1、第3節(jié) 遺傳密碼子的破譯,問(wèn)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，那堿基序列與氨基酸序列是如何對(duì)應(yīng)的呢？,歷史的步伐,1、1866年，孟德?tīng)柼岢鲞z傳定律。 2、1883年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)馬蛔蟲(chóng)配中的染色體數(shù)目只有體細(xì)胞中的一半。 3、1890年，科學(xué)家確認(rèn)了減數(shù)分裂產(chǎn)生配子。 4、1891年，科學(xué)家描述了減數(shù)分裂的全過(guò)程。 5、1902年，鮑維豐(T.Boveri)和1903年薩頓(W.Sutton)在研究減數(shù)分裂時(shí)，發(fā)現(xiàn)遺傳因子的行為與染色體行為呈平行關(guān)系，提出染色體是遺傳因子載體，可說(shuō)是染色體遺傳學(xué)說(shuō)的初步論證。 6、19

2、09年的約翰遜(W.Johannsen)稱孟德?tīng)柤俣ǖ摹斑z傳因子”為“基因”，并明確區(qū)別基因型和表型。 7、1909年，詹森斯 (F.A.Janssen)觀察到染色體在減數(shù)分裂時(shí)呈交叉現(xiàn)象，為解釋基因連鎖現(xiàn)象提供了基礎(chǔ)。 8、1909年，摩爾根(T.H.Morgan,1866-1945)開(kāi)始對(duì)果蠅迸行實(shí)驗(yàn)遺傳學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)了伴性遺傳的規(guī)律。他和他的學(xué)生還發(fā)現(xiàn)了連鎖、交換和不分離規(guī)律等。并進(jìn)一步證明基因在染色體上呈直線排列，從而發(fā)展了染色體遺傳學(xué)說(shuō)。 1926年摩爾根提出基因?qū)W說(shuō)，發(fā)表基因論,歷史的步伐,9、 20世紀(jì)中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)染色體主要是由蛋白質(zhì)和DNA組成的。 10、1928年格里菲思的

3、肺炎雙球菌實(shí)驗(yàn)。 11、1940年艾弗里用純化因子研究肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)。 12、1941年提出了一個(gè)基因一種酶的假說(shuō)。一個(gè)基因一種酶假說(shuō)暗示了基因的作用 是指導(dǎo)蛋白質(zhì)分子的最后構(gòu)型，從而決定其特異性。 13、1944年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的什么是生命一書(shū)中就大膽地預(yù)言，遺傳物質(zhì)是一種信息分子，可能類(lèi)似作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個(gè)符號(hào)：“ ”、“”，通過(guò)排列組合來(lái)儲(chǔ)存遺傳信息。 14、1952年赫爾希和蔡斯的T2噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)。確認(rèn)DNA是遺傳物質(zhì)。 15、1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。 16、1957年提出一個(gè)中心法則：遺傳信息可以從DNA流向DNA，也可

4、以從DNA流向RNA， 進(jìn)而流向蛋白質(zhì)。 17、1958年科學(xué)家以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)材料，證實(shí)了DNA的半保留復(fù)制。 18、1961年克里克等證明了他于1958年提出的關(guān)于遺傳三聯(lián)密碼的推測(cè)，1969年 Nirenberg 等解譯出全部遺傳密碼。 19、60年代，闡明mRNA、tRNA 及核糖體的功能、蛋白質(zhì)生物合成的過(guò)程。,研究的背景：,1941年比德?tīng)枺℅.Beadle）和塔特姆（E.Tatum ）的工作則強(qiáng)有力地證明了基因突變引起了酶的改變，而且每一種基因一定控制著一種特定酶的合成，從而提出了一個(gè)基因一種酶的假說(shuō)。人們逐步地認(rèn)識(shí)到基因和蛋白的關(guān)系。 “中心法則”提出后更為明確地指指出了遺傳信

5、息傳遞的方向，總體上來(lái)說(shuō)是從DNARNA蛋白質(zhì)。那DNA和蛋白質(zhì)之間究竟是什么關(guān)系？或者說(shuō)DNA是如何決定蛋白質(zhì)？這個(gè)有趣而深?yuàn)W的問(wèn)題在五十年代末就開(kāi)始引起了一批研究者的極大興趣。 1944年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的什么是生命一書(shū)中就大膽地預(yù)言，染色體是由一些同分異構(gòu)的單體分子連續(xù)所組成。這種連續(xù)體的精確性組成了遺傳密碼。他認(rèn)為遺傳物質(zhì)是一種信息分子，同分異構(gòu)單體可能作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個(gè)符號(hào)：“ ”、“”，通過(guò)排列組合來(lái)儲(chǔ)存遺傳信息。,莫爾斯電報(bào), : 短音 念作滴（di） : 長(zhǎng)音 念作答（da）字碼:A: B: C: D: E: F: G: H: I: J: K: L: M:

6、N: O: P: Q: R: S: T: U: V: W: X: Y: Z: ?: /: : 數(shù)碼(長(zhǎng)碼):1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 0: ,研究的背景：,1944年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的什么是生命一書(shū)，而當(dāng)時(shí)遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是尚未明確的，十年后DNA雙螺旋模型才得以建立，在這樣的背景下能將遺傳信息設(shè)想成一種電碼式的遺傳密碼形式，實(shí)在是一種超越時(shí)代的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)。,到1953年雙螺旋模型的建立，給予科學(xué)家們以很大的激勵(lì)。破譯遺傳密碼也就成了勢(shì)在必行的工作。,遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索,對(duì)于遺傳密碼來(lái)說(shuō)最簡(jiǎn)單的破譯方法應(yīng)是將DNA順序或mRNA順序和多肽相比較。

7、但和一般破譯密碼不同的是，遺傳信息的譯文蛋白的順序是已知的，未知的都是密碼。1954年Sanger用紙層析分析了胰島素的結(jié)構(gòu)后，對(duì)蛋白質(zhì)的氨基酸序列了解得越來(lái)越多。但是直到1969年前后經(jīng)歷了十多年時(shí)間，多位科學(xué)家的執(zhí)著研究才破譯了密碼，其中最為重要的幾項(xiàng)工作其思路之新穎、方法之精巧都閃爍著科學(xué)的智慧之光。,遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索,1954年科普作家伽莫夫G.Gamor對(duì)破譯密碼首先提出了挑戰(zhàn)。他以著有奇異王國(guó)的湯姆金斯等優(yōu)秀的科學(xué)幻想作品而著稱，具有豐富的想象力，但他不是一位實(shí)驗(yàn)科學(xué)家，所以只能從理論上來(lái)嘗試密碼的解讀。當(dāng)年，他在自然Nature雜志首次發(fā)表了遺傳密碼的理論研究的文章

8、，指出三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸。,遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索,接下來(lái)，人們不禁又要問(wèn)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)閱讀呢？以重疊和非重疊方式閱讀DNA序列會(huì)有什么不同呢？,思考與討論,遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索,遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索,1957年Brenner.S發(fā)表了一篇令人興奮的理論文章，他通過(guò)蛋白質(zhì)的氨基酸順序分析，發(fā)現(xiàn)不存在氨基酸的鄰位限制作用，從而否定了遺傳密碼重疊閱讀的可能性。同時(shí)人們也發(fā)現(xiàn)在鐮刀形細(xì)胞貧血的例子中，血紅蛋白中僅有一個(gè)氨基酸發(fā)生改變。,遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索,很遺憾，伽莫夫也許是考慮到效率的問(wèn)題，認(rèn)為一個(gè)堿基可能被重復(fù)讀多次，也就

9、是說(shuō)遺傳密碼的閱讀是完全重疊的，因此氨基酸數(shù)目和核苷酸數(shù)目存在著一對(duì)一的關(guān)系。,智者千慮，必有一失。很多著名的科學(xué)家也有過(guò)類(lèi)似的失誤。在資料較少的情況下，對(duì)未知的真理作出推斷，難免會(huì)發(fā)生偏差，但瑕不掩瑜，人們對(duì)他們的那種敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新的精神，巧妙的構(gòu)思仍敬佩不已。,遺傳密碼子的驗(yàn)證（克里克的實(shí)驗(yàn)）,他們用T4噬菌體染色體上的一個(gè)基因通過(guò)用原黃素處理，可以使DNA脫落或插入單個(gè)堿基，插入叫“加字”突變，脫落叫“減字”突變，無(wú)論加字和減字都可以引起移碼突變。Crick小組用這種方法獲得一系列的T4噬菌體“加字”和“減字”突變，再進(jìn)行雜交來(lái)獲得加入或減少一個(gè)，二個(gè)，三個(gè)的不同堿基數(shù)的系列突變

10、。 通過(guò)這樣的方法他們發(fā)現(xiàn)加入或減少一個(gè)和二個(gè)堿基都會(huì)引起噬菌體突變，無(wú)法產(chǎn)生正常功能的蛋白，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(huì)這樣呢？,遺傳密碼對(duì)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) ：,遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn),這一結(jié)果不僅證實(shí)了無(wú)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(wú)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(lái)了重大的成功！,對(duì)比克里克和尼倫伯格的實(shí)驗(yàn),遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn),在接下來(lái)的六七年

11、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(lèi)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(dòng)作用。 遺傳密碼的破譯，測(cè)序方法的建立以及體外重組的實(shí)現(xiàn)是基因工程的三大基石。,小結(jié),1、 1941年提出了一個(gè)基因一種酶的假說(shuō)。一個(gè)基因一種酶假說(shuō)暗示了基因的作用是指導(dǎo)蛋白質(zhì)分子的最后構(gòu)型，從而決定其特異性。 2、1944年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的什么是生命一書(shū)中就大膽地預(yù)言，遺傳物質(zhì)是一種信息分子，可能類(lèi)似作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個(gè)符號(hào)：“ ”、“”，通過(guò)排列

12、組合來(lái)儲(chǔ)存遺傳信息。 3、1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。 4、1954年Sanger用紙層析分析了胰島素的結(jié)構(gòu)后，對(duì)蛋白質(zhì)的氨基酸序列了解得越來(lái)越多。 5、1954年科普作家伽莫夫G.Gamor對(duì)破譯密碼首先提出了挑戰(zhàn)。指出三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸，他同時(shí)也認(rèn)為遺傳密碼的閱讀是完全重疊的，因此氨基酸數(shù)目和核苷酸數(shù)目存在著一對(duì)一的關(guān)系。 6、1957年提出一個(gè)中心法則：遺傳信息可以從DNA流向DNA，也可以從DNA流向RNA，進(jìn)而流向蛋白質(zhì)。 7、1957年Brenner.S發(fā)表的理論文章，他通過(guò)蛋白質(zhì)的氨基酸順序分析，發(fā)現(xiàn)不存在氨基酸的鄰位限制作用，從而否定了遺傳密碼重疊閱讀的可

13、能性。 8、1961年克里克等證明了關(guān)于遺傳三聯(lián)密碼的推測(cè)。 9、1962年尼倫伯格和馬太蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗(yàn)破譯出了第一個(gè)遺傳密碼UUU。 10、1969年科學(xué)家們解譯出全部遺傳密碼。,小結(jié),1944年理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的什么是生命一書(shū)中就大膽地預(yù)言，遺傳密碼可能與莫爾斯電碼類(lèi)似，通過(guò)排列組合來(lái)儲(chǔ)存遺傳信息。 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。 1957年Brenner.S發(fā)表文章，在理論上否定了遺傳密碼重疊閱讀的可能性。 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。 1961年尼倫伯格和馬太利用無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行體外重組破譯了第

14、一個(gè)遺傳密碼。 1969年科學(xué)家們破譯了全部的密碼。,小結(jié),我們注意整個(gè)破譯過(guò)程中科學(xué)家思維的變化，薛定諤是以富有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的大膽的想象來(lái)預(yù)測(cè)遺傳密碼的形式的，伽莫夫通過(guò)數(shù)學(xué)的排列組合的計(jì)算來(lái)推測(cè)密碼子是由三個(gè)堿基組成的，同時(shí)他也預(yù)測(cè)了密碼的閱讀方式，盡管智者千慮，必有一失，但巧妙的構(gòu)思依然顯示了其睿智和創(chuàng)新?？死锟藙t是巧妙地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用原黃素處理噬菌體，使DNA脫落或插入單個(gè)堿基的方法從實(shí)驗(yàn)上證明了伽莫夫的三聯(lián)體密碼子的推測(cè)，由理論走向?qū)嶒?yàn)，為密碼子的破譯邁出重要的一步。而尼倫伯格的實(shí)驗(yàn)則更富有創(chuàng)新性，他建立巧妙的無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行體外蛋白質(zhì)合成成功地破譯了第一個(gè)密碼子，隨后的方法不斷創(chuàng)新最終破

15、譯了所有的密碼子。他的貢獻(xiàn)不僅僅在于對(duì)遺傳密碼的破譯，更重要的也在對(duì)生物研究方法上開(kāi)啟了新的思維方式。 歸結(jié)起來(lái)，我們看到，敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新是科學(xué)家的重要素養(yǎng)，也正如尼倫伯格在1968年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲時(shí)說(shuō)過(guò)：一個(gè)善于捕捉細(xì)節(jié)的人才是能領(lǐng)略事物真諦的人。,練習(xí)（P76第2題）,遺傳密碼的特點(diǎn)：不間斷性；不重疊性；簡(jiǎn)并性；通用性。,練習(xí),C,1尼倫伯格和馬太采用蛋白質(zhì)體外合成的技術(shù),用人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸合成多聚苯丙氨酸的肽鏈時(shí),加入細(xì)胞液。下列是合成過(guò)程中利用的細(xì)胞液成分,其中正確的是( A )。 ATP酶tRNA苯丙氨酸mRNA DNArRNA A.B. C.D.,練習(xí),D,2若細(xì)胞質(zhì)中tRNA1(AUU