第九讲第二套遗传密码
第二套遗传密码子science_1998
Insights into Editing from an Ile-tRNA Synthetase Structure with tRNA Ile and Mupirocin Laura F. Silvian, et al. Science 285, 1074 (1999); DOI: 10.1126/science.285.5430.1074
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Insights into Editing from an Ile-tRNA Synthetase Structure
with tRNAIle and Mupirocin
Laura F. Silvian,1,3* Jimin Wang,1 Thomas A. Steitz1,2,3
Isoleucyl–transfer RNA (tRNA) synthetase (IleRS) joins Ile to tRNAIle at its synthetic active site and hydrolyzes incorrectly acylated amino acids at its editing active site. The 2.2 angstrom resolution crystal structure of Staphylococcus aureus IleRS complexed with tRNAIle and Mupirocin shows the acceptor strand of the tRNAIle in the continuously stacked, A-form conformation with the 3Ј terminal nucleotide in the editing active site. To position the 3Ј terminus in the synthetic active site, the acceptor strand must adopt the hairpinned conformation seen in tRNAGln complexed with its synthetase. The amino acid editing activity of the IleRS may result from the incorrect products shuttling between the synthetic and editing active sites, which is reminiscent of the editing mechanism of DNA polymerases.
人教课标版高中生物必修2《遗传密码的破译(选学)》名师教案
《遗传密码的破译》教案一、选题原因及教材分析：《遗传密码的破译》是人教版高中生物必修2第4章《基因的表达》中的一节内容。
在教材中属于选学内容，但考虑到该内容蕴涵有丰富的科学史探究素材，非常适合学生进行探究性学习活动。
通过探究性学习活动，能使学生经历和体验科学探究的过程，体味科学的本质，激发其学习生物学的兴趣，培养学生的生物科学素养，达到知识、能力、情感三者合一的教学目标。
同时本课通过对遗传密码破译的深入认识，也为之后学习理解基因突变的内容打下了坚实的基础。
二、学情分析及教学目标的设定：通过对本章第一节的学习，学生对遗传密码的作用及原理已经有清楚的认识，但是对遗传密码的破译过程并不了解，而且有着较强的学习欲望。
高二学生的逻辑推理能力较强，已经可以理解克里克和尼伦伯格的实验原理及实验结论的推导过程。
所以根据以上学情，我设立了以下教学目标：知识与能力目标：（1）通过教师讲解、阅读文本，能够简述遗传密码的结构特点及阅读方式。
（2）通过师生互动、小组讨论，能够说明克里克及尼伦伯格实验原理及结论。
学科素养（1）基础知识（遗传密码的结构特点及阅读方式；克里克及尼伦伯格实验原理及结论）；（2）基本技能（通过再现科学史培养学生实验设计与科学探究能力；通过总结遗传密码的特点训练学生对比分析、归纳总结能力）；（3）基本思想（通过遗传密码的结构特定及阅读方式的学习，能够再现科学史让学生体验科学方法与科学态度）；（4）基本活动经验（通过遗传密码的结构特定及阅读方式的学习，感受科学知识发现过程的艰辛和漫长）。
三、教学重点难点及突破方法：本课的教学重点及难点是克里克及尼伦伯格实验原理及结论的认识过程。
教师利用多媒体课件辅助教学，同时引导学生层层深入理解实验原理，通过讨论学习的方法了解学生的学习过程，及时修正一些错误的想法，使学生最终理解实验的原理及结论。
四、教学过程：新课导入：本课教师杜撰了一个小故事：“校园内离奇的谋杀案”柯南发留在被害人衣服内的一张神秘纸条“AUGCUAUUGUAA”怎样来破译这张纸条的信息呢？引导学生阅读并利用遗传密码子表发现其中包含了“甲硫氨酸、亮氨酸、亮氨酸、终止密码子”4个密码子的信息，最终将犯罪嫌疑人锁定为贾亮亮。
生化名词解释、
（A）氨基端：蛋白质的基本组成单位，广义上指分子中既有氨基又有羧基的化合物。
氨基酸脱羧作用：在微生物中很普遍，在高等动、植物组织内也有此作用，但不是氨基酸代谢的主要方式α-氧化：长链脂肪酸的α-碳在加单氧酶的催化下氧化成羟基生成α-羟脂酸的过程成为α-氧化（B）Β折叠：重复性结构，靠相邻肽链间的氢键维持结构稳定性，反平行结构更为稳定Β转角：（β弯曲）发夹结构Β凸起：小的非重复性结构，能单独存在，大多数为反平行β折叠中的一种不规则情况变性：天然蛋白质因受物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规律性结构发生变化，致使蛋白质的理化性质和生物学性质都有所改变，但一级结构不被破坏的现象吡喃糖：C1与C3上的羟基形成六元环不可逆抑制剂：与酶的必需基因以共价键结合，引起酶永久性失活，其抑制作用不能用透析、别构效应：蛋白质在表现其生物功能时，构象发生改变从而改变整个分子性质的现象超滤等温和物理手段解除别构调节：具有别构作用的酶大多是寡聚酶，一般由两个或连个以上的亚基所组成别构酶：具有别构调节作用的酶，通常是由多个亚基组成的寡聚酶，可具有多个活性部位与调节部位比活力：每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数，是酶样品纯度的指标丙酮酸脱氢酶系：（多酶复合物）线粒体内膜上有，，催化丙酮酸进行下进行不可逆的氧化与脱羧反应，并使之与CoA结合形成乙酰CoA。
必需脂肪酸：必需由食物获得必需氨基酸：由食物中获取，苏氨酸，赖氨酸，甲硫氨酸，色氨酸，苯丙氨酸缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸半缩醛：单糖分子中醛基和其他碳原子上的羟基成环反应生成的反应半保留复制：DNA的两条链彼此分开各自作为模板，按碱基配对规则合成互补链，由此产生的子代DNA的一条链来自亲代，另一条链是以这条亲代链为模板合成的新链半不连续复制：DNA复制时，一条链是连续合成的，另一条链都是由间断合成的短片段连接而成不依赖于ρ因子的终止子：通常有一个富含AT的区域和一个或多个富含GC的区域，具有回文对称序列，该序列转录生成的RNA能形成茎环二级结构，终止RNA聚合酶的转录作用摆动性：tRNA上的反密码子与mRNA的密码子配对时，密码子的第一位、第二位碱基是严格按照碱基配对原则进行的，而第三位碱基配对则不很严格的现象(C)超二级结构：若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，互成有规则的，在空间上能够辨认的二级结构组合体操纵子：功能相关的基因常串联在一起，由共同的调控元件调控，并转录成同一mRNA分子，可指导多种蛋白质合成的结构，原核细胞基因表达的协调单位。
《遗传密码的破译》 知识清单
《遗传密码的破译》知识清单遗传密码，这个神秘而又关键的生命语言，一直以来都是生物学领域中令人着迷且不断探索的重要课题。
它宛如一本生命的密码书，决定着生物的特征、生长和发展。
让我们一同走进这个神奇的领域，揭开遗传密码破译的神秘面纱。
一、遗传密码的概念遗传密码是指核酸中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系。
简单来说，就是 DNA 或 RNA 中的碱基排列顺序如何决定了蛋白质中氨基酸的排列顺序。
核酸由四种碱基组成，分别是腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）（在 RNA 中胸腺嘧啶被尿嘧啶（U）取代）。
而蛋白质则由 20 种不同的氨基酸组成。
二、遗传密码破译的历史进程1、早期探索在遗传密码的破译之前，科学家们已经对遗传物质的本质和作用有了一定的了解。
孟德尔的遗传定律为遗传学奠定了基础，随后摩尔根通过果蝇实验进一步揭示了基因在染色体上的定位。
2、突破阶段20 世纪 50 年代，科学家发现 DNA 是遗传物质。
这一发现为破译遗传密码指明了方向。
3、关键实验在众多研究中，有几个关键实验对遗传密码的破译起到了重要推动作用。
（1）尼伦伯格和马太的实验他们通过在体外无细胞体系中加入人工合成的多聚核苷酸，成功破译了第一个遗传密码。
（2）克里克的实验克里克通过巧妙的实验设计，提出了遗传密码的三个重要特性：连续性、不重叠性和通用性。
三、遗传密码的特点1、通用性几乎所有的生物都使用相同的遗传密码，这表明地球上的生命在进化上具有共同的起源。
2、简并性一种氨基酸可以由多个密码子编码。
这增加了遗传信息传递的容错性。
3、连续性密码子之间没有间隔，是连续阅读的。
4、不重叠性每个碱基只参与一个密码子的组成。
四、遗传密码的破译方法1、数学推理通过对已知的生物信息进行数学分析和推理，推测可能的密码组合方式。
2、实验研究如上述提到的体外无细胞体系实验等。
3、生物信息学分析利用计算机技术对大量的基因序列进行比对和分析。
第九讲第二套遗传密码
对提高生物工程产物的产率有重要的实用价值。
蛋白质工程的兴起，已使人们不再满足于天然蛋白
的利用，而开始追求设计自然界不存在的全新的、 具有某些特定性质的蛋白质。这就开辟了蛋白设计 的新领域。
（改变金黄色葡萄球菌IgG结合蛋白中一个56个殘基片段中的28个殘基， 从而使原来主要是β-折叠的结构改变为一个主要是α-螺旋的蛋白）
四．第二套遗传密码的特点
①
简并性：指不少氨基酸序列颇为不同的肽链可以有 极为相似的甚至相同的三维结构。 如在不同生物体中执行相同生物功能的蛋白质虽然 可以有氨基酸序列上的差异，但却有相同的整体三 维结构。 例：近百种不同来源的线粒体细胞色素C的氨基 酸序列已经测定，它们的氨基酸残基数均在104左右， 其中仅在21个位置上的氨基酸在不同的生物体的细 胞色素C是完全相同的，其他则各不相同；但是所有 这些细胞色素C的整体三维结构却是非常相似的。
在蛋白质家族中，根椐其氨基酸序列相差 少于20%者可划为亚家族
③ •
通过实验研究 探讨变性蛋白质如何重恢复其天然构象
•
•
新生肽如何折叠为完整蛋白质
研究肽链中氨基酸的定点突变如何影响蛋
白质的总体结构折叠与形成的动力学过程
•
实验研究不仅将会为第二遗传密码的确定
提供重要信息，也是最终检验所提出的第
二遗传密码是否正确的必要手段。
第二遗传密码具有简并性、多义性和全局 性等特点。第二遗传密码的研究，将为提 高生物工程产物的产率和设计自然界不存 在的全新蛋白质开创广阔的前景。
THE END !
近年来得知某些疾病是由于蛋白质折叠错
误而引起的。如类似疯牛病的某些神经性
疾病、老年痴呆症、帕金森症等。这些疾
遗传密码的破译人教版高中生物必修二PPT课件
研究的背景：
1941年比德尔（G.Beadle）和塔特姆（E.Tatum ）的工 作则强有力地证明了基因突变引起了酶的改变，而且每一种 基因一定控制着一种特定酶的合成，从而提出了一个基因一 种酶的假说。人们逐步地认识到基因和蛋白的关系。
“中心法则”提出后更为明确地指指出了遗传信息传递 的方向，总体上来说是从DNA→RNA→蛋白质。那DNA和蛋白质 之间究竟是什么关系？或者说DNA是如何决定蛋白质？这个有 趣而深奥的问题在五十年代末就开始引起了一批研究者的极 大兴趣。
6.1909年的约翰逊(W.Johannsen)称孟德尔假定的“遗传因子” 为“基因”，并明确区别基因型和表型。 7.1909年，詹森斯 (F.A.Janssen)观察到染色体在减数分裂时 呈交叉现象，为解释基因连锁现象提供了基础。 8.1909年，摩尔根(T.H.Morgan,1866-1945)开始对果蝇迸行实 验遗传学研究，发现了伴性遗传的规律。他和他的学生还发现 了连锁、交换和不分离规律等。并进一步证明基因在染色体上 呈直线排列，从而发展了染色体遗传学说。 1926年摩尔根提 出基因学说，发表《基因论》
的一半。 3.1890年，科学家确认了减数分裂产生配子。 4.1891年，科学家描述了减数分裂的全过程。 5.1902年，鲍维丰(T.Boveri)和1903年萨顿(W.Sutton)在研究
减数分裂时，发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系， 提出染色体是遗传因子载体，可说是染色体遗传学说的初步 论证。
遗传密码的破译人教版高中生物必修 二PPT课 件
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研究的背景：
1944年，理论物理学家薛定谔发表的《什么是生命》 一书，而当时遗传物质的化学本质是尚未明确的，十年后 DNA双螺旋模型才得以建立，在这样的背景下能将遗传信息 设想成一种电码式的遗传密码形式，实在是一种超越时代 的远见卓识。
高中生物必修2ppt课件7：4.3-遗传密码的破译(选学)
小结
1. 1954年科普作家伽莫夫用数学的方法推断3个碱基 编码一个氨基酸。
2. 1961年克里克第一个用T4噬菌体实验证明了遗传 密码中3个碱基编码一个氨基酸。
3. 1961年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进行体外 合成破译了第一个遗传密码。
4. 1969年科学家们破译了全部的密码。
课堂练习 1、在下列基因的改变中，合成出具有正常功能蛋 白质的可能性最大的是：（ ） A．在相关的基因的碱基序列中删C除或增加一个 碱基对 B．在相关的基因的碱基序列中删除或增加二个 碱基对 C．在相关的基因的碱基序列中删除或增加三个 碱基对 D．在相关的基因的碱基序列中删除或增加四个 碱基对
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 D．
测定多肽链中氨基酸种类的方法
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24
2、最早提出3个碱基编码一个氨基酸的科学家和 首次用实验的方法加以证明的科学家分别是（ D ） A．克里克、伽莫夫 C B．克里克、沃森式化 ．摩尔根、尼伦伯格 D．伽莫夫、克里克
3、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：( B )
将第三个碱基T变为A时，DNCCGGUUGGCCGGAA……. 非重叠阅读方式阅读结果：CCU AGC GUG CGA…
重叠阅读方式阅读结果：
CCU CUA UAG AGC GCG CGU GUG UGC GCG CGA…
改变DNA序列的一个碱基，密码以非重叠方式阅读 时，影响1个氨基酸，密码以重叠方式阅读时，影响 3个氨基酸
F: • • — •
G: — — • H: • • • • I: • • J: • — — — K: — • — L: • — • •
第二套遗传密码-第五组
第二套遗传密码
组员： 赵志鹏 张燕青 张轶玮 郭晓芳 任欣慰 刁蓓 丁丁 周珣 陈玮 高佳琦 顾雪婷
第一:氨基酸与 第一 氨基酸与tRNA分 分 氨基酸与 子的结合； 子的结合；
遗传信息翻译 的准确性依赖于 两个连续的、 两个连续的、 独立的配对的精 确性。 确性。
回到最初 氨基酰 tRNA合成酶是如 何催化这一过程的呢？
3.氨酰-tRNA合成酶复合体的结构
• 研究方法：X射线晶体衍射 1.顶部深沟裂缝包住受体臂。 2.下部小沟裂缝容纳反密码 子环。 3.L型内部紧贴酶的主体
• 分类 1.第一类合成酶（一半） 第一个碱基对被破坏，3’ 端形成发卡结构 2.第二类合成酶（一半） 是在tRNA的包括可变环 和接收臂的大凹槽那一面 末端接收臂成螺旋状结构
第二:载有氨基酸的 第二 载有氨基酸的 tRNA分子与连接在 分子与连接在 核糖体上的mRNA 核糖体上的 的结合； 的结合；
第一:氨基酸tRNA分子的结合
氨基酸与tRNA 分子的结合是由氨基酰 tRNA合成酶所催化的。因此, tRNA分子的氨 基酸特异性除了与tRNA分子本身有关外, 也 可能与氨基酰 tRNA tRNA合成酶有关。
局限和突破
局限：单纯从酶的角度很难取得进展；
突破：对tRNA分子进行研究；
技术支持：1.定点突变技术的成熟 2. tRNA序列分析方法的建立
2.tRNA分子本身
ห้องสมุดไป่ตู้
（1）反密码环
技术支持：1.定点突变技术的成熟 例1：正常的tRNAmet中，反密码子CAU中的任何一 个发生突变都会引起tRNAmet分子与甲硫氨酸酰化 作用的下降，并且当反密码环大小改变时，也具 有同样效果。 还有，当反密码子变为琥珀抑制子CUA，即CUAtRNAmet时，便可以携带谷氨酰胺。 ——说明：反密码子和反密码环在决定tRNA分子的 氨基酸特异性方面起着重要作用。
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研究的背景：
1944年，理论物理学家薛定谔发表的《什么是生命》 一书，而当时遗传物质的化学本质是尚未明确的，十年后 DNA双螺旋模型才得以建立，在这样的背景下能将遗传信息 设想成一种电码式的遗传密码形式，实在是一种超越时代 的远见卓识。
到1953年双螺旋模型的建立，给予科学家们以很大的激 励。破译遗传密码也就成了势在必行的工作。
14.1952年赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验。确认 DNA是遗传物质。 15.1953年，沃森和克里克发现DNA双螺旋结构。 16.1957年提出一个中心法则：遗传信息可以从DNA流向DNA，也 可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质。 17.1958年科学家以大肠杆菌为实验材料，证实了DNA的半保留 复制。 18.1961年克里克等证明了他于1958年提出的关于遗传三联密码 的推测，1969年Nirenberg 等解译出全部遗传密码。 19.60年代，阐明mRNA、tRNA 及核糖体的功能、蛋白质生物合 成的过程。
第4章 基因的表达 第3节 遗传密码的破译
教学目标: 1.指出遗传密码的一个阅读方式。 2.指出遗传密码的一个破译过程。
问题探讨: 我们知道了核酸中的碱基序列就是遗传信息，翻译实际
上就是将mRNA中的碱基序列翻译为蛋白质的一个氨基酸序列， 那碱基序列和氨基酸序列是如何对应的呢？
历史的步伐
1.1866年，孟德尔提出遗传定律。 2.1883年，科学家发现马蛔虫配中的染色体数目只有体细胞中
9.20世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质和DNA组成的。 10.1928年格里菲思的肺炎双球菌实验。 11.1940年艾弗里用纯化因子研究肺炎双球菌的转化的实验。 12.1941年提出了一个基因一种酶的假说。一个基因一种酶假说
高中生物《遗传密码的破译》文字素材2 新人教版必修2
《遗传密码的破译》1953年，沃森和克里克弄清DNA的双链双螺旋结构之后，分子生物学像雨后春笋蓬勃发展。
许多科学家的研究，使人们基本了解了遗传信息的流动方向：DNA→信使RNA→蛋白质。
也就是说蛋白质由信使RNA指导合成，遗传密码应该在信使RN A上。
的破译是六十年代分子生物学最辉煌的成就。
先后经历了五十年代的数学推理阶段和1961-1965年的实验研究阶段。
1954年，物理学家George Gamov根据在D NA中存在四种核苷酸，在蛋白质中存在二十种氨基酸的对应关系，做出如下数学推理:如果每一个核苷酸为一个氨基酸编码，只能决定四种氨基酸(41=4);如果每二个核苷酸为一个氨基酸编码，可决定16种氨基酸(42=16)。
上述二种情况编码的氨基酸数小于20种氨基酸，显然是不可能的。
那么如果三个核苷酸为一个氨基酸编码的，可编64种氨基酸(43=64);假设四个核苷酸编码一个氨基酸，可编码256种氨基酸(44= 256)，以此类推。
Gamov认为只有43=64这种关系是理想的，因为在有四种核苷酸条件下，64是能满足于20种氨基酸编码的最小数。
而44=256以上。
虽能保证20种氨基酸编码，但不符合生物体在亿万年进化过程中形成的和遵循的经济原那么，因此认为四个以上核苷酸决定一个氨基酸也是不可能的。
1961年，Brenner和Grick根据DNA链与蛋白质链的共线性(colinearity)，首先肯定了三个核苷酸的推理。
随后的实验研究证明上述假想是正确的。
1962年，克里克用T4噬菌体侵染大肠杆菌，发现蛋白质中的氨基酸顺序是由相邻三个核苷酸为一组遗传密码来决定的。
由于三个核苷酸为一个信息单位，有4^3=6 4种组合，足够20种氨基酸用了破译密码的竞赛中，美国的尼伦伯格博士走在前面。
他用严密的科学推理对蛋白质合成的情况进行分析。
既然核苷酸的排列顺序与氨基酸存在对应关系，那么只要知道RNA链上碱基序列，然后由这种链去合成蛋白质，不就能知道它们的密码了吗？用仅仅含有单一碱基的尿嘧啶〔U〕，做试管内合成蛋白质的研究。
人教版高中生物必修二《遗传密码的破译(选学)》课件
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
提示：实验 提供有多个 试管和20种 氨基酸溶液。
个实验组， 分别加入不 同的氨基酸， 即可破译 UUU-苯丙氨
验，破译了第一个遗
酸。
传密码，即UUU-苯丙
氨酸。
三、破译过程
3、霍拉纳的RNA重复序列翻译实验
三、破译过程
2、尼伦伯格和马太的大肠杆菌实验
各管加入多聚 尿嘧啶核苷酸
Tyr-酪氨酸 Ser-丝氨酸 Phe-苯丙氨酸 Cys-半胱氨酸 蛋白质体外合成的实验示意图
只有加入苯丙氨酸的试管出现了多聚苯丙氨酸的肽 链，而其它试管没有。
GGTTCGCACGCT GGTTCGCACGCT GGTTCGCACGCT
2.重叠的阅读方式
GGTTCGCACGCT GGTTCGCACGCT GGTTCGCACGCT
二、遗传密码的阅读方式
思考与讨论：
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__1____个氨 基酸,如果是重叠的又将影响___3___个氨基酸。
遗传密码的破译
问题探讨
问题探讨
我们知道了基因中的碱基序列就是遗 传信息，翻译实际上就是将mRNA中的碱 基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列。
那么碱基序列与氨基酸序列是如何对 应的呢？
一、碱基与氨基酸的数量对应关系
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种碱基只能决 定4种氨基酸，显 然这种组合是不 够的。
上世纪50～60年代，
DNA分子结构的发现者
高二生物遗传密码的破译知识点
以下是⽆忧考为⼤家整理的关于《⾼⼆⽣物遗传密码的破译知识点》，供⼤家学习参考！⾼⼆⽣物遗传密码的破译知识点遗传密码的破译知识点⼀、遗传密码的阅读⽅式3个密码⼦确定1个氨基酸1、⾮重叠的⽅式阅读2、重叠的⽅式阅读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，这⼀改变将影响多少个氨基酸?如果密码是重叠的，⼜将产⽣怎样的影响?密码是⾮重叠的：1个氨基酸，密码是重叠的： 3个氨基酸2、当图中DNA的第三个碱基(T)后插⼊⼀个碱基A，时，如果密码是⾮重叠的，这⼀改变将影响多少个氨基酸?如果密码是重叠的，⼜将产⽣怎样的影响?如果插⼊2个、3个碱基呢?密码是⾮重叠的1、2个：后⾯所有的氨基酸(⽆法产⽣正常功能的蛋⽩质) ，3个碱基将会在原氨基酸序列中多⼀个氨基酸。
密码是重叠的：如果插⼊1个碱基，3个氨基酸，多肽⽐原正常多肽多1个氨基酸如果插⼊2个碱基：4个氨基酸，多肽⽐原正常多肽多2个氨基酸如果插⼊3个碱基：5个氨基酸，多肽⽐原正常多肽多3个氨基酸⼆、克⾥克的实验证据：实验结论：1、遗传密码中3个碱基编码⼀个氨基酸。
2、遗传密码从⼀个固定的起点开始，以⾮重读的⽅式阅读，编码之间没有分隔符。
三、遗传密码对应规则的发现：尼伦柏格和马太：1、每个试管中分别加⼊⼀种氨基酸;2、每个试管中分别加⼊除去了DNA和mRNA的细胞提取液;3、每个试管中分别加⼊⼈⼯合成的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;结果说明：多聚尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的合成，⽽多聚尿嘧啶的碱基序列是由多个尿嘧啶组成的(UUUUUU••••••)，可见尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链;苯丙氨酸--UUU.。
人教版高一生物必修二：4.3《遗传密码的破译》教案.doc
教案 B教学重点遗传密码的破译过程。
教学难点1．尼伦伯格和马太设计的蛋白质体外合成实验。
2．运用数学方法及实验方法探究“碱基与氨基酸的对应关系”。
教学策略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。
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。
教学方法探究式教学。
引导学生通过数学方法推理和猜想“碱基与氨基酸的对应关系”；根据科学资料，运用英语词句类比推理“碱基与氨基酸的对应关系”；借鉴科学家的实验方法，小组合作设计实验方案，探究与体验破译遗传密码的方法和过程。
教学过程一、导入新课以“问题探讨”导入本课的学习。
教师引导学生思考P73“问题探讨”，讨论后回答问题。
提示1：根据莫尔思密码表，将书本中用莫尔思密码编写的问题译成英文就是：where are genes located。
二、新课教学要破译一个未知的密码，一般的思路就是比较编码的信息，即密码和相应的译文。
对遗传密码来说最简单的破译方法就是将DNA顺序或mRNA顺序和多肽相比较。
但和一般的破译密码不同的是，遗传信息的译文——蛋白质的顺序是已知的，未知的都是密码。
莫尔思密码是由美国画家和电报发明人发明的一套有“点”和“划”构成的系统，通过“点”和“划”间隔的不同顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。
（一）遗传密码的阅读方式构成蛋白质的氨基酸有20种，而mRNA上的碱基只有4种，这就出现几个碱基决定一个氨基酸的问题，请大家探讨一下几个碱基决定一个氨基酸？学生探讨：若一种碱基与一种氨基酸对应的话，那么只可能产生4种氨基酸，而已知的天然氨基酸有20种，因此不可由一种碱基对应一种氨基酸。
若2个碱基与一种氨基酸对应的话，4种碱基共有16种不同的排列组合，也不足以编码20种氨基酸。
第二遗传密码
1681第二遗传密码邹承鲁(中国科学院生物物理研究所, 北京 100101)摘要 遗传信息的传递应该是从核酸序列到有完整结构的功能蛋白质的全过程. 现有的遗传密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链的信息传递, 因此是不完整的. 后一部分, 即遗传信息传递密码的第二部分(简称第二遗传密码), 是遗传信息从蛋白质中氨基酸序列到其空间结构之间的传递.本文总结了当前已知的蛋白质中氨基酸序列和蛋白质总体空间结构的关系, 对第二遗传密码应该具有的特征进行了讨论. 认为第二遗传密码除和三联密码同样具有简并性(即不同序列对应相同结构)外, 还具有多意性(即类似序列具有不同结构)和全局性(即局部序列改变往往影响整体结构)等特征.关键词 第二遗传密码 简并性 多意性 全局性对生命遗传信息存储1682在阻断分子间的错误相互作用, 从而保证蛋白质合成后的高效正确折叠. 分子伴侣如何识别并与折叠中间态结合从而帮助蛋白质的正确折叠, 是当前国际上折叠研究的核心问题之一.三联遗传密码解决的是在一维空间内两个不同性质分子的“翻译”关系, 即从线性DNA 的核苷酸排列顺序到线性多肽链的氨基酸排列顺序; 而第二遗传密码要解决的是一维空间序列信息与三维空间结构信息之间的关系, 自然要复杂得多. 由氨基酸顺序决定蛋白质三维空间结构, 到由蛋白质三维结构决定其特定的生物功能, 是完整的遗传信息传递过程的不可缺少的重要的一半.由于三联遗传密码的阐明, 现在已经知道的不少蛋白质的氨基酸序列实际上是由其对应的DNA 分子核苷酸序列推断得到的, 而且根据氨基酸顺序预测蛋白质的三维空间结构的努力也有了不少进展. 现在有不少原核生物及少数真核生物的基因组全序列已被解出, 人基因组全序列也基本得到阐明. 仅就人基因组而言, 所编码的全部蛋白质总数约为数万个. 这些蛋白质的氨基酸序列都可以由其对应的DNA 核苷酸序列推断得到, 但要认识这些蛋白的功能是与了解其空间结构密切相关的. 即使现在对蛋白质三维空间结构测定的速度已经大大加快(平均一天解出5个蛋白质结构), 但数以10万计的蛋白结构测定仍不是短期内能够完成的, 这就对揭示氨基酸序列和蛋白质空间结构的对应关系提出了前所未有的挑战[1]. 自然界存在的蛋白质总数虽然很大, 但根据它们在序列上的相似性以及进化上的同源性, 可以归并为总数并不很大的蛋白质家族; 并从它们所含二级结构在拓扑学上的关系又可以归并为有限数目的折叠类型. 对于自然界存在的蛋白质折叠类型总数, 虽然各人估计不同, 近年来倾向于不到1000种[8, 9], 这就使认识全部蛋白质三维空间结构的任务大大简化, 看来并不是可望而不可及的了. 蛋白质三维空间结构预测的目的在于认识氨基酸序列和蛋白质空间结构的对应关系,也就是确立第二遗传密码. 由于这一问题的复杂性, 虽然最近Demshenko 等人[10]对这一问题做了一个详细的综述, 迄今为止尚未见到关于第二遗传密码具体内容的任何设想.当前国际上对于蛋白质在体内外的折叠过程已有了一定的了解. 已取得的结果都说明第二遗传密码不仅确实存在, 也是可以认识的. 解决这一问题可以从两方面入手. 一是从理论上研究蛋白质的氨基酸序列如何决定其三维空间结构, 即如上所述的蛋白质空间结构的预测.二是在实验上研究变性蛋白如何重新折叠恢复其天然构象, 以及新生肽链如何折叠成为完整蛋白质分子的全过程. 在此基础上, 研究肽链中氨基酸的定点突变如何影响蛋白质的总体结构折叠与形成的动力学过程. 实验研究不仅将会为第二遗传密码的确定提供重要信息, 也是最终检验所提出的第二遗传密码是否正确的必要手段.结构预测方面的主要问题是: 如何根据蛋白质的氨基酸组成和顺序预测蛋白质的折叠类型, 如何根据一个肽段的氨基酸顺序预测其二级结构, 不同肽段的二级结构又是如何构成一个蛋白质特定的三维空间结构, 亚基如何组装为完整分子, 有一定结构的蛋白质在细胞中处于什么位置, 又担负着什么生物功能. 当前对于结构预测主要从两个方面进行. 一是从已知结构出发, 从中总结规律, 对未知结构的蛋白进行预测. 这一方法特别对进化上相关的蛋白常常被证明是有效的. 第二种较有一般意义的方法是根据蛋白质分子中已知的各种基团间物理化学相互作用基本原理, 对蛋白质三维结构从头进行预测, 这一方法已经取得的成果还极其有限. 国际上每两年召开一次蛋白质结构预测比较评价会议, 最近的一次会议是在1998年夏召开的[11]. 二级结构预测目前还处于初期阶段, 准确度最高也只不过是72%左右. 高级结构预1683测惟一的,即两者之间是一对一的对应关系, 但实际情况不是这样简单. 在第一遗传密码中有所谓“简并性”, 即同一氨基酸可以为不同密码子所编码, 如CGA 和AGC 都编码为精氨酸, UCC 和AGU 都编码为丝氨酸等. 第二密码也同样有简并性. 现在已经知道有不少氨基酸序列颇为不同的肽链可以有极为相似甚至相同的空间结构, 这就是第二密码的简并性.第二密码的简并性首先体现为在不同生物体中执行相同生物功能的蛋白质虽然可以有氨基酸序列上的差异, 但却有相同的整体空间结构. 例如有近百种不同来源的线粒体细胞色素c 的氨基酸序列已经测定, 它们的氨基酸残基数均在104左右, 其中仅在21个位置上的氨基酸在不同生物体的细胞色素c 是完全相同的, 其他则各不相同; 但是所有这些细胞色素c 的整体空间结构却是非常相似的[14]. 另外, 两个在功能上完全无关的蛋白质, 卵类黏蛋白的第三结构域和核糖体结构蛋白L7/L12的C-末端部分虽然在氨基酸序列上仅有3%相同, 却具有几乎完全相同的空间结构[15].简并性还体现在用化学修饰及定点突变方法研究侧链残基取代对蛋白质折叠状态影响的研究结果. 首先是研究改变侧链性质,包括大小氢键形成能力等的影响. 例如硫氧还蛋白在分子内部有一个巯基, 对这个巯基用不同链长的烷基硫代磺酸修饰可以在分子内部引入不同链长, 包括从甲烷到正戊烷的烷代二硫键. 这样在分子内部引入大小不同的疏水基团的结果并没有影响分子的圆二色光谱, 也没有影响它在胍溶液中的去折叠与重折叠以及对DNA 多聚酶的活化[16]. 晶体衍射结构分析的结果表明, 对金黄色葡萄球菌核酸酶做同样的修饰也不影响分子的整体结构[17]. 在分子内部引入大小不同的疏水基团的结果, 只不过是使某些侧链基团在位置上有所重排, 但并不影响分子的总体结构.更多的证据来自定点突变研究. 定点突变技术的建立为蛋白质结构功能关系研究提供了极大的方便. 金黄色葡萄球菌核酸酶是研究得最多的蛋白之一, 它的149个氨基酸残基几乎每一个都被替换过. 多数残基被替换时对酶的结构或功能都不产生明显影响. 特别值得注意的是处于分子内部的疏水残基Val-56被极性并带正电荷的Lys 取代时, 不影响酶分子的整体三维结构[18]. 对T4溶菌酶的类似取代也得到同样的结果[19]. 结构研究还表明处于分子内部的1684Lys 并没有为氢键或盐键所稳定. 这一事实充分说明某些个别键的破坏并不能对结构起到决定性的作用, 所以个别残基的单独替换不会对分子的总体构象产生明显的影响. 甚至把整段的序列用相同残基构成的序列所取代, 如T4溶菌酶分子内部40~49 的10个残基都用丙氨酸取代, 对酶的折叠或生物活性都没有明显影响[20]. 对Arc 阻遏物进行类似的取代实验也得到类似的结果[21].从晶体衍射研究已经看到某些分子内部比较拥挤, 而另一些分子内部具有大量的空间,为此进行了侧链大小颇为不同的残基的替换, 甚至用插入或删除一定长度肽段的方法探讨分子内部空间对分子整体结构的影响. 例如用侧链大小不同的氨基酸相互取代以增加或减少分子内部的拥挤程度[22, 23], 甚至引入或删除一定长度的肽段[24, 25], 对蛋白质分子的整体构象都没有明显的影响. 分子表面则可以容忍更大的变化, 例如在核糖核酸酶H [26]的表面引入含120~130个氨基酸残基的肽段, 对蛋白质分子的整体构象没有明显的影响.1.2 多意性从已知的蛋白质氨基酸序列和空间结构的对应关系看来, 第二遗传密码显然远较第一密码更为复杂. 除和第一密码同样具有简并性外, 看来某些相同的氨基酸序列还可以在不同条件下决定不同的空间结构, 这种情况可以称之为第二遗传密码的多意性, 一个为大家熟悉的例子是Prusiner [27]对天然型和感染型朊病毒(prion)的研究. 天然型朊病毒(PrP c )在正常动物体内存在, 不导致疾病, 而感染型的朊病毒(PrP SC )则导致某些神经性疾病, 并导致天然型朊病毒转变为感染型的朊病毒. 初步的结构研究表明天然型朊病毒主要为α-螺旋结构, 而感染型的朊病毒却主要为β-折叠结构. 近年来还有其他一些实验表明某些蛋白在一定条件下可以有多种构象存在, 如鸟氨酸脱羧酶[28]和腺苷酸激酶[29]等. 这在表面上看来似乎和Anfinsen 原理相矛盾, 但实际上并非如此. Anfinsen 原理从根本上说是一个热力学原理, 其基本论点是“由氨基酸序列所确定的一种空间结构是在一定条件下从热力学角度看来最稳定的结构”. 这里应该指出两点. 首先是这一最稳定的结构是在一定条件下的最稳定的结构, 在其他条件下并不一定是最稳定的结构. 其次热力学上最稳定的结构并不一定是在动力学上最容易达到的结构.图1是一个说明这一原理的示意图. A 和B都是热力学上的稳定结构, 两者由一个较高的能障所隔开. 单纯从能量角度看来A 比B更为稳定, 但是从B 转化为A 需要克服一个较高的能障, 因此从动力学角度看来B 比A 更容易达到. 在变性蛋白(U)重新折叠时,更容易形成的是构象B 而不是更为稳定的A.新生肽链在体内折叠时也有类似情况. 正因为动力学上最容易达到的状态不一定是热力学上最稳定的状态, 因此达到稳定状态的过程常常是不能自发完成的, 而需要其他分子即所谓分子伴侣的帮助.前已提及,不同生物体中执行相同生物图1 Anfinsen 原理示意图1685功能的蛋白质(又称同源蛋白质, 意指在进化上的同一来源)可以在氨基酸序列上差异很大, 但却有几乎完全相同的空间结构. 由于第二密码的这种高度的简并性, 在1994年Rose 和Creamer [30]提出一个挑战, 他们称之为Paracelsus 挑战, 即如果有人能够在改变不超过50%的氨基酸序列的情况下就能改变一个蛋白的基本空间结构, 将得到 1 000美元的奖金. 结果在1997年, Regan 小组获得了这一挑战的胜利[31], 赢得了奖金. 他们改变了金黄色葡萄球菌IgG 结合蛋白中一个56个残基片段中的28个残基, 从而设计得到一个全新结构的蛋白, 把原来主要是β-折叠的结构改变为一个主要是α-螺旋的蛋白.这一实验说明不能简单的看待简并性和多意性. 不同来源的细胞色素c 虽然仅有20%序列相同, 或者说在80%的位置上残基不同, 结构却几乎完全相同; 但另一方面, 50%残基的改变已经可以完全改变金黄色葡萄球菌IgG 结合蛋白片段的折叠类型. 这只能说明第二密码的复杂性, 不能简单的看有多少残基被取代, 而更重要的是看用什么残基取代什么残基以及在什么位置上取代.1.3 全局性维系蛋白质总体空间结构相对稳定的是大量弱键协同作用的结果, 个别键的形成或破坏并不足以影响蛋白质的总体空间结构, 这就是第二密码简并性的结构基础. 任何对于第二密码的设想都必须把大量弱键协同作用的考虑放在首位, 并不是一段特定序列的肽链只对应一种特定空间结构这样的简单关系. 正因为肽链在空间卷曲折叠构成蛋白质总体的空间结构,在肽链上相距很远的残基可以在空间上彼此靠近而相互作用, 并对分子总体结构产生重要影响. 第二密码必须把蛋白分子作为一个全局来考虑, 这就从根本上决定了第二密码的复杂性,不可能像第一密码那样有简单的一对一的关系. 某些蛋白C-末端少数氨基酸的去除, 或侧链基团的翻译后修饰[32], 有时都可以对整体构象和功能产生重大影响[1]. 在新生肽链合成过程中,后形成的肽段可以影响已经形成的肽段的构象从而造成对分子整体的影响[33]. 以上这些情况可以称之为第二密码的全局性, 全局性决定了第二密码的复杂性.第二密码的全局性还体现在环境对分子结构的影响上. 已经知道蛋白质分子与水可有紧密结合, 水分子对于维系蛋白质一定的空间结构有重要作用, 即使在结晶状态, 蛋白质分子也含有大量的结晶水. 因此曾经认为以非水溶剂全部或部分取代水溶液, 将对蛋白质折叠起破坏性的作用, 但是实际情况却并非如此. 例如溶菌酶在甘油与水的混合溶液甚至纯甘油中仍能保持天然结构[34]. 虽然已知不少有机溶剂是蛋白质的变性剂, 但是溶菌酶能在丙酮或乙酰氨的水溶液中正确折叠[35]. 即使是50%的甲醇也只影响金黄色葡萄球菌核酸酶[36]及核糖核酸酶[37]的折叠动力学, 而不影响它们的最终折叠状态. 但环境对蛋白分子结构确实有重要影响,如免疫球蛋白轻链在不同离子强度和pH 下形成不同的晶体, X 射线衍射结构测定表明这些不同晶体确实具有略为不同的空间结构[38]. 在体内, 某些跨膜蛋白是部分处于膜双层内部的疏水条件下, 对于这些蛋白的折叠状态虽然仍是由其氨基酸序列所决定, 但也必然会受到其特殊环境的影响.体外研究和体内研究有一个重要的条件的不同. 体外折叠研究通常是在稀溶液(µg/mL)中进行的. 但细胞内某些高含量蛋白质浓度可以高达毫克每毫升级的水平, 两者相差千倍, 而细胞内总蛋白浓度更是可高达数百毫克每毫升的水平[39]. 因此高浓度的蛋白与蛋白间的相互作1686用更是一个必须考虑的问题. 虽然已有不少作者注意到这一差异, 但尚未在折叠研究中引起足够的重视.2 第二遗传密码的研究在实际应用上的意义第一密码的阐明解决了基因在不同生物体之间的转移与表达, 开辟了遗传工程和蛋白工程的新产业. 但是在异体表达的蛋白质往往不能正确折叠成为活性蛋白质而聚集形成包含体.生物工程的这个在生产上的瓶颈问题需要第二密码的理论研究和折叠的实验研究来指导和帮助解决. 由于分子伴侣在新生肽链折叠中的关键作用, 它一定会对提高生物工程产物的产率有重要的实用价值.蛋白工程的兴起, 已经使人们不再满足于天然蛋白的利用, 而开始追求设计自然界不存在的全新的老年性痴呆症化疗损伤炎症细胞和组织损伤以及老年化都与应激蛋白有关. 因此在医学上不仅开辟了与分子伴侣和应激蛋白有关的新的研究领域, 也开创了广阔的应用前景.参 考 文 献1王志珍, 邹承鲁. 后基因组蛋白质组研究. 生物化学与生物物理学报, 1998, 30: 533~5392Anfinsen C B, Haber E, Sela M, et al. The kinetics of formation of native ribonuclease during oxidation of the reduced polypeptide chain. Proc Natl Acad Sci USA, 1961, 47: 1309~13143Jaenicke R. Protein folding local structures, domains, subunits, and assemblies. Biochemistry, 1991, 30: 3148~31604Sippl M J. Who solved the protein folding problem? Structure Fold Des, 1999, 7: R81~R835Dill K. Dominant forces in protein folding. Biochemistry, 1990, 29: 7133~71556Pace C N. Conformational stability of globular proteins. Trends Biochem Sci, 1990, 15: 14~177Ellis J. Molecular chaperones: pathways and networks. Curr Biol, 1999, 9: R137~R1398Wang Z X. A re-estimation for the total number of protein folds and superfamilier. Protein Eng, 1998, 11: 621~6269Zhang C, De Lisi C. Estimating the number of protein folds. J Mol Biol, 1998, 284: 1301~130510Demchenko A P, Chinarov V A. Tolerance of protein structures to the changes of amino acid sequences and their interactions. The Nature of the Folding Code Protein and Peptide Letters, 1999, 6: 115~12911Sternberg M J E, Bates P A, Kelley L A, et al. Progress in protein structure prediction assessment of CASP3. Curr Op Structural Biol, 1999, 9: 268~37312Baldwin R L, Rose G D. Is protein folding hierarchic?1687Protein Science, 1994, 3: 1938~194416Wynn R, Richards F M. Unnatural amino acid packing mutants of E. coli thioredoxin produced by combined mutagenesis/chemical modification techniques. Protein Science, 1993, 2: 395~40317Wynn R, Harkins P C, Richards F M, et al. Mobile unnatural amino acid side chains in the core of staphylococcal nuclease.Protein Science, 1996, 5: 1026~103118Stites W E, Gittis A G, Lattman E E, et al. In a staphylococcal nuclease mutant the side-chain of a lysine replacing valine is fully buried in the hydrophobic core. J Biol Chem, 1991, 221: 7~1419Dao S P, Anderson D E, Baase W A, et al. Evidence for a compaction process. J Biol Chem, 1995, 270: 24598~2460320Heinz D W, Base W A, Mattheus B W. Folding and function of a T4 lysozyme containing to consecutive Ala illustrate the redundancy of information in an amino acid sequence. Proc Natl Acad Sci USA, 1992, 89: 3751~375521Brown B M, Sauer R T. Post-translational folding of α1-inhibitor 3. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96: 1983~198822Eriksson A E, Baase W A, Zhang X J, et al. Response of a protein structure to cavity-creating mutations and its relation to the hydrophobic effect. Science, 1992, 255: 178~18323Buckle A M, Henrick K, Fersht A R. Crystal structural analysis of mutations in the hydrophobic cores of barnase. J Mol Biol,1993, 234: 847~86024Jackson S E, Moracc M, el-Masry N, et al. Effect of cavity-creating mutations in the hydrophobic core of chymotrypsin inhibitor 2. Biochemistry, 1993, 32: 11259~1126925Vetter I R, Baase W A, Heinz D W, et al. Protein structural plasticity exemplified by insertion and deletion mutants in T4lysozyme. Protein Science, 1996, 5: 2399~241526Doi N, Itaya M, Yomo T, et al. Insertion of foreign random sequences of 120 amino acid residues into an active enzyme.FEBS Lett, 1997, 402: 177~18027Prusiner S B. Molecular biology and pathogenesis of prion diseases. Trends Biochem Sci, 1996, 21: 482~48728Tsirka S E, Turck C W, Coffino P. Multiple active conformers of mouse ornithine decarboxylase. Biochem J, 1993, 293:289~29529Zhang H J, Sheng X R, Pan X M, et al. Evidence for at least two native forms of rabbit muscle adenylate kinase in equilibrium in aqueous solution. J Biol Chem, 1998, 273(13): 7448~745630Rose G D, Creamer T P. Protein folding-predicting. Protein-Struct Funct Genetics, 1994, 19: 1~331Dalal S, Balasubramanian S, Regan L. Protein alchemy: changing β-sheet into α-helix. Nature Structure Biology, 1997, 4:548~55232Wassler M, Esnard F, Fries E. Posttranslational folding of α(1)-inhibitor-3-Evidence for a compaction process. J Biol Chem,1995, 270: 24598~2460333Tsou C L. 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De novo protein design: towards fully automated sequence selection. J Mol Biol, 1997, 273:789~79641Taubes G. Misfolding the way to disease. Science, 1996, 271: 1493~149542 Bellotti V, Mangione P, Stoppini M. Biological activity and pathological implications of misfolded proteins. Cell Mol LifeSci, 1999, 55: 977~991(2000-05-17收稿, 2000-06-27收修改稿)。
高一生物遗传密码的破译2(PPT)5-3
• 美国另一位西班牙血统的生物化学家奥乔亚 （Ochoa，Severo，1905—）于1955年发现了多 核苷酸磷酸化酶（PNP酶）帮助了尼伦贝格合成了 同聚核苷酸——多聚U（PolyU）（奥乔亚因发现 此酶而获得1959年诺贝尔生理学或医学奖）。当 他将多聚U作为模板加入到无细胞体系中时，那就
是只有加有标记苯丙氨酸所产生的那一试管蛋白质
陈规陋习。 【摈弃】动抛弃：～旧观念。 【殡】（Байду номын сангаас）停放灵柩；把灵柩送到埋葬或火化的地方去：出～｜～车。 【殡车】名出殡时运灵柩的车。 【殡殓】
动入殓和出殡：办理～事宜。 【殡仪馆】名供停放灵柩和办理丧事的机构。 【殡葬】动出殡和埋葬：～工｜～管理处。 【膑】（臏）同“髌”。 【髌】
（髕）①髌骨。②古代削去髌骨的酷刑。 【髌骨】名膝盖部的一块骨，略呈三角形，尖
沉淀具有放射性。而加其他标记氨基酸的各管则均
无放射性进入沉淀。于是，第一个密码便被破译出 来，即UUU是苯丙氨酸的密码子。用同样的方式 以其他多聚核苷酸作为模板，又测出CCC是脯氨 酸的密码子，AAA是赖氨酸的密码子。多聚G的氨 基酸密码子当时用此法测定时遇到困难，未能测出。
产生了一定的影响。
长，家庭教师和家长，店员和店主）。 【宾服】ī〈书〉动服从；归附。 【宾服】ī?〈方〉动佩服：你说的那个理，俺不～。 【宾馆】ī名招待来宾住宿的地 方。现指较大而设施好的旅馆。 【宾客】ī名客人（总称）：迎接八方～。 【宾朋】ī名宾客；朋友：～满座。 【宾语】ī名动词的一种连带成分，一般在动词 后边，用来回答“谁？”或“什么？”例如“我找； / 笔趣阁小说网；厂长”的“厂长”，“他开拖拉机”的“拖拉机”，“接受批 评”的“批评”，“他说他不知道”的“他不知道”。有时候一个动词可以带两个宾语，如“教我们化学”的“我们”和“化学”。 【宾至如归】īī客人到 了这里就像回到自己的家一样，形容旅馆、饭馆等招待周到。 【宾主】ī名客人和主人：～双方进行了友好的会谈。 【彬】ī①［彬彬］（īī）〈书〉形文雅的 样子：～有礼｜文质～。②（ī）名姓。 【傧】（儐）ī［傧相］（ī）名①古代称接引宾客的人，也指赞礼的人。②举行婚礼时陪伴新郎新娘的人：男～｜ 女～。 【斌】ī同“彬”。 【滨】（濱）ī①水边；近水的地方：海～｜湖～｜湘江之～。②靠近（水边）：～海｜～江。③（ī）名姓。 【缤】（繽）ī［缤 纷］（ī）〈书〉形繁多而凌乱：五彩～｜落英（花）～。 【槟】（檳、梹）ī［槟子］（ī?）名①槟子树，花红的一种，果实比苹果小，红色，熟后转紫红， 味酸甜带涩。②这种植物的果实。 【镔】（鑌）ī［镔铁］（ī）名精炼的铁。 【濒】（瀕）ī①紧靠（水边）：～湖｜东～大海。②临近；接近：～危｜～行。 【濒绝】ī动濒临灭绝或绝迹：～物种。 【濒临】ī动紧接；临近：我国～太平洋｜精神～崩溃的边缘。 【濒死】ī动临近死亡：从～状态下抢救过来。 【濒危】 ī动接近危险的境地，指人病重将死或物种临近灭绝：病人～｜～动物。 【濒于】ī动临近；接近（用于坏的遭遇）：～危境｜～绝望｜～破产。 【豳】ī古地 名，在今陕西彬县、旬邑一带。也作邠。 【摈】（擯）〈书〉抛弃；排除：～诸门外｜～而不用。 【摈斥】动排斥：～异己。 【摈除】动排除；抛弃：～
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第二遗传密码具有简并性、多义性和全局 性等特点。第二遗传密码的研究，将为提 高生物工程产物的产率和设计自然界不存 在的全新蛋白质开创广阔的前景。
THE END !
例：硫氧还蛋白在分子内部有一个巯基，对这个巯基
用不同链长的烷基硫代磺酸修饰可以在分子内部引入
大小不同的疏水基团的结果并没有影响分子的三维结 构，也没有影响它在胍溶液中的去折叠与重折叠以及 对DNA多聚酶的活化。晶体衍射结构分析的结果表明， 对金黄色葡萄球菌核酸酶做同样的修饰也不影响分子
的整体结构。
在功能上完全无关的蛋白质，并且氨基酸 序列有显著差异，却具有近于相同的三维 结构。 例：卵类黏蛋白的第三结构域和核糖体 结构蛋白L7/L12的C端部分虽然在氨基酸序 列上仅有3%相同，但具有几乎完全相同的 三维结构。
用化学修饰方法在某些蛋白质分子内部引入大小不同
的疏水基团并不影响分子的总体结构。
③
•
全局性：
维系蛋白质总体三维结构相对稳定的是大量弱键 协同作用的结果，个别键的形成或破坏并不足于 影响蛋白质的总体三维结构 肽链在空间折叠构成三维结构，在肽链上相距很 远的殘基可以在空间上彼此靠近而相互作用。并 对分子结构产生重要影响 某些蛋白质C-末端少数氨基酸的去除，或侧链基 团的翻译后修饰有时会对整体构象和功能产生影 响。新生肽合成时，后形成的肽段可以影响已经 形成的肽段的构象从而造成对整体分子的影响。
对提高生物工程产物的产率有重要的实用价值。
蛋白质工程的兴起，已使人们不再满足于天然蛋白
的利用，而开始追求设计自然界不存在的全新的、 具有某些特定性质的蛋白质。这就开辟了蛋白设计 的新领域。
（改变金黄色葡萄球菌IgG结合蛋白中一个56个殘基片段中的28个殘基， 从而使原来主要是β-折叠的结构改变为一个主要是α-螺旋的蛋白）
白质中氨基酸序列与三维结构的对应关系，
国际上称之为第二遗传密码或折叠密码。
Anfinsen 原理揭示了蛋白质的氨基
酸序列决定蛋白质分子在热力学上稳
定的三维结构的必然性，但多肽链折 叠成为相应的三维结构在实际上还存 在一个“这一过程是否能在一定时间 内完成”的动力学问题。
事实上蛋白质最稳定结构与一些相似 结构之间的能量差并不大，约在20.983.7kJ/mol.蛋白质之所以最容易形成
•
•
•
环境对分子结构有不同影响。 曾经认为以非水溶剂全部或部分 取代水溶液，将对蛋白质折叠起破坏 性作用，但是实际情况并非如此。溶 菌酶在甘油与水的混合溶液甚至纯甘 油中仍能保持天然结构。 已知不少有机溶剂是蛋白质的变 性剂，但溶菌酶能在丙酮或已酰胺的 水溶液中正确折叠。即使是50%的甲醇 也只影响金黄色葡萄球菌核酸酶的折 叠动力学，而不影响它们的最终折叠 状态。
四．第二套遗传密码的特点
①
简并性：指不少氨基酸序列颇为不同的肽链可以有 极为相似的甚至相同的三维结构。 如在不同生物体中执行相同生物功能的蛋白质虽然 可以有氨基酸序列上的差异，但却有相同的整体三 维结构。 例：近百种不同来源的线粒体细胞色素C的氨基 酸序列已经测定，它们的氨基酸残基数均在104左右， 其中仅在21个位置上的氨基酸在不同的生物体的细 胞色素C是完全相同的，其他则各不相同；但是所有 这些细胞色素C的整体三维结构却是非常相似的。
②
根据氨基酸顺序预测蛋白质的三维结 构 自然界存在的蛋白质总数很大，但根 据它们在序列上的相似性以及进化上 的同源性，可以归并为总数并不很大 的蛋白质家族；
•
•
从它们所含二级结构在拓扑学上的关
系又可以归并为有限数目的折叠类型。
对于自然界存在的蛋白质折叠类型总 数，近年来倾向于1000-2000种（已 测定的结构为700种），这就使认识 全部蛋白质三维结构的任务大大简化。
天然结构除能量因素外，是由动力学
和熵的因素所决定的。
分子伴侣的发现已经把过去经典 的自发折叠概念转变为“有帮助 的肽链的自发折叠与组装”的概 念。
“自发”是指由第二遗传密码决定折叠终
态的“内因”亦即热力学因素；
“帮助”则是为保证该过程能高效完成的
“外因’,是由分子伴侣蛋白和折叠酶来
帮助完成的，主要是帮助克服动力学和熵
的障碍，从而帮助克服细胞内由各种因素 引起折叠错误并造成翻译后多肽链分子的 聚集沉淀而最终导致信息传递终止。
三联密码解决的是在一维空
间内两个不同性质分子的”
翻译“关系，即从线性DNA的
核苷酸排列顺序到线性多肽
链的氨基酸排列顺序。
第二遗传密码要解决的是一维结构序列
信息与三维结构信息之间的关系。由氨
某些蛋白质用定点突变方法使氨基酸侧链 殘基被取代，对蛋白质折叠状态与功能不 产生影响。 例：金黄色葡萄球菌核酸酶的149个氨基酸 殘基，其多数殘基被替换时对酶的结构或 功能都不产生明显的影响。特别是处于分 子内部的疏水殘基Val66被极性并带正电荷 的Lys取代时，不影响酶分子的整体三维结 构。T4溶菌酶分子内部40-49的10个殘基 都用丙氨酸取代，对酶的折叠或生物活性 都没有明显影响。
第一遗传密码的阐明解决了基因在不同生物体之间的转 移与表达，开辟了遗传工程和蛋白工程的新产业。但是 异体表达的蛋白质往往不能正确折叠成为活性蛋白质而 聚集成包涵体。生物工程这个生产上的瓶颈问题需要第 二密码的理论研究和折叠的实验研究来指导和帮助解决。 由于分子伴侣在新生肽链折叠中的关键作用，它一定会
六．小结
遗传信息的传递，是从核酸序列到功能蛋白质 的全过程。第一遗传密码解决的是在一维结构 内从线性DNA的核苷酸排列顺序到线性多肽链
的氨基酸排列顺序。第二遗传密码要解决的是
一维结构序列信息与三维结构信息之间的对应
关系。
当前对于第二遗传密码的研究，一是从理
论上对蛋白质的三维结构进行预测；二是 在实验上研究变性蛋白质以及新生肽折叠 为完整的有功能蛋白质分子的全过程。
②
多义性：指某些相同的氨基酸序列还可
以在不同条件下决定不同的三维结构。
例：天然型朊蛋白（PrPC)在正常动
物体内存在， 不导致疾病，而感染型 的朊蛋白（PrPsC)则导致某些神经性疾 病，并导致天然型朊蛋白（α-螺旋为 主）转变为感染型的朊蛋白（β-折叠 为主）。另一例子是鸟氨酸脱羧酶和腺 苷酸激酶在一定条件下可以有多种构象。
在蛋白质家族中，根椐其氨基酸序列相差 少于20%者可划为亚家族
③ •
通过实验研究 探讨变性蛋白质如何重恢复其天然构象
•
•
新生肽如何折叠为完整蛋白质
研究肽链中氨基酸的定点突变如何影响蛋
白质的总体结构折叠与形成的动力学过程
•
实验研究不仅将会为第二遗传密码的确定
提供重要信息，也是最终检验所提出的第
二遗传密码是否正确的必要手段。
近年来得知某些疾病是由于蛋白质折叠错
误而引起的。如类似疯牛病的某些神经性
疾病、老年痴呆症、帕金森症等。这些疾
病的发生与应激蛋白的表达与行为有密切
的关系。此外，局产缺血、化学损伤、心 脏扩大、高烧、炎症、感染、代谢病、细 胞和组织损伤以及老年化等都与应激蛋白 有关。因此在医学上不仅开辟了与分子伴 侣和应激蛋白有关的新的研究领域。也开 辟了广阔的应用前景。
第六讲
第二遗传密码
一．第一遗传密码
对生命遗传信息存储、传递及表达的认识是20 世纪生物科学所取得的最重要的突破，其中的
关键问题是由3个相连的核苷酸顺序决定蛋白
质分子肽链中的1个氨基酸，即“三联遗传密
码”的破译。
图示：第一遗传密码
但是蛋白质必须有特定的三维结构，才能表现其
特定的生物学功能。 1961年，Anfinsen根据变性伸展失去活性的核糖 核酸酶A，能自发重新卷曲折叠，恢复其原有的三 维结构和生物活性的实验事实，提出“多肽链的 氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构 象所必需的全部信息”,或者说“一级结构决定高 级结构”的著名论断，并因此获得1972年Nobel化 学奖。这一论断现在已被广泛接受，大量实验充 分说明氨基酸顺序与蛋白质三维结构之间存在一 定的关系。
图示 氨基酸的序列决定蛋白质特定三维结构
二．第二遗传密码
遗传信息的传递，应该是从核酸序列到 功能蛋白质的全过程。现有的三联遗传 密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链 的信息传递，因此是不完整的。
本节讨论的是从无结构的多肽链到有完整
结构的功能蛋白质的信息蛋白质的分子结构确实有
重要影响，如免疫球蛋白轻链在不同的
离子强度和pH值下形成不同的晶体，X射
线衍射结构测定表明这些不同的晶体确
实具有不同的三维结构。在体内某些跨
膜蛋白是部分处于膜双层内部的疏水条
件下，对于这些蛋白的折叠状态虽然仍
是由其氨基酸序列所决定，但也必然会
受到其特殊环境的影响。
五． 第二遗传密码的研究在实际应用上的意义
基酸顺序决定蛋白质三维结构，到由蛋
白质三维结构决定其特定的生物学功能，
是完整的遗传信息传递过程的不可缺少
的重要的一半。
三．第二套遗传密码的研究方法
①
蛋白质三维结构的测定：通过X射线晶体衍射 技术解析蛋白质三维结构与氨基酸序列的关 系（美国蛋白质数据库存入的晶体结构，16 年前是100个左右，7年前则是1500个，现在 已超过18000个，目前每天可解出的蛋白质结 构约10个左右），但自然界数于百万计的蛋 白质结构测定不是短时间能够完成的。