染雾第十二节遗传密码的破译
遗传密码的破译
主讲：黄冈中学生物高级教师 童金元
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氨基酸序列，那么碱基序列与氨基酸序列是如何对应的呢？
研究的背景：
“中心法则”提出后更为明确地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。
一、遗传密码的阅读方式
思考：
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，这一改变将影响几个氨基酸，如果是重叠的又将影响几个氨基酸？
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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，这一改变将影响几个氨基酸，如果密码是重叠的，又将影响几个氨基酸？ 1 多
二、克里克的实验证据
1961年，克里克对T4噬菌体DNA上的一个基因进行处理，使DNA增加或减少碱基。
通过这样的方法他们发现加入或减少1个和2个碱基都会引起噬菌体突变，无法产生正常功能的蛋白质，而加入或减少3个碱基时却可以合成正常功能的蛋白质。
为什么会这样呢？
这只能解释为：遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸。
请比较分析下图：插入几个碱基对原有氨基酸序列影响最小？
3
进一步分析上图：
减少3个碱基对原有氨基酸序列影响最小。
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。
三、遗传密码对应规则的发现
1961—1962年，尼伦伯格（M. W. Nirenberg，1927～）和马太（H. Matthaei）的实验：
这一结果不仅证实了无细胞系统的成功，同时还表明UUU是苯丙氨酸的密码子。
这是第一个遗传密码子被破译。尼伦伯格的实验巧妙之处在于利用无细胞系统进行体外合成蛋白质，他这富有创新的实验方法为他带来了重大的成功！ 在接下来的六七年里，科学家沿着体外合成蛋白质的思路，不断地改进实验方法，破译出了全部的密码子，并编制出了密码子表。这项工作成为生物学史上
的一个伟大的里程碑！为人类探索和提示生命的本质的研究向前迈进一大步，为后面分子遗传生物学的发展有着重要的推动作用。
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。
课堂训练
例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
答案：C
例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（ ）
A．克里克、伽莫夫
B．克里克、沃森
C．摩尔根、尼伦伯格
D．伽莫夫、克里克
答案：D
例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（ ）
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
答案：B
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同步测试
一、单项选择题
1、下列哪一项不是遗传密码子的特性（D ）
A．一个密码子，决定一个特定的氨基酸
B．一种氨基酸可能有几个密码子（简并性）
C．地球上几乎所有的生物共用一套密码子表（通用性）
D．遗传密码的阅读方式为重叠的阅读方式
2、在GGTTCGCACGCT DNA碱基系列中，若第三个碱基（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（ A）
A．1 B．2
C．3 D．4
3、第一个提出3个碱基编码1个氨基酸的科学家是（ A）
A．伽莫夫 第一文库网 B．克里克
C．沃森 D．摩尔根
4、组成mRNA分子的4种核苷酸能组成多少种密码子？（ D）
A．8 B．16
C．32 D．64
5、已知AUG、GUG为起始密码子，UAA、UGA，UAG为终止密码子，AUG为甲硫氨酸，GUG为缬氨酸，UUA、UUG、CUU、CUA为亮氨酸，CGU、CGA、AGG为精氨酸，一信使RNA的碱基排列顺序如下：—AUUCGAUGAGGCUAUUA—（39个碱基）—GUUUAGCGUCGA—，这个信使RNA控制合成的蛋白质中的氨基酸种类至多多少种（ C）
A．20 B．16
C．17 D．19
显示提示
提示：
1、遗传密码的阅读方式应该为非重叠阅读方式。
2、只是第一个氨基酸有影响。
3、伽莫夫首次提出3个碱基编码一个氨基酸的设想，其后克里克以T4噬菌体作为实验材料，证实了伽莫夫的设想。
4、4种核苷酸能组成4=64种密码子。 3
5、解析：—AUUCGAUGAGGCUAUUA—（39个碱基）—GUUUAGCGUCGA—翻译的起点是AUG，终点是UAG，起始密码子决定氨基酸，终止密码子不决定氨基酸，AUGAGGCUAUUA—（39个碱基）—GUUUAG这一段能控制合成的蛋白质中氨基酸有18个，其中CUA和UUA都决定亮氨酸，所以最多17种。
二、简答题
6、在克里克得出3个碱基可以排列成1个遗传密码的实验结论后，科学家们
开始探索一个特定的遗传密码所对应的特定的氨基酸究竟是哪一个。尼伦伯格和马太采用蛋白质的体外合成技术，在每一个试管中加入一种氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液，以及人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸，结果在加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链，如下图请回答。
（1）实验中多聚尿嘧啶核苷酸的作用是
______________________________。
（2）细胞提取液为该实验具体提供了______________________________。
（3）实验中所用的细胞提取液需除去DNA和mRNA的.原因是
____________________。
（4）要确保实验结论的科学性，需设计对照实验。本题目所给实验中，对照实验是__________。
（5）要想知道更多氨基酸的密码子，你如何改变上述实验？（简述）__________。
（6）本实验所用的细胞提取液可以用大肠杆菌制备。请简述制备方法： ①对大肠杆菌进行振荡裂解；
②__________________________________________________； ③__________________________________________________。
经上述操作，得到了除去DNA和mRNA的细胞提取液。（大肠杆菌中mRNA约在30～60分钟内自行分解，因此操作中可不考虑）
显示答案
6、（1）作为模板mRNA直接控制蛋白质（多肽）合成
（2）能量、酶、核糖体、tRNA（不能缺项）
（3）排除细胞中的DNA、mRNA对体外合成蛋白质的影响
（4）加入多聚尿嘧啶核苷酸及其他种类氨基酸的实验
（5）依次用不同种类的多聚核糖核苷酸替换上述实验中的多聚尿嘧啶核苷酸
（6）②离心、过滤，获取匀浆 ③用DNA酶处理匀浆，除去DNA 解析：多聚尿嘧啶核苷酸的作用相当于mRNA，细胞提取液为转录提供了能量、酶、核糖体、tRNA。实验中除去DNA和mRNA的原因是排除DNA、mRNA对体外合成蛋白质的影响。
7、回答有关真核细胞中遗传信息及其表达的问题。
（1）将同位索标记的尿苷（尿嘧啶和核糖的结合物）加入细胞培养液中，不久在细胞核中发现被标记的__________、__________、__________。
（2）将从A细胞中提取的核酸，通过某种方法，转移到另一种细胞B中，当转入__________时，其遗传信息在B细胞中得到表达并能复制传给下一代；当转入__________时，在B细胞中虽能合成相应的蛋白质，但性状不会遗传。
（3）已知某基因片段碱基排列如图。由它控制合成的多肽中含有“—脯氨酸—谷氨酸—谷氨酸—赖氨酸—”的氨基酸序列。（脯氨酸的密码子是CCU、CCC、CCA、CCG；谷氨酸的是GAA、GAG；赖氨酸的是AAA、AAG；甘氨酸的是GGU、GGC、GGA、GGG。）
①翻译上述多肽的mRNA是由该基因的__________链转录的（以图中的甲或乙表示）。此mRNA的碱基排列顺序是：____________________。
②若该基因由于一个碱基被置换而发生突变，所合成的多肽的氨基酸排列顺序成为“—脯氨酸—谷氨酸—甘氨酸—赖氨酸—”。写出转录并翻译出此段多肽的DNA单链的碱基排列顺序：______________________________。
显示答案
7、（1）mRNA tRNA rRNA
（2）DNA RNA
（3）①乙 —CCUGAAGAGAAG— ②—GGACTTCCCTTC—
解析：从碱基组成上看，RNA不同于DNA的组成成分是含有尿嘧啶。当被标记的尿嘧啶加入细胞培养液中一段时间后，被标记的尿嘧啶会出现在mRNA、tRNA、rRNA中。将A细胞中的核酸，通过基因工程的方法转移到细胞B中，由于DNA是遗传物质而RNA不是遗传物质，所以转入DNA时，其遗传信息能够表达且能够传递给后代；转入RNA则只能合成相应蛋白质，不出现性状遗传。由氨基酸个数、排列顺序及几种氨基酸密码子情况可知：图示基因乙链转录形成了mRNA。再根据碱基互补配对原则，可推知DNA的碱基排列顺序。
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课外拓展
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。
不重叠性：对于特定的三联体密码而言，其中的每个核苷酸都具有不重叠性。例如，如果RNA分子UCAGACUGC的密码解读顺序为：UCA、GAC、UGC，则它不可以同时解读为UCA、CAG、AGA、GAC??等。不重叠性使密码解读简单而准确无误。并且，当一个核苷酸被异常核苷酸取代时，不会在肽链中影响到多个氨基酸。不过，在大肠杆菌噬菌体基因组中，确有部分遗传密码是重叠使用的，这可以看做一种例外现象。
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。
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高考解析
例、有关蛋白质合成的叙述，正确的是（多选）（ ）
A．终止密码子不编码氨基酸
B．每种tRNA只转运一种氨基酸
C．tRNA的反密码子携带了氨基酸序列的遗传信息
D．核糖体可在mRNA上移动
答案：ABD。
解析：
遗传信息是指DNA分子中的脱氧核苷酸序列，而不是在tRNA上。
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