第四章第四章 基因的表达基因的表达 第第3 3节节 遗传密码的破译遗传密码的破译 应城市第二高级中学 张亚军 研究的背景 研究的背景 1944年 理论物理学家薛定谔发表大胆地 预言预言 染色体是由一些同分异构的单体连续所 组成 这种连续体的精确性组成了遗传密码 同分异构单体可能作为一般民用的莫尔斯电码莫尔斯电码 的两个符号 通过排列组合来储 存遗传信息 莫尔斯电报莫尔斯电报 短音 念作 滴 di 长音 念作 答 da 字码 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 数码 长码 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 研究的背景 研究的背景 1944年 薛定谔在遗传物质的化学本质是尚未 明确 十年后DNA双螺旋模型才得以建立的背景下 将遗传信息设想为同分异构的单体连续所组成 连续体的精确性类比成一种电码式的遗传密码 实 在是一种超越时代的远见卓识 1953年沃森和克里克建立DNA双螺旋模型 给予 科学家们很大的激励 破译遗传密码成了势在必行 的工作 遗传密码的试拼与阅读方式的探索遗传密码的试拼与阅读方式的探索 对于遗传密码来说最简单的破译方法应是将 DNA顺序或mRNA顺序和蛋白质 多肽链 相比较 决定 蛋白质 20种氨基酸 DNA mRNA 4种碱基 遗传密码的试拼与阅读方式的探索遗传密码的试拼与阅读方式的探索 1954年科普作家伽莫夫G Gamor在 Nature 杂志首次发表了遗传密码的理论研究的文章 以数 学逻辑推理的方式指出三个碱基编码一个氨基酸 在三个碱基 编码一个氨基酸 中的每个碱基作 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DNA序列会有什么不同呢 1 非重叠的阅读方式 GGTTCGCACGCT GGTTCGCACGCT GGTTCGCACGCT 2 重叠的阅读方式 GGTTCGCACGCT GGTTCGCACGCT GGTTCGCACGCT 遗传密码的试拼与阅读方式的探索遗传密码的试拼与阅读方式的探索 GGTTCGCACGCT 1 当图中DNA的第三个碱基 T 发生 改变时 如果密码是非重叠的 这一 改变将影响 个氨基酸 如果是重 叠的又将影响 个氨基酸 1 3 遗传密码的试拼与阅读方式的探索遗传密码的试拼与阅读方式的探索 遗传密码的试拼与阅读方式的探索遗传密码的试拼与阅读方式的探索 19571957年布伦纳 年布伦纳 Brenner SBrenner S 从理论上对蛋 从理论上对蛋 白质的氨基酸顺序分析 指出白质的氨基酸顺序分析 指出不存在不存在氨基酸的氨基酸的 邻位限制邻位限制作用 否定了遗传密码重叠阅读的可作用 否定了遗传密码重叠阅读的可 能性 能性 遗传密码子的验证 克里克的实验 遗传密码子的验证 克里克的实验 1961年 DNA分子结构的发现者克里克研究 在T4 噬菌体的相关碱基序列中 增加或者删除一个碱基 无法产生正常功能的蛋白质 增加或者删除两个碱基 也无法产生正常功能的蛋白质 增加或者删除三个碱基 却合成了具有正常功能的蛋白质 为什么会产生这样的现象呢 遗传密码子的验证的推理遗传密码子的验证的推理 2 在图中DNA的第三个碱基 T 后插入一个 碱基A 如果密码是非重叠的 这一改变将 影响 个氨基酸 如果密码是重 叠的 又将影响 个氨基酸 后面全部的 3 遗传密码子的验证 克里克的实验 遗传密码子的验证 克里克的实验 类比分析 原句中每个单词都有3个字母组成 7个单词连成一句 THE FAT CAT ATE THE BIG RAT 在原第2个单词中插入一个字母R THE FA R TCA TAT ETH EBI GRA T 在原第2个单词中插入二个字母R THE FAR RTC ATA TET HEB IGR AT 在原第2个单词中插入三个字母 THE FAR ROT CAT ATE THE BIG RAT 遗传密码子的验证 克里克的实验 遗传密码子的验证 克里克的实验 结论 遗传密码中 碱基编码一个氨基酸3个 遗传密码从一个 起点开始 以 的 方式阅读 编码之间 分隔符 固定的非重叠 没有 遗传密码对应规则的发现遗传密码对应规则的发现 1961年 尼伦伯格和马太利用破碎的细胞溶 液建立了一种利用人工合成的RNA在试管里合成 多肽链的实验系统 设计了一个巧妙的实验 破 译了第一个遗传密码 如果是你 如何设计实验破译遗传密码 遗传密码对应规则的发现遗传密码对应规则的发现 1961 1962年 尼伦伯格 M W Nirenberg 1927 和马太 H Matthaei 的实验 遗传密码对应规则的发现遗传密码对应规则的发现 这一结果证实了无细胞系统的成功 同时还表 明UUU是苯丙氨酸的密码子 这是第一个遗传密码 子被破译 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 破译出了全部 的密码子 对比克里克和尼伦伯格的实验对比克里克和尼伦伯格的实验 克里克的T4噬菌体实验尼伦伯格体外蛋白质合成实验 主主 要要 思思 路路 通过研究碱基的改变对蛋 白质合成的影响推断遗传 密码的性质 建立体外蛋白质合成系统 直接破解遗传密码规则 前前 提提 找到使DNA脱落或插入单 个碱基的方法 原黄素处 理 多核苷酸磷酸化酶的发现 为得到poly U提供条件 优优 势势 不需要理解蛋白质合成过 程 就能作出推断密码子的 总体特征 快速 直接 不不 足足 证据相对间接 工作量较 大 需要首先了解细胞中蛋白质 合成所需的条件 结语结语 我们注意到整个破译过程有薛定谔大胆的 想象 伽莫夫的睿智的逻辑思维推理 克里 克及尼伦伯格敏锐的创新性实验 他们的贡 献不仅仅是对遗传密码的破译 更重要的是 对生物研究方法上开启了新的思维方式 归结起来 大胆 睿智 敏锐和创新是 科学家的重要素养 小结小结 1 1944年理论物理学家薛定谔发表的 什么是生命 一书中 就大胆地预言 遗传密码可能与莫尔斯电码类似 通过排 列组合来储存遗传信息 2 1954年科普作家伽莫夫用数学的方法推断3个碱基编码一个 氨基酸 3 1957年Brenner S发表文章 在理论上否定了遗传密码重叠 阅读的可能性 4 1961年克里克第一个用T4噬菌体实验证明了遗传密码中3个 碱基编码一个氨基酸 5 1961年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进行体外重组破译 了第一个遗传密码 6 1969年科学家们破译了全部的密码 谢谢 张亚军 下雨天留客天留人不留