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第十二節(jié)遺傳密碼的破譯
遺傳密碼的破譯
主講：黃岡中學(xué)生物高級教師 童金元
問題探討：
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，那么堿基序列與氨基酸序列是如何對應(yīng)的呢？
研究的背景：
“中心法則”提出后更為明確地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。
一、遺傳密碼的閱讀方式
思考：
當(dāng)圖中DNA的第三個(gè)堿基（T）發(fā)生改變時(shí)，如果密碼是非重疊的，這一改變將影響幾個(gè)氨基酸，如果是重疊的又將影響幾個(gè)氨基酸？
1 3
在圖中DNA的第三個(gè)堿基（T）后插入一個(gè)堿基A，如果密碼是非重疊的，這一改變將影響幾個(gè)氨基酸，如果密碼是重疊的，又將影響幾個(gè)氨基酸？ 1 多
二、克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)
1961年，克里克對T4噬菌體DNA上的一個(gè)基因進(jìn)行處理，使DNA增加或減少堿基。
通過這樣的方法他們發(fā)現(xiàn)加入或減少1個(gè)和2個(gè)堿基都會引起噬菌體突變，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)，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)。
為什么會這樣呢？
這只能解釋為：遺傳密碼中3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸。
請比較分析下圖：插入幾個(gè)堿基對原有氨基酸序列影響最��？
3
進(jìn)一步分析上圖：
減少3個(gè)堿基對原有氨基酸序列影響最小。
克里克是第一個(gè)用實(shí)驗(yàn)證明遺傳密碼中3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸的科學(xué)家。這個(gè)實(shí)驗(yàn)還同時(shí)表明：遺傳密碼從一個(gè)固定的起點(diǎn)開始，以非重疊的方式閱讀，編碼之間沒有分隔符。
三、遺傳密碼對應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)
1961—1962年，尼倫伯格（M. W. Nirenberg，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！ 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)展有著重要的推動作用。
小結(jié)：
1、1954年科普作家伽莫夫用數(shù)學(xué)的方法推斷3個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸。 2、1961年克里克第一個(gè)用T4噬菌體實(shí)驗(yàn)證明了遺傳密碼中3個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸。
3、1961年尼倫伯格和馬太利用無細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行體外合成破譯了第一個(gè)遺傳密碼。
4、1969年科學(xué)家們破譯了全部的密碼。
課堂訓(xùn)練
例1、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)堿基對
B．在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加二個(gè)堿基對
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
答案：C
例2、最早提出3個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸的科學(xué)家和首次用實(shí)驗(yàn)的方法加以證明的科學(xué)家分別是（ ）
A．克里克、伽莫夫
B．克里克、沃森
C．摩爾根、尼倫伯格
D．伽莫夫、克里克
答案：D
例3、采用蛋白質(zhì)體外合成的技術(shù)揭示遺傳密碼實(shí)驗(yàn)中，改變下列哪項(xiàng)操作，即可測出全部的遺傳密碼與氨基酸的對應(yīng)規(guī)則（ ）
A．無DNA和mRNA細(xì)胞的提取液
B．人工合成的多聚核苷酸
C．加入的氨基酸種類和數(shù)量
D．測定多肽鏈中氨基酸種類的方法
答案：B
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一、單項(xiàng)選擇題
1、下列哪一項(xiàng)不是遺傳密碼子的特性（D ）
A．一個(gè)密碼子，決定一個(gè)特定的氨基酸
B．一種氨基酸可能有幾個(gè)密碼子（簡并性）
C．地球上幾乎所有的生物共用一套密碼子表（通用性）
D．遺傳密碼的閱讀方式為重疊的閱讀方式
2、在GGTTCGCACGCT DNA堿基系列中，若第三個(gè)堿基（T）發(fā)生改變時(shí)，如果密碼是非重疊的，這一改變將影響多少個(gè)氨基酸（ A）
A．1 B．2
C．3 D．4
3、第一個(gè)提出3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸的科學(xué)家是（ A）
A．伽莫夫 第一文庫網(wǎng) B．克里克
C．沃森 D．摩爾根
4、組成mRNA分子的4種核苷酸能組成多少種密碼子？（ D）
A．8 B．16
C．32 D．64
5、已知AUG、GUG為起始密碼子，UAA、UGA，UAG為終止密碼子，AUG為甲硫氨酸，GUG為纈氨酸，UUA、UUG、CUU、CUA為亮氨酸，CGU、CGA、AGG為精氨酸，一信使RNA的堿基排列順序如下：—AUUCGAUGAGGCUAUUA—（39個(gè)堿基）—GUUUAGCGUCGA—，這個(gè)信使RNA控制合成的蛋白質(zhì)中的氨基酸種類至多多少種（ C）
A．20 B．16
C．17 D．19
顯示提示
提示：
1、遺傳密碼的閱讀方式應(yīng)該為非重疊閱讀方式。
2、只是第一個(gè)氨基酸有影響。
3、伽莫夫首次提出3個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸的設(shè)想，其后克里克以T4噬菌體作為實(shí)驗(yàn)材料，證實(shí)了伽莫夫的設(shè)想。
4、4種核苷酸能組成4=64種密碼子。 3
5、解析：—AUUCGAUGAGGCUAUUA—（39個(gè)堿基）—GUUUAGCGUCGA—翻譯的起點(diǎn)是AUG，終點(diǎn)是UAG，起始密碼子決定氨基酸，終止密碼子不決定氨基酸，AUGAGGCUAUUA—（39個(gè)堿基）—GUUUAG這一段能控制合成的蛋白質(zhì)中氨基酸有18個(gè)，其中CUA和UUA都決定亮氨酸，所以最多17種。
二、簡答題
6、在克里克得出3個(gè)堿基可以排列成1個(gè)遺傳密碼的實(shí)驗(yàn)結(jié)論后，科學(xué)家們
開始探索一個(gè)特定的遺傳密碼所對應(yīng)的特定的氨基酸究竟是哪一個(gè)。尼倫伯格和馬太采用蛋白質(zhì)的體外合成技術(shù)，在每一個(gè)試管中加入一種氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的細(xì)胞提取液，以及人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸，結(jié)果在加入了苯丙氨酸的試管中出現(xiàn)了多聚苯丙氨酸的肽鏈，如下圖請回答。
（1）實(shí)驗(yàn)中多聚尿嘧啶核苷酸的作用是
______________________________。
（2）細(xì)胞提取液為該實(shí)驗(yàn)具體提供了______________________________。
（3）實(shí)驗(yàn)中所用的細(xì)胞提取液需除去DNA和mRNA的原因是
____________________。
（4）要確保實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)性，需設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)。本題目所給實(shí)驗(yàn)中，對照實(shí)驗(yàn)是__________。
（5）要想知道更多氨基酸的密碼子，你如何改變上述實(shí)驗(yàn)？（簡述）__________。
（6）本實(shí)驗(yàn)所用的細(xì)胞提取液可以用大腸桿菌制備。請簡述制備方法： ①對大腸桿菌進(jìn)行振蕩裂解；
②__________________________________________________； ③__________________________________________________。
經(jīng)上述操作，得到了除去DNA和mRNA的細(xì)胞提取液。（大腸桿菌中mRNA約在30～60分鐘內(nèi)自行分解，因此操作中可不考慮）
顯示答案
6、（1）作為模板mRNA直接控制蛋白質(zhì)（多肽）合成
（2）能量、酶、核糖體、tRNA（不能缺項(xiàng)）
（3）排除細(xì)胞中的DNA、mRNA對體外合成蛋白質(zhì)的影響
（4）加入多聚尿嘧啶核苷酸及其他種類氨基酸的實(shí)驗(yàn)
（5）依次用不同種類的多聚核糖核苷酸替換上述實(shí)驗(yàn)中的多聚尿嘧啶核苷酸
（6）②離心、過濾，獲取勻漿 ③用DNA酶處理勻漿，除去DNA 解析：多聚尿嘧啶核苷酸的作用相當(dāng)于mRNA，細(xì)胞提取液為轉(zhuǎn)錄提供了能量、酶、核糖體、tRNA。實(shí)驗(yàn)中除去DNA和mRNA的原因是排除DNA、mRNA對體外合成蛋白質(zhì)的影響。
7、回答有關(guān)真核細(xì)胞中遺傳信息及其表達(dá)的問題。
（1）將同位索標(biāo)記的尿苷（尿嘧啶和核糖的結(jié)合物）加入細(xì)胞培養(yǎng)液中，不久在細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)被標(biāo)記的__________、__________、__________。
（2）將從A細(xì)胞中提取的核酸，通過某種方法，轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)胞B中，當(dāng)轉(zhuǎn)入__________時(shí)，其遺傳信息在B細(xì)胞中得到表達(dá)并能復(fù)制傳給下一代；當(dāng)轉(zhuǎn)入__________時(shí)，在B細(xì)胞中雖能合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，但性狀不會遺傳。
（3）已知某基因片段堿基排列如圖。由它控制合成的多肽中含有“—脯氨酸—谷氨酸—谷氨酸—賴氨酸—”的氨基酸序列。（脯氨酸的密碼子是CCU、CCC、CCA、CCG；谷氨酸的是GAA、GAG；賴氨酸的是AAA、AAG；甘氨酸的是GGU、GGC、GGA、GGG。）
①翻譯上述多肽的mRNA是由該基因的__________鏈轉(zhuǎn)錄的（以圖中的甲或乙表示）。此mRNA的堿基排列順序是：____________________。
②若該基因由于一個(gè)堿基被置換而發(fā)生突變，所合成的多肽的氨基酸排列順序成為“—脯氨酸—谷氨酸—甘氨酸—賴氨酸—”。寫出轉(zhuǎn)錄并翻譯出此段多肽的DNA單鏈的堿基排列順序：______________________________。
顯示答案
7、（1）mRNA tRNA rRNA
（2）DNA RNA
（3）①乙 —CCUGAAGAGAAG— ②—GGACTTCCCTTC—
解析：從堿基組成上看，RNA不同于DNA的組成成分是含有尿嘧啶。當(dāng)被標(biāo)記的尿嘧啶加入細(xì)胞培養(yǎng)液中一段時(shí)間后，被標(biāo)記的尿嘧啶會出現(xiàn)在mRNA、tRNA、rRNA中。將A細(xì)胞中的核酸，通過基因工程的方法轉(zhuǎn)移到細(xì)胞B中，由于DNA是遺傳物質(zhì)而RNA不是遺傳物質(zhì)，所以轉(zhuǎn)入DNA時(shí)，其遺傳信息能夠表達(dá)且能夠傳遞給后代；轉(zhuǎn)入RNA則只能合成相應(yīng)蛋白質(zhì)，不出現(xiàn)性狀遺傳。由氨基酸個(gè)數(shù)、排列順序及幾種氨基酸密碼子情況可知：圖示基因乙鏈轉(zhuǎn)錄形成了mRNA。再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，可推知DNA的堿基排列順序。
-END-
課外拓展
遺傳密碼的特點(diǎn)
不間斷性：mRNA的三聯(lián)體密碼是連續(xù)排列的，相鄰密碼之間無核苷酸間隔。所以，若在某基因編碼區(qū)的DNA序列或其mRNA中間插入或刪除1～2個(gè)核苷酸，則其后的三聯(lián)體組合方式都會改變，不能合成正常的蛋白質(zhì)，這樣的突變亦稱移碼突變，對微生物常有致死作用。
不重疊性：對于特定的三聯(lián)體密碼而言，其中的每個(gè)核苷酸都具有不重疊性。例如，如果RNA分子UCAGACUGC的密碼解讀順序?yàn)椋篣CA、GAC、UGC，則它不可以同時(shí)解讀為UCA、CAG、AGA、GAC??等。不重疊性使密碼解讀簡單而準(zhǔn)確無誤。并且，當(dāng)一個(gè)核苷酸被異常核苷酸取代時(shí)，不會在肽鏈中影響到多個(gè)氨基酸。不過，在大腸桿菌噬菌體基因組中，確有部分遺傳密碼是重疊使用的，這可以看做一種例外現(xiàn)象。
簡并性：絕大多數(shù)氨基酸具有2個(gè)以上不同的密碼子，這一現(xiàn)象稱做簡并性，編碼相同氨基酸的密碼子稱同義密碼子。由于簡并性，某些DNA堿基變化
不會引起相應(yīng)蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變，這對維持物種的穩(wěn)定性有重要意義。 通用性：除線粒體的個(gè)別密碼外，生物界通用一套遺傳密碼，細(xì)菌、動物和植物等不同物種之間，蛋白質(zhì)合成機(jī)制及其mRNA都是可以互換的。例如，真核生物的基因可以在原核生物中表達(dá)，反之亦然。
起始碼與終止碼：UAG、UAA、UGA為終止碼，它們不為任何氨基酸編碼，而代表蛋白質(zhì)翻譯的終止。AUG是甲硫氨酸的密碼，同時(shí)又是起始密碼。
-END-
高考解析
例、有關(guān)蛋白質(zhì)合成的敘述，正確的是（多選）（ ）
A．終止密碼子不編碼氨基酸
B．每種tRNA只轉(zhuǎn)運(yùn)一種氨基酸
C．tRNA的反密碼子攜帶了氨基酸序列的遺傳信息
D．核糖體可在mRNA上移動
答案：ABD。
解析：
遺傳信息是指DNA分子中的脫氧核苷酸序列，而不是在tRNA上。
-END-
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