备课素材：mRNA在基因表达中作用的发现-高一下学期 生物人教版必修2

1、mRNA在基因表达中作用的发现mRNA在基因表达中作为遗传信息的传递者，有着至关重要的作用。高中生物学必修二对于mRNA在基因表达中的发现没有涉及。这一内容教学有助于渗透科学思维过程。科学家如何发现mRNA在基因表达中的作用？在明确DNA含有基本的遗传信息后很长的一段时间内，人们对于遗传信息是如何表达的可以说是一无所知。核苷酸序列的差异是怎样转化成一头大象和一只跳蚤之间的悬殊差别呢？即使在Watson和Crick于1953年提出DNA双螺旋结构以后的几年里，科学家对上述问题仍然是一筹莫展。1960年，Jacob和Meselson确定了蛋白质是在细胞质的核糖体上组装的。这个重要的发现表明细胞核里

2、的染色体和细胞中的核糖体之间必然有一种联系的桥梁，即细胞内存在一种将细胞核里的遗传信息转移到细胞质的机制。于是，他们提出了mRNA假说。1.发现蛋白质的合成场所核糖体Jacob和Meselson开始选用细菌为研究对象。他们将放射性35S加入到细菌的培养基，以追踪蛋白质的合成，因为经过几代的培养，细胞内的含硫氨基酸半胱氨酸（Cys）和甲硫氨酸（Met）应该被35S标记，而被标记的Cys和Met会被掺入到合成的多肽链上，而不会掺入到DNA或糖类上。经过一段时间标记以后，他们使用温和的方法将细菌打破，然后使用蔗糖密度梯度离心对细胞的组分进行分离，结果发现同位素标记的新合成的蛋白质与核糖体结合。如果先

3、让35S短暂标记（脉冲），然后使用大量的32S进行追踪，那么，就会发现与核糖体结合的放射性存留的时间很短，在追踪实验不久，就发现核糖体失去绝大多数放射性，而失去的35S标记出现在细胞的可溶性蛋白上。这说明在脉冲标记期间合成的蛋白质已经完成并离开了核糖体。上述实验表明，蛋白质是在含有RNA的核糖体上从氨基酸合成而来，一旦合成完成以后，就从核糖体上释放出来。2.核糖体RNA（rRNA）不是模板当确定核糖体是蛋白质合成的场所以后，Jacob和Meselson曾想过：会不会是核糖体里面的RNA作为翻译的模板呢？也许核糖体RNA负责将细胞核里的遗传信息传到细胞质。如果的确如此，那么细胞内应该有许多不同的

4、核糖体。不同的核糖体应该含有不同的RNA模板，而不同的RNA模板应该来自不同的基因，编码大小不一的蛋白质。然而，这种可能性很快就被排除，因为他们发现核糖体是完全一样的。3.提出信使RNA假说既然编码遗传信息的DNA在细胞核里，而遗传信息最后的表达发生在细胞质的核糖体，而现在又发现核糖体RNA也不可能是传递信息的媒介，那么，在细胞内肯定存在其他的成分充当遗传信息传递的载体。鉴于细胞内大多数RNA是rRNA，但并不都是rRNA，那么，也许细胞内还有其他种类的RNA充当遗传的信使。1961年，Jacob和Meselson提出了信使RNA假说，认为细胞内肯定存在一种特殊的RNA是直接从DNA上合成的，

5、它们的序列与DNA上的基因序列互补，然后被运输到细胞质为蛋白质合成提供模板。在一种蛋白质合成结束以后，它的mRNA将离开核糖体。mRNA的假说很快得到了Brenner、Jacob和Meselson的实验确认。他们使用噬菌体感染大肠杆菌，发现感染后不久，就有一种病毒特异性的RNA被合成并很快和细菌内本来存在的含有细菌rRNA的核糖体结合。但这种新的病毒RNA并不是核糖体的永久性成分，而只与核糖体短暂结合。mRNA假说的主要内容是，细胞内应该有一类充当信使的RNA分子，它们由许多不同的mRNA分子组成，每一种mRNA在核苷酸序列上对应于DNA分子上一段特定的核苷酸序列。按照这种假说，核糖体RNA无

6、基因特异性，这是与mRNA最重要的差别；核糖体仅仅是作为一种被动的制造蛋白质的工厂，相同的核糖体可以翻译各种不同的mRNA分子。基因特异性的遗传信息在假定的mRNA分子上，而不是在核糖体。4.实验证据信使RNA假说首先将大肠杆菌放在含有15NH4Cl和13C-葡萄糖的培养基上培养几代，让细菌利用培养基中重的同位素碳源和氮源作为合成糖类、蛋白质和核酸的原料，那么经过若干代培养以后，细菌上各种成分（包括细菌核糖体）被重的同位素标记。然后，他们使用T4噬菌体感染细菌以改变遗传信息。当时已经知道，这一类病毒感染宿主细胞以后，会破坏细菌DNA，并以自身的DNA作为遗传信息的来源，指导病毒蛋白质的合成。如

7、果核糖体带有基因特异性的信息，那么，新的由病毒指导的核糖体也应该产生；相反，如果核糖体仅仅是一种被动的合成蛋白质的工厂，那么，老的细菌核糖体在病毒控制细菌以后照样被用来合成由病毒DNA指导的蛋白质。于是，他们的实验要解决的核心问题是，感染细菌的病毒用来制造病毒蛋白质的核糖体需要按照病毒的指令合成新的，还是原有的细菌核糖体就行。于是，Brenner、Jacob和Meselson，先使用重同位素标记细菌，然后，在T4噬菌体感染细菌以后，将细菌转移到正常的轻的培养基上培养，同时，将放射线标记的RNA合成前体（14C-尿嘧啶）加到培养基上。可以预计，新制造的核糖体将是轻的，新合成的RNA将会带放射性。

8、按照上述程序，病毒指导的合成进行一段时间以后，裂解细菌，对核糖体进行CsCl 密度梯度离心分析（如图）。实验结果表明，病毒感染的细胞没有制造新的轻核糖体，它们使用的核糖体仍然是以前重的旧核糖体。由此可见，T4噬菌体实际上“用旧瓶装新酒”，利用老的细菌核糖体合成新的病毒蛋白质。新的病毒指导的含有14C标记的RNA在病毒感染以后被合成，这种新合成的RNA先与细菌内旧的核糖体结合在一起，然后再发生解离。当将病毒指导合成的含有14C标记的RNA与病毒DNA混合在一起时，发现它们很容易杂交，而将病毒RNA与细菌DNA混合在一起时，并无杂交事件发生。这些实验结果证明mRNA假说是正确的。（内容参考网络资源

9、）例、大豆蛋白在人体内经消化道中酶的作用后，可形成小肽（短的肽链）。回答下列问题：（1）在大豆细胞中，以mRNA为模板合成蛋白质时，除mRNA外还需要其他种类的核酸分子参与，它们是 、 。（2）大豆细胞中大多数mRNA和RNA聚合酶从合成部位到执行功能部位需要经过核孔。就细胞核和细胞质这两个部位来说，作为mRNA合成部位的是 ，作为mRNA执行功能部位的是 ；作为RNA聚合酶合成部位的是 ，作为RNA聚合酶执行功能部位的是 。（3）部分氨基酸的密码子如表所示。若来自大豆的某小肽对应的编码序列为UACGAACAUUGG，则该小肽的氨基酸序列是 。若该小肽对应的DNA序列有3处碱基发生了替换，但小肽的氨基酸序列不变，则此时编码小肽的RNA序列为 。（密码子：色氨酸UGG 谷氨酸GAA GAG 酪氨酸UAC UAU 组氨酸CAU CAC）答案：（1）rRNA tRNA（2）细胞核 细胞质 细胞质 细胞核（3）酪氨酸-谷氨酸-组氨酸-色氨酸 UAUGAGCACUGG解析：该试题考查基因的表达。（1）翻译过程中除了需要mRNA外，还需要的核酸分子组成核糖体的rRNA和运输氨基酸的tRNA。（2）就细胞核和细胞质这两个部位来说，mRNA是在细胞核内以DNA的一条链为模板合成的，合成后需进入细胞质翻译出相应的蛋白质。RNA聚合酶的化学本质是蛋