范文一:遗传密码的破译
遗传密码的破译
一、遗传密码
1、遗传密码又称密码子、遗传密码子。
遗传密码是指mRNA分子上相邻的3个碱基,每3个相邻的碱基为一组称为一个密码子,每个密码子代表一个氨基酸或终止信号。它决定肽链上每一个氨基酸的种类和氨基酸的合成顺序,以及多肽链合成的起始、延伸和终止。
2、由于DNA双链中只有一条单链(称为有义链或编码链、模版链)被转录为mRNA,而另一条单链(称为反义链或无义链)则不被转录,所以,即使对于以双链 DNA作为遗传物质的生物来讲,遗传密码也用mRNA中的核糖核苷酸顺序而不用DNA中的脱氧核苷酸顺序表示。
3、遗传密码是一组对应规则,即mRNA上三个碱基与氨基酸之间的对应关系。几乎所有的生物都使用相同的遗传密码,称为标准遗传密码;即使是非细胞结构的病毒,它们也是使用标准遗传密码。但是也有少数生物使用一些稍微不同的遗传密码。因此,几乎所有的生物共用同一套遗传密码。
4、遗传密码共64个,其中61个编码氨基酸,3个不编码氨基酸。
起始密码。在64个密码子中,有2个氨基酸密码子AUG和GUG同时兼作起密码子,它们作为体内蛋白质生物合成的起始信号,其中AUG使用最普遍。AUG在原核生物中编码甲酰化甲硫氨酸,在真核生物中编码甲硫氨酸,并起合成起点作用。GUG编码结氨酸,在某些生物中也兼有合成起点作用。
终止密码。在64个密码子中,一共有3个终止密码子,它们是UAA、UAG和UGA,没有相应的tRNA与之结合,不编码任何氨基酸,它们是蛋白质合成的终止信号。终止密码子能被释放因子识别,使核糖体和释放因子结合,使多肽从核糖体分离而结束翻译过程。另外,在哺乳动物的线粒体中,AGA和AGG也充当终止密码子。
5、遗传密码的特点:
?连续性。 mRNA的读码方向从5'端至3'端方向,两个密码子之间无任何核苷酸隔开。mRNA链上碱基的插入、缺失和重叠,均造成框移突变。
?简并性。 指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子。密码子的第三位碱基改变往往不影响氨基酸翻译。大多数氨基酸都有几个密码子,多则6个,少则2个,这就是密码子的简并现象。只有色氨酸与甲硫氨酸这两种氨基酸例外,只有1个密码子。 因为当DNA分子上的碱基发生变化时,突变后所形成的密码子,可能与原来的密码子翻译成同样的氨基酸,或者化学性质相近的氨基酸,在多肽链上就不会表现任何变异或者变化不明显,因而简并现象对生物遗传的稳定性具有重要意义,程家了容错性。 ?摆动性。 mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子配对时,大多数情况遵守碱基互补配对原则,但也可出现不严格配对,尤其是密码子的第三位碱基与反密码子的第一位碱基配对时常出现不严格碱基互补,这种现象称为摆动配对。
?通用性。 蛋白质生物合成的整套密码,从原核生物到人类都通用。但已发现少数例外,如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。
二、遗传密码的破译原理
首先是以DNA的一条链为模板合成与它互补的mRNA,根据碱基互补配对原则在这条mRNA链上,A变为U,T变为A,C变为G,G变为C。因此,这条mRNA上的遗传密码与原来模板DNA的互补DNA链是一样的,所不同的只是U代替了T。然后再由mRNA上的遗传密码翻译成多肽链中的氨基酸序列。碱基与氨基酸两者之间的密码关系,显然不可能是1个碱基决定1个氨基酸。因此,一个碱基的密码子是不能成立的。如果是两个碱基决2定1个氨基酸,那么两个碱基的密码子可能的组合将是4=16。这种比现存的20种氨基酸
3还差4种因此不敷应用。如果每三个碱基决定一个氨基酸,三联体密码可能的组合将是4=64种。这比20种氨基酸多出44种,所以会产生多余密码子。可以认为是由于每个特定的氨基酸是由1个或多个的三联体密码决定的。一个氨基酸由一个以上的三联体密码子所决定的现象,称为简并。
三、遗传密码的破译过程
1、遗传密码的阅读方式
核糖体阅读mRNA是从某个起点开始,连续不重复阅读,即mRNA翻译是非重叠阅读方式。 “密码子”是由阅读的起始位点决定的。例如,一段序列GGGAAACCC,如果由第一个位置G开始读,包括3个密码子GGG,AAA和CCC。如果从第二位G开始读,包括GGA和AAC(忽略不完整的密码子)。如果从第三位G开始读,则为GAA和ACC。故此每段序列都可以分为三个阅读框,每个都能产生不同的氨基酸序列。可见,同一个碱基序列,不同的阅读方式解读出来的含义完全不同,要正确地理解遗传密码的含义,必须掌握密码的阅读方式。
实际的框架是由起始密码子确定,通常是mRNA序列上第一个出现的AUG。克里克通过实验证明了遗传密码中三个碱基编码一个氨基酸,阅读密码的方式是从一个固定的起点开始,以非重叠的方式进行,编码之间没有分隔符。
破坏阅读框架的变异(例如,插入或删除1个或2个核苷酸)称为阅读框变异,通常会严重影响到蛋白质的功能,故此并不常见,因为他们通常不能在进化中存活下来。 2、克里克的实验证据
1961年,克里克以T4噬菌体为实验材料,研究其中某个碱基的增加或减少对其所编码的蛋白质的影响。克里克发现在相关碱基序列中增加或者删减一个碱基,无法产生正常功能的蛋白质;增加或删除两个碱基,也不能产生正常功能的蛋白质;但是,当增加或删除三个碱基时,却合成了具有正常功能的蛋白质。从而证明了遗传密码中3个碱基编码一个氨基酸。并且遗传密码从一个个顶的起点开始,以非重叠的方式阅读,编码之间没有分隔符。 、遗传密码对应规则的发现。 3
(1)尼伦伯格和马太破译了第一个遗传密码。
(2)实验思路:采用蛋白质的体外合成技术。
(3)过程:他们在每个试管中分别加入一种氨基酸,再加入除去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。
(4)实验结论:多聚尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的合成,多聚尿嘧啶核苷酸的碱基序列是由多个尿嘧啶组成的(UUUU......),可见尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链。结合克里克得出的3个碱基决定1个氨基酸的实验结论,与苯丙氨酸对应的密码子应该是UUU。在此后的六七年里,科学家沿着蛋白质体外合成的思路,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。
四、例题:
科学家已经证明密码子是mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻碱基。以下是遗传密码破译过程的几个阶段。
(1)根据理论推测,mRNA上的三个相邻的碱基可以构成 种排列方式,实际上mRNA上决定氨基酸的密码子共有 种。
(2)1955年,尼伦伯格和马太成功建立了体外蛋白质合成系统,破译了第一个密码子:苯丙氨酸(UUU)。具体的做法是在代表“体外蛋白质合成系统”的20支试管中各加入作为模板(mRNA)的多聚尿嘧啶核苷酸(即只由U组成的mRNA),再向20支试管中分别加入20种氨基酸中的一种,结果只有加入苯丙氨酸的试管中才出现了多聚苯丙氨酸肽链。
体外蛋白质合成系统中除了加入全套必要的酶系统、tRNA、人工合成的mRNA和氨基酸外,还需提供 。
(3)上述实验后,又有科学家用C、U两种碱基相间排列的mRNA为模板,检验一个密码子是否含有3个碱基,如果密码子是连续翻译的:
?假如一个密码子中含有2个或4个碱基,则该RNA指导合成的多肽链中应由
__________种氨基酸组成。
?假如一个密码子中含有3个碱基,则该RNA指导合成的多肽链中应由 种氨基酸组成。
(4)1964年又有科学家用2个、3个或4个碱基为单位的重复序列,最终破译了全部密码子,包括终止密码。下表是部分实验
实验序号 重复的mRNA序列 生成的多肽所含氨基酸种类
(UC)n 丝氨酸、亮氨酸 1
(UUC)n 苯丙氨酸、亮氨酸、丝氨酸 2
(UUAC)n 亮氨酸、苏氨酸、酪氨酸 3
说明:表中(UC)n表示UCUCUCUCUCUC??这样的重复mRNA序列。请分析上表后推测下列氨基酸的密码子:亮氨酸 、 ;丝氨酸_______;苯丙氨酸 。
【答案】
(1)64 61 (2)ATP和核糖体
(3)?1 ?2 (4)CUU CUC UCU UUC
3【解析】(1)mRNA上的3个相邻的碱基可以构成4=64种排列方式,实际上mRNA上决定氨基酸的密码子共有61种,另外3种是终止密码子,不决定氨基酸。
(2)尼伦伯格和马太进行的实验是在体外模拟翻译过程,除了全套必要的酶系统、tRNA、人工合成的mRNA和氨基酸外,还需提供ATP和核糖体才能完成。
(3)用C、U 2种碱基相间排列的mRNA为模板探究密码子含有的碱基数量的实验中,mRNA的序列是 CUCUCUCUCUCUCUC,核糖体阅读mRNA是从某个起点开始,连续不重复阅读,即mRNA翻译是不重叠。
? 假如一个密码子中含有2个碱基,若以CU为起始,mRNA可以读成 CU\CU\CU\CU\CU\CU\??,可见,第一个密码子是CU,第二个密码子也是CU,第三个还是CU,所有密码子全部是CU,mRNA上只有一种密码子,只能编码一种氨基酸。
同理以UC起始,所有的密码子都是UC,mRNA也只能编码一种氨基酸。
假如一个密码子中含有4个碱基,若以CUCU为起始,mRNA可以读成 CUCU\CUCU\CUCU\CUCU??,第一个密码子是CUCU,第二个密码子也是CUCU,第三
所有密码子全部是CUCU,mRNA上只有一种密码子,只能编码一种氨基个还是CUCU,
酸。
同理以UCUC起始,所有密码子全部是UCUC,只有一种密码子,mRNA 也只能编码一种氨基酸。
? 假如一个密码子中含有3个碱基,阅读办法同上,若以CUC为起始,mRNA可以读成 CUC\UCU\CUC\UCU\CUC??即,第一个密码子是CUC,第二个密码子也是UCU,第三个又是CUC,第四个密码子又是UCU,如此一直重复,这样mRNA上就有2种密码子,可编码2种氨基酸;同理,以UCU为起点,这样mRNA上也只有2种密码子,共编码2种氨基酸。
做题的关键,先写出一串规定的碱基序列,再拿笔按3个碱基一组圈一圈便好了,切记mRNA
编码蛋白质时,碱基是不重复的。
因此,
如果1个密码子中含有2个或4个碱基,则该RNA指导合成的多肽链只由1种氨基酸组成;如果1个密码子中含有3个碱基,则该RNA指导合成的多肽链由2种氨基酸组成。 (4)(UC)序列可读为实验?UCU、CUC,n
(UUC)序列可读为实验?UUC、UCU、 CUU,n
(UUAC)序列可读为实验?UUA、UAC、ACU、CUU, n
通过对比实验?、?,可发现?和?有一个共同密码子:CUU,可见亮氨酸的密码子是CUU, 再对比实验?、?,发现有一个共同密码子UCU,可见丝氨酸的密码子是UCU(不能为亮氨酸,否则实验?便只能编码2种氨基酸了,事实上实验?编码了3种氨基酸),最后,实验?中编码的密码子还有一个CUC,则CUC也编码亮氨酸,实验?中剩下的一个密码子UUC,应为苯丙氨酸的密码子。
所以,丝氨酸的密码子是UCU,苯丙氨酸的密码子是UUC,亮氨酸密码子是CUU和CUC。
五、习题:
【1】、遗传密码的破译是生物学史上一个伟大的里程碑,第一个被科学家破译的密码子是苯丙氨酸(UUU)。请回答:
(1)1959年,科学家用人工合成的只含U的mRNA为模板,在适当的条件下合成了只含有苯丙氨酸的多肽链。细胞外的翻译系统中除加入全套必要的酶系统、tRNA、人工合成的mRNA和_______种氨基酸外,还需 作为场所和_________提供直接能源。 (2)继上述实验后,有人用C、U两种碱基合成的相间排列的mRNA为模板来检验一个密码子是否含有三个碱基。如果密码子是连续翻译的,假如一个密码子中含有两个或四个碱基,则该mRNA指导合成的多肽链中应由______种氨基酸组成;假如一个密码子中含有三个碱基,则该mRNA指导合成的多肽链应由______种氨基酸组成,并间隔排列。 (3)有人设想,在已知信使RNA翻译的起始位点处,用插入核糖核苷酸的方法(如下图所示)也能解决密码子中碱基数目的问题,你认为可行吗,________。当插入________个核糖核苷酸时,对合成的蛋白质功能影响最小。
(4)后来人们用多种不同的人工mRNA进行实验,并用统计学方法推算人工mRNA中三联体密码子出现的频率与掺入氨基酸之间的相关性,找出了编码20种氨基酸的全部密码子。如果将含U、G两种碱基的核苷酸以25%:75%的比例混合合成mRNA,那么合成的mRNA含有____种密码子,其中GUG理论上应占____。
答案:
(1)20 核糖体 ATP
(2)1 2
(3)可行 3
(4)8 14.1%(9/64=75%×25%×75%)
【2】、已知精氨酸:CGU、CGC、CGA、CGG、AGA、AGG;缬氨酸:GUU、GUC、GUA、GUG;甘氨酸:GGU、GGC、GGA、GGG;组氨酸:CAU、CAC;色氨酸:UGG;甲硫
氨酸:AUG。
(1)如果用含有C、U两种碱基相间排列的一个mRNA为模板合成蛋白质,则合成的多肽链有 种氨基酸组成(假若决定一个氨基酸的碱基是2个或4个,那么合成的每条多肽链有 种氨基酸组成。
(2)如果A、C两种碱基的核苷酸足量,且将含A、C两种碱基的核苷酸以25,:75,的比例混合合成mRNA,那么合成的信使RNA含有 种密码子,其中CAC理
。 论上应占
(3)有一种六肽,当用化学方法将其降解后,得到了三种多肽,测得其中的三种多肽是:甲硫氨酸——组氨酸——色氨酸;精氨酸——缬氨酸——甘氨酸;甘氨酸——甲硫氨酸——组氨酸,决定该六肽的mRNA最多可以有 种不同的碱基序列。 (4)某一蛋白质分析表明,在编码甘氨酸的位点和编码缬氨酸的位点上发生的三种突变都是由一个碱基替换引起的。突变的起源如下:
精氨酸?甘氨酸? 缬氨酸 ?甲硫氨酸
则甘氨酸最可能的密码子是 。
答案
(1)2 1
(2)8 9/64
(3)192
(4)GGG
3】 【
某生物学家把从神经细胞中提取的基因植入到细菌的DNA中,该基因在细菌体内表达出的蛋白质在氨基酸序列上发生了很大的变化,与在神经细胞中合成的蛋白质完全不同,合理的解释是细菌与人体细胞( )
A(合成蛋白质的场所不同
B(控制蛋白质合成的基因结构不同
C(编码蛋白质合成的密码子不同
D(合成蛋白质的能量不同
答案 B
【4】
图甲表示b基因正常转录过程中的局部分子状态图,图乙表示该生物某个体的体细胞基因和染色体的关系,某生物的黑色素产生需要如图丙所示的3个基因参与控制,下列说法正确的是( )
A(若b2为RNA链,则反密码子的序列与b1链的碱基序列不一定相同
B(由图乙可知基因A(a)与基因b或e均遵循自由组合定律
C(若图乙中的2个b基因都突变为B,则该生物体仍可不断合成物质乙 D(图丙表示基因可直接控制生物的性状
答案 A
【5】
如图1是b基因正常转录过程中的局部分子状态图,图2表示该生物正常个体的体细胞基因和染色体的关系,某生物的黑色素产生需要如图3所示的3类基因参与控
制,三类基因的控制均表现为完全显性,下列说法正确的是( )
A(由图2所示的基因型可以推知该生物肯定不能合成黑色素 B(若b链的(A,T,C)/b链的(A,T,G),0.3,则b为RNA链 122
C(若图2中的2个b基因都突变为B,则该生物体可以合成物质乙 D(图2所示的生物体中肯定存在某细胞含有4个b基因
答案 D
【6】
如图所示:红色面包霉(一种真菌)通过一系列酶将原料合成它所需要的氨基酸。据图分析,以下叙述正确的是( )
A(若基因a 被破坏,则向培养基中加入鸟氨酸,面包霉仍能存活 B(若基因b被破坏,则向培养基中加入鸟氨酸,面包霉仍能存活 C(若基因b不存在,则瓜氨酸仍可以由鸟氨酸合成
D(基因c不能控制酶c的合成
答案 A
【7】
下表有关基因表达的选项中,不可能的是( )
A(基因:细菌抗虫蛋白基因 表达的细胞:抗虫棉叶肉细胞 表达产物:细菌抗虫蛋白 B(基因:人A酪氨酸酶基因 表达的细胞:正常人皮肤细胞 表达产物:人酪氨酸酶 C(基因:动物胰岛素基因 表达的细胞:大肠杆菌工程菌细胞 表达产物:动物胰岛素 D(基因:兔血红蛋白基因 表达的细胞:兔成熟红细胞 表达产物:兔血红蛋白
答案 D
【8】属于尼伦伯格和马太的贡献是( )
A(提出了3个碱基编码1个氨基酸的设想
B(提出了DNA双螺旋模型
C(第一个用实验证明遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸
D(破译了第一个遗传密码
答案 D
【9】某噬菌体基因的部分碱基序列如下图所示,该片段所编码的氨基酸序列为“?甲硫氨酸—组氨酸—缬氨酸—异亮氨酸?”(甲硫氨酸的密码子是AUG)。
??ATGCATGTTATT?
??TACGTACAATAA?
1961年,克里克等科学家用噬菌体做了如下实验:用诱变剂处理噬菌体的核酸。如果在上述片段的某两个相邻碱基对中间插入了一个碱基对,使得密码子顺序“?AUGCAUGUUAUU?”变成“?AUGCCAUGUUAU?”,得到的肽链就会除第一个氨基酸外全部错位。如果再减去一个碱基对,则使密码子顺序中的“UGU”后面减去一个“U”,变成“?AUGCCAUGUAUU?”,结果合成的肽链只有两个氨基酸与原来的不一样。根据以上信息回答:
(1)含有上述密码子顺序的分子是____。科学家的实验中,在核苷酸链中插入或减去了“碱基对”,这种改变导致的变异属于__________;通常情况下,噬菌体发生这种变异的场所最可能是____。
(2)克里克等科学家的实验证明了一个密码子是由___________构成的。
答案 (1)信使RNA(或mRNA) 基因突变 细菌(或宿主细胞)
(2)信使RNA(或mRNA)中三个相邻的碱基
【10】下面是1960年科学家M.Nireberg和S.OChoa探究一个氨基酸的密码子是由mRNA上的三个相邻碱基决定的实验。取5支试管,预先加入一定的物质,再把20种氨基酸分成五组,每组含四种不同的氨基酸,每支试管中加入一组氨基酸,再加入当时并不清楚是否带有遗传信息的多聚U(相当于只含U的mRNA),结果在含有酪氨酸、苯丙氨酸、半胱氨酸和丝氨酸的一组试管中合成了多肽。回答:
(1)上述实验中预先加入的物质是____________________________________。
(2)再用同样的方法,把酪氨酸、苯丙氨酸、半胱氨酸和丝氨酸分别加入四支试管中,从而合成了只含苯丙氨酸的多肽链。这一实验假设是____________________________________。 (3)M.Nireberg和S.OChoa破译了决定苯丙氨酸的密码子是UUU之后,又有科学家用C、U两种碱基相间排列的mRNA作为模板,研究一个密码子含有几个碱基。实验假设是:如果一个密码子中含有两个或者四个碱基,则该mRNA指导合成的多肽链中应分别由__________种氨基酸组成;如果三个碱基决定一个氨基酸,则多肽链中应含有__________种氨基酸。
(4)如mRNA上每3个碱基决定1个氨基酸,这样碱基的组合可以达到______种。
答案
(1)ATP、酶、核糖体、tRNA等 (2)以多聚U为模板合成的多肽只含一种氨基酸 (3)1 2 (4)64
范文二:遗传密码的破译
遗传密码的破译
目录
遗传密码的破译过程
破译密码的实验研究的发展
1. 体外实验
2. 混合共聚物碱基配对
3. aa-tRNA与确定的三核苷酸序列结合
4. 用重复共聚物破译密码
遗传学的第二套密码系统
遗传密码破译的展望
展开
遗传密码的破译过程
破译密码的实验研究的发展
1. 体外实验
2. 混合共聚物碱基配对
3. aa-tRNA与确定的三核苷酸序列结合
4. 用重复共聚物破译密码
遗传学的第二套密码系统
遗传密码破译的展望
展开
编辑本段遗传密码的破译过程
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RNA上。
基因密码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DNA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);若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则,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=64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。合成蛋白质必须将DNA上的遗传信息转录到RNA上,而RNA的碱基与DNA稍有不同,一般是有UCGA4种(DNA中是TCGA)。这个实验只用了含有单一碱基U的特殊RNA。这样,就得到了只有UUU编码的RNA。把这种RNA放到和细胞内相似的溶液里,如果上述观点正确,应该得到由单一一种氨基酸组成的蛋白质。这样合成的蛋白质中,只含有苯丙氨酸。于是,人们了解了第一个蛋白质的密码:UUU对应苯丙氨酸。随后,又有人用U—G交错排列合成了半胱氨酸—缬氨酸—半胱氨酸的蛋白质,从而确定了UGU为半胱氨酸的密码,而GUG为缬氨酸的密码。这样,人们不仅证明了遗传密码是由3个碱基排列组成,而且不断地找出了其他氨基酸的编码。
进一步研究发现,不论生物简单到只一个细胞,还是复杂到与人一样高等,他的遗传密码是一样的。也就是说,一切生物共用一套遗传密码。 编辑本段破译密码的实验研究的发展
破译密码的实验研究先后由三个实验逐步发展了四种破译方法,于1965年完成。
体外实验
1)在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的poly, 开创了破译遗传密码的先河。
自1961年发现mRNA后,许多实验室开始在无细胞蛋白质合成系统中加入mRNA,去研究蛋白质生物合成过程,并表明加入mRNA能刺激无细胞系统中蛋白质合成。1961年,美国NIH的Nirenberg和Mathaei,设想:即然mRNA有刺激无细胞系统中的蛋白质合成作用,加入人工合成的多聚核苷酸亦将会有这种促进作用。按此设想,他们合成了polyU作为模板,以观察无细胞系统中蛋白质
合成速率。因为在反应体系中加入高Mg2+浓度,可有利于IF(起始因子)的作用和fMet-tRNANet的形成,从而保证肽链合成的起始不需mRNA的适当信号。当把翻译产物分离、纯化和做序列分析后,结果出乎意料,合成的肽链中的氨基酸残基全部是苯丙氨酸,即polyPhe。于是第一次确认了UUU是Phe的密码子。这样,就在一个偶然的机会开创了破译密码的工作。随后,他们又以polyA和polyC为模板,证明了分别可指导合成polyLys和polyPro,即确定了AAA是Lys的密码子,CCC是pro的密码子。但是类似的实验不能证明GGG是何种氨基酸的密码子,因为polyG产生牢固的氢键结合,形成三股螺旋,而不与核糖体结合。
范文三:遗传密码的破译
普通高中课程标准实验教科书—生物第二册[人教版]
第4章 基因的表达
第3节 遗传密码的破译(选学)
一、知识结构
遗传密码的阅读方式
遗传密码的破译 克里克的实验证据
遗传密码对应规则的发现
二、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。
三、教学重点、难点及解决方法
1、教学重点及解决方法
[教学重点]
遗传密码的破译过程。
[解决方法]
利用“英尔斯密码”,英文句子类比的方法帮助学生理解遗传密码,分析尼伦伯格和马太实验的设计思路,理解遗传密码的破译方法。
2、教学难点及解决方法
[教学难点]
尼伦伯格和马太设计的蛋白质体外合成实验。
[解决方法]
结合教材中蛋白质体外合成的实验示意图,提出相关问题,理解遗传密码的破译过程。
四、课时安排
1课时。
五、教学方法
直观教学法。
六、教具准备
课件。
七、学生活动
学生思考、讨论、回答相关问题。
八、教学程序
(一)明确目标
(二)重点、难点的学习与目标完成过程
导入:1944年奥地利物理学家薛定谔就在他的《生命是什么》一书中,最早提出了遗传密码的设想。他猜想染色体中的有机单体严格、精确地排列,构成了遗传密码。遗传密码决定了生物的遗传性状。这个大胆的猜想,吸引了一批优秀的科学家投身到生命科学的研究中,去破译遗传密码。
[问题探讨]展示教材P73莫尔斯密码表及相关问题,学生回答:译成英文为:Where are
genes located. 用莫尔斯密码回答为—··/—·/·基因位于DNA 上。
自1953年DNA 双螺旋结构模型提出以后,科学家就围绕遗传密码的破译展开了全方位的探索。
一、遗传密码的阅读方式
1954年科普作家伽莫夫对破译密码首先提出了挑战。他设想:若一种碱基与一个氨基酸对应的话,那么只可能产生4种氨基酸,而已知天然的氨基酸有20种,因此不可由一个碱基编码一种氨基酸;若2个碱基编码一种氨基酸的话,4种碱基共有42=16种,也不足以编码20种氨基酸;因此他认为3个碱基,编码一种氨基酸。伽莫夫用数学的排列组合的方法在理论上作出推测的,后来的实验证实这一推测是完全正确的。
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?呈现教材P74图片。
[思考与讨论]1、学生回答:如密码子是非重叠的可能影响1个氨基酸,如是重叠的,可能影响3个氨基酸。2、学生回答:插入1个A ,非重叠将会影响后面所有的氨基酸。插入2个碱基,非重叠则影响后面所有的氨基酸。插入3个碱基,非重叠将会在原氨基酸序列中多一个氨基酸;插入1个A ,重叠将会影响3个氨基酸,多肽比原来正常多肽多1个氨基酸。插入2个碱基,重叠则影响4个氨基酸。多肽比原来正常多肽多2个氨基酸。插入3个碱基,重叠则影响5个氨基酸,多肽比原来正常多肽多3个氨基酸。
遗传密码真的是以3个碱基为一组吗?阅读方式究竟是重叠的还是非重叠的?必须拿出实验证据。
二、克里克的实验证据
学生阅读教材P74相关内容,结合有关句子中插入英语字母对语句产生的变化来理解,进行类比分析。克里克对遗传密码提出了4个特点:⑴3个碱基一组,编码一个氨基酸。⑵密码是不重叠的。⑶碱基的顺序是从固定起点解读的。⑷密码是简并的,即某个特定的氨基酸可以由几个碱基三联体来编码。
三、遗传密码对应规则的发现
如何找出64种密码子到底对应哪种氨基酸呢?
呈现教材P75蛋白质体外合成的实验示意图,结合下列问题讲解:
1、尼伦伯格和马太的实验巧妙之处是什么?
2、为什么要除去细胞提取液中的DNA 和RNA ?
3、如果你是尼伦伯格或马太,你准备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?
4、你能想到其他的密码如何破译吗?
在以后的六七年里,科学家沿着蛋白质体外合成的思路,不断地改进实验方法,破译了全部的密码子,并编制出了密码子表。
(三)总结
这节课我们回顾了遗传密码的破译过程。
(四)作业布置
教材P76练习,P77自我检测
(五)板书设计
第3节遗传密码的破译(选学)
1944年薛定谔提出了遗传密码的设想 1954年伽莫夫用数学的方法,推断3个碱基编码一个氨基酸 遗传密码的破译1957年否定了遗传密码重叠阅读的可能性 1961年克里克实验证明了遗传密码中3个碱基编码一个氨基酸 1961年尼伦伯格和马太破译了第一个遗传密码 1965年破译了全部的密码
范文四:遗传密码的破译
学案(4.3 遗传密码的破译)
一、学习目标
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、重点、难点知识
重点知识:遗传密码的破译过程。
难点知识:尼伦伯格和马太设计的蛋白质体外合成实验。
三、知识梳理
1.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,同时实验还表明:遗传密码从一个固定的起点开始,以非重叠的阅读方式阅读,编码之间没有分隔符。
2.两个名不见经传的年轻人尼伦伯格和马太破译了第一个遗传密码,苯丙氨酸对应的密码子是UUU 四、知识点拔
1(遗传信息和遗传密码的比较
遗传信息是指基因中的脱氧核苷酸的排列顺序,遗传密码是指mRNA中的碱基排列顺序,其中决定一个氨基酸的三个相邻的碱基叫一个密码子。
2(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(能指导蛋白质合成的区域)的DNA序列或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。
?.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. ?.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。由于兼并性,某些DNA碱基变化不会引起相应蛋白质的氨基酸序列改变。 ?.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。 ?.起始密码与终止密码: 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。
[经典体验]1(科学家已经证明密码子是mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。 (1)据理论推测,mRNA上的三个相邻的碱基可以构成________种排列方式,实际上决定氨基酸的密码子共有________种。
(2)第一个被科学家破译的是决定苯丙氨酸的密码子UUU。1959年,科学家M.Nireber和S.Ochoa用人工合成只含U的RNA为模版,在一定条件下合成只有苯丙氨酸组成的多肽,这里一定的条件应是________________________________________________。
(3)继上述实验后,又有科学家用C、U两种碱基相间排列的mRNA为模板,检验一个密码子是否含有三个碱基。如果密码子是连续翻译的:
?假如一个密码子中含有两个或四个碱基,则该RNA指导合成的多肽中应由_______种氨基酸组成。
?假如一个密码子中含有三个碱基,则该RNA指导合成的多肽链中应由________种氨基酸组成。
3解析:(1)mRNA上碱基共有A、G、C、U四种,三个相邻的碱基构成一个密码子,根据数学原理应有4即64种。其中有三种是终止密码子,实际上mRNA上决定氨基酸的密码子共有61种。(2)这里一定的条件是指基因控制蛋白质合成的第二阶段既翻译阶段所需条件。(3)C、U两种碱基相间排列,假如一个密码子中含有两个或四个碱基,则密码子为CU或CUCU,决定一种氨基酸组成。?假如一个密码子中含有三个碱基,则密码子CUC、UCU,决定两种氨基酸组成。
3答案:(1)4,64 61 (2)tRNA、氨基酸、能量、酶、核糖体等
1
(3)? 1 ? 2
五、自主探究
1(根据下表中的已知条件,判断苏氨酸的密码子是 ( )
DNA双链 T G
mRNA
tRNA反密码子 A
氨基酸 苏氨酸
A(TGU B(UGA C(ACU D(UCU
解析:密码子为mRNA上决定氨基酸的三个相邻碱基,因此根据转录和翻译过程中的碱基配对关系,DNA的信息链有两个种可能,若DNA信息链含碱基T、G,可推知mRNA上相应位置上的碱基分别是A、C,由tRNA上反密码子最后一个碱基A可推知mRNA上相应位置上的碱基为U,因此苏氨酸的密码子为ACU。若另一条链为信息链,则其碱其顺序为ACA,由此可推知密码子为UGU,与选项不符,因此应选C。 答案:C
练案(4.3 遗传密码的破译)(课堂反馈,满分100分)
A组题
选择题(每小题10分,共10题)
1(已知某tRNA一端的三个碱基序列是GAU,它转运的是亮氨酸,那么决定此氨基酸的密码子是下面哪个碱基序列转录来的, ( )
A(GAT B(GAU C(CUA D(CTA
解析:从转录、翻译逆行推理。tRNA的特定的三个碱基是GAU,那么根据碱基互补配对原则,决定此氨基酸的mRNA上的密码子是CUA。mRNA是由DNA转录而来的,所以mRNA上CUA是由DNA上的GAT转录来的. 答案:A
2(下图表示细胞中蛋白质合成的部分过程,相关叙述不正确的是( ) (
A(丙的合成可能受到一个以上基因的控制
B(图示过程没有遗传信息的流动
C(过程a仅在核糖体上进行
D(甲、乙中均含有起始密码子
解析:丙是由两条多肽链组成的,从图形可以看出由甲和乙这两条RNA翻译得到,所以可能有两个基因分别转录合成甲和乙。甲和乙都是RNA,都有起始密码子和终止密码子。遗传信息的流动包括传递和表达,图示a代表的是翻译过程。
答案:B
3(某个真核细胞中的DNA可以转录出的mRNA( )
A(1个 B(2个 C(3个 D(.多个
解析:基因是DNA上具有遗传效应的片段,所以在一个DNA上可以有多个基因,而每个基因可以转录出一个信使RNA,从而控制蛋白质的合成,进而控制生物的性状。
答案:D
4(下列关于遗传密码的叙述错误的是( )
A(tRNA上的三个碱基是一个密码子
B(遗传密码的排列顺序决定了氨基酸的排列顺序
C(mRNA中的一个碱基发生改变,不一定引起其指导合成的蛋白质的改变
D(遗传密码的阅读方式是非重叠式阅读
解析:mRNA上的三个相邻的碱基组成一个密码子,在tRNA上有三个碱基与mRNA上的一个密码子碱基互补配对,tRNA上的三个碱基是反密码子。
答案:A
5(第一个用实验证明遗传密码中3个碱基编码1个氨基酸的科学家是( )
2
A(沃森 B(伽莫夫 C(克里克 D(马太
答案:C
6(把小鼠的信使RNA加入到大肠杆菌提取液中,在一定条件下,能合成出小鼠的血红蛋白。这个事实说明( )
A(控制蛋白质合成的基因位于信使RNA上 B(小鼠的信使RNA能使大肠杆菌向小鼠转化 C(生物的遗传密码都相同 D(小鼠的信使RNA在大肠杆菌体内控制合成了小鼠DNA 解析:生物界通用一套遗传密码,因此小鼠的信使RNA加入到大肠杆菌提取液中也能合成出小鼠的血红蛋白
答案:C
7(人类的F基因前段存在CGG重复序列。科学家对CGG重复次数、F基因表达和遗传病症状表现三者之间的关系进行了调查研究,统计结果如表所示:
CGG重复次数() ,50 ?50 ?260 ?500 nnnnn
F基因的mRNA 50 50 50 50 (分子数/细胞)
F基因编码的蛋白质 1000 400 120 0 (分子数/细胞)
遗传病症状表现 无症状 轻度 中度 重度
此项研究的结论是( )
A(CGG重复次数不影响F基因的转录和翻译,与遗传病是否发生及症状表现无关
B(CGG重复次数影响F基因的转录和翻译,与遗传病是否发生及症状表现无关
C(CGG重复次数不影响mRNA与核糖体的结合,与遗传病是否发生及症状表现有关
D(CGG重复次数不影响F基因的转录,但影响翻译,与遗传病是否发生及症状表现有关 解析:分析表格中数据可以看出,F基因前段存在CGG重复序列,不论重复次数多少,每个细胞转录的mRNA分子数目均为50,但重复次数越多,F基因翻译产生的蛋白质数量越少, F基因编码的蛋白质数量越少,遗传病症状表现就越明显。
答案:D
8(尼伦伯格和马太采用蛋白质的体外合成技术进行的实验没有说明( )
A(尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的合成
B(尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链
C(结合克里克的研究成果,得出与苯丙氨酸对应的密码子是UUU
D(细胞提取液中的遗传信息控制合成了多聚苯丙氨酸的肽链
解析:尼伦伯格和马太的实验试管中加入的细胞提取液是除去了DNA和mRNA的,而遗传信息存在于DNA上,因此该实验不能说明细胞提取液中的遗传信息控制合成了多聚苯丙氨酸的肽链。
答案:D
9(下列说法错误的是( )
A.克里克T噬菌体实验不能证明苯丙氨酸的密码子是UUU 4
B.克里克T噬菌体实验表明遗传密码的阅读方式是非重叠的阅读方式 4
C.尼伦伯格和马太的实验可以说明三个碱基决定一个氨基酸
D.以上两个实验对遗传密码的破译都作出了贡献,促进了科学的发展
解析:克里克的实验说明三个碱基决定一个氨基酸
答案:C
10(下图是尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验示意图,据图回答下列问题。
3
(1)被人类破译的第一个密码子编码的氨基酸是( )
A Tyr酪氨酸 B Ser丝氨酸 C Phe苯丙氨酸 D Cys半胱氨酸
(2)尼伦伯格和马太的实验可模拟“中心法则”的___________过程。
(3)实验中加入的多聚尿嘧啶核苷酸本质上就是一种_____ _________ 。
(4)加入的细胞提取液除去DNA和mRNA的目的是_ 。
细胞提取液可以为该过程提供__________、___________、___________等。
(5)在实验中设置分别加入Tyr、Ser、Cys的另外三支试管起到_____ ____作用。 (6)该实验能证明3个碱基编码一个氨基酸吗,____ ______
答案:(1)C (2) 翻译 (3) mRNA
(4)防止细胞中的DNA和mRNA进行转录和翻译合成出蛋白质对实验结果造成干扰,ATP、酶、核糖体 (5)对照 (6)不能
B组题
下图表示真核细胞内合成某种分泌蛋白过程中由DNA到蛋白质的信息流动过程,????表示相关过程。1.
请据图回答下列问题:
(1)?过程发生在____________________________期,催化过程?的酶是____________。 (2)已知甲硫氨酸和酪氨酸的密码子分别是AUG、UAC,某tRNA一端的三个碱基是UAC,该tRNA所携带的氨基酸是________。
(3)a、b为mRNA的两端,核糖体在mRNA上的移动方向是_____________________________。?过程进行的场所有________________________________________________________________________。 (4)一个mRNA上连接多个核糖体叫做多聚核糖体,多聚核糖体形成的意义是___________。在原核细胞中分离的多聚核糖体常与DNA结合在一起,这说明
__________________________________________________________________。
解析:(1)分析题图,?过程指DNA的复制,在真核细胞中发生在有丝分裂的间期和减数第一次分裂的间期。?过程指转录过程,催化转录过程的酶主要是RNA聚合酶。(2)决定氨基酸的密码子在mRNA上,据tRNA上的反密码子UAC可推知密码子为AUG,AUG决定的氨基酸是甲硫氨酸。(3)据图观察可知:从a?b,越接近b端的核糖体上翻译出的肽链越长,说明越接近b端的核糖体在mRNA上移动的距离越长,由此推出它们的移动方向为a?b。?过程是对蛋白质加工和运输的过程,相应的场所有内质网和高尔基体。(4)当一个mRNA上连接多个核糖体以后,可以同时合成多条相同的肽链,提高蛋白质的合成速度。在原核细胞中分离的多聚核糖体常与DNA结合在一起,说明在原核细胞中边转录边翻译,转录和翻译可同时同地进行。 答案:(1)有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间 RNA聚合酶
(2)甲硫氨酸
(3)a?b 内质网和高尔基体
(4)短时间内能合成较多相同的肽链 原核细胞中的转录和翻译是可以同时同地点进行的 2(根据下图完成下列问题:
4
(1)图甲所示为_________过程,图乙为_________的结构示意图
(2)RNA有三种分别是_________、_________、_________。如果图乙中的反密码子为ACG,则对应的密码子是_________,转录出该密码子的基因的模板链对应碱基是_________。
(3)基因控制蛋白质的合成包括_________和_________两个过程;基因控制生物体的性状有两种方式___________________________和___________________________。
(4)遗传密码是_________上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基,其阅读方式为_________。 答案:(1)翻译 tRNA (2) mRNA tRNA rRNA UGC ACG (3)转录 翻译 通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物的性状 通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状 (4) mRNA 非重叠式阅读
5
范文五:遗传密码的破译
遗传密码的破译
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,包括伽莫夫的三联体推断,克里克的实验推断,尼伦伯格和
马太的蛋白质体外合成实验
教学重点
遗传密码的破译过程,引导学生感受这种思维过程并产生与科学家的思维共鸣 教学难点
1( 克里克的T4噬菌体实验
2( 尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成实验
课时安排
1课时
教学过程
1( 研究背景
什么是莫尔思电码呢,它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。请根据莫尔思电码表,将书本中问题探讨中的那段电文译成英文。
学生:where are genes located
学生:基因位于DNA上
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。 2( 遗传密码的阅读方式的探索
1954年科普作家伽莫夫在理论上尝试了遗传密码的解读,他设想:
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
因此他认为3个碱基编码一种氨基酸就可以解决问题。4个碱基与一种氨基酸对应的话就会产生256种排列组合。相比较而言。只有三联体较为符合20种氨基酸
伽莫夫是用数学的排列组合的方法在理论上作出推测的,后来的实验证实这一推测是完全正确的。
接下来,人们不禁要问在三联体中的每个碱基只读一次还是重复阅读呢,以重叠阅读和非重叠方式阅读DNA序列会有什么不同,思考P74的问题:
当图中的DNA的第3个碱基发生改变的时,如果密码子是非重叠的,这一改变将影响多少个氨基酸,
生:一个
如果密码子是重叠的,这一改变又将影响多少个氨基酸,
生:三个
当图中的DNA的第3个碱基T后插入一个碱基A的话,如果密码子是非重叠的,这一改变将影响多少个氨基酸,
生:将会影响后面所以的氨基酸
如果插入两个碱基呢,
生:也会影响后面所以的氨基酸
如果插入3个碱基呢,
生:将会在原氨基酸的序列中多一个氨基酸
当图中的DNA的的第3个碱基T后插入一个碱基A的话,如果密码子是非重叠的,这一改变将影响多少个氨基酸,如果插入2个,3个呢,
生:如果插入1个碱基,影响3个氨基酸,多肽比原来正常多肽多1个氨基酸 生:如果插入2个碱基,影响4个氨基酸,多肽比原来正常多肽多2个氨基酸 生:如果插入3个碱基,影响5个氨基酸,多肽比原来正常多肽多3个氨基酸 3( 遗传密码的验证(克里克实验)
1957年,克里克设计了一个实验,有力的证明三联密码的真实性,他用T4噬菌体染色体上的一个基因通过原黄素处理可以使DNA脱落和插入单个碱基,通过这样的方法他们发现加入或减少一个或两个碱基都会引起噬菌体突变,无法产生正常的蛋白质,而加入或减少三个碱基却可以合成正常的蛋白质,为什么会这样呢,
结合书本74页有关句子中插入英语字母对语句产生的变化来理解
当插入1、2个碱基时,会对后面所以的氨基酸产生影响。当插入3个碱基时,则可能对部分的氨基酸有影响,所以有可能合成正常功能的蛋白质
补充遗传密码的特点:
不间断性:mRNA的三联体密码是连续排列的,相临密码之间无核苷酸间隔。 不重叠性:对于特定的三联体密码而言,其中每个核苷酸都具有不重叠性。不重叠性使密码简单而准确无误。并且当一个核苷酸被异常核苷酸取代时,不会在肽链中影响多个氨基酸。 减并性
通用性
起始码和终止码:GUG作为起始码,到目前为止只在一种噬菌体蛋白质中发现过,在正常情况下,它是缬氨酸的密码子。所以说肽链合成的第一个氨基酸总是甲硫氨酸。 4( 遗传密码对应规则的发现
马太和尼伦伯格和克里克的方法和思路完全不同,他们采用的体外合成蛋白质的技术 (1) 去模板:除去DNA和mRNA。在细胞提取液中含有核糖体、ATP及各种氨基酸。
是一个完整的翻译系统
(2) 加入多聚尿嘧啶核苷酸代替天然的mRNA,发现合成了单一的多肽,既多聚苯丙氨
酸。这一结果不仅证实了无细胞系统的成功,也说明UUU是苯丙氨酸的密码子。