遗传密码的破译

1、遗传密码的破译遗传密码的破译 DNADNA蛋白质蛋白质mRNAmRNA mRNAmRNA是怎样把其中的碱基序列转化为是怎样把其中的碱基序列转化为蛋白质中相应氨基酸排列次序的？蛋白质中相应氨基酸排列次序的？mRNAmRNA的碱基与氨基酸之间是如何对应的？的碱基与氨基酸之间是如何对应的？ mRNAmRNA只有只有4 4种碱基，而组成蛋白质的氨基酸有种碱基，而组成蛋白质的氨基酸有2020种，这四种，这四种碱基是怎么决定蛋白质的种碱基是怎么决定蛋白质的2020种氨基酸的呢？种氨基酸的呢？假设：假设：1 1个碱基决定一个氨基酸，情形如何？个碱基决定一个氨基酸，情形如何？2 2个碱基决定一个氨基酸，情形如

2、何？个碱基决定一个氨基酸，情形如何？3 3个碱基决定一个氨基酸，情形如何？个碱基决定一个氨基酸，情形如何？4 4个碱基决定一个氨基酸，情形如何？个碱基决定一个氨基酸，情形如何？上世纪上世纪50506060年代，年代，DNADNA分子结构的发现者分子结构的发现者克里克研究表明：在克里克研究表明：在T T4 4噬菌体的相关碱基序噬菌体的相关碱基序列中增加或者删除一个碱基，无法产生正常列中增加或者删除一个碱基，无法产生正常功能的蛋白质；增加或删除两个碱基，也不功能的蛋白质；增加或删除两个碱基，也不能产生正常功能的蛋白质；但是，当增加或能产生正常功能的蛋白质；但是，当增加或者删除三个碱基时，却合成了具

3、有正常功能者删除三个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。的蛋白质。 克里克克里克T T4 4噬菌体实验噬菌体实验 THE FAT CAT ATE THE BIG RAT试着插入或删去其中的一个、两个、三试着插入或删去其中的一个、两个、三个字母，看后面的语意会有什么变化？个字母，看后面的语意会有什么变化？类比推理即可得知类比推理即可得知：“出现上述现象的原因是，出现上述现象的原因是，信使信使RNARNA上上的每的每三三个碱基决定一个氨基酸个碱基决定一个氨基酸”。19611961年，尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破年，尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建立了一种利用人工合成的碎细胞溶液，建

4、立了一种利用人工合成的RNARNA在试管里合成多肽链的实验系统，其中在试管里合成多肽链的实验系统，其中含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分。含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分。利用这个实验系统，尼伦伯格和马太设计了利用这个实验系统，尼伦伯格和马太设计了一个巧妙的实验，破译了第一个遗传密码，一个巧妙的实验，破译了第一个遗传密码，即即UUU-UUU-苯丙氨酸。苯丙氨酸。如果是你，如何设计实验破译遗传密码？如果是你，如何设计实验破译遗传密码？尼伦伯格尼伦伯格(Nirenberg)(Nirenberg)和马太的大肠杆菌实验和马太的大肠杆菌实验 上述方法只能破译上述方法只能破译AAA是赖氨酸的密码子，

5、是赖氨酸的密码子，CCC是是脯氨酸的密码子，脯氨酸的密码子，GGG是甘氨酸的密码子，是甘氨酸的密码子，UUU是是苯丙氨酸的密码子。只能确定苯丙氨酸的密码子。只能确定4种氨基酸的遗传密码，种氨基酸的遗传密码，所以密码子中肯定还有所以密码子中肯定还有2种或种或3种碱基组合的情况。种碱基组合的情况。n由于当时还未分离由于当时还未分离RNA polRNA pol酶，无法按设计的模板来合成酶，无法按设计的模板来合成RNARNA，但除了，但除了UUU,CCC,AAA,GGGUUU,CCC,AAA,GGG以外，还必须破译其它的密以外，还必须破译其它的密码，码，NirenbergNirenberg又想出了一种

6、新的方法，就是按一定的碱又想出了一种新的方法，就是按一定的碱基比例来合成基比例来合成RNARNA。比如在底物中加。比如在底物中加5 5份的份的UDPUDP和和1 1份的份的GDPGDP，碱基比为碱基比为U U：G G5 5：1 1，它们能组成的三联体不外乎，它们能组成的三联体不外乎8 8种：种：UUUUUU，UUGUUG，UGUUGU，GUUGUU，GGGGGG，GGUGGU，GUGGUG，UGGUGG。U U和和G G将随机将随机地加入到三联体中，这样按比例各个位置上进入地加入到三联体中，这样按比例各个位置上进入U U和和G G 的的概率不同，如概率不同，如UUUUUU：UGGUGG（5 5

7、 5 5 5 5）：（）：（5 5 1 1 1 1）2525：1 1；同理同理UUUUUU：UUGUUG5 5：1 1，根据这样的推测，在无细胞系统中，根据这样的推测，在无细胞系统中以这种比例合成的以这种比例合成的mRNAmRNA产生的氨基酸的比例也应是相应的，产生的氨基酸的比例也应是相应的，这样可以推测出密码子的组成。如氨基酸测定结果：这样可以推测出密码子的组成。如氨基酸测定结果：苯丙氨酸（苯丙氨酸（UUUUUU）：半胱氨酸（）：半胱氨酸（UGUUGU） 5 5：1 1苯丙氨酸（苯丙氨酸（UUUUUU）：缬氨酸（）：缬氨酸（GUUGUU） 5 5：1 1苯丙氨酸（苯丙氨酸（UUUUUU）：甘

8、氨酸（）：甘氨酸（GGUGGU） 2424：1 1苯丙氨酸的密码子是已知的，由苯丙氨酸的密码子是已知的，由3 3个个U U组成。那么半胱氨酸一组成。那么半胱氨酸一定是由定是由2 2个个U U，1 1个个G G组成；缬氨酸同样如此；甘氨酸应是由组成；缬氨酸同样如此；甘氨酸应是由一个一个U U两个两个G G组成。结果搞清了各种氨基酸的碱基组成，但组成。结果搞清了各种氨基酸的碱基组成，但是无法判断其具体序列。是无法判断其具体序列。 尼伦伯格尼伦伯格(Nirenberg)的新突破的新突破三联体结合实验三联体结合实验n原理：原理：（1 1）tRNAtRNA和氨基酸及三联体的结合是特异的；和氨基酸及三联体

9、的结合是特异的；（2 2）上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸）上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸纤维滤膜（纤维滤膜（NCNC）的微孔，而）的微孔，而tRNA-tRNA-氨基酸的氨基酸的复合体是可以通过的。复合体是可以通过的。n先发现当简单的特定的核苷酸加入到先发现当简单的特定的核苷酸加入到E.coliE.coli的核糖体上时，它们并不促使蛋白的核糖体上时，它们并不促使蛋白质的合成，而引起了特定的质的合成，而引起了特定的tRNAtRNA及其携带及其携带的氨基酸结合到核糖体上，形成大的复合的氨基酸结合到核糖体上，形成大的复合体。因此他们每次在无细胞系统中仅加一体。因此他们每次在无细胞系统中仅加

10、一种已知序列的三联体种已知序列的三联体RNARNA（如（如ACAACA），同时），同时在氨基酸中只用在氨基酸中只用1414C C标记一种氨基酸（如丝标记一种氨基酸（如丝氨酸）。若氨酸）。若ACAACA进入核糖体后，与其结合进入核糖体后，与其结合tRNAtRNA上携带的不是所标记的丝氨酸，那么上携带的不是所标记的丝氨酸，那么tRNAtRNA和丝氨酸就会从和丝氨酸就会从NCNC上透过，所以通过上透过，所以通过测定透过测定透过NCNC的的tRNA-aa tRNA-aa 复合体是否带有标复合体是否带有标记，就可判定结果。记，就可判定结果。19661966年科学家霍拉纳发明了一种新的年科学家霍拉纳发明了

11、一种新的RNARNA合合成方法，通过这种方法合成的成方法，通过这种方法合成的RNARNA可以是可以是2 2个、个、3 3个或个或4 4个碱基为单位的重复序列，例个碱基为单位的重复序列，例如如: :将将A A、C C两种核苷酸缩合为两种核苷酸缩合为ACACACACACACACACACAC长链，以它作人工信使进长链，以它作人工信使进行蛋白质合成，结果发现产物是苏氨酸和行蛋白质合成，结果发现产物是苏氨酸和组氨酸的多聚体，说明苏氨酸的密码子可组氨酸的多聚体，说明苏氨酸的密码子可能是能是ACAACA，也可能是，也可能是CACCAC；同样，组氨酸的；同样，组氨酸的密码子可能是密码子可能是CACCAC，也可

12、能是，也可能是ACAACA。霍拉纳（霍拉纳（Khorana)Khorana)的的RNARNA重复序列翻译实验重复序列翻译实验 实验思想和推理思维的完美结合实验思想和推理思维的完美结合n当重复序列为（当重复序列为（UCUC）n n 时，组成的重复时，组成的重复RNARNA无无论怎么阅读，只可能是论怎么阅读，只可能是UCU-CUCUCU-CUC，翻译的多肽，翻译的多肽也是由丝氨酸和亮氨酸之间排列的序列。也是由丝氨酸和亮氨酸之间排列的序列。n当重复序列为当重复序列为(UUC)n(UUC)n时，无论怎么阅读，都时，无论怎么阅读，都只产生三种多聚氨基酸，即丝只产生三种多聚氨基酸，即丝, ,亮和苯丙。亮和

13、苯丙。n再看第三行重复序列（再看第三行重复序列（UUACUUAC）n n，无论怎么读，无论怎么读法，只会是四个密码子的循环；法，只会是四个密码子的循环；UUAUUACUUCUUACUACUUACUAC，但合成的肽链中氨基酸三种，但合成的肽链中氨基酸三种，亮亮- -亮亮- -苏苏- -酪酪 。n你能分析吗？你能分析吗？霍利（霍利（Holley)的贡献的贡献n什么是细胞内翻译遗传密码的机制？霍利着手解什么是细胞内翻译遗传密码的机制？霍利着手解决这个问题并取得了成功。有一类特别的核酸，决这个问题并取得了成功。有一类特别的核酸，称为转运称为转运RNARNA，霍利就是转运，霍利就是转运RNARNA的发现

14、者之一。的发现者之一。转运转运RNARNA能读出遗传密码，并将它翻译成蛋白质字能读出遗传密码，并将它翻译成蛋白质字母系统。经过多年工作，霍利成功地制备了一种母系统。经过多年工作，霍利成功地制备了一种纯的转运纯的转运RNARNA，最后于，最后于19651965年搞清其准确的化学结年搞清其准确的化学结构。霍利的工作表明，有生物学活性的核酸的化构。霍利的工作表明，有生物学活性的核酸的化学结构首次得到完全测定。学结构首次得到完全测定。n将多核苷酸链分裂为几个小片段，然将多核苷酸链分裂为几个小片段，然后确定小片段在后确定小片段在RNARNA分子中的次序，从分子中的次序，从而重建原先的核苷酸序列。而重建原先的核苷酸序列。19681968年，霍利、霍拉纳、尼伦伯年，霍利、霍拉纳、尼伦伯格因对遗传密码的解释及其在蛋白格因对遗传密码的解释及其在蛋白质合成中功能的揭示而共同获得诺质合成中功能的揭示而共同获得诺贝尔奖。贝尔奖。请认真阅读密码子表，分析回答下列问题，总结遗传请认真阅