分子生物学的思想对图像进行位面层次的编码；通过密码子置乱和随机分组方案并结合编码后的序列实现了一种任意进制数制编码方案；由超混沌系统结合前面形成的任意进制数制编码方案产生加密控制信息；根据加密控制信息完成编码成密码子序列的图像的位面层次的替换操作，并最终实现图像的加密。从某种程度上讲，该方案实现了置乱与替换的融合。而且，相比于传统基于像素的置乱方案和近几年提出的基于位面的置乱方案，所提出的方案具有更大的密钥空间，更好的直观加密效果，而且，在加密安全性和加密效率上，也有明显的优势。
通过对DNA编码和中心法则的了解及对相关资料的查阅，基于生物学中DNA编码和中心法则的思想，可以创造一种基于位面层次的编码分组加密方案。并且加密方案可以应用于各种数字媒体，只要它们是数字可编码的。
这次的学习让我更加了解到我知识的局限性及运用知识的创新能力，在以后的学习中，我应该养成积极努力学习的习惯，阅读更多有意义，有启发的学术文章，开阔眼界，拥有一定的理论知识，并不断养成养成一定的创新思维。
参考文献
1.张顺 高铁杠 基于类DNA编码分组与替换的加密方案 南开大学软件学院天津300071
2.韩志娴 原核生物基因及基因组结构分析 河北工业大学 硕士学位论文