遺傳密碼的破譯

1、遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯 DNADNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)mRNAmRNA mRNAmRNA是怎樣把其中的堿基序列轉(zhuǎn)化為是怎樣把其中的堿基序列轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)中相應氨基酸排列次序的？蛋白質(zhì)中相應氨基酸排列次序的？mRNAmRNA的堿基與氨基酸之間是如何對應的？的堿基與氨基酸之間是如何對應的？ mRNAmRNA只有只有4 4種堿基，而組成蛋白質(zhì)的氨基酸有種堿基，而組成蛋白質(zhì)的氨基酸有2020種，這四種，這四種堿基是怎么決定蛋白質(zhì)的種堿基是怎么決定蛋白質(zhì)的2020種氨基酸的呢？種氨基酸的呢？假設(shè)：假設(shè)：1 1個堿基決定一個氨基酸，情形如何？個堿基決定一個氨基酸，情形如何？2 2個堿基決定一個氨基酸，情形如

2、何？個堿基決定一個氨基酸，情形如何？3 3個堿基決定一個氨基酸，情形如何？個堿基決定一個氨基酸，情形如何？4 4個堿基決定一個氨基酸，情形如何？個堿基決定一個氨基酸，情形如何？上世紀上世紀50506060年代，年代，DNADNA分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者克里克研究表明：在克里克研究表明：在T T4 4噬菌體的相關(guān)堿基序噬菌體的相關(guān)堿基序列中增加或者刪除一個堿基，無法產(chǎn)生正常列中增加或者刪除一個堿基，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；增加或刪除兩個堿基，也不功能的蛋白質(zhì)；增加或刪除兩個堿基，也不能產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；但是，當增加或能產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；但是，當增加或者刪除三個堿基時，卻合成了具

3、有正常功能者刪除三個堿基時，卻合成了具有正常功能的蛋白質(zhì)。的蛋白質(zhì)。 克里克克里克T T4 4噬菌體實驗噬菌體實驗 THE FAT CAT ATE THE BIG RAT試著插入或刪去其中的一個、兩個、三試著插入或刪去其中的一個、兩個、三個字母，看后面的語意會有什么變化？個字母，看后面的語意會有什么變化？類比推理即可得知類比推理即可得知：“出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，信使信使RNARNA上上的每的每三三個堿基決定一個氨基酸個堿基決定一個氨基酸”。19611961年，尼倫伯格和馬太利用大腸桿菌的破年，尼倫伯格和馬太利用大腸桿菌的破碎細胞溶液，建立了一種利用人工合成的碎細胞溶液，建

4、立了一種利用人工合成的RNARNA在試管里合成多肽鏈的實驗系統(tǒng)，其中在試管里合成多肽鏈的實驗系統(tǒng)，其中含有核糖體等合成蛋白質(zhì)所需的各種成分。含有核糖體等合成蛋白質(zhì)所需的各種成分。利用這個實驗系統(tǒng)，尼倫伯格和馬太設(shè)計了利用這個實驗系統(tǒng)，尼倫伯格和馬太設(shè)計了一個巧妙的實驗，破譯了第一個遺傳密碼，一個巧妙的實驗，破譯了第一個遺傳密碼，即即UUU-UUU-苯丙氨酸。苯丙氨酸。如果是你，如何設(shè)計實驗破譯遺傳密碼？如果是你，如何設(shè)計實驗破譯遺傳密碼？尼倫伯格尼倫伯格(Nirenberg)(Nirenberg)和馬太的大腸桿菌實驗和馬太的大腸桿菌實驗 上述方法只能破譯上述方法只能破譯AAA是賴氨酸的密碼子，

5、是賴氨酸的密碼子，CCC是是脯氨酸的密碼子，脯氨酸的密碼子，GGG是甘氨酸的密碼子，是甘氨酸的密碼子，UUU是是苯丙氨酸的密碼子。只能確定苯丙氨酸的密碼子。只能確定4種氨基酸的遺傳密碼，種氨基酸的遺傳密碼，所以密碼子中肯定還有所以密碼子中肯定還有2種或種或3種堿基組合的情況。種堿基組合的情況。n由于當時還未分離由于當時還未分離RNA polRNA pol酶，無法按設(shè)計的模板來合成酶，無法按設(shè)計的模板來合成RNARNA，但除了，但除了UUU,CCC,AAA,GGGUUU,CCC,AAA,GGG以外，還必須破譯其它的密以外，還必須破譯其它的密碼，碼，NirenbergNirenberg又想出了一種

6、新的方法，就是按一定的堿又想出了一種新的方法，就是按一定的堿基比例來合成基比例來合成RNARNA。比如在底物中加。比如在底物中加5 5份的份的UDPUDP和和1 1份的份的GDPGDP，堿基比為堿基比為U U：G G5 5：1 1，它們能組成的三聯(lián)體不外乎，它們能組成的三聯(lián)體不外乎8 8種：種：UUUUUU，UUGUUG，UGUUGU，GUUGUU，GGGGGG，GGUGGU，GUGGUG，UGGUGG。U U和和G G將隨機將隨機地加入到三聯(lián)體中，這樣按比例各個位置上進入地加入到三聯(lián)體中，這樣按比例各個位置上進入U U和和G G 的的概率不同，如概率不同，如UUUUUU：UGGUGG（5 5

7、 5 5 5 5）：（）：（5 5 1 1 1 1）2525：1 1；同理同理UUUUUU：UUGUUG5 5：1 1，根據(jù)這樣的推測，在無細胞系統(tǒng)中，根據(jù)這樣的推測，在無細胞系統(tǒng)中以這種比例合成的以這種比例合成的mRNAmRNA產(chǎn)生的氨基酸的比例也應是相應的，產(chǎn)生的氨基酸的比例也應是相應的，這樣可以推測出密碼子的組成。如氨基酸測定結(jié)果：這樣可以推測出密碼子的組成。如氨基酸測定結(jié)果：苯丙氨酸（苯丙氨酸（UUUUUU）：半胱氨酸（）：半胱氨酸（UGUUGU） 5 5：1 1苯丙氨酸（苯丙氨酸（UUUUUU）：纈氨酸（）：纈氨酸（GUUGUU） 5 5：1 1苯丙氨酸（苯丙氨酸（UUUUUU）：甘

8、氨酸（）：甘氨酸（GGUGGU） 2424：1 1苯丙氨酸的密碼子是已知的，由苯丙氨酸的密碼子是已知的，由3 3個個U U組成。那么半胱氨酸一組成。那么半胱氨酸一定是由定是由2 2個個U U，1 1個個G G組成；纈氨酸同樣如此；甘氨酸應是由組成；纈氨酸同樣如此；甘氨酸應是由一個一個U U兩個兩個G G組成。結(jié)果搞清了各種氨基酸的堿基組成，但組成。結(jié)果搞清了各種氨基酸的堿基組成，但是無法判斷其具體序列。是無法判斷其具體序列。 尼倫伯格尼倫伯格(Nirenberg)的新突破的新突破三聯(lián)體結(jié)合實驗三聯(lián)體結(jié)合實驗n原理：原理：（1 1）tRNAtRNA和氨基酸及三聯(lián)體的結(jié)合是特異的；和氨基酸及三聯(lián)體

9、的結(jié)合是特異的；（2 2）上述結(jié)合的復合體大分子是不能通過硝酸）上述結(jié)合的復合體大分子是不能通過硝酸纖維濾膜（纖維濾膜（NCNC）的微孔，而）的微孔，而tRNA-tRNA-氨基酸的氨基酸的復合體是可以通過的。復合體是可以通過的。n先發(fā)現(xiàn)當簡單的特定的核苷酸加入到先發(fā)現(xiàn)當簡單的特定的核苷酸加入到E.coliE.coli的核糖體上時，它們并不促使蛋白的核糖體上時，它們并不促使蛋白質(zhì)的合成，而引起了特定的質(zhì)的合成，而引起了特定的tRNAtRNA及其攜帶及其攜帶的氨基酸結(jié)合到核糖體上，形成大的復合的氨基酸結(jié)合到核糖體上，形成大的復合體。因此他們每次在無細胞系統(tǒng)中僅加一體。因此他們每次在無細胞系統(tǒng)中僅加

10、一種已知序列的三聯(lián)體種已知序列的三聯(lián)體RNARNA（如（如ACAACA），同時），同時在氨基酸中只用在氨基酸中只用1414C C標記一種氨基酸（如絲標記一種氨基酸（如絲氨酸）。若氨酸）。若ACAACA進入核糖體后，與其結(jié)合進入核糖體后，與其結(jié)合tRNAtRNA上攜帶的不是所標記的絲氨酸，那么上攜帶的不是所標記的絲氨酸，那么tRNAtRNA和絲氨酸就會從和絲氨酸就會從NCNC上透過，所以通過上透過，所以通過測定透過測定透過NCNC的的tRNA-aa tRNA-aa 復合體是否帶有標復合體是否帶有標記，就可判定結(jié)果。記，就可判定結(jié)果。19661966年科學家霍拉納發(fā)明了一種新的年科學家霍拉納發(fā)明了

11、一種新的RNARNA合合成方法，通過這種方法合成的成方法，通過這種方法合成的RNARNA可以是可以是2 2個、個、3 3個或個或4 4個堿基為單位的重復序列，例個堿基為單位的重復序列，例如如: :將將A A、C C兩種核苷酸縮合為兩種核苷酸縮合為ACACACACACACACACACAC長鏈，以它作人工信使進長鏈，以它作人工信使進行蛋白質(zhì)合成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是蘇氨酸和行蛋白質(zhì)合成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是蘇氨酸和組氨酸的多聚體，說明蘇氨酸的密碼子可組氨酸的多聚體，說明蘇氨酸的密碼子可能是能是ACAACA，也可能是，也可能是CACCAC；同樣，組氨酸的；同樣，組氨酸的密碼子可能是密碼子可能是CACCAC，也可

12、能是，也可能是ACAACA。霍拉納（霍拉納（Khorana)Khorana)的的RNARNA重復序列翻譯實驗重復序列翻譯實驗 實驗思想和推理思維的完美結(jié)合實驗思想和推理思維的完美結(jié)合n當重復序列為（當重復序列為（UCUC）n n 時，組成的重復時，組成的重復RNARNA無無論怎么閱讀，只可能是論怎么閱讀，只可能是UCU-CUCUCU-CUC，翻譯的多肽，翻譯的多肽也是由絲氨酸和亮氨酸之間排列的序列。也是由絲氨酸和亮氨酸之間排列的序列。n當重復序列為當重復序列為(UUC)n(UUC)n時，無論怎么閱讀，都時，無論怎么閱讀，都只產(chǎn)生三種多聚氨基酸，即絲只產(chǎn)生三種多聚氨基酸，即絲, ,亮和苯丙。亮和

13、苯丙。n再看第三行重復序列（再看第三行重復序列（UUACUUAC）n n，無論怎么讀，無論怎么讀法，只會是四個密碼子的循環(huán)；法，只會是四個密碼子的循環(huán)；UUAUUACUUCUUACUACUUACUAC，但合成的肽鏈中氨基酸三種，但合成的肽鏈中氨基酸三種，亮亮- -亮亮- -蘇蘇- -酪酪 。n你能分析嗎？你能分析嗎？霍利（霍利（Holley)的貢獻的貢獻n什么是細胞內(nèi)翻譯遺傳密碼的機制？霍利著手解什么是細胞內(nèi)翻譯遺傳密碼的機制？霍利著手解決這個問題并取得了成功。有一類特別的核酸，決這個問題并取得了成功。有一類特別的核酸，稱為轉(zhuǎn)運稱為轉(zhuǎn)運RNARNA，霍利就是轉(zhuǎn)運，霍利就是轉(zhuǎn)運RNARNA的發(fā)現(xiàn)

14、者之一。的發(fā)現(xiàn)者之一。轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運RNARNA能讀出遺傳密碼，并將它翻譯成蛋白質(zhì)字能讀出遺傳密碼，并將它翻譯成蛋白質(zhì)字母系統(tǒng)。經(jīng)過多年工作，霍利成功地制備了一種母系統(tǒng)。經(jīng)過多年工作，霍利成功地制備了一種純的轉(zhuǎn)運純的轉(zhuǎn)運RNARNA，最后于，最后于19651965年搞清其準確的化學結(jié)年搞清其準確的化學結(jié)構(gòu)?；衾墓ぷ鞅砻?，有生物學活性的核酸的化構(gòu)?；衾墓ぷ鞅砻?，有生物學活性的核酸的化學結(jié)構(gòu)首次得到完全測定。學結(jié)構(gòu)首次得到完全測定。n將多核苷酸鏈分裂為幾個小片段，然將多核苷酸鏈分裂為幾個小片段，然后確定小片段在后確定小片段在RNARNA分子中的次序，從分子中的次序，從而重建原先的核苷酸序列。而重建原先的核苷酸序列。19681968年，霍利、霍拉納、尼倫伯年，霍利、霍拉納、尼倫伯格因?qū)z傳密碼的解釋及其在蛋白格因?qū)z傳密碼的解釋及其在蛋白質(zhì)合成中功能的揭示而共同獲得諾質(zhì)合成中功能的揭示而共同獲得諾貝爾獎。貝爾獎。請認真閱讀密碼子表，分析回答下列問題，總結(jié)遺傳請認真閱