人教生物必修2 第4章 第3节 遗传密码的破译（共26张PPT）

(共26张PPT)
第三节
遗传密码的破译
莫尔斯电报

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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。
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》
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。
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暗示了基因的作用是指导蛋白质分子的最后构型，从而决定其特异性。
13.1944年，理论物理学家薛定谔发表的《什么是生命》一书中就大胆地预言，遗传物质是一种信息分子，可能类似作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：“· ”、“—”，通过排列组合来储存遗传信息。
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。
16.1954年Sanger用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋白质的氨基酸序列了解得越来越多。
17.1954年科普作家伽莫夫G.Gamor对破译密码首先提出了挑战。指出三个碱基编码一个氨基酸，他同时也认为遗传密码的阅读是完全重叠的，因此氨基酸数目和核苷酸数目存在着一对一的关系。
18.1957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。
19.1957年Brenner.S发表的理论文章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存在氨基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读的可能性。
20.1958年科学家以大肠杆菌为实验材料，证实DNA的半保留复制。
21.1961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，证明了他于1958年提出的关于遗传三联密码的推测
22.60年代，阐明mRNA、tRNA 及核糖体的功能、蛋白质生物合成的过程。
23.1962年尼伦伯格和马太蛋白质体外合成实验破译出了第一个遗传密码UUU
24.1969年Nirenberg 等解译出全部遗传密码。

思考：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？
一、研究的背景
1.1941年比德尔和塔特姆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。
2.1944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。
3.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。
4.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。
二、遗传密码的试拼与阅读方式的探索
1.1954年科普作家伽莫夫G.Gamov对破译密码首先提出了挑战在《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。
2.1954年Sanger用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋白质的氨基酸序列了解得越来越多。
接下来，人们不禁又要问在三联体中的每个碱基作为信息只读一次还是重复阅读呢？以重叠和非重叠方式阅读DNA序列会有什么不同呢？
mRNA … CCAAGCGUGCGA…

翻译
多肽链
脯氨酸









非重叠阅读
重叠阅读
基因的片段 …GGTTCGCACGCT…


基因的片段 …GGTTCGCACGCT…
mRNA … CCAAGCGUGCGA…



翻译
多肽链

脯氨酸







以非重叠方式阅读可编码几个氨基酸，以重叠方式阅读可编码几个氨基酸？

转录


转录

……
3. 1957年Brenner.S发表了一篇令人兴奋的理论文章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存在氨基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读的可能性。



?非重叠的方式阅读
?重叠的方式阅读


基因的片段 …GGTTCGCACGCT…
插入1个碱基：…GGTATCGCACGCT…
插入2个碱基：…GGTAATCGCACGCT…
插入3个碱基：…GGTAAATCGCACGCT…
4. 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。
?重叠阅读:
当插入1个碱基,将影响3个氨基酸 当插入2个碱基,将影响4个氨基酸 当插入3个碱基,将会在5个氨基酸
?非重叠阅读:
当插入1个碱基,将影响插入部位后面所有的氨基酸 当插入2个碱基,将影响插入部位后面所有的氨基酸 当插入3个碱基,将会在原氨基酸序列中多一个氨基酸
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？
克里克发现：
增加/删除1个或2个碱基，不能产生功能正常的蛋白质； 但增加/删除3个碱基，可以产生功能正常的蛋白质。
这表明： 遗传密码中是由3个碱基编码1个氨基酸。 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。
思考：3个碱基编码1个氨基酸，那么，遗传密码与氨基酸有怎样的对应规则？ 如何确定64个密码子分别对应哪种氨基酸呢？
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。
4.很遗憾，伽莫夫也许是考虑到效率的问题，认为一个碱基可能被重复读多次，也就是说遗传密码的阅读是完全重叠的，因此氨基酸数目和核苷酸数目存在着一对一的关系。
三、遗传密码对应规则的发现
1961-1962年，尼伦伯格和马太的实验 ：
?每个试管中分别加入一种氨基酸；
?每个试管中分别加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液
?每个试管中分别加入人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸
2.实验结果：加苯丙氨酸的试管中出现多聚苯丙氨酸的肽链
1.实验过程
3.实验结论：苯丙氨酸对应的密码子是UUU
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！
4.实验意义
思考： （1）如何设计对照实验，使实验结果更具说服力？ （2）如何通过实验，确定AAA，CCC，GGG是哪种氨基酸的密码子？ （3）如果以ACACACACACAC多聚核苷酸为模板，则其指导合成的多肽链中含有几种氨基酸？
5.比较的莫尔斯密码与遗传密码的异同
项 目 莫尔斯电码 遗传密码
密码间有无隔符 有间隔符“/” 无分隔符
长度是否固定 长度不固定，1到4隔符号不等 长度固定，3隔符号
阅读方式是否重叠 非重叠方式阅读 非重叠方式阅读
密码所采用的符号 － · AUGC
6.对比克里克和尼伦伯格的实验
克里克的T4噬菌体实验 尼伦伯格体外蛋白质合成实验
思路 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。 建立体外蛋白质合成系统，直接破解遗传密码规则。
前提 找到使DNA脱落或插入单个碱基的方法——原黄素处理 多核苷酸磷酸化酶的发现，为得到poly U提供条件
优势 不需要理解蛋白质合成过程，就能作出推断密码子的总体特征。 快速，直接
不足 证据相对间接，工作量较大。 需要首先了解细胞中蛋白质合成所需的条件。
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，到1969年，科学家们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。
请比较分析下图:插入___个碱基对原有氨基酸序列影响最小.
GGTTCGCACGCTTTGAGC

插一个碱基
GGTATCGCACGCTTTGAGC

插二个碱基
GGTAATCGCACGCTTTGAGC

插三个碱基
GGTAAATCG
CACGCTTTG
AGC
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
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、沃森式化
C．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
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
4.mRNA中的碱基序列GAUCGA中,每个密码子确定一个氨基酸,按重复和不重复方式阅读,分别能控制几种氨基酸? A.4种和2种　　B.5种和2种 C.6种和2种　　D.2种和2种
5.尼伦伯格和马太采用蛋白质体外合成的技术,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链时,加入细胞液。下列是合成过程中利用的细胞液成分,其中正确的是
①ATP　②酶　③tRNA　④苯丙氨酸　⑤mRNA⑥DNA　⑦rRNA
A.①②③④⑦　　B.①②④⑤⑦
C.②③④⑤⑥　　D.③④⑤⑥⑦
6.遗传密码的阅读方式为
A.重叠的
B.非重叠的
C.以任意3个碱基为1个阅读单位进行阅读
D.以相邻的3个碱基为1个阅读单位即可
7.艾滋病病毒在逆转录酶的作用下,能形成DNA。下列哪项是艾滋病病毒依据碱基互补配对原则进行的逆转录过程?

模板 AGCU　AGCT　AGCU　AGCT
产物? ? ?
8.若细胞质中tRNA1(AUU)可转运氨基酸a,tRNA2(ACG)可转运 氨基酸b,tRNA3(UAC)可转运氨基酸c,今以DNA中一条链……A—C—G—T—A—C—A—T—T……为模板合成蛋白质,该蛋白质基本组成单位的排列顺序可能为(　 )。
A.a—b—c　　B.c—b—a C.b—c—a　　D.b—a—c
一、遗传密码的试拼与阅读方式的探索
1.1954年伽莫夫指出三个碱基编码一个氨基酸,但认为遗传密码的阅读是完全重叠的
mRNA … CCAAGCGUGCGA…

翻译
多肽链
脯氨酸









非重叠阅读
重叠阅读
基因的片段 …GGTTCGCACGCT…


基因的片段 …GGTTCGCACGCT…
mRNA … CCAAGCGUGCGA…



翻译
多肽链

脯氨酸








转录


转录

……
2.1954年Sanger用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋白质的氨基酸序列了解得越来越多。
3.1957年Brenner.S通过蛋白质的氨基酸顺序分析，否定了遗传密码重叠阅读的可能性。
4.1961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，对比分析非重叠阅读和重叠阅读的区别，发现：增加/删除1个或2个碱基，不能产生功能正常的蛋白质；但增加/删除3个碱基，可以产生功能正常的蛋白质。
表明：遗传密码中是由3个碱基编码1个氨基酸；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。
?每个试管中分别加入一种氨基酸；
?每个试管中分别加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液
?每个试管中分别加入人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸
2.实验结果：加苯丙氨酸的试管中出现多聚苯丙氨酸的肽链
1.实验过程
3.实验结论：苯丙氨酸对应的密码子是UUU
4.实验意义：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，这是第一个被破译的密码子
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，到1969年，科学家们破译出了全部的密码子，并编制出了密码子表。
二、遗传密码对应规则的发现
1961-1962年，尼伦伯格和马太的实验 ：