第3節(jié)遺傳密碼的破譯

1、第第3 3節(jié)節(jié) 遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯 問題導(dǎo)入問題導(dǎo)入 mrna是怎樣把其中的堿基序列轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)中相應(yīng)氨基酸排列次序的？ mrna的堿基與氨基酸之間是如何對應(yīng)的？從數(shù)學(xué)角度從數(shù)學(xué)角度認(rèn)識堿基與認(rèn)識堿基與氨基酸的對氨基酸的對應(yīng)關(guān)系應(yīng)關(guān)系資料資料1 1：mrnamrna只有只有4 4種堿基，而組成蛋白質(zhì)種堿基，而組成蛋白質(zhì)的氨基酸有的氨基酸有2020種，這四種堿基是怎么決種，這四種堿基是怎么決定蛋白質(zhì)的定蛋白質(zhì)的2020種氨基酸的呢？如果種氨基酸的呢？如果1 1個堿個堿基決定一個氨基酸，那么基決定一個氨基酸，那么4 4種堿基只能決種堿基只能決定定4 4種氨基酸，顯然這種組合是不夠的。種氨

2、基酸，顯然這種組合是不夠的。想一想：想一想：如果如果2 2個相鄰堿基決定一種氨基酸呢？個相鄰堿基決定一種氨基酸呢？如果如果3 3個相鄰堿基決定一種氨基酸呢？個相鄰堿基決定一種氨基酸呢？由此分析你認(rèn)為應(yīng)該由多少個堿基編由此分析你認(rèn)為應(yīng)該由多少個堿基編碼一個氨基酸，碼一個氨基酸，4 4種堿基才足以組合出構(gòu)種堿基才足以組合出構(gòu)成蛋白質(zhì)的成蛋白質(zhì)的2020種氨基酸？種氨基酸？ 分析資料分析資料得出結(jié)論得出結(jié)論結(jié)論：理論上應(yīng)該是三個堿基結(jié)論：理論上應(yīng)該是三個堿基決定一個氨基酸決定一個氨基酸這也是這也是伽莫夫伽莫夫在破譯遺傳密碼在破譯遺傳密碼的探索中提出的設(shè)想。的探索中提出的設(shè)想。上述結(jié)論僅為數(shù)學(xué)推理，如

3、何通上述結(jié)論僅為數(shù)學(xué)推理，如何通過實驗證明呢？過實驗證明呢？資料資料2：19611961年，年，dnadna分子結(jié)構(gòu)的發(fā)分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者克里克研究表明：在現(xiàn)者克里克研究表明：在t t4 4噬菌體噬菌體的相關(guān)堿基序列中的相關(guān)堿基序列中增加或者刪除一增加或者刪除一個個堿基，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白堿基，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；質(zhì)；增加或刪除兩個增加或刪除兩個堿基，也不能堿基，也不能產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；但是，當(dāng)產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；但是，當(dāng)增加或者刪除三個增加或者刪除三個堿基時，卻合成堿基時，卻合成了具有正常功能的蛋白質(zhì)。了具有正常功能的蛋白質(zhì)。 19611961年克年克里克的里克的t t4 4噬

4、菌體實噬菌體實驗驗 為什么會產(chǎn)生這樣的結(jié)果？為什么會產(chǎn)生這樣的結(jié)果？類比推理類比推理the fat cat ate the big rat試著插入或刪去其中的一個、兩個、三試著插入或刪去其中的一個、兩個、三個字母，看后面的語意會有什么變化？個字母，看后面的語意會有什么變化？只有插入或刪去其中的三個字母，后面只有插入或刪去其中的三個字母，后面的語意才不變。原因是三個字母組成一的語意才不變。原因是三個字母組成一個單詞。個單詞。類比推理即可得知類比推理即可得知：“出現(xiàn)上述現(xiàn)象的出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，原因是，信使信使rna上上的每的每三三個相鄰堿基個相鄰堿基決定一個氨基酸決定一個氨基酸”。提示：提示：

5、把句中的單把句中的單詞看作決定詞看作決定一個氨基酸一個氨基酸的密碼子的密碼子 遺傳密碼的總體特征 不間斷性：不間斷性：mrna的三聯(lián)體密碼是連續(xù)的三聯(lián)體密碼是連續(xù)排列的，相鄰密碼之間無核苷酸間隔。排列的，相鄰密碼之間無核苷酸間隔。所以，在相關(guān)堿基序列中增加或刪除所以，在相關(guān)堿基序列中增加或刪除12個核苷酸，則其后的三聯(lián)體組合方式都個核苷酸，則其后的三聯(lián)體組合方式都會改變，不能合成正常的蛋白質(zhì)。會改變，不能合成正常的蛋白質(zhì)。不重疊性：不重疊性：不重疊性使密碼解讀簡單而不重疊性使密碼解讀簡單而準(zhǔn)確無誤。當(dāng)一個核苷酸被異常核苷酸準(zhǔn)確無誤。當(dāng)一個核苷酸被異常核苷酸取代時，不會在肽鏈中影響到多個氨基取代

6、時，不會在肽鏈中影響到多個氨基酸。酸?？死锟说膶嶒炿m然闡明了遺傳密碼的總克里克的實驗雖然闡明了遺傳密碼的總體特征，但是，卻無法說明由體特征，但是，卻無法說明由3個堿基個堿基排列成的排列成的1個密碼對應(yīng)的究竟是哪一個個密碼對應(yīng)的究竟是哪一個氨基酸。氨基酸。密碼如何密碼如何與氨基酸與氨基酸的對應(yīng)？的對應(yīng)？資料資料3：19611961年，尼倫伯格和馬太利用大年，尼倫伯格和馬太利用大腸桿菌的腸桿菌的破碎細(xì)胞溶液破碎細(xì)胞溶液，建立了一種利，建立了一種利用用人工合成的人工合成的rnarna在試管里在試管里合成多肽鏈合成多肽鏈的的實驗系統(tǒng)，其中含有核糖體等合成蛋白實驗系統(tǒng)，其中含有核糖體等合成蛋白質(zhì)所需的各

7、種成分。利用這個實驗系統(tǒng)，質(zhì)所需的各種成分。利用這個實驗系統(tǒng)，尼倫伯格和馬太設(shè)計了一個巧妙的實驗，尼倫伯格和馬太設(shè)計了一個巧妙的實驗，破譯了第一個遺傳密碼，即破譯了第一個遺傳密碼，即uuuuuu是編碼苯是編碼苯丙氨酸的密碼子。丙氨酸的密碼子。如果是你，如何設(shè)計實驗？如果是你，如何設(shè)計實驗？提示：實驗提供有多個試管和提示：實驗提供有多個試管和2020種氨基酸溶液。種氨基酸溶液。19611961年，尼年，尼倫伯格和馬倫伯格和馬太的大腸桿太的大腸桿菌實驗菌實驗 19611961年，尼年，尼倫伯格和馬倫伯格和馬太的大腸桿太的大腸桿菌實驗菌實驗 實驗方案設(shè)計過程面臨實驗方案設(shè)計過程面臨3個問題：個問題：

8、合成怎樣的合成怎樣的rna作為模板？作為模板？需要一組還是多組實驗？需要一組還是多組實驗？氨基酸怎樣加入？氨基酸怎樣加入？實驗思路：實驗思路：用單核苷酸人工合成用單核苷酸人工合成rnarna（多聚尿嘧啶核多聚尿嘧啶核苷酸苷酸），分），分多個實驗組多個實驗組，分別加入不同分別加入不同的氨基酸的氨基酸，檢測哪組中出現(xiàn)了多肽鏈即，檢測哪組中出現(xiàn)了多肽鏈即可破譯可破譯uuuuuu。19611961年，尼年，尼倫伯格和馬倫伯格和馬太的大腸桿太的大腸桿菌實驗菌實驗 尼倫伯格和馬太在每個試管中分別加入一尼倫伯格和馬太在每個試管中分別加入一種氨基酸，再加入種氨基酸，再加入除去了除去了dnadna和和mrnam

9、rna的細(xì)胞的細(xì)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，結(jié)果加入了苯丙氨酸的試管中出現(xiàn)苷酸，結(jié)果加入了苯丙氨酸的試管中出現(xiàn)了多聚苯丙氨酸的肽鏈。了多聚苯丙氨酸的肽鏈。為什么要除為什么要除去細(xì)胞提取去細(xì)胞提取液中的液中的dnadna和和mrnamrna？上述方法只能破譯出上述方法只能破譯出aaa是賴氨是賴氨酸的密碼子，酸的密碼子，ccc是脯氨酸的密是脯氨酸的密碼子，碼子，ggg是甘氨酸的密碼子，是甘氨酸的密碼子，uuu是苯丙氨酸的密碼子。是苯丙氨酸的密碼子。也就是說只能確定也就是說只能確定4種氨基酸的種氨基酸的遺傳密碼，那么其他氨基酸的密遺傳密碼，

10、那么其他氨基酸的密碼呢？碼呢？材料材料4：19661966年科學(xué)家霍拉納發(fā)明了一種年科學(xué)家霍拉納發(fā)明了一種新的新的rnarna合成方法，通過這種方法合成的合成方法，通過這種方法合成的rnarna可以是可以是2 2個、個、3 3個或個或4 4個堿基為單位的重個堿基為單位的重復(fù)序列，例如復(fù)序列，例如: :將將a a、c c兩種核苷酸縮合為兩種核苷酸縮合為acacacacacacacacacac長鏈，以它作人工信使進長鏈，以它作人工信使進行蛋白質(zhì)合成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是蘇氨酸和行蛋白質(zhì)合成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是蘇氨酸和組氨酸的多聚體，說明蘇氨酸的密碼子可組氨酸的多聚體，說明蘇氨酸的密碼子可能是能是acaaca

11、，也可能是，也可能是caccac；同樣，組氨酸的；同樣，組氨酸的密碼子可能是密碼子可能是caccac，也可能是，也可能是acaaca。19661966年，年，霍霍拉納的拉納的rnarna重復(fù)序列翻重復(fù)序列翻譯實驗譯實驗 如何證明組氨酸和蘇氨酸的密碼子是如何證明組氨酸和蘇氨酸的密碼子是acaaca還是還是caccac呢？呢？提示：參考霍拉納的設(shè)計方法。提示：參考霍拉納的設(shè)計方法。19661966年，年，霍霍拉納的拉納的rnarna重復(fù)序列翻重復(fù)序列翻譯實驗譯實驗 方案：方案：如合成（如合成（caa）n長鏈，重復(fù)長鏈，重復(fù)上述實驗，合成產(chǎn)物為谷氨酰胺、天上述實驗，合成產(chǎn)物為谷氨酰胺、天冬酰胺和冬酰

12、胺和蘇氨酸蘇氨酸的多聚體。的多聚體。將科學(xué)家和自己的實驗結(jié)果對比分析，將科學(xué)家和自己的實驗結(jié)果對比分析，即可確定即可確定aca是蘇氨酸的密碼子，是蘇氨酸的密碼子，cac是組氨酸的密碼子。是組氨酸的密碼子。設(shè)想：設(shè)想：再用類似的方法合成含有蘇再用類似的方法合成含有蘇氨酸或組氨酸的多聚體，如果其模氨酸或組氨酸的多聚體，如果其模板板rna上有上有aca或或cac，即可確定。，即可確定。運用此類方法就可以破譯其他氨運用此類方法就可以破譯其他氨基酸的遺傳密碼。基酸的遺傳密碼。密碼子表密碼子表請認(rèn)真閱讀密碼子表，分析回答下列問請認(rèn)真閱讀密碼子表，分析回答下列問題，總結(jié)遺傳密碼的特點。題，總結(jié)遺傳密碼的特點。 分析問題總結(jié)遺傳密碼的特點 1 1、在、在mrnamrna上兩個密碼子之間有無核苷酸上兩個密碼子之間有無核苷酸隔開？隔開？2 2、一