4.3 传密码的破译(选学)

一、教学目标

1.说出遗传密码的阅读方式。

2.说出遗传密码的破译过程。

二、教学重点和难点

1.教学重点

遗传密码的破译过程。

2.教学难点

尼伦伯格和马太设计的蛋白质体外合成实验。

三、教学策略

本节内容属于选学，可用1课时，由教师根据实际情况灵活安排。本节的主要内容是遗传密码的破译过程，是对本章第1节的重要补充。学生在第1节中已经学习了遗传密码，但并不了解遗传密码是如何破译的，本节引导学生认识遗传密码的破译过程，使学生通过这一研究过程学习其中蕴含的科学研究方法。

1.采用类比的学习方法，使复杂的问题更容易理解。

遗传密码对于学生而言是比较深奥的，教师可以从教材问题探讨栏目提供的莫尔斯密码入手，切入本节内容。克里克的实验实际上是相当复杂的，对于其实验结果的分析，教学中可以采用与英文句子类比的方法来帮助学生分析理解，使复杂的问题更容易为学生接受。

2.以分析尼伦伯格和马太实验的设计思路为突破口，初步理解遗传密码的破译方法。

对尼伦伯格和马太实验的理解是本节教学难点。尼伦伯格和马太设计实验的思路与克里克的完全不同。他们的思路跳出了生物体的限制，通过生物化学手段，他们成功地建立了体外蛋白质合成系统，发现了一个特定的遗传密码所对应的特定的氨基酸，可谓山重水复疑无路，柳暗花明又一村。

教材中安排了蛋白质体外合成的实验示意图，意在帮助学生理解这个实验的设计思路。作为示意图，它只画出了4种氨基酸。实际实验中，测试的是组成蛋白质的20种氨基酸。在这20种氨基酸中，只有加入了苯丙氨酸的试管才出现多聚苯丙氨酸的肽链。教材中的旁栏思考题意在让学生学会科学实验中对照组的设置。只有对照设置正确，实验结果才无懈可击。

四、答案和提示

（一）问题探讨

(二)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，将影响1个氨基酸；如果密码是重叠的，将影响3个氨基酸。

2.提示：先写出改变后的碱基序列，再按照非重叠阅读的方式和重叠阅读的方式分别写出其对应的氨基酸序列，分别与原序列编码的氨基酸序列进行比较就可得出答案。

（三）旁栏思考题

1.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也会干扰实验结果，因此需要除去细胞提取液中的dna 和mrna。

2.作为对照实验的试管中，所有成分都与实验组的试管相同，但是不加入多聚尿嘧啶核苷酸。

（四）练习

基础题

1.d。

2.提示：可以从密码间有无分隔符、长度是否固定、阅读方式是否重叠、密码所采用的符号等多方面进行比较。

拓展题

克里克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，这种方法不需要理解蛋白质合成的过程，就能推断出密码子的总体特征，但是证据相对间接，并且工作量大。尼伦伯格通过建立蛋白质体外合成系统，直接破解了遗传密码的对应规则，这种方法快速、直接，但是这种方法的建立需要首先了解细胞中蛋白质合成所需要的条件。

五、参考资料

1.遗传密码的特点

不间断性 mrna的三联体密码是连续排列的，相邻密码之间无核苷酸间隔。所以，若在某基因编码区的dna序列或其mrna中间插入或删除1～2个核苷酸，则其后的三联体组合方式都会改变，不能合成正常的蛋白质，这样的突变亦称移码突变，对微生物常有致死作用。

简并性绝大多数氨基酸具有2个以上不同的密码子，这一现象称做简并性，编码相同氨基酸的密码子称同义密码子。由于简并性，某些dna碱基变化不会引起相应蛋白质的氨基酸序列改变，这对维持物种的稳定性有重要意义。

通用性除线粒体的个别密码外，生物界通用一套遗传密码，细菌、动物和植物等不同物种之间，蛋白质合成机制及其mrna都是可以互换的。例如，真核生物的基因可以在原核生物中表达，反之亦然。

起始码与终止码 uag、uaa、uga为终止码，它们不为任何氨基酸编码，而代表蛋白质翻译的终止。aug是甲硫氨酸的密码，同时又是起始密码。

2.遗传密码的破译

早期有关基因功能的研究工作，如一个基因一个酶的假说，明确了基因的碱基顺序，规定了其蛋白质产物的氨基酸数目与排列顺序。破译遗传密码实际上就是要找到基因中dna分子的碱基顺序与它编码的蛋白质氨基酸顺序的对应关系：几个碱基决定一个氨基酸？哪几个碱基决定哪种氨基酸？

要判断哪个三联体密码决定哪种氨基酸，首先需要一种人工合成rna分子的方法和一个能够在体外合成蛋白质的实验系统，这样，在试管中加入已知序列的rna，再通过分析新合成的蛋白质产物的氨基酸排列顺序就可以推断密码子和氨基酸的对应关系。

1955年，科学家发现一种被称为多聚核苷酸磷酸化酶的生物大分子，它能在试管中催化合成rna，而不需要dna模板。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。当尼伦伯格把人工合成的全部由尿嘧啶组成的rna加入蛋白质体外合成系统后，得到的新合成的蛋白质只含苯丙氨酸，结果说明uuu是编码苯丙氨酸的密码子。这是第一个被破译的三联体密码。

1966年，又有科学家发明了一种新的rna合成方法，通过这种方法合成的rna可以是以2个、3个或4个碱基为单位的重复序列，如aguaguaguaguaguaguagu等，用它们作模板合成的蛋白质的氨基酸序列同样是有规律重复的。如果用ugugugugugugugugug作模板，得到的新合成的蛋白质是由半胱氨酸和缬氨酸交替连接而成，则可以肯定ugu是半胱氨酸的密码子，而gug 是缬氨酸的密码子。利用这种方法破译的密码很多，其中包括终止密码uga、uag和uaa。

3.重叠基因

长期以来，人们一直认为同一段dna序列内不可能存在着重叠的基因。因为，如果存在这种2个基因彼此重叠的情况，那么在第一个基因上发生的突变，就往往会使第二个基因也伴随着发生突变。但是，随着dna核苷酸序列测定技术的发展，人们已经在一些噬菌体和动物病毒中发现，不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的。我们称这样的两个基因为重叠基因（overlapping genes）。已知大肠杆菌φx174噬菌体单链dna共有5 387个核苷酸。如果使用单一的读码结构，那么它最多只能编码1 795个氨基酸。按每个氨基酸的平均相对分