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1、第四章第四章 基因的表达基因的表达第三节第三节 遗传密码的破译遗传密码的破译学习目标学习目标知识与技能：知识与技能：（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，克里克的实验证据，尼伦伯格和马太的蛋白质的体外合成实验过程与方法：过程与方法：（1）感受和重温科学家的思维历程。（2）类比的学习方法。情感态度与价值观：情感态度与价值观：（1）对科学家那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神还有那种巧妙的构思表达敬佩。（2）认同遗传密码的破译对生物学发展的重要意义。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事
2、件。我们知道了核酸中的碱基序列就是遗传信息，翻译实际上我们知道了核酸中的碱基序列就是遗传信息，翻译实际上就是将就是将mRNA中的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列，那碱中的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列，那碱基序列与氨基酸序列是如何对应的呢？基序列与氨基酸序列是如何对应的呢？一、导入新课一、导入新课严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1 1、18661866年，孟德尔提出遗传定律。年，孟德尔提出遗传定律。2 2、18831883年，科学家发现马蛔虫配中的染色体数目只年，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、。有体细胞中的一半。3 3、18901890年，科学家确认了减数分裂产生配子。年，科学家确认了减数分裂产生配子。4 4、18911891年，科学家描述了减数分裂的全过程。年，科学家描述了减数分裂的全过程。5 5、19021902年，鲍维丰年，鲍维丰(T.Boveri)(T.Boveri)和和19031903年萨顿年萨顿(W.Sutton)(W.Sutton)在研究减数分裂时，发现遗传因子的行在研究减数分裂时，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。子载体，可说是染色体遗传学说的初步论证。二、
4、历史的步伐二、历史的步伐严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。6 6、19091909年的约翰逊年的约翰逊(W.Johannsen)(W.Johannsen)称孟德尔假定的称孟德尔假定的“遗传因子遗传因子”为为“基因基因”，并明确区别基因型和表型。，并明确区别基因型和表型。7 7、19091909年，詹森斯年，詹森斯 (F.A.Janssen)(F.A.Janssen)观察到染色体在减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数分裂时呈交叉现象，为解释基因连锁现象提供了基础。基础。8 8、1909190
5、9年，摩尔根年，摩尔根(T.H.Morgan,1866-1945)(T.H.Morgan,1866-1945)开始对果开始对果蝇迸行实验遗传学研究，发现了伴性遗传的规律。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。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。展了染色体遗传学说。19261926年摩尔根提出基因学说，年摩尔根提出基因学说，发表发表基因论基因论严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处
6、理各类违纪行为或突发事件。9 9、2020世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质和和DNADNA组成的。组成的。1010、19281928年格里菲思的肺炎双球菌实验。年格里菲思的肺炎双球菌实验。1111、19401940年艾弗里用纯化因子研究肺炎双球菌的转化年艾弗里用纯化因子研究肺炎双球菌的转化的实验。的实验。1212、19411941年提出了一个基因一种酶的假说。一个基因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。的最后构型，从而决定其特异性。
7、严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1313、19441944年，理论物理学家薛定谔发表的年，理论物理学家薛定谔发表的什么是生什么是生命命一书中就大胆地预言，遗传物质是一种信息分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子，可能类似作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：号：“”、“”，通过排列组合来储存遗传，通过排列组合来储存遗传信息。信息。1414、19521952年赫尔希和蔡斯的年赫尔希和蔡斯的T2T2噬菌体侵染大肠杆菌的噬菌体侵染大肠杆菌的实验。确认实验。确认DNADNA是
8、遗传物质。是遗传物质。1515、19531953年，沃森和克里克发现年，沃森和克里克发现DNADNA双螺旋结构。双螺旋结构。1616、19571957年提出一个中心法则：遗传信息可以从年提出一个中心法则：遗传信息可以从DNADNA流向流向DNADNA，也可以从，也可以从DNADNA流向流向RNARNA，进而流向蛋白质。，进而流向蛋白质。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1717、19581958年科学家以大肠杆菌为实验材料，证年科学家以大肠杆菌为实验材料，证实了实了DNADNA的半保留复制。的半保留复制。1818、1
9、9611961年克里克等证明了他于年克里克等证明了他于19581958年提出的年提出的关于遗传三联密码的推测，关于遗传三联密码的推测，19691969年年 Nirenberg Nirenberg 等解译出全部遗传密码。等解译出全部遗传密码。1919、6060年代，阐明年代，阐明mRNAmRNA、tRNA tRNA 及核糖体的功能、及核糖体的功能、蛋白质生物合成的过程。蛋白质生物合成的过程。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。三、研究的背景：三、研究的背景：1、1941年比德尔（年比德尔（G.Beadle）和塔特（）和塔
10、特（E.Tatum）的工作则强有力地证明了基因突变引起了酶的改）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，变，而且每一种基因一定控制着一种特定酶的合成，从而提出了从而提出了一个基因一种酶一个基因一种酶一个基因一种酶一个基因一种酶的假说。人们逐步地认的假说。人们逐步地认识到基因和蛋白的关系。识到基因和蛋白的关系。“中心法则中心法则”提出后更为明确地指指出了遗传信提出后更为明确地指指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从息传递的方向，总体上来说是从DNARNA蛋白蛋白质。那质。那DNA和蛋白质之间究竟是什么关系？或者说和蛋白质之间究竟是什么关系？或者说
11、DNA是如何决定蛋白质？这个有趣而深奥的问题在是如何决定蛋白质？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。五十年代末就开始引起了一批研究者的极大兴趣。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。2 2、19441944年，理论物理学家薛定谔发表的年，理论物理学家薛定谔发表的什什么是生命么是生命一书中就大胆地一书中就大胆地预言预言，染色体是由，染色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。这种连一些同分异构的单体分子连续所组成。这种连续体的精确性组成了遗传密码。他认为续体的精确性组成了遗传密码。他认为遗传物
12、遗传物质是一种信息分子质是一种信息分子，同分异构单体可能作为一，同分异构单体可能作为一般民用的般民用的莫尔斯电码莫尔斯电码的两个符号：的两个符号：“”、“”，通过排列组合来储存遗传信息。，通过排列组合来储存遗传信息。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。莫尔斯电报莫尔斯电报:短音短音念作念作滴（滴（di）:长音长音念作念作答（答（da）字码:A:B:C:D:E:F:G:H:I:J:K:L:M:N:O:P:Q:R:S:T:U:V:W:X:Y:Z:?:/:数码(长码):1:2:3:4:5:6:7:8:9:0:严格执行突发事件
13、上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。3 3、19441944年，理论物理学家薛定谔发表的年，理论物理学家薛定谔发表的什么是什么是生命生命一书，而当时遗传物质的化学本质是尚未明一书，而当时遗传物质的化学本质是尚未明确的，十年后确的，十年后DNADNA双螺旋模型才得以建立，在这样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。码形式，实在是一种超越时代的远见卓识。到到19531953年双螺旋模型的建立，给予科学家们以年双螺旋模型的建立
14、，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很大的激励。破译遗传密码也就成了势在必行的工作。作。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。四、遗传密码的试拼与阅读方式的探索四、遗传密码的试拼与阅读方式的探索 1、对于遗传密码来说最简单的破译方法应是将、对于遗传密码来说最简单的破译方法应是将DNA顺序或顺序或mRNA顺序和多肽相比较。但和一般破译密码不同的是，遗顺序和多肽相比较。但和一般破译密码不同的是，遗传信息的译文传信息的译文蛋白的顺序是已知的，未知的都是密码。蛋白的顺序是已知的，未知的都是密码。1954年
15、年Sanger用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋白质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。但是直到的氨基酸序列了解得越来越多。但是直到1969年前后经历年前后经历了十多年时间，多位科学家的执着研究才破译了密码，其中了十多年时间，多位科学家的执着研究才破译了密码，其中最为重要的几项工作其思路之新颖、方法之精巧都闪烁着科最为重要的几项工作其思路之新颖、方法之精巧都闪烁着科学的智慧之光。学的智慧之光。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。2、1954年科普作家年科普作家伽莫夫伽莫夫伽莫夫伽莫夫G.G
16、amorG.Gamor对破译密码首对破译密码首先提出了挑战。他以著有先提出了挑战。他以著有奇异王国的汤姆金斯奇异王国的汤姆金斯等优秀的科学幻想作品而著称，具有丰富的想象力，等优秀的科学幻想作品而著称，具有丰富的想象力，但他不是一位实验科学家，所以只能从理论上来尝但他不是一位实验科学家，所以只能从理论上来尝试密码的解读。当年，他在试密码的解读。当年，他在自然自然Nature杂志首杂志首次发表了遗传密码的理论研究的文章，指出次发表了遗传密码的理论研究的文章，指出三个碱三个碱三个碱三个碱基编码一个氨基酸基编码一个氨基酸基编码一个氨基酸基编码一个氨基酸。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关
17、规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。3 3、接下来，人们不禁又要问在三联体、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复阅读呢？以重叠和非重叠方式阅读DNADNA序列会有什么不同呢？序列会有什么不同呢？思考与讨论思考与讨论思考与讨论思考与讨论严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。遗传密码的试拼与阅读方式的遗传密码的试拼与阅读方式的探索探索严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现
18、、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4 4、19571957年年年年Brenner.SBrenner.S发表了一篇令人兴奋的理论文发表了一篇令人兴奋的理论文发表了一篇令人兴奋的理论文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，发现不存在氨章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存在氨章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存在氨章，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基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读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。同时人们
19、也发现在镰刀形细胞贫血的例子的可能性。同时人们也发现在镰刀形细胞贫血的例子的可能性。同时人们也发现在镰刀形细胞贫血的例子的可能性。同时人们也发现在镰刀形细胞贫血的例子中，血红蛋白中仅有一个氨基酸发生改变。中，血红蛋白中仅有一个氨基酸发生改变。中，血红蛋白中仅有一个氨基酸发生改变。中，血红蛋白中仅有一个氨基酸发生改变。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。5 5、很遗憾，伽莫夫也许是考虑到效率的问题，、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，也就是说认为一个碱基可能被重复读多次，也就是说遗传密码
20、的阅读是完全重叠的，因此氨基酸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。数目和核苷酸数目存在着一对一的关系。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。智者千虑，必有一失。很多著名的科学智者千虑，必有一失。很多著名的科学家也有过类似的失误。在资料较少的情况下，家也有过类似的失误。在资料较少的情况下，对未知的真理作出推断，难免会发生偏差，对未知的真理作出推断，难免会发生偏差，但瑕不掩瑜，人们对他们的那种敏锐、大胆、但瑕不掩瑜，人们对他们的那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神，巧妙的构思仍敬佩不已。睿智
21、和创新的精神，巧妙的构思仍敬佩不已。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。五、遗传密码子的验证五、遗传密码子的验证（克里克的实验）（克里克的实验）他们用他们用T4噬菌体染色体上的一个基因通过用原黄素处理，噬菌体染色体上的一个基因通过用原黄素处理，可以使可以使DNA脱落或插入单个碱基，插入叫脱落或插入单个碱基，插入叫“加字加字加字加字”突变突变突变突变，脱，脱落叫落叫“减字减字减字减字”突变突变突变突变，无论加字和减字都可以引起移码突变。，无论加字和减字都可以引起移码突变。Crick小组用这种方法获得一系列的小组用这种方法
22、获得一系列的T4噬菌体噬菌体“加字加字”和和“减字减字”突变，再进行杂交来获得加入或减少一个，二个，三突变，再进行杂交来获得加入或减少一个，二个，三个的不同碱基数的系列突变。个的不同碱基数的系列突变。通过这样的方法他们发现加入或减少一个和二个碱基都通过这样的方法他们发现加入或减少一个和二个碱基都会引起噬菌体突变，无法产生正常功能的蛋白，而加入或减会引起噬菌体突变，无法产生正常功能的蛋白，而加入或减少少3个碱基时却可以合成正常功能的蛋白质，为什么会这样个碱基时却可以合成正常功能的蛋白质，为什么会这样呢？呢？严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各
23、类违纪行为或突发事件。六、遗传密码对应规则的发现六、遗传密码对应规则的发现 1961-1962年，年，尼伦伯格（尼伦伯格（M.W.Nirenberg，1927）和马太（）和马太（H.Matthaei）的实验的实验：严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。这一结果不仅证实了无细胞系统的这一结果不仅证实了无细胞系统的成功，同时还表明成功，同时还表明UUUUUU是苯丙氨酸的密码是苯丙氨酸的密码子。子。这是第一个遗传密码子被破译。尼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伦伯格的实验巧妙之处在于利用无细胞系
24、统进行体外合成蛋白质，他这富有创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！新的实验方法为他带来了重大的成功！严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。对比克里克和尼伦伯格的实验对比克里克和尼伦伯格的实验克里克的克里克的T T4 4噬菌体实验噬菌体实验尼伦伯格体外蛋白质合成实验尼伦伯格体外蛋白质合成实验主主主主要要要要思思思思路路路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。前前前前提提提提找到使DNA脱落或插入单个碱基的方法原黄素处理多核苷
25、酸磷酸化酶的发现，为得到poly U提供条件优优优优势势势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，直接不不不不足足足足证据相对间接，工作量较大。需要首先了解细胞中蛋白质合成所需的条件。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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，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。遗传密码的破译，测序方法的建立
26、以及遗传密码的破译，测序方法的建立以及体外重组的实现是基因工程的三大基石。体外重组的实现是基因工程的三大基石。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。课堂总结课堂总结 我们注意整个破译过程中科学家思维的变化，薛定谔是以富有远见卓识的大胆的想象来预测遗传密码的形式的，伽莫夫通过数学的排列组合的计算来推测密码子是由三个碱基组成的，同时他也预测了密码的阅读方式，尽管智者千虑，必有一失，但巧妙的构思依然显示了其睿智和创新。克里克则是巧妙地设计实验，利用原黄素处理噬菌体，使DNA脱落或插入单个碱基的方法从实验上证明了伽莫夫的三联体密
27、码子的推测，由理论走向实验，为密码子的破译迈出重要的一步。而尼伦伯格的实验则更富有创新性，他建立巧妙的无细胞系统进行体外蛋白质合成成功地破译了第一个密码子，随后的方法不断创新最终破译了所有的密码子。他的贡献不仅仅在于对遗传密码的破译，更重要的也在对生物研究方法上开启了新的思维方式。归结起来，我们看到，敏锐、大胆、睿智和创新是科学家的重要素养，也正如尼伦伯格在1968年诺贝尔生理学或医学奖获时说过：一个善于捕捉细节的人才是能领略事物真谛的人。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。项目项目莫尔斯电码莫尔斯电码遗传密码遗传密码
28、密码间有无分隔符长度是否固定阅读方式是否重叠密码所采用的符号遗传密码的特点：不间断性；不重叠性；简并性；通用性不间断性；不重叠性；简并性；通用性。有分隔符“/”无分隔符长度不固定，1到4个符号不等长度固定，3个符号非重叠方式阅读非重叠方式阅读 A C G U严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1、在下列基因的改变中，合成出具有正常功能、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：（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在相关的基因的碱基序列中删除或增加一个碱基碱基B在相关
29、的基因的碱基序列中删除或增加二个在相关的基因的碱基序列中删除或增加二个碱基碱基C在相关的基因的碱基序列中删除或增加三个在相关的基因的碱基序列中删除或增加三个碱基对碱基对D在相关的基因的碱基序列中删除或增加四个在相关的基因的碱基序列中删除或增加四个碱基对碱基对C C课堂习题课堂习题 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。D D2、最早提出最早提出3个碱基编码一个氨基酸的科学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家和首次用实验的方法加以证明的科学家分别是：（是：（）A克里克、伽莫夫克里克、伽莫夫B
30、克里克、沃森式化克里克、沃森式化C摩尔根、尼伦伯格摩尔根、尼伦伯格D伽莫夫、克里克伽莫夫、克里克严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。3、采用蛋白质体外合成的技术揭示遗传密码实、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（码与氨基酸的对应规则（）A无无DNA和和mRNA细胞的提取液细胞的提取液B人工合成的多聚核苷酸人工合成的多聚核苷酸C加入的氨基酸种类和数量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测定多肽链中氨基酸种类的方法B B谢谢大家谢谢大家再见再见