遗传密码的破译

1、 问题探讨问题探讨 一、遗传密码的阅读方式一、遗传密码的阅读方式 二、克里克的实验证据二、克里克的实验证据 三、遗传密码对应规则的发现三、遗传密码对应规则的发现 课堂练习课堂练习 问题探讨问题探讨 我们知道了核酸中的碱基序列就是遗传信息，我们知道了核酸中的碱基序列就是遗传信息，翻译实际上就是将翻译实际上就是将mRNA中的碱基序列翻译为中的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列，那么碱基序列与氨基酸蛋白质的氨基酸序列，那么碱基序列与氨基酸序列是如何对应的呢？序列是如何对应的呢？ 一个密码子（一个密码子（3个碱基）决定一个氨基酸。个碱基）决定一个氨基酸。 “中心法则中心法则”提出后更为明确地指出了遗提出

2、后更为明确地指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从传信息传递的方向，总体上来说是从DNARNA蛋白质。那蛋白质。那DNA和蛋白质之和蛋白质之间究竟是什么关系？或者说间究竟是什么关系？或者说DNA是如何决是如何决定蛋白质？这个有趣而深奥的问题在五十定蛋白质？这个有趣而深奥的问题在五十年代末就开始引起了一批研究者的极大兴年代末就开始引起了一批研究者的极大兴趣趣 (1)三联体密码子的提出：三联体密码子的提出： 1954年美国物理学家年美国物理学家对破译密码首先提出了挑战。当年，对破译密码首先提出了挑战。当年，他在他在自然自然Nature杂志首次发表了遗传密码的理论研究杂志首次发表了遗传密码的理论研

3、究的文章，指出的文章，指出。 接下来，人们不禁又要问在三联体中的每接下来，人们不禁又要问在三联体中的每个碱基作为信息只读一次还是重复阅读呢？个碱基作为信息只读一次还是重复阅读呢？以重叠和非重叠方式阅读以重叠和非重叠方式阅读DNA序列会有什序列会有什么不同呢？么不同呢？ （2）遗传密码的阅读方式）遗传密码的阅读方式 注意：注意： 非重叠阅读方式非重叠阅读方式依次阅读，碱基不重复读依次阅读，碱基不重复读取，而取，而重叠阅读方式重叠阅读方式，除首尾碱基外，每，除首尾碱基外，每个碱基可能读两次。个碱基可能读两次。 思考思考: 当图中当图中DNA的第三个碱基的第三个碱基(T)发生改变时发生改变时,如如果

4、密码是非重叠的果密码是非重叠的,这一改变将影响这一改变将影响_个氨基酸个氨基酸,如果是重叠的又将影响如果是重叠的又将影响_个氨基酸。个氨基酸。 当图中当图中DNA的第三个碱基的第三个碱基(T)发生改变时发生改变时,如如果密码是非重叠的果密码是非重叠的,这一改变将影响这一改变将影响_个氨基酸个氨基酸,如果是重叠的又将影响如果是重叠的又将影响_个氨基酸。个氨基酸。13很多很多3 ）（1）时间：）时间：1961年年（2）实验材料：）实验材料：T4噬菌体噬菌体DNA上的一个基因上的一个基因（3）研究思路：）研究思路：基因的碱基数目的改变对其基因的碱基数目的改变对其所编码蛋白质的影响。所编码蛋白质的影响

5、。 （4）试验方法：通过这样的方法他们发现）试验方法：通过这样的方法他们发现加入或减少加入或减少1个和个和2个碱基个碱基都会引起噬菌体都会引起噬菌体突变，突变，无法产生正常功能的蛋白质无法产生正常功能的蛋白质，而，而加加入或减少入或减少3个碱基个碱基时却时却可以合成正常功能的可以合成正常功能的蛋白质。蛋白质。 为为什么会这样呢什么会这样呢？翠园中学生物组翠园中学生物组请比较分析下图请比较分析下图:插入插入_个碱基对原有氨基酸序列个碱基对原有氨基酸序列影响最小。影响最小。GGTTCGCACGCTTTGAGCGGTATCGCACGCTTTGAGCGGTAATCGCACGCTTTGAGCGGTAAA

6、TCGCACGCTTTGAGC3分析上图分析上图:减少减少_个碱基对原有氨基酸序列影响最小。个碱基对原有氨基酸序列影响最小。3插入插入1个碱基：个碱基：插入插入3个碱基：个碱基：插入插入2个碱基：个碱基： 克里克是第一个用实验证明遗传密码中克里克是第一个用实验证明遗传密码中3个碱个碱基编码基编码1个氨基酸的科学家。个氨基酸的科学家。这个实验还同时表明这个实验还同时表明:遗传密码从一个固定的起点开始遗传密码从一个固定的起点开始,以非重叠的方式阅以非重叠的方式阅读读,编码之间没有分隔符。编码之间没有分隔符。返回返回 说明：说明： 克里克的实验虽然阐明了遗传密码的总体克里克的实验虽然阐明了遗传密码的

7、总体特征，但是，却特征，但是，却无法说明由三个碱基排列无法说明由三个碱基排列成的一个密码子对应的究竟是哪个氨基酸成的一个密码子对应的究竟是哪个氨基酸。 1961-1962年，尼伦伯格和马太采用了年，尼伦伯格和马太采用了蛋白质的体外合成蛋白质的体外合成技术技术，破译了第一个遗传密码：，破译了第一个遗传密码：（1）实验思路：利用蛋白质的体外合成技术，以人工合）实验思路：利用蛋白质的体外合成技术，以人工合成的成的RNA作模板合成多肽，确定氨基酸与密码子的对作模板合成多肽，确定氨基酸与密码子的对应关系。应关系。（2）实验步骤：）实验步骤：1）提出大肠杆菌的破碎细胞液加入试管（提出大肠杆菌的破碎细胞液加

8、入试管（除去原除去原DNA和和mRNA）2）添加）添加20种氨基酸（种氨基酸（分五组，每个试管各加四种氨基酸分五组，每个试管各加四种氨基酸）3）加入人工合成的）加入人工合成的RNA（多聚尿嘧啶核苷酸多聚尿嘧啶核苷酸）4）合成多肽（）合成多肽（只在加入酪氨酸、苯丙氨酸、半胱氨酸、只在加入酪氨酸、苯丙氨酸、半胱氨酸、丝氨酸的试管中出现多肽链丝氨酸的试管中出现多肽链） 5）运用同样方法将上述四种氨基酸分别加入装）运用同样方法将上述四种氨基酸分别加入装有多聚有多聚U的四个试管（的四个试管（加入苯丙氨酸的试管中出加入苯丙氨酸的试管中出现多肽链）现多肽链）（3）实验结论：尿嘧啶的碱基序列可编码由苯丙）实验

9、结论：尿嘧啶的碱基序列可编码由苯丙氨酸组成的多肽链，结合克里克提出的三个碱基氨酸组成的多肽链，结合克里克提出的三个碱基编码一个氨基酸的实验结论，可以得出苯丙氨酸编码一个氨基酸的实验结论，可以得出苯丙氨酸的密码子是的密码子是UUU。翠园中学生物组翠园中学生物组思考：思考：1、上述实验中为什么要除去细胞提取液中的、上述实验中为什么要除去细胞提取液中的DNA和和mRA？ 细胞中原有的细胞中原有的mRNA会作为合成蛋白质的模板干扰实验会作为合成蛋白质的模板干扰实验结果；细胞中原有的结果；细胞中原有的DNA可能作为可能作为mRNA合成的模板，而合成的模板，而新合成的新合成的mRNA也会干扰实验的结果，因

10、此要除去。也会干扰实验的结果，因此要除去。2、如果你是尼伦伯格或马太，你将如何设计对照组的实验，、如果你是尼伦伯格或马太，你将如何设计对照组的实验，确保你的重大发现得到同行的认可？确保你的重大发现得到同行的认可？ 作为对照实验的试管中，除不加入多聚尿嘧啶核苷酸外，作为对照实验的试管中，除不加入多聚尿嘧啶核苷酸外，其它所有成分都与实验组的试管相同。其它所有成分都与实验组的试管相同。 尼伦伯格和马太的实验结果不仅证实了无尼伦伯格和马太的实验结果不仅证实了无细胞系统的成功，同时还表明细胞系统的成功，同时还表明UUU是苯丙是苯丙氨酸的密码子。氨酸的密码子。 这是第一个遗传密码子被破译。尼伦伯这是第一个

11、遗传密码子被破译。尼伦伯格的实验巧妙之处在于利用无细胞系统进格的实验巧妙之处在于利用无细胞系统进行体外合成蛋白质，他这富有创新的实验行体外合成蛋白质，他这富有创新的实验方法为他带来了重大的成功方法为他带来了重大的成功！ 在接下来的六七年里，科学家沿着体外合在接下来的六七年里，科学家沿着体外合成蛋白质的思路，不断地改进实验方法，成蛋白质的思路，不断地改进实验方法，破译出了全部的密码子，破译出了全部的密码子，并编制出了密码并编制出了密码子表。子表。这项工作成为生物学史上的一个伟这项工作成为生物学史上的一个伟大的里程碑！为人类探索和提示生命的本大的里程碑！为人类探索和提示生命的本质的研究向前迈进一大

12、步，为后面分子遗质的研究向前迈进一大步，为后面分子遗传生物学的发展有着重要的推动作用。传生物学的发展有着重要的推动作用。 1.1.19541954年科普作家伽莫夫用数学的方法推断年科普作家伽莫夫用数学的方法推断3 3个碱基编码一个氨基酸。个碱基编码一个氨基酸。2.2.19611961年克里克第一个用年克里克第一个用T T4 4噬菌体实验证明噬菌体实验证明了遗传密码中了遗传密码中3 3个碱基编码一个氨基酸。个碱基编码一个氨基酸。3.3.19611961年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进行体外合成破译了第一个遗传密码。行体外合成破译了第一个遗传密码。4.4.19691

13、969年科学家们破译了全部的密码。年科学家们破译了全部的密码。 我们注意整个破译过程中科学家思维的变我们注意整个破译过程中科学家思维的变化，伽莫夫通过化，伽莫夫通过数学的排列组合数学的排列组合的计算来的计算来推测密码子是由三个碱基组成的，克里克推测密码子是由三个碱基组成的，克里克则是巧妙地设计实验，使则是巧妙地设计实验，使DNA增加或减少增加或减少碱基碱基的方法从实验上证明了伽莫夫的三联的方法从实验上证明了伽莫夫的三联体密码子的推测，由理论走向实验，为密体密码子的推测，由理论走向实验，为密码子的破译迈出重要的一步。而尼伦伯格码子的破译迈出重要的一步。而尼伦伯格的实验则更富有创新性，他建立巧妙的

14、的实验则更富有创新性，他建立巧妙的无无细胞系统细胞系统进行体外蛋白质合成，成功地破进行体外蛋白质合成，成功地破译了第一个密码子，随后的方法不断创新译了第一个密码子，随后的方法不断创新最终破译了所有的密码子。他的贡献不仅最终破译了所有的密码子。他的贡献不仅仅在于对遗传密码的破译，更重要的也在仅在于对遗传密码的破译，更重要的也在对生物研究方法上开启了新的思维方式。对生物研究方法上开启了新的思维方式。 归结起来，我们看到，归结起来，我们看到，敏锐、大胆、睿智敏锐、大胆、睿智和创新和创新是科学家的重要素养，也正如尼伦是科学家的重要素养，也正如尼伦伯格在伯格在1968年诺贝尔生理学或医学奖获奖年诺贝尔生

15、理学或医学奖获奖时说的：时说的：一个善于捕捉细节的人才是能领一个善于捕捉细节的人才是能领略事物真谛的人。略事物真谛的人。 1、在下列基因的改变中，合成出具有正常功能、在下列基因的改变中，合成出具有正常功能蛋白质的可能性最大的是蛋白质的可能性最大的是：（：（ ）A在相关的基因的碱基序列中在相关的基因的碱基序列中删除或增加一个碱基对删除或增加一个碱基对B在相关的基因的碱基序列在相关的基因的碱基序列中删除或增加二个碱基对中删除或增加二个碱基对C在相关的基因的在相关的基因的碱基序列中删除或增加三个碱基对碱基序列中删除或增加三个碱基对D在相关的基因在相关的基因的碱基序列中删除或增加四个碱基对的碱基序列中

16、删除或增加四个碱基对 2、最早提出、最早提出3个碱基编码一个氨基酸的科个碱基编码一个氨基酸的科学家和首次用实验的方法加以证明的科学学家和首次用实验的方法加以证明的科学家分别是：（家分别是：（ ） A克里克、伽莫夫克里克、伽莫夫 B克里克、沃克里克、沃森式化森式化 C摩尔根、尼伦伯格摩尔根、尼伦伯格 D伽莫夫、克伽莫夫、克里克里克 3、采用蛋白质体外合成的技术揭示遗传密、采用蛋白质体外合成的技术揭示遗传密码实验中，改变下列哪项操作，即可测出码实验中，改变下列哪项操作，即可测出全部的遗传密码与氨基酸的对应规则：全部的遗传密码与氨基酸的对应规则：( ) A无无DNA和和mRNA细胞的提取液细胞的提取

17、液 B人工合成的多聚核苷酸人工合成的多聚核苷酸 C加入的氨基酸种类和数量加入的氨基酸种类和数量 D测定多肽链中氨基酸种类的方法测定多肽链中氨基酸种类的方法 4.在遗传密码子的阅读方式验证实验中，克在遗传密码子的阅读方式验证实验中，克里克没有证明的是（）。里克没有证明的是（）。A.3个碱基决定一个氨基酸个碱基决定一个氨基酸B.遗传密码从一个固定起点开始，无间隔遗传密码从一个固定起点开始，无间隔C.遗传密码以非重叠的方式阅读遗传密码以非重叠的方式阅读D.遗传密码与氨基酸之间的对应关系遗传密码与氨基酸之间的对应关系D5.尼伦伯格和马太采用蛋白质的体外合成技尼伦伯格和马太采用蛋白质的体外合成技术进行的

18、实验没有说明（）。术进行的实验没有说明（）。A.多聚尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的多聚尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的合成合成B.尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链肽链C.结合克里克的研究成果，得出与苯丙氨酸结合克里克的研究成果，得出与苯丙氨酸对应的密码子是对应的密码子是UUUD.细胞提取液中的遗传信息控制合成了多聚细胞提取液中的遗传信息控制合成了多聚苯丙氨酸的肽苯丙氨酸的肽链D6.小白兔控制血红蛋白合成的小白兔控制血红蛋白合成的mRNA加入到加入到大肠杆菌的提取液中，结果能合成出小白大肠杆菌的提取液中，结果能合成出小白兔的血红蛋白，这说明（）兔的血

19、红蛋白，这说明（）A.小白兔的小白兔的RNA能指导大肠杆菌的蛋白质合能指导大肠杆菌的蛋白质合成成B.所有的生物共用一套遗传密码子所有的生物共用一套遗传密码子C.小白兔控制血红蛋白合成的基因能进入大小白兔控制血红蛋白合成的基因能进入大肠杆菌肠杆菌D.大肠杆菌的遗传物质是大肠杆菌的遗传物质是RNAB7、下列各项中，错误的是（）。、下列各项中，错误的是（）。A.克里克克里克T4噬菌体实验不能证明苯丙氨酸的噬菌体实验不能证明苯丙氨酸的密码子是密码子是UUUB.克里克克里克T4噬菌体实验表明遗传密码的阅读噬菌体实验表明遗传密码的阅读方式是非重叠的阅读方式方式是非重叠的阅读方式C.尼伦伯格和马太的实验可以

20、说明三个碱基尼伦伯格和马太的实验可以说明三个碱基决定一个氨基酸决定一个氨基酸D.以上两个实验对遗传密码的破译都做出了以上两个实验对遗传密码的破译都做出了贡献，促进了科学贡献，促进了科学C8.下列叙述中不是遗传密码的特点的是（下列叙述中不是遗传密码的特点的是（ ）A.非重复性非重复性 B.无分隔符无分隔符C.三联性三联性 D.不连续性不连续性9.mRNA碱基序列中，随机插入一个碱基，碱基序列中，随机插入一个碱基，导致导致mRNA上的密码子变化的是（上的密码子变化的是（ ）A.全部密码子改变全部密码子改变 B.只有一个密码子改变只有一个密码子改变C.基本不变基本不变 D.插入碱基后的所有密码子都插

21、入碱基后的所有密码子都发生改变发生改变DD9.原核生物中某一基因的编码区起始端插入原核生物中某一基因的编码区起始端插入了一个碱基对，在插入位点的附近，再发了一个碱基对，在插入位点的附近，再发生哪种情况有可能对其编码的蛋白质结构生哪种情况有可能对其编码的蛋白质结构影响最小（影响最小（ ）A 置换单个碱基对置换单个碱基对 B增添增添4个碱基对个碱基对C缺失缺失3个碱基对个碱基对 D缺失缺失4个碱基对个碱基对D 在克里克得出在克里克得出3个碱基可以排列成个碱基可以排列成1个遗传密码的实验结个遗传密码的实验结论后，科学家们开始探索一个特定的遗传密码所对应的特论后，科学家们开始探索一个特定的遗传密码所对

22、应的特定的氨基酸究竟是哪一个。尼伦伯格和马太采用蛋白质的定的氨基酸究竟是哪一个。尼伦伯格和马太采用蛋白质的体外合成技术，在每一个试管中加入一种氨基酸，再加入体外合成技术，在每一个试管中加入一种氨基酸，再加入除去了除去了DNA和和mRNA的细胞提取液以及人工合成的多聚尿的细胞提取液以及人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸，结果在加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚嘧啶核苷酸，结果在加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链，如下图请回答。苯丙氨酸的肽链，如下图请回答。 (1)实验中多聚尿嘧啶核苷酸的作用是实验中多聚尿嘧啶核苷酸的作用是(2)细胞提取液为该实验具体提供了细胞提取液为该实验具体提供了(3)实验

23、中所用的细胞提取液需除去实验中所用的细胞提取液需除去DNA和和mRNA的原因是的原因是(4)为确保实验结论的科学性，应如何操作？为确保实验结论的科学性，应如何操作？作为模板作为模板mRNA直接控制蛋白质直接控制蛋白质(多肽多肽)合成合成能量、酶、核糖体、能量、酶、核糖体、tRNA(缺项不对缺项不对)排除细胞中的排除细胞中的DNA、mRNA对体外合成蛋白质的影响对体外合成蛋白质的影响加入多聚尿嘧啶核苷酸及其他种类氨基酸的实验加入多聚尿嘧啶核苷酸及其他种类氨基酸的实验 (5)要想知道更多氨基酸的密码子，你如何要想知道更多氨基酸的密码子，你如何改变上述实验？（简述）改变上述实验？（简述）依次用不同种类的多聚核糖核苷酸替换上依次用不同种类的多聚核糖核苷酸替换上述实验中的多聚尿嘧啶核苷酸述实验中的多聚尿嘧啶核苷酸 (6)本实验所用的细胞提取液可以用大肠杆菌制备。本实验所用的细胞提取液可以用大肠杆菌制备。请简述制备方法：请简述制备方法： 对大肠杆菌进行振荡裂解；对大肠杆菌进行振荡裂解； _ _ 经上述操作，得到了除去经上述操作，得到了除去DNA和和mRNA的细胞提取的细胞提取液。液。(大肠杆菌中大肠杆菌中mRNA约在约在3060分钟内自行分分钟内自行分解，因此操作中可不