第四章第三节遗传密码的破译
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第四章《基因的表达》
第三节 遗传密码的破译
无论从电文译成英文还是从英文译成电文都离不开 莫尔斯密码表
• : 短音 念作"滴（di）" — : 长音 念作"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: — — — — —
如何证明组氨酸和苏氨酸的密码 子是ACA还是CAC呢？请设计实验 证明。 提示：参考霍拉纳的设计方法。
3、科学实验 设想：再用类似的方法合成含有
苏氨酸或组氨酸的多聚体，如果 其模板RNA上有ACA或CAC， 即可确定。
3.3霍拉纳的 RNA重复序 方案：如合成（CAA）n长链，重 列翻译实验 复上述实验，合成产物为谷氨酰胺、
·－ －/ ···· · ·－ · /· －· /－ / / /· －/· /· －· /－· /·· －·/－－－/－· /· /· /· ·/· · －· －/ －/· · /－·/
Where are genes located
－·/－· － · /· DNA
mRNA是怎样把其中的碱基序列转 化为蛋白质中相应氨基酸排列次序的？ mRNA的碱基与氨基酸之间是如何对应 的？
天冬酰胺和苏氨酸的多聚体。如果 是(ACC) n可以吗？
将科学家和自己的实验结果对比分析， 即可确定ACA是苏氨酸的密码子，CAC 是组氨酸的密码子。
3、科学实验
3.3霍拉纳的 RNA重复序 列翻译实验
运用此类方法就可以破译其他氨 基酸的遗传密码。所有遗传密码 破译之后就等到了课本第65页的 密码子表。
2、从数学 角度认识碱 基与氨基酸 的对应关系
学生通过数学运算、小组讨 论、推理猜想，即可确定 “理论上应该是三个碱基决 定一个氨基酸”。
上述结论仅为数学推理，如何证 明呢？
资料2：上世纪50～60年代，DNA分子结 构的发现者克里克研究表明：在T4噬菌 3、 体的相关碱基序列中增加或者删除一个 科 碱基，无法产生正常功能的蛋白质；增 学 加或删除两个碱基，也不能产生正常功 实 能的蛋白质；但是，当增加或者删除三 验 个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋 白质。 为什么会产生这样的现象呢？ 请分析找出原因 3.1 克里
1954年科普作家伽莫夫 (G.Gamor)对破译密码首先 1. 遗传密 码阅读方 式 提出了挑战。当年，他在 《自然Nature》杂志首次 发表了遗传密码的理论研究
的文章，指出三个碱基编码
一个氨基酸。
接下来，人们不禁又要问 在三联体中的每个碱基作为
问题探究
信息只读一次还是重复阅读
呢？以重叠和非重叠方式阅
请认真阅读密码子表，分析回答下列问 题，总结遗传密码的特点。
4、遗传密码 的特点
1、在mRNA上两个密码子之间 有无核苷酸隔开？ 2、一个氨基酸具有1个、2个 还是2个以上的密码子？ 3、密码子都决定氨基酸吗？ 4、将人的胰岛素基因导入大 肠杆菌，控制合成了人的胰岛 素，说明什么？
分析归纳，表达交流。
3、科学实验
3.2尼伦伯格 和马太的大 肠杆菌实验
上述方法只能破译AAA是 赖氨酸的密码子，CCC是 脯氨酸的密码子，GGG是 甘氨酸的密码子，UUU是 苯丙氨酸的密码子。只能 确定4种氨基酸的遗传密码， 所以密码子中肯定还有2种 或3种碱基组合的情况。
引入科学资料4
材料4：1966年科学家霍拉纳发明了一 种新的RNA合成方法，通过这种方法合 3、科学实验 成的RNA可以是2个、3个或4个碱基为单 位的重复序列，例如:将A、C两种核苷 酸缩合为ACACACACAC……长链，以它作 人工信使进行蛋白质合成，结果发现产 3.3霍拉纳的 物是苏氨酸和组氨酸的多聚体，说明苏 RNA重复序 氨酸的密码子可能是ACA，也可能是CAC； 列翻译实验 同样，组氨酸的密码子可能是CAC，也 可能是ACA。
读DNA序列会有什么不同呢？
学生活动
思考与 讨论
1.当图中DNA的第三个碱基(T) 发生改变时,如果密码是非重 叠的,这一改变将影响____个 1 氨基酸,如果是重叠的又将影 响_____个氨基酸。 3 2.在图中DNA的第三个碱基(T) 后插入一个碱基A,如果密码是 非重叠的,这一改变将影响 ____个氨基酸,如果密码是重 3 3 叠的,又将影响_____个氨基酸。
类比推理即可得知：“出现上述现 象的原因是，信使RNA上的每三 个碱基决定一个氨基酸”。
翠园中学生物组
3 请比较分析下图:增加或插入___个碱基对原有氨基 酸序列影响最小。
GGTTCGCACGCTTTGAGC 插入1个碱基： GGTATCGCACGCTTTGAGC
GGTAATCGCACGCTTTGAGC 插入2个碱基： 插入3个碱基： GGTAAATCGCACGCTTTGAGC
如果是你，如何设计实验破译 遗传密码？
提示：实验提供有多个试管和 20种氨基酸溶液。
3、科学实验
3.2 尼伦伯格 和马太的大 肠杆菌实验
实验方案设计过程面临3个问 题： 合成怎样的RNA作为模板？ 需要一组还是多组实验？ 氨基酸怎样加入？
用单核苷酸人工合成RNA，分多个 实验组，分别加入不同的氨基酸， 即可破译UUU-苯丙氨酸。
B
提示：
用二个或三个、四个核苷酸构造重复共聚体 来确定密码子 重复顺序 (UC)n 可组成的三联 多肽的氨基酸 密码 组成 UCU-CUC 丝--亮
(UUC); (UCU); (CUU) 苯丙氨酸, 丝氨 酸, 亮氨酸
(UUC)n
(UUAC)n
(UUA-CUUACU-UAC)
亮- 亮-苏-酪
密码子具有
4、遗传密码 的特点
连续性、简并性、 通用性、 不重叠性
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：( ) 5、课堂练习 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 6、拓展练习 D．测定多肽链中氨基酸种类的方法 假如，我们利用(UUC)n核苷酸长链合成 了含有丝氨酸的多肽，那么丝氨酸可能 的密码子是什么？如何运用实验方法确 证苏氨酸的密码子究竟是什么？
三、遗传密码对应规则的发现
1961-1962年，尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验 ：
每个试管各加入一种氨基酸，再加入除去了DNA 和mRNA的细胞提取液，以及人工合成的RNA多聚 尿嘧啶核苷酸，结果加入了苯丙氨酸的试管中出现了 多聚苯丙氨酸的肽链。
思考：
1、上述实验中为什么要除去细胞提取液中的 DNA和mRNA？ 细胞中原有的mRNA会作为合成蛋白质的 模板干扰实验结果；细胞中原有的DNA可能 作为mRNA合成的模板，而新合成的mRNA 也会干扰实验的结果，因些要除去。 2、如果你是尼伦伯格或马太，你将如何设计 对照组的实验，确保你的重大发现得到同行的 认可？ 作为对照实验的试管中，除不加入多聚尿 嘧啶核苷酸外，其它所有成分都与实验组的 试管相同。
克T4噬菌 体实验
提示：把THE FAT CAT ATE THE BIG RAT中的单词看作决定一个氨 基酸的密码子
3、科学实验
THE FAT CAT ATE THE BIG RAT
3.1 克里克T4 噬菌体实验
试着插入或删去其中的一个、两 个、三个字母，看后面的语意会 有什么变化？ 通过小组推演讨论，会发现只有插 入或删去其中的三个字母，后面的 语意才不变。究其原因为三个字母 组成一个单词。
克里克是第一个用实验证明遗传密码中3个碱 基编码1个氨基酸的科学家。这个实验还同时表明: 遗传密码从一个固定的起点开始,以非重叠的方式阅 读,编码之间没有分隔符。
引入科学资料3
3、科学实验
3.2 尼伦伯格 和马太的大 肠杆菌实验
资料3：1961年，尼伦伯格和马太 利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建 立了一种利用人工合成的RNA在试 管里合成多肽链的实验系统，其中 含有核糖体等合成蛋白质所需的各 种成分。利用这个实验系统，尼伦 伯格和马太设计了一个巧妙的实验， 破译了第一个遗传密码，即UUU-苯 丙氨酸。
伽莫夫指出的三个碱基编码一个
氨基酸正确吗？阅读方源自文库究竟是
深入探究
重叠还是非重叠的？密码之间是 否有分隔符？ 下面将通过同学们的探究性学习 活动，研究碱基与氨基酸之间的 对应关系。
资料1：mRNA只有4种碱基，而 组成蛋白质的氨基酸有20种， 这四种碱基是怎么决定蛋白质 的20种氨基酸的呢？如果1个碱 基决定一个氨基酸，那么4种碱 2. 从数学角 基只能决定4种氨基酸，显然这 度认识碱基 种组合是不够的。 与氨基酸的 对应关系 想一想，①如果2个相邻碱基决定一种 氨基酸呢？②如果3个相邻碱基决定一 种氨基酸呢？③由此分析你认为应该 由多少个碱基编码一个氨基酸，4种碱 基才足以组合出构成蛋白质的20种氨 基酸？
第三节 遗传密码的破译
无论从电文译成英文还是从英文译成电文都离不开 莫尔斯密码表
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如何证明组氨酸和苏氨酸的密码 子是ACA还是CAC呢？请设计实验 证明。 提示：参考霍拉纳的设计方法。
3、科学实验 设想：再用类似的方法合成含有
苏氨酸或组氨酸的多聚体，如果 其模板RNA上有ACA或CAC， 即可确定。
3.3霍拉纳的 RNA重复序 方案：如合成（CAA）n长链，重 列翻译实验 复上述实验，合成产物为谷氨酰胺、
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Where are genes located
－·/－· － · /· DNA
mRNA是怎样把其中的碱基序列转 化为蛋白质中相应氨基酸排列次序的？ mRNA的碱基与氨基酸之间是如何对应 的？
天冬酰胺和苏氨酸的多聚体。如果 是(ACC) n可以吗？
将科学家和自己的实验结果对比分析， 即可确定ACA是苏氨酸的密码子，CAC 是组氨酸的密码子。
3、科学实验
3.3霍拉纳的 RNA重复序 列翻译实验
运用此类方法就可以破译其他氨 基酸的遗传密码。所有遗传密码 破译之后就等到了课本第65页的 密码子表。
2、从数学 角度认识碱 基与氨基酸 的对应关系
学生通过数学运算、小组讨 论、推理猜想，即可确定 “理论上应该是三个碱基决 定一个氨基酸”。
上述结论仅为数学推理，如何证 明呢？
资料2：上世纪50～60年代，DNA分子结 构的发现者克里克研究表明：在T4噬菌 3、 体的相关碱基序列中增加或者删除一个 科 碱基，无法产生正常功能的蛋白质；增 学 加或删除两个碱基，也不能产生正常功 实 能的蛋白质；但是，当增加或者删除三 验 个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋 白质。 为什么会产生这样的现象呢？ 请分析找出原因 3.1 克里
1954年科普作家伽莫夫 (G.Gamor)对破译密码首先 1. 遗传密 码阅读方 式 提出了挑战。当年，他在 《自然Nature》杂志首次 发表了遗传密码的理论研究
的文章，指出三个碱基编码
一个氨基酸。
接下来，人们不禁又要问 在三联体中的每个碱基作为
问题探究
信息只读一次还是重复阅读
呢？以重叠和非重叠方式阅
请认真阅读密码子表，分析回答下列问 题，总结遗传密码的特点。
4、遗传密码 的特点
1、在mRNA上两个密码子之间 有无核苷酸隔开？ 2、一个氨基酸具有1个、2个 还是2个以上的密码子？ 3、密码子都决定氨基酸吗？ 4、将人的胰岛素基因导入大 肠杆菌，控制合成了人的胰岛 素，说明什么？
分析归纳，表达交流。
3、科学实验
3.2尼伦伯格 和马太的大 肠杆菌实验
上述方法只能破译AAA是 赖氨酸的密码子，CCC是 脯氨酸的密码子，GGG是 甘氨酸的密码子，UUU是 苯丙氨酸的密码子。只能 确定4种氨基酸的遗传密码， 所以密码子中肯定还有2种 或3种碱基组合的情况。
引入科学资料4
材料4：1966年科学家霍拉纳发明了一 种新的RNA合成方法，通过这种方法合 3、科学实验 成的RNA可以是2个、3个或4个碱基为单 位的重复序列，例如:将A、C两种核苷 酸缩合为ACACACACAC……长链，以它作 人工信使进行蛋白质合成，结果发现产 3.3霍拉纳的 物是苏氨酸和组氨酸的多聚体，说明苏 RNA重复序 氨酸的密码子可能是ACA，也可能是CAC； 列翻译实验 同样，组氨酸的密码子可能是CAC，也 可能是ACA。
读DNA序列会有什么不同呢？
学生活动
思考与 讨论
1.当图中DNA的第三个碱基(T) 发生改变时,如果密码是非重 叠的,这一改变将影响____个 1 氨基酸,如果是重叠的又将影 响_____个氨基酸。 3 2.在图中DNA的第三个碱基(T) 后插入一个碱基A,如果密码是 非重叠的,这一改变将影响 ____个氨基酸,如果密码是重 3 3 叠的,又将影响_____个氨基酸。
类比推理即可得知：“出现上述现 象的原因是，信使RNA上的每三 个碱基决定一个氨基酸”。
翠园中学生物组
3 请比较分析下图:增加或插入___个碱基对原有氨基 酸序列影响最小。
GGTTCGCACGCTTTGAGC 插入1个碱基： GGTATCGCACGCTTTGAGC
GGTAATCGCACGCTTTGAGC 插入2个碱基： 插入3个碱基： GGTAAATCGCACGCTTTGAGC
如果是你，如何设计实验破译 遗传密码？
提示：实验提供有多个试管和 20种氨基酸溶液。
3、科学实验
3.2 尼伦伯格 和马太的大 肠杆菌实验
实验方案设计过程面临3个问 题： 合成怎样的RNA作为模板？ 需要一组还是多组实验？ 氨基酸怎样加入？
用单核苷酸人工合成RNA，分多个 实验组，分别加入不同的氨基酸， 即可破译UUU-苯丙氨酸。
B
提示：
用二个或三个、四个核苷酸构造重复共聚体 来确定密码子 重复顺序 (UC)n 可组成的三联 多肽的氨基酸 密码 组成 UCU-CUC 丝--亮
(UUC); (UCU); (CUU) 苯丙氨酸, 丝氨 酸, 亮氨酸
(UUC)n
(UUAC)n
(UUA-CUUACU-UAC)
亮- 亮-苏-酪
密码子具有
4、遗传密码 的特点
连续性、简并性、 通用性、 不重叠性
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：( ) 5、课堂练习 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 6、拓展练习 D．测定多肽链中氨基酸种类的方法 假如，我们利用(UUC)n核苷酸长链合成 了含有丝氨酸的多肽，那么丝氨酸可能 的密码子是什么？如何运用实验方法确 证苏氨酸的密码子究竟是什么？
三、遗传密码对应规则的发现
1961-1962年，尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验 ：
每个试管各加入一种氨基酸，再加入除去了DNA 和mRNA的细胞提取液，以及人工合成的RNA多聚 尿嘧啶核苷酸，结果加入了苯丙氨酸的试管中出现了 多聚苯丙氨酸的肽链。
思考：
1、上述实验中为什么要除去细胞提取液中的 DNA和mRNA？ 细胞中原有的mRNA会作为合成蛋白质的 模板干扰实验结果；细胞中原有的DNA可能 作为mRNA合成的模板，而新合成的mRNA 也会干扰实验的结果，因些要除去。 2、如果你是尼伦伯格或马太，你将如何设计 对照组的实验，确保你的重大发现得到同行的 认可？ 作为对照实验的试管中，除不加入多聚尿 嘧啶核苷酸外，其它所有成分都与实验组的 试管相同。
克T4噬菌 体实验
提示：把THE FAT CAT ATE THE BIG RAT中的单词看作决定一个氨 基酸的密码子
3、科学实验
THE FAT CAT ATE THE BIG RAT
3.1 克里克T4 噬菌体实验
试着插入或删去其中的一个、两 个、三个字母，看后面的语意会 有什么变化？ 通过小组推演讨论，会发现只有插 入或删去其中的三个字母，后面的 语意才不变。究其原因为三个字母 组成一个单词。
克里克是第一个用实验证明遗传密码中3个碱 基编码1个氨基酸的科学家。这个实验还同时表明: 遗传密码从一个固定的起点开始,以非重叠的方式阅 读,编码之间没有分隔符。
引入科学资料3
3、科学实验
3.2 尼伦伯格 和马太的大 肠杆菌实验
资料3：1961年，尼伦伯格和马太 利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建 立了一种利用人工合成的RNA在试 管里合成多肽链的实验系统，其中 含有核糖体等合成蛋白质所需的各 种成分。利用这个实验系统，尼伦 伯格和马太设计了一个巧妙的实验， 破译了第一个遗传密码，即UUU-苯 丙氨酸。
伽莫夫指出的三个碱基编码一个
氨基酸正确吗？阅读方源自文库究竟是
深入探究
重叠还是非重叠的？密码之间是 否有分隔符？ 下面将通过同学们的探究性学习 活动，研究碱基与氨基酸之间的 对应关系。
资料1：mRNA只有4种碱基，而 组成蛋白质的氨基酸有20种， 这四种碱基是怎么决定蛋白质 的20种氨基酸的呢？如果1个碱 基决定一个氨基酸，那么4种碱 2. 从数学角 基只能决定4种氨基酸，显然这 度认识碱基 种组合是不够的。 与氨基酸的 对应关系 想一想，①如果2个相邻碱基决定一种 氨基酸呢？②如果3个相邻碱基决定一 种氨基酸呢？③由此分析你认为应该 由多少个碱基编码一个氨基酸，4种碱 基才足以组合出构成蛋白质的20种氨 基酸？