1、DNA密碼,一個(gè)基因一個(gè)酶理論,1902年，伽羅德研究黑尿病，有人認(rèn)為是細(xì)菌引起的，但一些新生兒出生幾小時(shí)后即表現(xiàn)此病，而此時(shí)細(xì)菌系尚未建立，因此排除。此病是一種遺傳缺陷，通過(guò)家譜的研究，發(fā)現(xiàn)有遺傳傾向，其中多數(shù)是表兄妹結(jié)婚。 這種性狀是由隱性孟德?tīng)栆蜃樱ɑ颍┛刂频?。只有?dāng)基因純合時(shí)，才能表現(xiàn)出黑尿病癥狀。,1908年，進(jìn)一步指出，這種隱性基因純合的個(gè)體不能產(chǎn)生一種特殊的蛋白質(zhì)即酶（尿黑酸氧化酶），因此尿黑酸不能分解，尿中積累，遇空氣被氧化成黑色“先天性代謝錯(cuò)誤”。,伽羅德關(guān)于基因功能的研究大大超前于他所處的時(shí)代，因此當(dāng)時(shí)沒(méi)有引起太多的注意。直到20世紀(jì)40年代初，由于比德?tīng)柕热说墓ぷ鳎藗?/p>

2、才對(duì)基因的生理功能有了突破性認(rèn)識(shí)。,比德?tīng)柕囊粋€(gè)基因一個(gè)酶理論,1935年，摩爾根實(shí)驗(yàn)室的博士后比德?tīng)柵c訪問(wèn)學(xué)者伊佛路斯對(duì)果蠅眼色性狀的遺傳機(jī)理進(jìn)行研究。 基因如何決定色素？,他倆采用移植技術(shù)，把突變型果蠅幼蟲(chóng)的眼睛成功移植到正常的果蠅幼蟲(chóng)中，發(fā)現(xiàn)果蠅都有正常的褐紅色。 疑問(wèn)：突變型果蠅的基因未變，為何眼褐 紅色？,比德?tīng)柕慕Y(jié)論： 正常細(xì)胞含某種化學(xué)物質(zhì)（色素） ，突變體缺乏，移植后，突變體得到了這種物質(zhì)，因此表型正常。 推測(cè)：基因?qū)е乱环N化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生，該物質(zhì)又決定基因所表達(dá)的性狀?；虻淖饔门c特定化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生有關(guān)。,（三）“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說(shuō) 1941年比德?tīng)柡退啬返忍岢龅?。紅色面

3、包霉各種突變體的代謝功能異常往往是因?yàn)橐环N酶的缺陷，產(chǎn)生這種酶缺陷的原因是單個(gè)基因的突變，提出了“一個(gè)基因一個(gè)酶”的學(xué)說(shuō)。說(shuō)明基因是通過(guò)控制酶的合成決定代謝過(guò)程和性狀發(fā)育的。,紅色面包霉?fàn)I養(yǎng)缺陷型 突變體的篩選,比德?tīng)栭_(kāi)辟了一個(gè)嶄新的思路性狀的表達(dá)方式都可歸納為某種生化性質(zhì)的表達(dá)，為遺傳學(xué)與生物化學(xué)的結(jié)合構(gòu)筑了橋梁。也揭開(kāi)了人類(lèi)認(rèn)識(shí)基因功能的序幕。,基因與蛋白質(zhì)的關(guān)系,蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)都由基因編碼，基因里必須包含什么樣的信息才能決定一個(gè)特定的多肽或蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)呢？,11,遺傳密碼是20世紀(jì)60年代闡明的。 蓋莫夫最先對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了挑戰(zhàn)。他以著有奇異王國(guó)的湯姆金斯等優(yōu)秀的科學(xué)讀物而著稱。由于他不是

4、實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家，所以，他專(zhuān)門(mén)從理論上嘗試密碼的解讀。 他設(shè)想如果每種堿基與一種氨基酸相對(duì)應(yīng)，那么只能產(chǎn)生4種氨基酸。實(shí)際上，氨基酸有20種，不可能一個(gè)字母（堿基）與一種氨基酸相對(duì)應(yīng)。 那么，2個(gè)堿基與1種氨基酸對(duì)應(yīng)又如何呢? 44=16，只能產(chǎn)生16種氨基酸，還不夠數(shù)。 因此，蓋奠夫認(rèn)為3個(gè)堿基與一種氨基酸相對(duì)應(yīng)就好了，也就是說(shuō)，444=64，產(chǎn)生64種氨基酸。,遺傳密碼的發(fā)現(xiàn),雖然64這個(gè)數(shù)字比20（種氨基酸）大兩倍以上，但后來(lái)的研究證實(shí)這一建議是正確的。 后來(lái)查明，遺傳信息的主要特征之一，就是連續(xù)的3個(gè)堿基與1種氨基酸相對(duì)應(yīng)。這種連續(xù)的3個(gè)堿基稱為三聯(lián)體。 伽莫夫的推理直到這一步還是正確的，

5、但他也犯了錯(cuò)誤。 問(wèn)題出在三聯(lián)體中的每個(gè)堿基作為信息只讀一次還是重復(fù)讀多次。也許考慮到效率的問(wèn)題，蓋莫夫認(rèn)定一個(gè)堿基可能被重復(fù)讀多次。,DNA密碼是不是三聯(lián)體、閱讀方式是哪種、有沒(méi)有分隔符？ 1961年，克里克和布倫納利用化學(xué)誘變劑來(lái)刪除或插入DNA堿基對(duì)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)堿基序列中增加或刪除1個(gè)堿基，無(wú)法產(chǎn)生正常的蛋白質(zhì)，增加或刪除2個(gè)堿基，也無(wú)法產(chǎn)生正常的蛋白質(zhì)。但增加或刪除3個(gè)堿基，卻可以產(chǎn)生正常的蛋白質(zhì)。這是為什么？,JIM ATE THE FAT CAT JIM AET HEF ATC AT JIM ATE THE FAT CAT JIM ATH EFA TCA T JIM ATE THE

6、FAT CAT JIM THE FAT CAT JIM ATE THE FAT CAT JIM AHE FAT CAT,無(wú)細(xì)胞系統(tǒng) 尼倫伯格在1961年前開(kāi)創(chuàng)了蛋白質(zhì)的無(wú)細(xì)胞合成。這方法對(duì)了解mRNA如何翻譯為功能性蛋白質(zhì)，作出了重要貢獻(xiàn)。 蛋白質(zhì)無(wú)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)（去掉了DNA、RNA） 蛋白質(zhì)生物合成的機(jī)器是核糖體，如果存在有tRNA，以及必要的酶和各種因子，只要提供外援的RNA模版、氨基酸和能量，無(wú)需其他的細(xì)胞組分（包括細(xì)胞核），蛋白質(zhì)也能順利地合成。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)錄和翻譯是可以彼此獨(dú)立，不需偶合。而在各種細(xì)胞的裂解液中幾乎都含有蛋白質(zhì)生物合成所需的核糖體以及各種酶和因子。,尼倫伯格首先把多（

7、聚）尿苷酸許多含U的核苷酸組成的多（聚）核苷酸，稱為Po1y（U）作為密碼加入體系之中，結(jié)果合成了只由一種叫做苯丙氨酸的氨基酸連接起來(lái)的多（聚）苯丙氨酸。 由此可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)于遺傳密碼UUU的氨基酸是苯丙氨酸。,核糖體結(jié)合技術(shù),保溫,硝酸纖維濾膜過(guò)濾,分析留在濾膜上的核糖體-AA-tRNA,確定與核糖體結(jié)合的AA,特定三核苷酸為模板 + 核糖體 + 20 種AA-tRNA,1966年科學(xué)家霍拉納發(fā)明了一種新的RNA合成方法，通過(guò)這種方法合成的RNA可以是2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)堿基為單位的重復(fù)序列，例如:將A、C兩種核苷酸縮合為ACACACACAC長(zhǎng)鏈，以它作人工信使進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是蘇氨酸和

8、組氨酸的多聚體，說(shuō)明蘇氨酸的密碼子可能是ACA，也可能是CAC；同樣，組氨酸的密碼子可能是CAC，也可能是ACA。 另一組實(shí)驗(yàn)，以（CAA）n為人工mRNA，蛋白質(zhì)合成產(chǎn)物為谷氨酰胺、天冬酰胺和蘇氨酸的多聚體。三者密碼子都可能是CAA、AAC、ACA。 兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)ACA是蘇氨酸的密碼子，CAC必定就是組氨酸的密碼子。,遺傳密碼字典,遺傳密碼的性質(zhì),簡(jiǎn)并性 指一個(gè)氨基酸具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的密碼子。密碼子的第三位堿基改變往往不影響氨基酸翻譯。 擺動(dòng)性 mRNA上的密碼子與轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）上的反密碼子配對(duì)辨認(rèn)時(shí)，大多數(shù)情況遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，但也可出現(xiàn)不嚴(yán)格配對(duì)，尤其是密碼子

9、的第三位堿基與反密碼子的第一位堿基配對(duì)時(shí)常出現(xiàn)不嚴(yán)格堿基互補(bǔ)，這種現(xiàn)象稱為擺動(dòng)配對(duì)。 通用性 蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類(lèi)都通用。但已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。,乳糖操縱子學(xué)說(shuō)是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控學(xué)說(shuō)。由法國(guó)巴斯德研究所著名的科學(xué)家Jacob和Monod在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1961年 首先提出的。,乳糖操縱子,-半乳糖苷酶催化的水解和異構(gòu)化反應(yīng),乳糖對(duì)乳糖代謝酶的誘導(dǎo),如果供大腸桿菌生長(zhǎng)的培養(yǎng)基中沒(méi)有乳糖，那么細(xì)胞內(nèi)參與乳糖分解代謝的三種酶，即-半乳糖苷酶、乳糖透過(guò)酶和巰基半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶很少，如每個(gè)細(xì)胞的-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5個(gè)5個(gè)

10、。 可是一旦在培養(yǎng)基中加入乳糖或某些乳糖的類(lèi)似物，則在幾分鐘內(nèi)，每個(gè)細(xì)胞中的-半乳糖苷酶分子數(shù)量驟增，可高達(dá)5000個(gè)，有時(shí)甚至可占細(xì)菌可溶性蛋白的 510。與此同時(shí)，其它兩種酶的分子數(shù)也迅速提高。 由此可見(jiàn)，新合成的-半乳糖苷酶、透過(guò)酶和乙?；赣傻孜锶樘腔蚱漕?lèi)似物直接誘導(dǎo)產(chǎn)生，乳糖及其相關(guān)類(lèi)似物被稱為誘導(dǎo)物。,葡萄糖效應(yīng)和乳糖誘導(dǎo),大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu),1個(gè)調(diào)節(jié)基因（lacI）位于Plac附近，有其自身的啟動(dòng)子和終止子，轉(zhuǎn)錄方向和結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄方向相反，呈低水平的組成型表達(dá)，編碼阻遏蛋白 1個(gè)操縱基因（lacO）位于Plac和lacZ基因之間，為阻遏蛋白結(jié)合的位點(diǎn) 1個(gè)啟動(dòng)子（Plac

11、） 3個(gè)結(jié)構(gòu)基因（lacZ、lacY和lacA）組成。lacZ編碼-半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖異構(gòu)化為別乳糖，絕大多數(shù)乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；lacY基因編碼半乳糖透過(guò)酶，其功能是使環(huán)境中的-半乳糖苷能透過(guò)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)；lacA基因編碼轉(zhuǎn)乙?；浮＾D(zhuǎn)錄時(shí)，RNA聚合酶首先與Plac結(jié)合，通過(guò)lacO向右，按lacZlacYlacA方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，每次轉(zhuǎn)錄出來(lái)的一條mRNA上都帶有這3個(gè)基因。,乳糖操縱子三個(gè)阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征及其作用,乳糖操縱子的正調(diào)控,葡萄糖效應(yīng)在有葡萄糖存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，即使有誘導(dǎo)物乳糖的存在，乳糖操縱子也處于被抑制的狀態(tài)，直到葡萄

12、糖被消耗完后才能解除抑制，這時(shí)細(xì)菌才開(kāi)始利用乳糖進(jìn)行生長(zhǎng)。這說(shuō)明乳糖的存在僅僅是乳糖操縱子開(kāi)放的必要條件，但還不是充要條件。 同時(shí)有乳糖和葡萄糖的情況下，乳糖操縱子也不能正常開(kāi)放的原因是乳糖操縱子的開(kāi)放還需要一種稱為cAMP受體蛋白（CRP）的激活蛋白的正調(diào)控。只有在負(fù)調(diào)控不起作用、正調(diào)控起作用的條件下，乳糖操縱子才能開(kāi)放。,CAP的正調(diào)控作用,乳糖操縱子的操縱基因和CAP-cAMP結(jié)合位點(diǎn)序列,CAP-cAMP在CAP位點(diǎn)上與RNA pol的相互作用,CAP-cAMP與其結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合以后導(dǎo)致DNA發(fā)生的彎曲,為什么乳糖操縱子既要受到負(fù)調(diào)控，又要受到正調(diào)控？,一是使細(xì)胞能夠優(yōu)先利用葡萄糖，而優(yōu)

13、先利用葡萄糖對(duì)細(xì)胞來(lái)說(shuō)是有益的，因?yàn)閰⑴c葡萄糖分解的基因均是管家基因，這樣葡萄糖可以迅速地被分解，為細(xì)胞提供能量； 二是lac啟動(dòng)子序列是一個(gè)弱啟動(dòng)子，而CAP-cAMP的激活就彌補(bǔ)了其啟動(dòng)子活性的“先天不足”。,發(fā)現(xiàn)乳糖操縱子的意義,使得人們對(duì)DNA和蛋白質(zhì)之間的關(guān)系了解的更加全面。一方面，DNA決定著蛋白質(zhì)，它的堿基序列決定蛋白質(zhì)氨基酸的序列；另外，蛋白質(zhì)也對(duì)DNA起著反作用，它可以通過(guò)和DNA結(jié)合，直接和DNA發(fā)生交互作用，進(jìn)而控制基因的活動(dòng)。,1968年Francis Crick在他的論文“基因密碼的起源”一文中提到“可能第一個(gè)酶是具有復(fù)制能力的RNA”時(shí)，沒(méi)有人予以注意。 20年后，

14、在1987年第52屆冷泉港定量生物學(xué)國(guó)際討論會(huì)上Alan Weiner做會(huì)議總結(jié)時(shí)又重復(fù)了20年前Francis Crick的話，會(huì)議注意力已集中到最近發(fā)現(xiàn)的具有酶活性的RNA分子上。,核酶的發(fā)現(xiàn),1981年，Cech發(fā)現(xiàn)四膜蟲(chóng)rRNA的前體在沒(méi)有蛋白質(zhì)的情況下能專(zhuān)一地催化寡聚核苷酸底物的切割與連接，具有分子內(nèi)催化的活性。,1983年，Altman等發(fā)現(xiàn)大腸桿菌RNaseP的蛋白質(zhì)部分除去后，在體外高濃度Mg2+存在下，與留下的RNA部分（M1 RNA）具有與全酶相同的催化活性。,1986年，Cech又證實(shí)rRNA前體的內(nèi)含子能催化分子間反應(yīng)。,核酶的發(fā)現(xiàn)對(duì)于所有酶都是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念提出了挑戰(zhàn)。1989年，核酶的發(fā)現(xiàn)者T.Cech和S.Ahman被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,核酶發(fā)現(xiàn)的意義：,1.它突破了“酶是蛋白質(zhì)”的傳統(tǒng)概念。,現(xiàn)代的酶定義：酶由生物體內(nèi)活細(xì)胞產(chǎn)生的、具有催化功 能的生物大分子。,2.核酸性酶的發(fā)現(xiàn)對(duì)科學(xué)家們普遍感興趣的生命的起源這一問(wèn)題有了新的認(rèn)識(shí)，對(duì)生物前化學(xué)有重要貢獻(xiàn)。 長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)生命起源中是先有蛋白質(zhì)還是先有核酸爭(zhēng)論不休。核酸分子含有合成蛋白質(zhì)的氨基酸序列的信息，而