第3节 遗传密码子的破译
第3节 遗传密码子的破译
问题探讨
一、遗传密码的阅读方式
二、克里克的实验证据
三、遗传密码对应规则的发现
课堂练习
问题探讨
我们知道了核酸中的碱基序列就是遗传信息，翻译实际上就是将mRNA中的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列，那么碱基序列与氨基酸序列是如何对应的呢？
一个密码子（3个碱基）决定一个氨基酸。
研究的背景：
“中心法则”提出后更为明确地指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从DNA→RNA→蛋白质。那DNA和蛋白质之间究竟是什么关系？或者说DNA是如何决定蛋白质？这个有趣而深奥的问题在五十年代末就开始引起了一批研究者的极大兴趣
一、遗传密码的阅读方式
(1)三联体密码子的提出：
1954年美国物理学家伽莫夫G.Gamor是第一个提出具体设想的：对破译密码首先提出了挑战。当年，他在《自然Nature》杂志首次发表了遗传密码的理论研究的文章，指出三个碱基构成一个密码子，决定一种氨基酸的可能不止一种密码子。
接下来，人们不禁又要问在三联体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？
（2）遗传密码的阅读方式
注意：
非重叠阅读方式依次阅读，碱基不重复读取，而重叠阅读方式，除首尾碱基外，每个碱基可能读两次。
遗传密码的试拼与阅读方式的探索
思考:
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。
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
很多
3
二、克里克的实验证据（遗传密码子的验证 ）
（1）时间：1961年
（2）实验材料：T4噬菌体DNA上的一个基因
（3）研究思路：基因的碱基数目的改变对其所编码蛋白质的影响。
（4）试验方法：通过这样的方法他们发现加入或减少1个和2个碱基都会引起噬菌体突变，无法产生正常功能的蛋白质，而加入或减少3个碱基时却可以合成正常功能的蛋白质。
为什么会这样呢？
请比较分析下图:插入___个碱基对原有氨基酸序列影响最小。
GGTTCGCACGCTTTGAGC
GGTATCGCACGCTTTGAGC
GGTAATCGCACGCTTTGAGC
GGTAAATCGCACGCTTTGAGC
3
分析上图:
减少___个碱基对原有氨基酸序列影响最小。
3
插入1个碱基：
插入3个碱基：
插入2个碱基：
克里克是第一个用实验证明遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸的科学家。这个实验还同时表明:遗传密码从一个固定的起点开始,以非重叠的方式阅读,编码之间没有分隔符。
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说明：
克里克的实验虽然阐明了遗传密码的总体特征，但是，却无法说明由三个碱基排列成的一个密码子对应的究竟是哪个氨基酸。
三、遗传密码对应规则的发现
1961-1962年，尼伦伯格和马太采用了蛋白质的体外合成技术，破译了第一个遗传密码：
（1）实验思路：利用蛋白质的体外合成技术，以人工合成的RNA作模板合成多肽，确定氨基酸与密码子的对应关系。
（2）实验步骤：
1）提出大肠杆菌的破碎细胞液加入试管（除去原DNA和mRNA）
2）添加20种氨基酸（分五组，每个试管各加四种氨基酸）
3）加入人工合成的RNA（多聚尿嘧啶核苷酸）
4）合成多肽（只在加入酪氨酸、苯丙氨酸、半胱氨酸、丝氨酸的试管中出现多肽链）
5）运用同样方法将上述四种氨基酸分别加入装有多聚U的四个试管（加入苯丙氨酸的试管中出现多肽链）
（3）实验结论：尿嘧啶的碱基序列可编码由苯丙氨酸组成的多肽链，结合克里克提出的三个碱基编码一个氨基酸的实验结论，可以得出苯丙氨酸的密码子是UUU。
思考：
1、上述实验中为什么要除去细胞提取液中的DNA和mRA？
细胞中原有的mRNA会作为合成蛋白质的模板干扰实验结果；细胞中原有的DNA可能作为mRNA合成的模板，而新合成的mRNA也会干扰实验的结果，因此要除去。
2、如果你是尼伦伯格或马太，你将如何设计对照组的实验，确保你的重大发现得到同行的认可？
作为对照实验的试管中，除不加入多聚尿嘧啶核苷酸外，其它所有成分都与实验组的试管相同。
尼伦伯格和马太的实验结果不仅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。尼伦伯格的实验巧妙之处在于利用无细胞系统进行体外合成蛋白质，他这富有创新的实验方法为他带来了重大的成功！
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，并编制出了密码子表。这项工作成为生物学史上的一个伟大的里程碑！为人类探索和提示生命的本质的研究向前迈进一大步，为后面分子遗传生物学的发展有着重要的推动作用。
小结
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。
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。
1961年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进行体外合成破译了第一个遗传密码。
1969年科学家们破译了全部的密码。
我们注意整个破译过程中科学家思维的变化，伽莫夫通过数学的排列组合的计算来推测密码子是由三个碱基组成的，克里克则是巧妙地设计实验，使DNA增加或减少碱基的方法从实验上证明了伽莫夫的三联体密码子的推测，由理论走向实验，为密码子的破译迈出重要的一步。而尼伦伯格的实验则更富有创新性，他建立巧妙的无细胞系统进行体外蛋白质合成，成功地破译了第一个密码子，随后的方法不断创新最终破译了所有的密码子。他的贡献不仅仅在于对遗传密码的破译，更重要的也在对生物研究方法上开启了新的思维方式。
归结起来，我们看到，敏锐、大胆、睿智和创新是科学家的重要素养，也正如尼伦伯格在1968年诺贝尔生理学或医学奖获奖时说的：一个善于捕捉细节的人才是能领略事物真谛的人。
课堂练习
1、在下列基因的改变中，合成出具有正常功能蛋白质的可能性最大的是：（ ）
A在相关的基因的碱基序列中删除或增加一个碱基对
B在相关的基因的碱基序列中删除或增加二个碱基对
C在相关的基因的碱基序列中删除或增加三个碱基对
D在相关的基因的碱基序列中删除或增加四个碱基对
2、最早提出3个碱基编码一个氨基酸的科学家和首次用实验的方法加以证明的科学家分别是：（ ）
A．克里克、伽莫夫 B．克里克、沃森式化
C．摩尔根、尼伦伯格 D．伽莫夫、克里克
3、采用蛋白质体外合成的技术揭示遗传密码实验中，改变下列哪项操作，即可测出全部的遗传密码与氨基酸的对应规则：( )
A．无DNA和mRNA细胞的提取液
B．人工合成的多聚核苷酸
C．加入的氨基酸种类和数量
D．测定多肽链中氨基酸种类的方法
4.在遗传密码子的阅读方式验证实验中，克里克没有证明的是（　　）。
A.3个碱基决定一个氨基酸
B.遗传密码从一个固定起点开始，无间隔
C.遗传密码以非重叠的方式阅读
D.遗传密码与氨基酸之间的对应关系
D
5.尼伦伯格和马太采用蛋白质的体外合成技术进行的实验没有说明（　　）。
A.多聚尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的合成
B.尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链
C.结合克里克的研究成果，得出与苯丙氨酸对应的密码子是UUU
D.细胞提取液中的遗传信息控制合成了多聚苯丙氨酸的肽链
D
6.小白兔控制血红蛋白合成的mRNA加入到大肠杆菌的提取液中，结果能合成出小白兔的血红蛋白，这说明（）
A.小白兔的RNA能指导大肠杆菌的蛋白质合成
B.所有的生物共用一套遗传密码子
C.小白兔控制血红蛋白合成的基因能进入大肠杆菌
D.大肠杆菌的遗传物质是RNA
B
7、下列各项中，错误的是（　　）。
A.克里克T4噬菌体实验不能证明苯丙氨酸的密码子是UUU
B.克里克T4噬菌体实验表明遗传密码的阅读方式是非重叠的阅读方式
C.尼伦伯格和马太的实验可以说明三个碱基决定一个氨基酸
D.以上两个实验对遗传密码的破译都做出了贡献，促进了科学
C
8.下列叙述中不是遗传密码的特点的是（ ）
A.非重复性 B.无分隔符
C.三联性 D.不连续性
9.mRNA碱基序列中，随机插入一个碱基，导致mRNA上的密码子变化的是（ ）
A.全部密码子改变 B.只有一个密码子改变
C.基本不变 D.插入碱基后的所有密码子都发生改变
D
D
9.原核生物中某一基因的编码区起始端插入了一个碱基对，在插入位点的附近，再发生哪种情况有可能对其编码的蛋白质结构影响最小（ ）
A 置换单个碱基对 B增添4个碱基对
C缺失3个碱基对 D缺失4个碱基对
D
在克里克得出3个碱基可以排列成1个遗传密码的实验结论后，科学家们开始探索一个特定的遗传密码所对应的特定的氨基酸究竟是哪一个。尼伦伯格和马太采用蛋白质的体外合成技术，在每一个试管中加入一种氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液以及人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸，结果在加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链，如下图请回答。
(1)实验中多聚尿嘧啶核苷酸的作用是

(2)细胞提取液为该实验具体提供了

(3)实验中所用的细胞提取液需除去DNA和mRNA的原因是
(4)为确保实验结论的科学性，应如何操作？
作为模板mRNA直接控制蛋白质(多肽)合成
能量、酶、核糖体、tRNA(缺项不对)
排除细胞中的DNA、mRNA对体外合成蛋白质的影响
加入多聚尿嘧啶核苷酸及其他种类氨基酸的实验
(5)要想知道更多氨基酸的密码子，你如何改变上述实验？（简述）
依次用不同种类的多聚核糖核苷酸替换上述实验中的多聚尿嘧啶核苷酸
(6)本实验所用的细胞提取液可以用大肠杆菌制备。请简述制备方法：
①对大肠杆菌进行振荡裂解；
②_____________________________
③_____________________________
经上述操作，得到了除去DNA和mRNA的细胞提取液。(大肠杆菌中mRNA约在30～60分钟内自行分解，因此操作中可不考虑)。
离心、过滤，获取匀浆
用DNA酶处理匀浆，除去DNA
7．下图是中心法则揭示的生物遗传信息由DNA向蛋白质传
递与表达的过程。请回答下列问题。
(1)a、b、c、d所表示的四个过程依次分别是__________、__________、__________和__________。
(2)需要tRNA和核糖体同时参与的过程是________(用图中的字母回答)。
(3)a过程发生在真核细胞分裂的________期。
(4)在真核细胞中，a和b两个过程发生的主要场所是______。
解析： 图中a表示DNA复制，b是转录，c是翻译，d是逆
转录，e是RNA的自我复制。在翻译过程中需要tRNA和核
糖体同时参与。DNA复制过程发生在真核细胞分裂的间期。
真核细胞中，转录和翻译的主要场所是细胞核。tRNA能特
异性识别信使RNA分子并转运氨基酸。RNA病毒的遗传信息
传递与表达的途径：RNA自我复制形成RNA，RNA翻译成蛋
白质；RNA在逆转录酶的作用下形成DNA，DNA通过转录和
翻译形成蛋白质，从而表现出特定的生物性状。
答案：(1)DNA复制　转录　翻译　逆转录　(2)c
(3)间　(4)细胞核　(5)tRNA(转运RNA)　氨基酸
(6) RNA―→DNA―→RNA―→蛋白质