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1、第四章第四章 基因的表达基因的表达第第3 3节节 遗传密码子的破译遗传密码子的破译问题探讨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，翻译实际上就是将将mRNA中的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列，那碱基序中的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列，那碱基序列与氨基酸序列是如何对应的呢？列与氨基酸序列是如何对应的呢？历史的步伐历史的步伐1 1、18661866年，孟德尔提出遗传定律。年，孟德尔提出遗传定律。2 2、18831883年，科学家发现马蛔虫配中的染色体数目只有体细胞中的一半。年，科学家发现马蛔虫配中的染色体数目只有体细胞中的一半。3
2、 3、18901890年，科学家确认了减数分裂产生配子。年，科学家确认了减数分裂产生配子。4 4、18911891年，科学家描述了减数分裂的全过程。年，科学家描述了减数分裂的全过程。5 5、19021902年，鲍维丰年，鲍维丰( (T.BoveriT.Boveri) )和和19031903年萨顿年萨顿( (W.SuttonW.Sutton) )在研究减数分裂时，发现在研究减数分裂时，发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系，提出染色体是遗传因子载体，可说遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系，提出染色体是遗传因子载体，可说是染色体遗传学说的初步论证。是染色体遗传学说的初步论证。6 6、19091
3、909年的约翰逊年的约翰逊( (W.JohannsenW.Johannsen) )称孟德尔假定的称孟德尔假定的“遗传因子遗传因子”为为“基因基因”，并明，并明确区别基因型和表型。确区别基因型和表型。7 7、19091909年，詹森斯年，詹森斯 ( (F.A.JanssenF.A.Janssen) )观察到染色体在减数分裂时呈交叉现象，为解观察到染色体在减数分裂时呈交叉现象，为解释基因连锁现象提供了基础。释基因连锁现象提供了基础。8 8、19091909年，摩尔根年，摩尔根(T.H.Morgan,1866-1945)(T.H.Morgan,1866-1945)开始对果蝇迸行实验遗传学研究，发开始
4、对果蝇迸行实验遗传学研究，发现了伴性遗传的规律。他和他的学生还发现了连锁、交换和不分离规律等。并现了伴性遗传的规律。他和他的学生还发现了连锁、交换和不分离规律等。并进一步证明基因在染色体上呈直线排列，从而发展了染色体遗传学说。进一步证明基因在染色体上呈直线排列，从而发展了染色体遗传学说。 19261926年摩尔根提出基因学说，发表年摩尔根提出基因学说，发表基因论基因论历史的步伐历史的步伐9 9、 2020世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质和世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质和DNADNA组成的。组成的。1010、19281928年格里菲思的肺炎双球菌实验。年格里菲思的肺炎双球菌实验
5、。1111、19401940年艾弗里用纯化因子研究肺炎双球菌的转化的实验。年艾弗里用纯化因子研究肺炎双球菌的转化的实验。1212、19411941年提出了一个基因一种酶的假说。一个基因一种酶假说暗示了基因的作用年提出了一个基因一种酶的假说。一个基因一种酶假说暗示了基因的作用 是指导蛋白质分子的最后构型，从而决定其特异性。是指导蛋白质分子的最后构型，从而决定其特异性。 1313、19441944年，理论物理学家薛定谔发表的年，理论物理学家薛定谔发表的什么是生命什么是生命一书中就大胆地预言，遗传一书中就大胆地预言，遗传物质是一种信息分子，可能类似作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：物质是一种信息分
6、子，可能类似作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：“ ”、“”，通过排列组合来储存遗传信息。，通过排列组合来储存遗传信息。 1414、19521952年赫尔希和蔡斯的年赫尔希和蔡斯的T2T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验。确认噬菌体侵染大肠杆菌的实验。确认DNADNA是遗传物质。是遗传物质。1515、19531953年，沃森和克里克发现年，沃森和克里克发现DNADNA双螺旋结构。双螺旋结构。1616、19571957年提出一个中心法则：遗传信息可以从年提出一个中心法则：遗传信息可以从DNADNA流向流向DNADNA，也可以从，也可以从DNADNA流向流向RNARNA， 进而流向蛋白质。进而流向蛋白质。
7、 1717、19581958年科学家以大肠杆菌为实验材料，证实了年科学家以大肠杆菌为实验材料，证实了DNADNA的半保留复制。的半保留复制。1818、19611961年克里克等证明了他于年克里克等证明了他于19581958年提出的关于遗传三联密码的推测，年提出的关于遗传三联密码的推测，19691969年年 NirenbergNirenberg 等解译出全部遗传密码。等解译出全部遗传密码。1919、6060年代，阐明年代，阐明mRNAmRNA、tRNAtRNA 及核糖体的功能、蛋白质生物合成的过程。及核糖体的功能、蛋白质生物合成的过程。研究的背景：研究的背景：1941年比德尔（G.Beadle）
8、和塔特姆（E.Tatum）的工作则强有力地证明了基因突变引起了酶的改变，而且每一种基因一定控制着一种特定酶的合成，从而提出了一个基因一种酶一个基因一种酶一个基因一种酶一个基因一种酶的假说。人们逐步地认识到基因和蛋白的关系。“中心法则”提出后更为明确地指指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从DNARNA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。1944年，理论物理学家薛定谔发表的什么是生命一书中就大胆地预言预言预言预言，染色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。这种连续体的精确性组成了遗传密码。
9、他认为遗传物质是一种信息分子遗传物质是一种信息分子遗传物质是一种信息分子遗传物质是一种信息分子，同分异构单体可能作为一般民用的莫尔斯电码莫尔斯电码莫尔斯电码莫尔斯电码的两个符号：“”、“”，通过排列组合来储存遗传信息。莫尔斯电报莫尔斯电报:短音短音念作念作滴（滴（di）:长音长音念作念作答（答（da）字码:A:B:C:D:E:F:G:H:I:J:K:L:M:N:O:P:Q:R:S:T:U:V:W:X:Y:Z:?:/:数码(长码):1:2:3:4:5:6:7:8:9:0:研究的背景：研究的背景： 19441944年，理论物理学家薛定谔发表的年，理论物理学家薛定谔发表的什么是什么是生命生命一书，而
10、当时遗传物质的化学本质是尚未明一书，而当时遗传物质的化学本质是尚未明确的，十年后确的，十年后DNADNA双螺旋模型才得以建立，在这样双螺旋模型才得以建立，在这样的背景下能将遗传信息设想成一种电码式的遗传密的背景下能将遗传信息设想成一种电码式的遗传密码形式，实在是一种超越时代的远见卓识。码形式，实在是一种超越时代的远见卓识。 到1953年双螺旋模型的建立，给予科学家们以很大的激励。破译遗传密码也就成了势在必行的工作。 遗传密码的试拼与阅读方式的遗传密码的试拼与阅读方式的探索探索对于遗传密码来说最简单的破译方法应是将DNA顺序或mRNA顺序和多肽相比较。但和一般破译密码不同的是，遗传信息的译文蛋白
11、的顺序是已知的，未知的都是密码。1954年Sanger用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋白质的氨基酸序列了解得越来越多。但是直到1969年前后经历了十多年时间，多位科学家的执着研究才破译了密码，其中最为重要的几项工作其思路之新颖、方法之精巧都闪烁着科学的智慧之光。遗传密码的试拼与阅读方式的遗传密码的试拼与阅读方式的探索探索1954年科普作家伽莫夫伽莫夫伽莫夫伽莫夫G.GamorG.Gamor对破译密码首先提出了挑战。他以著有奇异王国的汤姆金斯等优秀的科学幻想作品而著称，具有丰富的想象力，但他不是一位实验科学家，所以只能从理论上来尝试密码的解读。当年，他在自然Nature杂志首次发表了遗传密码的
12、理论研究的文章，指出三个碱三个碱基编码一个氨基酸基编码一个氨基酸。遗传密码的试拼与阅读方式的遗传密码的试拼与阅读方式的探索探索接下来，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？思考与讨论思考与讨论思考与讨论思考与讨论遗传密码的试拼与阅读方式的遗传密码的试拼与阅读方式的探索探索遗传密码的试拼与阅读方式的遗传密码的试拼与阅读方式的探索探索19571957年年年年Brenner.SBrenner.S发表了一篇令人兴奋的理论文发表了一篇令人兴奋的理论文发表了一篇令人兴奋的理论文发表了一篇令人兴奋的理论文章，他通过蛋白质的氨基酸顺序
13、分析，发现不存在氨章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存在氨章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存在氨章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存在氨基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读的可能性。同时人们也发现在镰刀形细胞贫血的例子的可能性。同时人们也发现在镰刀形细胞贫血的例子的可能性。同时人们也发现在镰刀形细胞贫血的例子的可能性。同时人们也发现在镰刀形细胞贫血的例子中，血红蛋白中仅有一个氨基酸发生改变。中，血红蛋白中仅有一个氨基酸发生改变。
14、中，血红蛋白中仅有一个氨基酸发生改变。中，血红蛋白中仅有一个氨基酸发生改变。遗传密码的试拼与阅读方式的遗传密码的试拼与阅读方式的探索探索很遗憾，伽莫夫也许是考虑到效率的问题，认为一个碱基可能被重复读多次，也就是说遗传密码的阅读是完全重叠的，因此氨基酸数目和核苷酸数目存在着一对一的关系。智者千虑，必有一失。很多著名的科学家也有过智者千虑，必有一失。很多著名的科学家也有过智者千虑，必有一失。很多著名的科学家也有过智者千虑，必有一失。很多著名的科学家也有过类似的失误。在资料较少的情况下，对未知的真理作类似的失误。在资料较少的情况下，对未知的真理作类似的失误。在资料较少的情况下，对未知的真理作类似的失
15、误。在资料较少的情况下，对未知的真理作出推断，难免会发生偏差，但瑕不掩瑜，人们对他们出推断，难免会发生偏差，但瑕不掩瑜，人们对他们出推断，难免会发生偏差，但瑕不掩瑜，人们对他们出推断，难免会发生偏差，但瑕不掩瑜，人们对他们的那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神，巧妙的构思的那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神，巧妙的构思的那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神，巧妙的构思的那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神，巧妙的构思仍敬佩不已。仍敬佩不已。仍敬佩不已。仍敬佩不已。遗传密码子的验证（克里克的遗传密码子的验证（克里克的实验）实验）他们用T4噬菌体染色体上的一个基因通过用原黄素处理，可以使DNA脱落或插入单个碱基
16、，插入叫“ “加字加字加字加字” ”突变突变突变突变，脱落叫“ “减字减字减字减字” ”突变突变突变突变，无论加字和减字都可以引起移码突变。Crick小组用这种方法获得一系列的T4噬菌体“加字”和“减字”突变，再进行杂交来获得加入或减少一个，二个，三个的不同碱基数的系列突变。通过这样的方法他们发现加入或减少一个和二个碱基都会引起噬菌体突变，无法产生正常功能的蛋白，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？遗传密码对应规则的发现遗传密码对应规则的发现1961-1962年，尼伦伯格（M.W.Nirenberg，1927）和马太（H.Matthaei）的实验：遗传密码对应规则
17、的发现遗传密码对应规则的发现这一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！对比克里克和尼伦伯格的实对比克里克和尼伦伯格的实验验克里克的克里克的T T4 4噬菌体实验噬菌体实验尼伦伯格体外蛋白质合成实尼伦伯格体外蛋白质合成实验验主主主主要要要要思思思思路路路路通过研究碱基的改变对蛋白质合成的影响推断遗传密码的性质。建立体外蛋白质合成系统，直接破解遗传密码规则。前前前前提提提提找到使DNA脱落或插入单个碱基的方法原黄素处理多核苷酸磷酸化酶的发
18、现，为得到poly U提供条件优优优优势势势势不需要理解蛋白质合成过程，就能作出推断密码子的总体特征。快速，直接不不不不足足足足证据相对间接，工作量较大。需要首先了解细胞中蛋白质合成所需的条件。遗传密码对应规则的发现遗传密码对应规则的发现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。 遗传密码的破译，测序方法的建立以及体外重遗传密码的破译，测序方法的建立以及体外重遗传密码的破译，测序方法的建立
19、以及体外重遗传密码的破译，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。组的实现是基因工程的三大基石。组的实现是基因工程的三大基石。组的实现是基因工程的三大基石。小结小结1 1、 19411941年提出了一个基因一种酶的假说。一个基因一种酶假说暗示了基因的作用年提出了一个基因一种酶的假说。一个基因一种酶假说暗示了基因的作用是指导蛋白质分子的最后构型，从而决定其特异性。是指导蛋白质分子的最后构型，从而决定其特异性。 2 2、19441944年，理论物理学家薛定谔发表的年，理论物理学家薛定谔发表的什么是生命什么是生命一书中就大胆地预言，遗一书中就大胆地预言，遗传物质是一种信息分子，可能类似
20、作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：传物质是一种信息分子，可能类似作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：“ ” ”、“”，通过排列组合来储存遗传信息。，通过排列组合来储存遗传信息。 3 3、19531953年，沃森和克里克发现年，沃森和克里克发现DNADNA双螺旋结构。双螺旋结构。4 4、19541954年年SangerSanger用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋白质的氨基酸序列了解得用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋白质的氨基酸序列了解得越来越多。越来越多。5 5、19541954年科普作家伽莫夫年科普作家伽莫夫G.GamorG.Gamor对破译密码首先提出了挑战。指出三个碱基编码对破译密码
21、首先提出了挑战。指出三个碱基编码一个氨基酸，他同时也认为遗传密码的阅读是完全重叠的，因此氨基酸数目和一个氨基酸，他同时也认为遗传密码的阅读是完全重叠的，因此氨基酸数目和核苷酸数目存在着一对一的关系。核苷酸数目存在着一对一的关系。 6 6、19571957年提出一个中心法则：遗传信息可以从年提出一个中心法则：遗传信息可以从DNADNA流向流向DNADNA，也可以从，也可以从DNADNA流向流向RNARNA，进而流向蛋白质。，进而流向蛋白质。 7 7、19571957年年Brenner.SBrenner.S发表的理论文章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存发表的理论文章，他通过蛋白质的氨基酸顺
22、序分析，发现不存在氨基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读的可能性。在氨基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读的可能性。 8 8、19611961年克里克等证明了关于遗传三联密码的推测。年克里克等证明了关于遗传三联密码的推测。9 9、19621962年尼伦伯格和马太蛋白质体外合成实验破译出了第一个遗传密码年尼伦伯格和马太蛋白质体外合成实验破译出了第一个遗传密码UUUUUU。1010、19691969年科学家们解译出全部遗传密码。年科学家们解译出全部遗传密码。小结小结1.1.19441944年理论物理学家薛定谔发表的年理论物理学家薛定谔发表的什么是生命什么是生命一书中一书中就大胆
23、地预言，遗传密码可能与莫尔斯电码类似，通过排就大胆地预言，遗传密码可能与莫尔斯电码类似，通过排列组合来储存遗传信息。列组合来储存遗传信息。2.2.19541954年科普作家伽莫夫用数学的方法推断年科普作家伽莫夫用数学的方法推断3 3个碱基编码一个个碱基编码一个氨基酸。氨基酸。3.3.19571957年年Brenner.SBrenner.S发表文章，在理论上否定了遗传密码重叠发表文章，在理论上否定了遗传密码重叠阅读的可能性。阅读的可能性。4.4.19611961年克里克第一个用年克里克第一个用T4T4噬菌体实验证明了遗传密码中噬菌体实验证明了遗传密码中3 3个个碱基编码一个氨基酸。碱基编码一个氨
24、基酸。5.5.19611961年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进行体外重组破译年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进行体外重组破译了第一个遗传密码。了第一个遗传密码。6.6.19691969年科学家们破译了全部的密码。年科学家们破译了全部的密码。小结小结我们注意整个破译过程中科学家思维的变化，薛定谔是以富有远见卓识的大胆的想象来预测遗传密码的形式的，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，同时他也预测了密码的阅读方式，尽管智者千虑，必有一失，但巧妙的构思依然显示了其睿智和创新。克里克则是巧妙地设计实验，利用原黄素处理噬菌体，使DNA脱落或插入单个碱基的方法从实验上证明了伽莫夫的三
25、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时说过：一个善于捕捉细节的人才是能领略事物真谛的人。练习（练习（P76第第2题）题）项目项目莫尔斯电码莫尔斯电码遗传密码遗传密码密码间有无分隔符长度是否固定阅读方式是否重叠密码所采用的符号遗传密码的特点
26、：不间断性；不重叠性；简并性；通用性不间断性；不重叠性；简并性；通用性。有分隔符“/”无分隔符长度不固定，1到4个符号不等长度固定，3个符号非重叠方式阅读非重叠方式阅读 A C G U练练习习C C（1）在下列基因的改变中，合成出具有正）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：（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在相关的基因的碱基序列中删除或增加一个碱基一个碱基B在相关的基因的碱基序列中删除或增加在相关的基因的碱基序列中删除或增加二个碱基二个碱基C在相关的基因的碱基序列中删除或增加在相关的基因的碱基序列中删除或增加三个碱基对三个碱基对D
27、在相关的基因的碱基序列中删除或增在相关的基因的碱基序列中删除或增加四个碱基对加四个碱基对练习练习D D（2）最早提出最早提出3个碱基编码一个氨基酸的科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学家和首次用实验的方法加以证明的科学家分别是：（别是：（）A克里克、伽莫夫克里克、伽莫夫B克里克、沃森式化克里克、沃森式化C摩尔根、尼伦伯格摩尔根、尼伦伯格D伽莫夫、克里克伽莫夫、克里克练习练习B B（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
