遺傳密碼破譯講義生物高二必修二第四章第三節(jié)人教

遺傳密碼破譯講義生物高二必修二第四章第三節(jié)人教學(xué)習(xí)目標(biāo)知識與技能：（1）說出遺傳密碼的閱讀方式。（2）說出遺傳密碼的破譯過程，包括伽莫夫的三聯(lián)體推斷，克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，尼倫伯格和馬太的蛋白質(zhì)的體外合成實(shí)驗(yàn)過程與方法：（1）感受和重溫科學(xué)家的思維歷程。（2）類比的學(xué)習(xí)方法。情感態(tài)度與價(jià)值觀：（1）對科學(xué)家那種敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新的精神還有那種巧妙的構(gòu)思表達(dá)敬佩。（2）認(rèn)同遺傳密碼的破譯對生物學(xué)發(fā)展的重要意義。我們知道了核酸中的堿基序列就是遺傳信息，翻譯實(shí)際上就是將mRNA中的堿基序列翻譯為蛋白質(zhì)的氨基酸序列，那堿基序列與氨基酸序列是如何對應(yīng)的呢？

一、導(dǎo)入新課1、1866年，孟德爾提出遺傳定律。2、1883年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)馬蛔蟲配中的染色體數(shù)目只有體細(xì)胞中的一半。3、1890年，科學(xué)家確認(rèn)了減數(shù)分裂產(chǎn)生配子。4、1891年，科學(xué)家描述了減數(shù)分裂的全過程。5、1902年，鮑維豐(T.Boveri)和1903年薩頓(W.Sutton)在研究減數(shù)分裂時(shí)，發(fā)現(xiàn)遺傳因子的行為與染色體行為呈平行關(guān)系，提出染色體是遺傳因子載體，可說是染色體遺傳學(xué)說的初步論證。二、歷史的步伐6、1909年的約翰遜(W.Johannsen)稱孟德爾假定的“遺傳因子”為“基因”，并明確區(qū)別基因型和表型。7、1909年，詹森斯(F.A.Janssen)觀察到染色體在減數(shù)分裂時(shí)呈交叉現(xiàn)象，為解釋基因連鎖現(xiàn)象提供了基礎(chǔ)。8、1909年，摩爾根(T.H.Morgan,1866-1945)開始對果蠅迸行實(shí)驗(yàn)遺傳學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)了伴性遺傳的規(guī)律。他和他的學(xué)生還發(fā)現(xiàn)了連鎖、交換和不分離規(guī)律等。并進(jìn)一步證明基因在染色體上呈直線排列，從而發(fā)展了染色體遺傳學(xué)說。1926年摩爾根提出基因?qū)W說，發(fā)表《基因論》9、20世紀(jì)中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)染色體主要是由蛋白質(zhì)和DNA組成的。10、1928年格里菲思的肺炎雙球菌實(shí)驗(yàn)。11、1940年艾弗里用純化因子研究肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)。12、1941年提出了一個(gè)基因一種酶的假說。一個(gè)基因一種酶假說暗示了基因的作用是指導(dǎo)蛋白質(zhì)分子的最后構(gòu)型，從而決定其特異性。13、1944年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的《什么是生命》一書中就大膽地預(yù)言，遺傳物質(zhì)是一種信息分子，可能類似作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個(gè)符號：“·”、“—”，通過排列組合來儲(chǔ)存遺傳信息。14、1952年赫爾希和蔡斯的T2噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)。確認(rèn)DNA是遺傳物質(zhì)。15、1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。16、1957年提出一個(gè)中心法則：遺傳信息可以從DNA流向DNA，也可以從DNA流向RNA，進(jìn)而流向蛋白質(zhì)。17、1958年科學(xué)家以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)材料，證實(shí)了DNA的半保留復(fù)制。18、1961年克里克等證明了他于1958年提出的關(guān)于遺傳三聯(lián)密碼的推測，1969年

Nirenberg等解譯出全部遺傳密碼。19、60年代，闡明mRNA、tRNA及核糖體的功能、蛋白質(zhì)生物合成的過程。三、研究的背景：1、1941年比德爾（G.Beadle）和塔特（E.Tatum）的工作則強(qiáng)有力地證明了基因突變引起了酶的改變，而且每一種基因一定控制著一種特定酶的合成，從而提出了一個(gè)基因一種酶的假說。人們逐步地認(rèn)識到基因和蛋白的關(guān)系?！爸行姆▌t”提出后更為明確地指指出了遺傳信息傳遞的方向，總體上來說是從DNA→RNA→蛋白質(zhì)。那DNA和蛋白質(zhì)之間究竟是什么關(guān)系？或者說DNA是如何決定蛋白質(zhì)？這個(gè)有趣而深?yuàn)W的問題在五十年代末就開始引起了一批研究者的極大興趣。2、1944年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的《什么是生命》一書中就大膽地預(yù)言，染色體是由一些同分異構(gòu)的單體分子連續(xù)所組成。這種連續(xù)體的精確性組成了遺傳密碼。他認(rèn)為遺傳物質(zhì)是一種信息分子，同分異構(gòu)單體可能作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個(gè)符號：“·”、“—”，通過排列組合來儲(chǔ)存遺傳信息。莫爾斯電報(bào)?:短音念作"滴（di）"

—:長音念作"答（da）"

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0:—————3、1944年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的《什么是生命》一書，而當(dāng)時(shí)遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是尚未明確的，十年后DNA雙螺旋模型才得以建立，在這樣的背景下能將遺傳信息設(shè)想成一種電碼式的遺傳密碼形式，實(shí)在是一種超越時(shí)代的遠(yuǎn)見卓識。

到1953年雙螺旋模型的建立，給予科學(xué)家們以很大的激勵(lì)。破譯遺傳密碼也就成了勢在必行的工作。

四、遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索

1、對于遺傳密碼來說最簡單的破譯方法應(yīng)是將DNA順序或mRNA順序和多肽相比較。但和一般破譯密碼不同的是，遺傳信息的譯文——蛋白的順序是已知的，未知的都是密碼。1954年Sanger用紙層析分析了胰島素的結(jié)構(gòu)后，對蛋白質(zhì)的氨基酸序列了解得越來越多。但是直到1969年前后經(jīng)歷了十多年時(shí)間，多位科學(xué)家的執(zhí)著研究才破譯了密碼，其中最為重要的幾項(xiàng)工作其思路之新穎、方法之精巧都閃爍著科學(xué)的智慧之光。2、1954年科普作家伽莫夫G.Gamor對破譯密碼首先提出了挑戰(zhàn)。他以著有《奇異王國的湯姆金斯》等優(yōu)秀的科學(xué)幻想作品而著稱，具有豐富的想象力，但他不是一位實(shí)驗(yàn)科學(xué)家，所以只能從理論上來嘗試密碼的解讀。當(dāng)年，他在《自然Nature》雜志首次發(fā)表了遺傳密碼的理論研究的文章，指出三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸。3、接下來，人們不禁又要問在三聯(lián)體中的每個(gè)堿基作為信息只讀一次還是重復(fù)閱讀呢？以重疊和非重疊方式閱讀DNA序列會(huì)有什么不同呢？《思考與討論》遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索

4、1957年Brenner.S發(fā)表了一篇令人興奮的理論文章，他通過蛋白質(zhì)的氨基酸順序分析，發(fā)現(xiàn)不存在氨基酸的鄰位限制作用，從而否定了遺傳密碼重疊閱讀的可能性。同時(shí)人們也發(fā)現(xiàn)在鐮刀形細(xì)胞貧血的例子中，血紅蛋白中僅有一個(gè)氨基酸發(fā)生改變。

5、很遺憾，伽莫夫也許是考慮到效率的問題，認(rèn)為一個(gè)堿基可能被重復(fù)讀多次，也就是說遺傳密碼的閱讀是完全重疊的，因此氨基酸數(shù)目和核苷酸數(shù)目存在著一對一的關(guān)系。

智者千慮，必有一失。很多著名的科學(xué)家也有過類似的失誤。在資料較少的情況下，對未知的真理作出推斷，難免會(huì)發(fā)生偏差，但瑕不掩瑜，人們對他們的那種敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新的精神，巧妙的構(gòu)思仍敬佩不已。

五、遺傳密碼子的驗(yàn)證

（克里克的實(shí)驗(yàn)）

他們用T4噬菌體染色體上的一個(gè)基因通過用原黃素處理，可以使DNA脫落或插入單個(gè)堿基，插入叫“加字”突變，脫落叫“減字”突變，無論加字和減字都可以引起移碼突變。Crick小組用這種方法獲得一系列的T4噬菌體“加字”和“減字”突變，再進(jìn)行雜交來獲得加入或減少一個(gè)，二個(gè)，三個(gè)的不同堿基數(shù)的系列突變。通過這樣的方法他們發(fā)現(xiàn)加入或減少一個(gè)和二個(gè)堿基都會(huì)引起噬菌體突變，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白，而加入或減少3個(gè)堿基時(shí)卻可以合成正常功能的蛋白質(zhì)，為什么會(huì)這樣呢？六、遺傳密碼對應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)1961-1962年，尼倫伯格（，1927～）和馬太（H.Matthaei）的實(shí)驗(yàn)：

這一結(jié)果不僅證實(shí)了無細(xì)胞系統(tǒng)的成功，同時(shí)還表明UUU是苯丙氨酸的密碼子。這是第一個(gè)遺傳密碼子被破譯。尼倫伯格的實(shí)驗(yàn)巧妙之處在于利用無細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行體外合成蛋白質(zhì)，他這富有創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法為他帶來了重大的成功！對比克里克和尼倫伯格的實(shí)驗(yàn)克里克的T4噬菌體實(shí)驗(yàn)?zāi)醾惒耋w外蛋白質(zhì)合成實(shí)驗(yàn)主要思路通過研究堿基的改變對蛋白質(zhì)合成的影響推斷遺傳密碼的性質(zhì)。建立體外蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，直接破解遺傳密碼規(guī)則。前提找到使DNA脫落或插入單個(gè)堿基的方法——原黃素處理多核苷酸磷酸化酶的發(fā)現(xiàn)，為得到polyU提供條件優(yōu)勢不需要理解蛋白質(zhì)合成過程，就能作出推斷密碼子的總體特征。快速，直接不足證據(jù)相對間接，工作量較大。需要首先了解細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成所需的條件。

在接下來的六七年里，科學(xué)家沿著體外合成蛋白質(zhì)的思路，不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，破譯出了全部的密碼子，并編制出了密碼子表。這項(xiàng)工作成為生物學(xué)史上的一個(gè)偉大的里程碑！為人類探索和提示生命的本質(zhì)的研究向前邁進(jìn)一大步，為后面分子遺傳生物學(xué)的發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用。

遺傳密碼的破譯，測序方法的建立以及體外重組的實(shí)現(xiàn)是基因工程的三大基石。

課堂總結(jié)

我們注意整個(gè)破譯過程中科學(xué)家思維的變化，薛定諤是以富有遠(yuǎn)見卓識的大膽的想象來預(yù)測遺傳密碼的形式的，伽莫夫通過數(shù)學(xué)的排列組合的計(jì)算來推測密碼子是由三個(gè)堿基組成的，同時(shí)他也預(yù)測了密碼的閱讀方式，盡管智者千慮，必有一失，但巧妙的構(gòu)思依然顯示了其睿智和創(chuàng)新?？死锟藙t是巧妙地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用原黃素處理噬菌體，使DNA脫落或插入單個(gè)堿基的方法從實(shí)驗(yàn)上證明了伽莫夫的三聯(lián)體密碼子的推測，由理論走向?qū)嶒?yàn)，為密碼子的破譯邁出重要的一步。而尼倫伯格的實(shí)驗(yàn)則更富有創(chuàng)新性，他建立巧妙的無細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行體外蛋白質(zhì)合成成功地破譯了第一個(gè)密碼子，隨后的方法不斷創(chuàng)新最終破譯了所有的密碼子。他的貢獻(xiàn)不僅僅在于對遺傳密碼的破譯，更重要的也在對生物研究方法上開啟了新的思維方式。歸結(jié)起來，我們看到，敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新是科學(xué)家的重要素養(yǎng)，也正如尼倫伯格在1968年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲時(shí)說過：一個(gè)善于捕捉細(xì)節(jié)的人才是能領(lǐng)略事物真諦的人。項(xiàng)目莫爾斯電碼遺傳密碼密碼間有無分隔符長度是否固定閱讀方式是否重疊密碼所采用的符號遺傳密碼的特點(diǎn)：不間斷性；不重疊性；簡并性；通用性。有分隔符“/”無分隔符長度不固定，1到4個(gè)符號不等長度固定，3個(gè)符號非重疊方式閱讀非重疊方式閱讀—

?ACGU1、在下列基因的改變中，合成出具有正常功能蛋白質(zhì)的可能性最大的是：（）A．在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加一個(gè)堿基B．在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加二個(gè)堿基C．在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加三個(gè)堿基對

D．在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加四個(gè)堿基對C課堂習(xí)題D2、