第3节　遗传密码的破译（选学）.ppt

第四章第四章 基因的表达基因的表达第三节第三节 遗传密码的破译遗传密码的破译请看下列一段符号请看下列一段符号 莫尔斯密码表莫尔斯密码表/DNAWhere are genes located （基因在哪里）（基因在哪里）基因可以指导蛋白质的合成基因可以指导蛋白质的合成生物体里是否也蕴含着一套对应的遗传密码生物体里是否也蕴含着一套对应的遗传密码？在哪里？如何指导？在哪里？如何指导？1944年年薛定谔（奥）的薛定谔（奥）的生命是生命是什么什么一论文中提出这样的观点：一论文中提出这样的观点：染染色体是由一些同分异构的单体分子连色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成续所组成。这些同分异构单体就像莫。这些同分异构单体就像莫尔斯密码的两个符号：尔斯密码的两个符号：“”“”通通过排列组合来过排列组合来储存遗传信息。储存遗传信息。薛定谔1953年年，沃森，沃森-克里克构建克里克构建出了出了DNA的的双螺旋结构模型双螺旋结构模型。1955 1955年，布拉什首次用实验证实了年，布拉什首次用实验证实了蛋白质蛋白质的合成是依赖于的合成是依赖于RNARNA。DNA是通过是通过RNA上上的的碱基编码氨基酸碱基编码氨基酸1958年，克里克提出年，克里克提出“中心法则中心法则”认为认为遗传信息可遗传信息可以从以从DNA流向流向DNA，也可以从，也可以从DNA流向流向RNA，进而流向，进而流向蛋白质，揭示遗传信息流动的方向。蛋白质，揭示遗传信息流动的方向。？几个碱基编码一个氨基酸呢几个碱基编码一个氨基酸呢 1954年，美籍俄裔科普作家科普作家伽莫夫（GGamow）应用排列组合计算来研究遗传密码，并在在自然自然Nature杂志首杂志首次发表了文章，指出次发表了文章，指出三个碱基编码一三个碱基编码一三个碱基编码一三个碱基编码一个氨基酸个氨基酸个氨基酸个氨基酸的三联体三联体假说。三联体中的每个碱基作为信息只读一次三联体中的每个碱基作为信息只读一次还是重复阅读呢还是重复阅读呢？GGTTCGCACGCTGGTTCGCACGCT一、遗传密码的解读方式一、遗传密码的解读方式非重叠的非重叠的阅读方式阅读方式GGTTCGCACGCTGGTTCGCACGCT重叠的阅重叠的阅读方式读方式两种阅读方式得到的氨基酸序列不同两种阅读方式得到的氨基酸序列不同1、当图中、当图中DNA的第三个碱基（的第三个碱基（T）发生）发生改变改变时，如果密时，如果密码是非重叠的，这一改变将影响多少个氨基酸？如果密码是非重叠的，这一改变将影响多少个氨基酸？如果密码是重叠的，又将产生怎样的影响？码是重叠的，又将产生怎样的影响？一、遗传密码的解读方式一、遗传密码的解读方式CCAAGCGUGCGA.非重叠阅读方式阅读结果：CCU AGC GUG CGA重叠阅读方式阅读结果：CCU CUA UAG AGC GCG CGU GUG UGC GCG CGACCUAGCGUGCGA将第三个碱基T变为A时，DNA转录形成的mRNA序列的变化：改变改变DNADNA序列的一个碱基，密码以非重叠方序列的一个碱基，密码以非重叠方式阅读时，影响式阅读时，影响1 1个氨基酸，密码以重叠方式阅个氨基酸，密码以重叠方式阅读时，影响读时，影响3 3个氨基酸个氨基酸2、当图中、当图中DNA的第三个碱基（的第三个碱基（T）后）后插入插入一个碱基一个碱基A时，时，如果密码是非重叠的，这一改变将影响多少个氨基酸？如如果密码是非重叠的，这一改变将影响多少个氨基酸？如果密码是重叠的，又将产生怎样的影响？如果插入果密码是重叠的，又将产生怎样的影响？如果插入2个、个、3个碱基呢？个碱基呢？一、遗传密码的解读方式一、遗传密码的解读方式非重叠方式阅读：未插入碱基时的阅读结果：CCA AGC GUG CGA.插入一个碱基A时，阅读结果：CCA UAG CGU GCG A插入两个碱基AA时，阅读结果：CCA UUA GCG UGC GA 密码非重叠阅读时，密码非重叠阅读时，插入插入1 1、2 2个碱基个碱基,插插入点后面入点后面所有密码子所有密码子都改变都改变；插入；插入3 3个碱个碱基，在原来的密码子基，在原来的密码子序列中序列中多出一个密码多出一个密码子子，其余密码子不变。，其余密码子不变。插入三个碱基AAA时，阅读结果：CCA UUU AGC GUG CGA重叠方式阅读：未插入碱基时的阅读结果：CCA CAA AAG AGC GCG CGU GUG UGC GCG CGA插入一个碱基A时，阅读结果：CCA CAU AUA UAG AGC GCG CGU GUG UGC GCG插入两个碱基AA时，阅读结果：CCA CAU AUU UUA UAG AGC GCG CGU GUG UGC 密码重叠阅读时，插入密码重叠阅读时，插入1 1个碱基，影响个碱基，影响3 3个密码子，增加个密码子，增加1 1个密码子；个密码子；插入插入2 2个碱基，影响个碱基，影响4 4个密码子，增加个密码子，增加2 2个密码子；插入个密码子；插入3 3个碱基，影响个碱基，影响5 5个个密码子，增加密码子，增加3 3个密码子。个密码子。插入三个碱基AAA时，阅读结果：CCA CAU AUU UUU UUA UAG AGC GCG CGU GUGl密码非重叠阅读时，插入密码非重叠阅读时，插入1、2个碱基，个碱基，插入点后面所有氨基酸都改变插入点后面所有氨基酸都改变；插入；插入3个碱基，个碱基，在原来的氨基酸序列中在原来的氨基酸序列中多出一个氨基酸多出一个氨基酸，其余，其余密码子不变。密码子不变。l密码重叠阅读时，插入密码重叠阅读时，插入1个碱基，影响个碱基，影响3个氨基酸；插入个氨基酸；插入2个碱基，影响个碱基，影响4个氨基酸；插个氨基酸；插入入3个碱基，影响个碱基，影响5个氨基酸。个氨基酸。二、克里克的实验证据二、克里克的实验证据 19611961年，克里克与布雷纳合作，利用大肠杆菌的年，克里克与布雷纳合作，利用大肠杆菌的T T4 4噬菌体噬菌体做做移码突变实验。移码突变实验。用药物处理用药物处理T4T4噬菌体，研究噬菌体，研究某个基因某个基因碱基碱基发生增加或缺失发生增加或缺失对其所编码的蛋白质影响。对其所编码的蛋白质影响。关键酶关键酶 T4 T4噬菌体野生型能在大肠杆菌噬菌体野生型能在大肠杆菌K K菌株菌株上上生长，形成嗜菌斑生长，形成嗜菌斑。1 1、缺失一个核苷酸时，在、缺失一个核苷酸时，在K K菌株上不生长菌株上不生长 插入一个核苷酸时，在插入一个核苷酸时，在K K菌株上不生长菌株上不生长2 2、缺失两个核苷酸时，在、缺失两个核苷酸时，在K K菌株上不生长菌株上不生长 插入两个核苷酸时，在插入两个核苷酸时，在K K菌株上不生长菌株上不生长3 3、缺失三个核苷酸时，在、缺失三个核苷酸时，在K K菌株上生长（拟野生型）菌株上生长（拟野生型）插入三个核苷酸时，在插入三个核苷酸时，在K K菌株上生长（拟野生型菌株上生长（拟野生型）尝试解释为何会出现这样的实验结果？尝试解释为何会出现这样的实验结果？改变三个核苷酸对氨基酸的序列影响最小。只改变三个核苷酸对氨基酸的序列影响最小。只能解释为三个碱基编码一个氨基酸。能解释为三个碱基编码一个氨基酸。实验结果：请比较分析下图请比较分析下图:插入插入_个碱基对原有氨基酸序列个碱基对原有氨基酸序列影响最小。影响最小。GGT TCG CAC GCT TTG AGC插插一一个个碱碱基基GGT ATCGCA CGC TTT GAG C插插二二个个碱碱基基GGT AAT CGC ACG CTT TGA GC插插三三个个碱碱基基GGT AAATCGCAC GCT TTGAGC3原因就是三个碱基决定一个密码子原因就是三个碱基决定一个密码子1、3个相邻的碱基成为三联体（又叫密码子）2、遗传密码从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读3、编码间没有分隔符却无法说明一个密码子对应的究竟是哪个氨基酸。却无法说明一个密码子对应的究竟是哪个氨基酸。克里克通过实验得出遗传密码的性质：三、遗传密码对应规则的发现三、遗传密码对应规则的发现尼伦伯格和马太的实验尼伦伯格和马太的实验：蛋白质体外合成的实验示意图蛋白质体外合成的实验示意图 阅读教材阅读教材75页页的实验过程和结果的实验过程和结果，思考并讨，思考并讨论论以下几个问题。以下几个问题。苯丙氨酸的密码子为苯丙氨酸的密码子为UUU（1）、）、实验中多聚尿嘧啶核苷酸的作用是什么？实验中多聚尿嘧啶核苷酸的作用是什么？思考思考（2）、）、为什么要除去细胞提取液中的为什么要除去细胞提取液中的DNA和和mRNA？（3）、如果你是马太或尼伯格，为使实验结果更具说服力，）、如果你是马太或尼伯格，为使实验结果更具说服力，你将如何设计对照组？你将如何设计对照组？（4）、）、要想知道更多氨基酸的密码子，你如何改变上述实要想知道更多氨基酸的密码子，你如何改变上述实验？验？作为模板作为模板mRNA直接控制蛋白质（多肽）的合成直接控制蛋白质（多肽）的合成 原有的原有的mRNAmRNA会作为合成蛋白会作为合成蛋白质质的模板干扰实验结果的模板干扰实验结果；DNADNA可能作为可能作为mRNAmRNA合成的模板，而新合成的合成的模板，而新合成的mRNAmRNA也会干扰实验结果也会干扰实验结果。（3）、如果你是马太或尼伯格，为使实验结果更具）、如果你是马太或尼伯格，为使实验结果更具说服力，你将如何设计对照组？说服力，你将如何设计对照组？作为对照实验的试管中，所有成分都与实验组的试管相作为对照实验的试管中，所有成分都与实验组的试管相同，但是不加入多聚尿嘧啶核苷酸。同，但是不加入多聚尿嘧啶核苷酸。（4）、）、要想知道更多氨基酸的密码子，你如何改要想知道更多氨基酸的密码子，你如何改变上述实验？变上述实验？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。尿嘧啶核苷酸。在此后的六七年在此后的六七年里，科学家沿着里，科学家沿着体体外合成蛋白质的思外合成蛋白质的思路路，不断地改进实，不断地改进实验方法，破译出了验方法，破译出了全部的密码子，并全部的密码子，并编制出了编制出了密码子表密码子表。不间断性不间断性不重叠性不重叠性简并性简并性通用性通用性有起始密码与终止密码有起始密码与终止密码四、遗传密码的特点四、遗传密码的特点遗传密码的破译树立了生物学史上一座伟大的里程碑，遗传密码的破译树立了生物学史上一座伟大的里程碑，意味着人类探索和揭示生命本质的研究向前迈进一大步，为意味着人类探索和揭示生命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。后面分子遗传生物学的发展有着重要的推动作用。遗传密码的破译、测序方法的建立以及体外重组的实现遗传密码的破译、测序方法的建立以及体外重组的实现遗传密码的破译、测序方法的建立以及体外重组的实现遗传密码的破译、测序方法的建立以及体外重组的实现是基因工程的三大基石之。是基因工程的三大基石之。是基因工程的三大基石之。是基因工程的三大基石之。遗传密码破译的意义遗传密码破译的意义纵观下遗传密码的破译过程：纵观下遗传密码的破译过程：生命科学的研究是个漫长而艰辛的历程；是不分国籍、不生命科学的研究是个漫长而艰辛的历程；是不分国籍、不分学科的合作；要具备分学科的合作；要具备“敏锐、大胆、睿智和创新”的的科学科学素养。素养。1 1、19541954年科普作家伽莫夫用数学的方法年科普作家伽莫夫用数学的方法推断推断3 3个碱基编码一个氨基酸。个碱基编码一个氨基酸。2 2、19611961年克里克第一个用年克里克第一个用T T4 4噬菌体实验噬菌体实验证明证明了遗传密码中了遗传密码中3 3个碱基编码个碱基编码一个氨基酸。一个氨基酸。3 3、19611961年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进行体外合成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破译了第一个遗个遗传密码。传密码。4 4、19691969年科学家们年科学家们破译了全部破译了全部的密码。的密码。“一个善于捕捉细节的人才是能领略事物真谛的人”尼伦伯格二、克里克的实验证据：二、克里克的实验证据：不间断性、不重叠性、简并性、通用性、有起始和终止密码不间断性、不重叠性、简并性、通用性、有起始和终止密码三、遗传密码对应规则的发现：三、遗传密码对应规则的发现：1.3个相邻的碱基成为密码子2.从一个固定的起点开始，以非重从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读叠的方式阅读3.编码之间没有分隔符编码之间没有分隔符遗传密码的性质遗传密码的性质四、遗传密码的特性四、遗传密码的特性非重叠的形式非重叠的形式一、遗传密码的阅读方式一、遗传密码的阅读方式 ：尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验：尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验：破译了第一个遗传密码：破译了第一个遗传密码：UUU苯丙氨酸苯丙氨酸本节知识小结本节知识小结课后作业2、比较莫尔斯密码和遗传密码的不同点、比较莫尔斯密码和遗传密码的不同点1、完成课本、完成课本P76练习题练习题3、比较克里克与尼伦伯格所采用的实验方法各、比较克里克与尼伦伯格所采用的实验方法各有何优势和不足。有何优势和不足。4、与同学交流讨论本节课学到了什么，还有哪些、与同学交流讨论本节课学到了什么，还有哪些不懂的地方不懂的地方