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陈列次序的？ 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只需只需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，这四种碱基是怎样决议种，这四种碱基是怎样决议蛋白质的蛋白质的2020种氨基酸的呢？假设种氨基酸的呢？假设1 1个碱基个碱基决议一个氨基酸，那么决议一个氨基酸，那么4 4种碱基只能决议种碱基只能决议4 4种氨基酸，显然这种组合是不够的。种氨基酸，显然这种组合是不够的。想一想：想一想：假假设2 2个相个相邻碱基决碱基决议一种氨基酸呢？一种氨基酸呢？假假设3 3个相个相邻碱基决碱基决议一种氨基酸呢？一种氨基酸呢？由此分析他以由此分析他以为应该由多少个碱基由多少个碱基编码一个氨基酸，一个氨基酸，4 4种碱基才足以种碱基才足以组合出构成合出构成蛋白蛋白质的的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：实际上应该是三个碱基决结论：实际上应该是三个碱基决议一个氨基酸议一个氨基酸这也是伽莫夫在破译遗传密码的这也是伽莫夫在破译遗传密码的探求中提出的想象。探求中提出的想象。上述上述结论仅为数学推理，如何数学推理，如何经过实验证明呢？明呢？资料料2 2：19611961年，年，DNADNA分子构造的分子构造的发现者克里克研者克里克研讨阐明：在明：在T4T4噬菌体噬菌体的相关碱基序列中添加或者的相关碱基序列中添加或者删除一除一个碱基，无法个碱基，无法产生正常功能的蛋白生正常功能的蛋白质；添加或；添加或删除两个碱基，也不能除两个碱基，也不能产生正常功能的蛋白生正常功能的蛋白质；但是，当；但是，当添加或者添加或者删除三个碱基除三个碱基时，却合成，却合成了具有正常功能的蛋白了具有正常功能的蛋白质。 19611961年克年克里克的里克的T4T4噬菌体实噬菌体实验验 为什么会什么会产生生这样的的结果？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？只需插入或只需插入或删去其中的三个字母，后面去其中的三个字母，后面的的语意才不意才不变。缘由是三个字母由是三个字母组成一成一个个单词。类比推理即可得知：比推理即可得知：“出出现上述景象的上述景象的缘由是，信使由是，信使RNA上的每三个相上的每三个相邻碱基决碱基决议一个氨基酸。一个氨基酸。提示：提示：把句中的单把句中的单词看作决议词看作决议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 不延续性：不延续性：mRNA的三联体密码是延续陈的三联体密码是延续陈列的，相邻密码之间无核苷酸间隔。所以，列的，相邻密码之间无核苷酸间隔。所以，在相关碱基序列中添加或删除在相关碱基序列中添加或删除12个核个核苷酸，那么其后的三联体组合方式都会改苷酸，那么其后的三联体组合方式都会改动，不能合成正常的蛋白质。动，不能合成正常的蛋白质。不重叠性：不重叠性使密码解读简单而准不重叠性：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取代确无误。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酸。时，不会在肽链中影响到多个氨基酸。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，却无法阐明由体特征，但是，却无法阐明由3个碱基个碱基陈列成的陈列成的1个密码对应的终究是哪一个个密码对应的终究是哪一个氨基酸。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3：1961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破碎细胞溶液，建立了一种利用肠杆菌的破碎细胞溶液，建立了一种利用人工合成的人工合成的RNA在试管里合成多肽链的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实验系统，其中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，破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，即译了第一个遗传密码，即UUU是编码苯是编码苯丙氨酸的密码子。丙氨酸的密码子。假假设是他，如何是他，如何设计实验？提示：提示：实验提供有多个提供有多个试管和管和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 实验方案方案设计过程面程面临3个个问题：合成怎合成怎样的的RNA作作为模板？模板？需求一需求一组还是多是多组实验？氨基酸怎氨基酸怎样参与？参与？实验思思绪：用用单核苷酸人工合成核苷酸人工合成RNARNA多聚尿多聚尿嘧啶核核苷酸，分多个苷酸，分多个实验组，分，分别参与不同参与不同的氨基酸，的氨基酸，检测哪哪组中出中出现了多了多肽链即即可破可破译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参与一尼伦伯格和马太在每个试管中分别参与一种氨基酸，再参与除去了种氨基酸，再参与除去了DNADNA和和mRNAmRNA的细胞的细胞提取液，以及人工合成的提取液，以及人工合成的RNARNA多聚尿嘧啶核多聚尿嘧啶核苷酸，结果参与了苯丙氨酸的试管中出现苷酸，结果参与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。为什么要除什么要除去去细胞提取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，那么其他氨基酸的密码呢？码呢？资料料4：1966年科学家霍拉年科学家霍拉纳发明了一种明了一种新的新的RNA合成方法，合成方法，经过这种方法合成的种方法合成的RNA可以是可以是2个、个、3个或个或4个碱基个碱基为单位的位的反复序列，例如反复序列，例如:将将A、C两种核苷酸两种核苷酸缩合合为ACACACACAC长链，以它作人工，以它作人工信使信使进展蛋白展蛋白质合成，合成，结果果发现产物是物是苏氨酸和氨酸和组氨酸的多聚体，氨酸的多聚体，阐明明苏氨酸的密氨酸的密码子能子能够是是ACA，也能，也能够是是CAC；同；同样，组氨酸的密氨酸的密码子能子能够是是CAC，也能，也能够是是ACA。19661966年，霍年，霍拉纳的拉纳的RNARNA反复序列翻反复序列翻译实验译实验 如何如何证明明组氨酸和氨酸和苏氨酸的密氨酸的密码子是子是ACAACA还是是CACCAC呢？呢？提示：参考霍拉提示：参考霍拉纳的的设计方法。方法。19661966年，霍年，霍拉纳的拉纳的RNARNA反复序列翻反复序列翻译实验译实验 方案：如合成方案：如合成CAAn长链，反复，反复上述上述实验，合成，合成产物物为谷氨谷氨酰胺、天胺、天冬冬酰胺和胺和苏氨酸的多聚体。氨酸的多聚体。将科学家和本人的将科学家和本人的实验结果果对比分析，比分析，即可确定即可确定ACA是是苏氨酸的密氨酸的密码子，子，CAC是是组氨酸的密氨酸的密码子。子。想象：再用想象：再用类似的方法合成含有似的方法合成含有苏氨酸或氨酸或组氨酸的多聚体，假氨酸的多聚体，假设其模其模板板RNA上有上有ACA或或CAC，即可确定。，即可确定。运用此运用此类方法就可以破方法就可以破译其他氨其他氨基酸的基酸的遗传密密码。密码子表密码子表请仔细阅读密码子表，分析回答以下问题，请仔细阅读密码子表，分析回答以下问题，总结遗传密码的特点。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上两个密上两个密码子之子之间有无核苷酸有无核苷酸隔开？隔开？2 2、一个氨基酸具有、一个氨基酸具有1 1个、个、2 2个个还是是2 2个以个以上的密上的密码子？子？3 3、密、密码子都决子都决议氨基酸氨基酸吗？4 4、将人的胰、将人的胰岛素基因素基因导入大入大肠杆菌，控杆菌，控制合成了人的胰制合成了人的胰岛素，素，阐明什么？明什么？ 特点：特点： 不延不延续性性 延延续性性 不重叠性不重叠性 简并性并性 通用性通用性