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1、第第3 3节节 遗传密码的破译遗传密码的破译 问题导入问题导入 mRNA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？mRNA的碱基与氨基酸之间是如何对应的？从数学角度从数学角度认识碱基与认识碱基与氨基酸的对氨基酸的对应关系应关系资料资料1 1：mRNAmRNA只有只有4 4种碱基，而组成蛋白质种碱基，而组成蛋白质的氨基酸有的氨基酸有2020种，这四种碱基是怎么决种，这四种碱基是怎么决定蛋白质的定蛋白质的2020种氨基酸的呢？如果种氨基酸的呢？如果1 1个碱个碱基决定一个氨基酸，那么基决定一个氨基酸，那么4 4种碱基只能决种碱基只能决定定4 4种氨基酸，显然这种组合是不够的。种氨基
2、酸，显然这种组合是不够的。想一想：想一想：如果如果2 2个相邻碱基决定一种氨基酸呢？个相邻碱基决定一种氨基酸呢？如果如果3 3个相邻碱基决定一种氨基酸呢？个相邻碱基决定一种氨基酸呢？由此分析你认为应该由多少个碱基编由此分析你认为应该由多少个碱基编码一个氨基酸，码一个氨基酸，4 4种碱基才足以组合出构种碱基才足以组合出构成蛋白质的成蛋白质的2020种氨基酸？种氨基酸？分析资料分析资料得出结论得出结论结论：理论上应该是三个碱基结论：理论上应该是三个碱基决定一个氨基酸决定一个氨基酸这也是这也是伽莫夫伽莫夫在破译遗传密码在破译遗传密码的探索中提出的设想。的探索中提出的设想。上述结论仅为数学推理，如何通
3、上述结论仅为数学推理，如何通过实验证明呢？过实验证明呢？资料资料2：19611961年，年，DNADNA分子结构的发分子结构的发现者克里克研究表明：在现者克里克研究表明：在T T4 4噬菌体噬菌体的相关碱基序列中的相关碱基序列中增加或者删除一增加或者删除一个个碱基，无法产生正常功能的蛋白碱基，无法产生正常功能的蛋白质；质；增加或删除两个增加或删除两个碱基，也不能碱基，也不能产生正常功能的蛋白质；但是，当产生正常功能的蛋白质；但是，当增加或者删除三个增加或者删除三个碱基时，却合成碱基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。了具有正常功能的蛋白质。19611961年克年克里克的里克的T T4 4噬菌体实
4、噬菌体实验验 为什么会产生这样的结果？为什么会产生这样的结果？类比推理类比推理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？只有插入或删去其中的三个字母，后面只有插入或删去其中的三个字母，后面的语意才不变。原因是三个字母组成一的语意才不变。原因是三个字母组成一个单词。个单词。类比推理即可得知类比推理即可得知：“出现上述现象的出现上述现象的原因是，原因是，信使信使RNA上的每三个相邻碱基上的每三个相邻碱基决定一个氨基酸决定一个氨基酸”。提示：提示：把句中
5、的单把句中的单词看作决定词看作决定一个氨基酸一个氨基酸的密码子的密码子 遗传密码的总体特征 不间断性：不间断性：mRNA的三联体密码是连续的三联体密码是连续排列的，相邻密码之间无核苷酸间隔。排列的，相邻密码之间无核苷酸间隔。所以，在相关碱基序列中增加或删除所以，在相关碱基序列中增加或删除12个核苷酸，则其后的三联体组合方式都个核苷酸，则其后的三联体组合方式都会改变，不能合成正常的蛋白质。会改变，不能合成正常的蛋白质。不重叠性：不重叠性：不重叠性使密码解读简单而不重叠性使密码解读简单而准确无误。当一个核苷酸被异常核苷酸准确无误。当一个核苷酸被异常核苷酸取代时，不会在肽链中影响到多个氨基取代时，不
6、会在肽链中影响到多个氨基酸。酸。克里克的实验虽然阐明了遗传密码的总克里克的实验虽然阐明了遗传密码的总体特征，但是，却无法说明由体特征，但是，却无法说明由3个碱基个碱基排列成的排列成的1个密码对应的究竟是哪一个个密码对应的究竟是哪一个氨基酸。氨基酸。密码如何密码如何与氨基酸与氨基酸的对应？的对应？资料资料3：19611961年，尼伦伯格和马太利用大年，尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的肠杆菌的破碎细胞溶液破碎细胞溶液，建立了一种利，建立了一种利用用人工合成的人工合成的RNARNA在试管里在试管里合成多肽链合成多肽链的的实验系统，其中含有核糖体等合成蛋白实验系统，其中含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分
7、。利用这个实验系统，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一个巧妙的实验，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，即破译了第一个遗传密码，即UUUUUU是编码苯是编码苯丙氨酸的密码子。丙氨酸的密码子。如果是你，如何设计实验？如果是你，如何设计实验？提示：实验提供有多个试管和提示：实验提供有多个试管和2020种氨基酸溶液。种氨基酸溶液。19611961年，尼年，尼伦伯格和马伦伯格和马太的大肠杆太的大肠杆菌实验菌实验 19611961年，尼年，尼伦伯格和马伦伯格和马太的大肠杆太的大肠杆菌实验菌实验 实验方案设计过程面临实验方案设计过程面临3个问题：个问题：合成怎
8、样的合成怎样的RNA作为模板？作为模板？需要一组还是多组实验？需要一组还是多组实验？氨基酸怎样加入？氨基酸怎样加入？实验思路：实验思路：用单核苷酸人工合成用单核苷酸人工合成RNARNA（多聚尿嘧啶核多聚尿嘧啶核苷酸苷酸），分），分多个实验组多个实验组，分别加入不同分别加入不同的氨基酸的氨基酸，检测哪组中出现了多肽链即，检测哪组中出现了多肽链即可破译可破译UUUUUU。19611961年，尼年，尼伦伯格和马伦伯格和马太的大肠杆太的大肠杆菌实验菌实验 尼伦伯格和马太在每个试管中分别加入一尼伦伯格和马太在每个试管中分别加入一种氨基酸，再加入种氨基酸，再加入除去了除去了DNADNA和和mRNAmRNA
9、的细胞的细胞提取液提取液，以及人工合成的，以及人工合成的RNARNA多聚尿嘧啶核多聚尿嘧啶核苷酸，结果加入了苯丙氨酸的试管中出现苷酸，结果加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链。了多聚苯丙氨酸的肽链。为什么要除为什么要除去细胞提取去细胞提取液中的液中的DNADNA和和mRNAmRNA？上述方法只能破译出上述方法只能破译出AAA是赖氨是赖氨酸的密码子，酸的密码子，CCC是脯氨酸的密是脯氨酸的密码子，码子，GGG是甘氨酸的密码子，是甘氨酸的密码子，UUU是苯丙氨酸的密码子。是苯丙氨酸的密码子。也就是说只能确定也就是说只能确定4种氨基酸的种氨基酸的遗传密码，那么其他氨基酸的密遗传密码，那么其
10、他氨基酸的密码呢？码呢？材料材料4：19661966年科学家霍拉纳发明了一种年科学家霍拉纳发明了一种新的新的RNARNA合成方法，通过这种方法合成的合成方法，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个碱基为单位的重个碱基为单位的重复序列，例如复序列，例如: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
11、，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，也可能是，也可能是ACAACA。19661966年，霍年，霍拉纳的拉纳的RNARNA重复序列翻重复序列翻译实验译实验 如何证明组氨酸和苏氨酸的密码子是如何证明组氨酸和苏氨酸的密码子是ACAACA还是还是CACCAC呢？呢？提示：参考霍拉纳的设计方法。提示：参考霍拉纳的设计方法。19661966年，霍年，霍拉纳的拉纳的RNARNA重复序列翻重复序列翻译实验译实验 方案：方案：如合成（如合成（CAA）n长链，重复长链，重复上述实验，合成产物为谷氨酰胺、天上述实验，合成产物为谷氨酰胺、天冬酰胺和冬酰胺和苏氨酸
12、苏氨酸的多聚体。的多聚体。将科学家和自己的实验结果对比分析，将科学家和自己的实验结果对比分析，即可确定即可确定ACA是苏氨酸的密码子，是苏氨酸的密码子，CAC是组氨酸的密码子。是组氨酸的密码子。设想：设想：再用类似的方法合成含有苏再用类似的方法合成含有苏氨酸或组氨酸的多聚体，如果其模氨酸或组氨酸的多聚体，如果其模板板RNA上有上有ACA或或CAC，即可确定。，即可确定。运用此类方法就可以破译其他氨运用此类方法就可以破译其他氨基酸的遗传密码。基酸的遗传密码。密码子表密码子表请认真阅读密码子表，分析回答下列问请认真阅读密码子表，分析回答下列问题，总结遗传密码的特点。题，总结遗传密码的特点。分析问题总结遗传密码的特点 1 1、在、在mRNAmRNA上两个密码子之间有无核苷酸上两个密码子之间有无核苷酸隔开？隔开？2 2、一个氨基酸具有、一个氨基酸具有1 1个、个、2 2个还是个还是2 2个以个以上的密码子？上的密码子？3 3、密码子都决定氨基酸吗？、密码子都决定氨基酸吗？4 4、将人的胰岛素基因导入大肠杆菌，控、将人的胰岛素基因导入大肠杆菌，控制合成了人的胰岛素，说明什么？制合成了人的胰岛素，说明什么？特点：特点：不间断性不间断性 （连续性）（连续性）不重叠性不重叠性 简并性简并性 通用性通用性
