第遺傳密碼的破譯

1、第第3 3節(jié)節(jié) 遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯 問(wèn)題導(dǎo)入問(wèn)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(duì)應(yīng)的？從數(shù)學(xué)角度從數(shù)學(xué)角度認(rèn)識(shí)堿基與認(rèn)識(shí)堿基與氨基酸的對(duì)氨基酸的對(duì)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(gè)堿個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸，那么基決定一個(gè)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(gè)相鄰堿基決定一種氨基酸呢？個(gè)相鄰堿基決定一種氨基酸呢？如果如果3 3個(gè)相鄰堿基決定一種氨基酸呢？個(gè)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(gè)堿基編由此分析你認(rèn)為應(yīng)該由多少個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸，碼一個(gè)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(gè)堿基結(jié)論：理論上應(yīng)該是三個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸決定一個(gè)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(guò)實(shí)驗(yàn)證明呢？過(guò)實(shí)驗(yàn)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(gè)個(gè)堿基，無(wú)法產(chǎn)生正常功能的蛋白堿基，無(wú)法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；質(zhì)；增加或刪除兩個(gè)增加或刪除兩個(gè)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(gè)增加或者刪除三個(gè)堿基時(shí)，卻合成堿基時(shí)，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(shí)噬菌體實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)果？為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)果？類(lèi)比推理類(lèi)比推理the fat cat ate the big rat試著插入或刪去其中的一個(gè)、兩個(gè)、三試著插入或刪去其中的一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)字母，看后面的語(yǔ)意會(huì)有什么變化？個(gè)字母，看后面的語(yǔ)意會(huì)有什么變化？只有插入或刪去其中的三個(gè)字母，后面只有插入或刪去其中的三個(gè)字母，后面的語(yǔ)意才不變。原因是三個(gè)字母組成一的語(yǔ)意才不變。原因是三個(gè)字母組成一個(gè)單詞。個(gè)單詞。類(lèi)比推理即可得知類(lèi)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(gè)相鄰堿基個(gè)相鄰堿基決定一個(gè)氨基酸決定一個(gè)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(gè)氨基酸一個(gè)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(wú)核苷酸間隔。排列的，相鄰密碼之間無(wú)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(gè)核苷酸，則其后的三聯(lián)體組合方式都個(gè)核苷酸，則其后的三聯(lián)體組合方式都會(huì)改變，不能合成正常的蛋白質(zhì)。會(huì)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(jiǎn)單而不重疊性使密碼解讀簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確無(wú)誤。當(dāng)一個(gè)核苷酸被異常核苷酸準(zhǔn)確無(wú)誤。當(dāng)一個(gè)核苷酸被異常核苷酸取代時(shí)，不會(huì)在肽鏈中影響到多個(gè)氨基取代

6、時(shí)，不會(huì)在肽鏈中影響到多個(gè)氨基酸。酸?？死锟说膶?shí)驗(yàn)雖然闡明了遺傳密碼的總克里克的實(shí)驗(yàn)雖然闡明了遺傳密碼的總體特征，但是，卻無(wú)法說(shuō)明由體特征，但是，卻無(wú)法說(shuō)明由3個(gè)堿基個(gè)堿基排列成的排列成的1個(gè)密碼對(duì)應(yīng)的究竟是哪一個(gè)個(gè)密碼對(duì)應(yīng)的究竟是哪一個(gè)氨基酸。氨基酸。密碼如何密碼如何與氨基酸與氨基酸的對(duì)應(yīng)？的對(duì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中含有核糖體等合成蛋白實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，質(zhì)所需的各種成分。利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，尼倫伯格和馬太設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，尼倫伯格和馬太設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，破譯了第一個(gè)遺傳密碼，即破譯了第一個(gè)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(jì)實(shí)驗(yàn)？如果是你，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？提示：實(shí)驗(yàn)提供有多個(gè)試管和提示：實(shí)驗(yàn)提供有多個(gè)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(shí)驗(yàn)菌實(shí)驗(yàn) 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(shí)驗(yàn)菌實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程面臨實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程面臨3個(gè)問(wèn)題：個(gè)問(wèn)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(shí)驗(yàn)？需要一組還是多組實(shí)驗(yàn)？氨基酸怎樣加入？氨基酸怎樣加入？實(shí)驗(yàn)思路：實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)組多個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別加入不同分別加入不同的氨基酸的氨基酸，檢測(cè)哪組中出現(xiàn)了多肽鏈即，檢測(cè)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(shí)驗(yàn)菌實(shí)驗(yàn) 尼倫伯格和馬太在每個(gè)試管中分別加入一尼倫伯格和馬太在每個(gè)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(lài)氨是賴(lài)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(shuō)只能確定也就是說(shuō)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(guò)這種方法合成的合成方法，通過(guò)這種方法合成的rnarna可以是可以是2 2個(gè)、個(gè)、3 3個(gè)或個(gè)或4 4個(gè)堿基為單位的重個(gè)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(zhǎng)鏈，以它作人工信使進(jìn)長(zhǎng)鏈，以它作人工信使進(jìn)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(shuō)明蘇氨酸的密碼子可組氨酸的多聚體，說(shuō)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(shí)驗(yàn)譯實(shí)驗(yàn) 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(jì)方法。提示：參考霍拉納的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)譯實(shí)驗(yàn) 方案：方案：如合成（如合成（caa）n長(zhǎng)鏈，重復(fù)長(zhǎng)鏈，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，合成產(chǎn)物為谷氨酰胺、天上述實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，將科學(xué)家和自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(lèi)似的方法合成含有蘇再用類(lèi)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(yùn)用此類(lèi)方法就可以破譯其他氨運(yùn)用此類(lèi)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(qǐng)認(rèn)真閱讀密碼子表，分析回答下列問(wèn)請(qǐng)認(rèn)真閱讀密碼子表，分析回答下列問(wèn)題，總結(jié)遺傳密碼的特點(diǎn)。題，總結(jié)遺傳密碼的特點(diǎn)。 分析問(wèn)題總結(jié)遺傳密碼的特點(diǎn) 1 1、在、在mrnamrna上兩個(gè)密碼子之間有無(wú)核苷酸上兩個(gè)密碼子之間有無(wú)核苷酸隔開(kāi)？隔開(kāi)？2 2、一