第十二節(jié)遺傳密碼的破譯

時(shí)間：2023-04-30 21:56:22 資料我要投稿

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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)？這個有趣而深奧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氨基酸，如果是重疊的又將影響幾個氨基酸？

1 3

在圖中DNA的第三個堿基（T）后插入一個堿基A，如果密碼是非重疊的，這一改變將影響幾個氨基酸，如果密碼是重疊的，又將影響幾個氨基酸？ 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個和2個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個堿基編碼1個氨基酸。

請比較分析下圖：插入幾個堿基對原有氨基酸序列影響最��？

進(jìn)一步分析上圖：

減少3個堿基對原有氨基酸序列影響最小。

克里克是第一個用實(shí)驗(yàn)證明遺傳密碼中3個堿基編碼1個氨基酸的科學(xué)家。這個實(shí)驗(yàn)還同時(shí)表明：遺傳密碼從一個固定的起點(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個堿基編碼一個氨基酸。 2、1961年克里克第一個用T4噬菌體實(shí)驗(yàn)證明了遺傳密碼中3個堿基編碼一個氨基酸。

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堿基對

B．在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加二個堿基對

C．在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加三個堿基對

D．在相關(guān)的基因的堿基序列中刪除或增加四個堿基對

答案：C

例2、最早提出3個堿基編碼一個氨基酸的科學(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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同步測試

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．一個密碼子，決定一個特定的氨基酸

B．一種氨基酸可能有幾個密碼子（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氨基酸（ A）

A．1 B．2

C．3 D．4

3、第一個提出3個堿基編碼1個氨基酸的科學(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個堿基）—GUUUAGCGUCGA—，這個信使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、只是第一個氨基酸有影響。

3、伽莫夫首次提出3個堿基編碼一個氨基酸的設(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個堿基）—GUUUAG這一段能控制合成的蛋白質(zhì)中氨基酸有18個，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個堿基可以排列成1個遺傳密碼的實(shí)驗(yàn)結(jié)論后，科學(xué)家們

開始探索一個特定的遺傳密碼所對應(yīng)的特定的氨基酸究竟是哪一個。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)一個核苷酸被異常核苷酸取代時(shí)，不會在肽鏈中影響到多個氨基酸。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-