第6课：DNA密码

1、1DNA密码2一个基因一个酶理论 1902年，伽罗德（Garrod）研究黑尿病，有人认为是细菌引起的，但一些新生儿出生几小时后即表现此病，而此时细菌系尚未建立，因此排除。此病是一种遗传缺陷，通过家谱的研究，发现有遗传倾向，其中60%是表兄妹结婚。 这种性状是由隐性孟德尔因子（基因）控制的。只有当基因纯合时，才能表现出黑尿病症状。3 1908年，进一步指出，这种隐性基因纯合的个体不能产生一种特殊的蛋白质即酶(尿黑酸氧化酶），因此尿黑酸不能分解，尿中积累，遇空气被氧化成黑色“先天性代谢错误”。 伽罗德关于基因功能的研究大大超前于他所处的时代，因此当时没有引起太多的注意。直到20世纪40年代初，由于

2、比德尔等人的工作，人们才对基因的生理功能有了突破性认识。4比德尔的一个基因一个酶理论 1935年，摩尔根实验室的博士后比德尔比德尔与访问学者伊佛路斯伊佛路斯对果蝇眼色性状的遗传机理进行研究。 基因如何决定色素？基因如何决定色素？比德尔比德尔5 他俩采用移植技术，把突变型果蝇幼虫的眼睛成功移植到正常的果蝇幼虫中，发现果蝇都有正常的褐红色。疑问：突变型果蝇的基因未变，为何眼褐红色？6比德尔的结论：正常细胞含（色素）某种化学物质，突变体缺乏，移植后，突变体得到了这种物质，因此表型正常。 推测：基因导致一种化学物质的产生，该物质又决定基因所表达的性状。基因的作用与特定化学物质的产生有关。 7（三）（三

3、）“一个基因一个酶一个基因一个酶”的假说的假说 1941年比德尔比德尔和塔特姆塔特姆等提出的。红色面包霉各种突变体的代谢功能异常往往是因为一种酶的缺陷，产主这种酶缺陷的原因是单个基因的突变，提出了“一个基因一个酶”的学说。说明基因是通过控制酶的合成决定代谢过程和性状发育的。塔特姆塔特姆比德尔比德尔8红色面包霉营养缺陷型 突变体的筛选9 比德尔开辟了一个崭新的思路性状的表达方式都可归纳为某种生化性质的表达，为遗传学遗传学与生物化学生物化学的结合构筑了桥梁。也揭开了人类认识基因功能的序幕。 10基因与蛋白质的关系 蛋白质的结构都由基因编码，基因里必须包含什么样的信息才能决定一个特定的多肽或蛋白质的

4、结构呢？ 11 遗传密码遗传密码是是2020世纪世纪6060年代阐明的。年代阐明的。 盖莫夫盖莫夫(G.Gamov)最先对这个问题进行了挑战。他以著最先对这个问题进行了挑战。他以著有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读物而著称。等优秀的科学读物而著称。由于他不是实验生物学家，所以，他专门从由于他不是实验生物学家，所以，他专门从理论上理论上尝试尝试密码的解读。密码的解读。 他设想如果每种碱基与一种氨基酸相对应，那么只能产他设想如果每种碱基与一种氨基酸相对应，那么只能产生生4种氨基酸。实际上，氨基酸有种氨基酸。实际上，氨基酸有20种种，不可能一个字，不可能一个字母母(碱基碱基)与一

5、种氨基酸相对应。与一种氨基酸相对应。 那么，那么，2个碱基与个碱基与1种氨基酸对应又如何呢种氨基酸对应又如何呢? 44=16，只能产生只能产生16种氨基酸，还不够数。种氨基酸，还不够数。 因此，盖奠夫认为因此，盖奠夫认为3个碱基与一种氨基酸相对应个碱基与一种氨基酸相对应就好了，就好了，也就是说，也就是说，444=64，产生，产生64种氨基酸。种氨基酸。 遗传密码的发现遗传密码的发现12 虽然虽然6464这个数字比这个数字比20(20(种氨基酸种氨基酸) )大两倍以上，但后来的研究证大两倍以上，但后来的研究证实这一建议是正确的。实这一建议是正确的。 也就是说，后来查明，遗传信息的主要特征之一，就

6、是连续的也就是说，后来查明，遗传信息的主要特征之一，就是连续的3 3个碱基与个碱基与1 1种氨基酸相对应。这种连续的种氨基酸相对应。这种连续的3 3个碱基称为三联体个碱基称为三联体(triplet)(triplet)。伽莫夫的推理直到这一步还是正确的，但他也伽莫夫的推理直到这一步还是正确的，但他也犯了错误犯了错误。问题出在问题出在三联体中的每个碱基三联体中的每个碱基作为信息只作为信息只读一次读一次还是还是重复读重复读多次。多次。也许考虑到效率的问题，盖莫夫认定一个碱基可能被重复读多也许考虑到效率的问题，盖莫夫认定一个碱基可能被重复读多次。次。13 DNA密码是不是三联体、阅读方式是哪种、有没有

7、分隔符？ 1961年，克里克克里克和布伦纳布伦纳利用化学诱变剂来删除或插入DNA碱基对，发现相关碱基序列中增加或删除1个碱基，无法产生正常的蛋白质，增加或删除2个碱基，也无法产生正常的蛋白质。但增加或删除3个碱基，却可以产生正常的蛋白质。这是为什么？14 JIM ATE THE FAT CAT JIM AET HEF ATC AT JIM ATE THE FAT CAT JIM ATH EFA TCA T JIM ATE THE FAT CAT JIM THE FAT CAT JIM ATE THE FAT CAT JIM AHE FAT CAT1516无细胞系统无细胞系统尼伦伯格（尼伦伯格（

8、NirenbergNirenberg）在）在19611961年前年前开创了开创了蛋白质的无细胞合成蛋白质的无细胞合成。这方。这方法对了解法对了解mRNAmRNA如何翻译为功能性蛋如何翻译为功能性蛋白质，作出了重要贡献。白质，作出了重要贡献。蛋白质无细胞表达系统蛋白质无细胞表达系统（去掉了（去掉了DNADNA、RNARNA）蛋白质生物合成的蛋白质生物合成的机器是核糖体机器是核糖体，如果存在有如果存在有tRNAtRNA，以及，以及必要的酶必要的酶和和各种因子各种因子，只要提供，只要提供外援的外援的RNARNA模版模版、氨基酸氨基酸和和能量能量，无需其他的细胞组，无需其他的细胞组分（包括细胞核），分

9、（包括细胞核），蛋白质也能顺蛋白质也能顺利地合成利地合成。也就是说，转录和翻译。也就是说，转录和翻译是可以彼此独立，不需偶合。而在是可以彼此独立，不需偶合。而在各种各种细胞的裂解液中几乎都含有蛋细胞的裂解液中几乎都含有蛋白质生物合成所需的核糖体以及各白质生物合成所需的核糖体以及各种酶和因子种酶和因子。尼伦伯格 Nirenberg17尼伦伯格尼伦伯格首先把多首先把多( (聚聚) )尿苷酸尿苷酸 许多含许多含U U的核苷酸组成的多的核苷酸组成的多( (聚聚) ) 核苷酸，称为核苷酸，称为Po1yPo1y（U U） 作为密码加入作为密码加入体系体系之中，结果合成了之中，结果合成了只由一种叫做只由一种

10、叫做苯丙氨酸苯丙氨酸的氨基酸连接起来的多的氨基酸连接起来的多( (聚聚) )苯丙氨酸。苯丙氨酸。由此可见，遗传密码由此可见，遗传密码UUUUUU对应的是苯丙氨酸。对应的是苯丙氨酸。18核糖体结合技术保温 分析留在滤膜上的-AA-tRNA 确定与核糖体结合的AA特定特定+ + + 20 + 20 种种AA-tRNAAA-tRNA19 1966年科学家霍拉纳霍拉纳发明了一种新的RNA合成方法，通过这种方法合成的RNA可以是2个、3个或4个碱基为单位的重复序列，例如:将A、C两种核苷酸缩合为ACACACACAC长链，以它作人工信使进行蛋白质合成，结果发现产物是苏氨酸苏氨酸和组氨酸组氨酸的多聚体，说明

11、苏氨酸的密码子可能是ACA，也可能是CAC；同样，组氨酸的密码子可能是CAC，也可能是ACA。 另一组实验，以（CAA）n为人工mRNA，蛋白质合成产物为谷氨酰胺、天冬酰胺和苏氨酸苏氨酸的多聚体。三者密码子都可能是CAA、AAC、ACA。 两组实验进行比较，可以发现ACA是苏氨酸的密码子，CAC必定就是组氨酸的密码子。20遗传密码字典遗传密码字典2122遗传密码的性质遗传密码的性质简并性简并性 指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子。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密码子的第三位碱基改变往往不影响氨基酸翻翻译译。 摆动性摆动性 mRNAmRNA上的

12、密码子与转移上的密码子与转移RNA(RNA(tRNAtRNA) )上的反密码上的反密码子配对辨认时，大多数情况遵守子配对辨认时，大多数情况遵守碱基互补配对碱基互补配对原则原则，但也可出现不严格配对，尤其是密码子，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常出现不严格碱基互补，这种现象称为摆动配对。对。 通用性通用性 蛋白质生物合成蛋白质生物合成的整套密码，从的整套密码，从原核生物原核生物到人到人类都通用。但已发现少数例外，如动物细胞的类都通用。但已发现少数例外，如动物细胞的线粒体线粒

13、体、植物细胞的、植物细胞的叶绿体叶绿体。 23乳糖操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控乳糖操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控学说。由法国巴斯德研究所著名的科学家学说。由法国巴斯德研究所著名的科学家Jacob和和Monod在实验的基础上于在实验的基础上于1961年年 首先提出的。首先提出的。Franois Jacob Jacques Monod 乳糖操纵子乳糖操纵子24-半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应25如果供大肠杆菌生长的培养基中没有乳糖，那么细胞内参与乳糖分解代谢的三种酶，即-半乳糖苷酶、乳糖透过酶半乳糖苷酶、乳糖透过酶和巯基半乳糖苷转乙酰

14、酶巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个细胞的-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5个5个。可是一旦在培养基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟内，每个细胞中的-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5 000个，有时甚至可占细菌可溶性蛋白的 510。与此同时，其它两种酶的分子数也迅速提高。由此可见，新合成的-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被称为诱导物。 葡萄糖效应和乳糖诱导葡萄糖效应和乳糖诱导26大肠杆菌乳糖操纵子的结构大肠杆菌乳糖操纵子的结构1个调节基因（lacI）位于Plac附近，有其自身的启动子和终止子，转录方向和结构基因的转录方向相反，呈低水平的组成

15、型表达，编码阻遏蛋白阻遏蛋白1个操纵基因（lacO） 位于Plac和lacZ基因之间，为阻遏蛋白结合的位点1个启动子（Plac）3个结构基因（lacZ、lacY和lacA）组成。lacZ编码-半乳糖苷酶半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化为别乳糖，绝大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半乳糖透过酶透过酶，其功能是使环境中的-半乳糖苷能透过细胞壁和细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基酶转乙酰基酶。转录时，RNA聚合酶首先与Plac结合，通过lacO向右，按lacZlacYlacA方向进行转录，每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。27乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构

16、特征及其作用乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构特征及其作用葡萄糖效应在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环境中的葡萄糖，即使有诱导物乳糖的存在，乳糖操纵子也处于被抑制的状态，直到葡萄糖被消耗完后才能解除抑制，这时细菌才开始利用乳糖进行生长。这说明乳糖的存在仅仅是乳糖操纵子开放的必要条件，但还不是充要条件。同时有乳糖和葡萄糖的情况下，乳糖操纵子也不能正常开放的原因是乳糖操纵子的开放还需要一种称为cAMP受体蛋白（CAP）的激活蛋白的正调控。只有在负调控不起作用、正调控起作用的条件下，乳糖操纵子才能开放。 CAP的正调控作用的正调控作用乳糖操纵子的操纵基因和乳糖操纵子的操纵基因和CAP-cAMP结合位

17、点序列结合位点序列CAP-cAMP在在CAP位点上与位点上与RNA pol的相互作用的相互作用 CAP-cAMP与其结合位点结合以后导致与其结合位点结合以后导致DNA发生的弯曲发生的弯曲为什么乳糖操纵子既要受到负为什么乳糖操纵子既要受到负调控，又要受到正调控？调控，又要受到正调控？ 一是使细胞能够优先利用葡萄糖，而优先利用葡萄糖对细胞来说是有益的，因为参与葡萄糖分解的基因均是管家基因，这样葡萄糖可以迅速地被分解，为细胞提供能量； 二是lac启动子序列是一个弱启动子，而CAP-cAMP的激活就弥补了其启动子活性的“先天不足”。33发现乳糖操纵子的意义 使得人们对DNA和蛋白质之间的关系了解的更加

18、全面。一方面，DNA决定着蛋白质，它的碱基序列决定蛋白质氨基酸的序列；另外，蛋白质也对DNA起着反作用，它可以通过和DNA结合，直接和DNA发生交互作用，进而控制基因的活动。34 19681968年年Francis CrickFrancis Crick在他的论文在他的论文“基因密码的起源基因密码的起源”一文中提到一文中提到“可能第一个酶是具有复制能力的可能第一个酶是具有复制能力的RNARNA”时，时，没有人予以注意。没有人予以注意。 2020年后，在年后，在19871987年第年第5252届冷泉港定量生物学国际讨论会届冷泉港定量生物学国际讨论会上上Alan WeinerAlan Weiner做

19、会议总结时又重复了做会议总结时又重复了2020年前年前Francis Francis CrickCrick的话，会议注意力已集中到最近发现的具有酶活的话，会议注意力已集中到最近发现的具有酶活性的性的RNARNA分子上。分子上。核酶的发现核酶的发现35 19811981年，年，CechCech发现四膜虫发现四膜虫rRNArRNA的前体在没有蛋白质的情况下的前体在没有蛋白质的情况下能专一地催化寡聚核苷酸底物能专一地催化寡聚核苷酸底物的切割与连接，具有分子内催的切割与连接，具有分子内催化的活性。化的活性。 四膜虫四膜虫36 19831983年，年，AltmanAltman等发现大肠杆菌等发现大肠杆菌RNasePRNaseP的蛋白质部分除去的蛋白质部分除去后，在体外高浓度后，在体外高浓度MgMg2+2+存在下，与留下的存在下，与留下的RNARNA部分部分(M1 RNA)(M1 RNA)具有与全酶相同的催化活性。具有与全酶相同的催化活性。 19861986年，年，CechCech又证实又证实rRNArRNA前体的内含子能催化分子前体的内含子能催化分子间反应。间反应。37切赫切赫(Thomas