43遺傳與進化-遺傳密碼的破譯-必修21ppt課件

1、遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯 王樹仁王樹仁 廣東省珠海市實驗中學(xué)廣東省珠海市實驗中學(xué) 遺傳密碼的破譯，就等于編著了一本生命科學(xué)的辭典，遺傳密碼的破譯，就等于編著了一本生命科學(xué)的辭典，而這本辭典適應(yīng)于從細菌到人類的一切生物。這些生物都而這本辭典適應(yīng)于從細菌到人類的一切生物。這些生物都是按照這本辭典查閱和翻譯著自己的蛋白質(zhì)，又按照這本是按照這本辭典查閱和翻譯著自己的蛋白質(zhì)，又按照這本辭典營造和傳遞著生命。這一發(fā)現(xiàn)是分子生物學(xué)和分子遺辭典營造和傳遞著生命。這一發(fā)現(xiàn)是分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)發(fā)展中的一個重大里程碑，是傳學(xué)發(fā)展中的一個重大里程碑，是2020世紀生命科學(xué)中最令世紀生命科學(xué)中最令人激動的巨大成

2、就之一，也是后來蓬勃興起的基因工程和人激動的巨大成就之一，也是后來蓬勃興起的基因工程和人類基因組計劃得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。人類基因組計劃得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。 遺傳密碼的破譯是高中生物必修遺傳密碼的破譯是高中生物必修2 2第第4 4章章 “ “基因的表基因的表達的一節(jié)內(nèi)容，在教材中本來屬于選學(xué)內(nèi)容，但考慮到達的一節(jié)內(nèi)容，在教材中本來屬于選學(xué)內(nèi)容，但考慮到該內(nèi)容蘊涵有豐富的科學(xué)史探究素材，非常適合學(xué)生進行該內(nèi)容蘊涵有豐富的科學(xué)史探究素材，非常適合學(xué)生進行探究性學(xué)習(xí)活動。通過探究性學(xué)習(xí)活動，能使學(xué)生經(jīng)歷和探究性學(xué)習(xí)活動。通過探究性學(xué)習(xí)活動，能使學(xué)生經(jīng)歷和體驗科學(xué)探究的過程，體味科學(xué)的本質(zhì)，激發(fā)其學(xué)習(xí)生物體驗科

3、學(xué)探究的過程，體味科學(xué)的本質(zhì)，激發(fā)其學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，達到知識、才干、學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，達到知識、才干、情感三者合一的教學(xué)目標(biāo)。情感三者合一的教學(xué)目標(biāo)。1 1、知識目標(biāo)：、知識目標(biāo)：A A、遺傳密碼是如何破、遺傳密碼是如何破譯的譯的 B B、遺傳密碼有哪些特、遺傳密碼有哪些特點點 2 2、能力目標(biāo)：、能力目標(biāo)：a.a.從數(shù)學(xué)的角度認識從數(shù)學(xué)的角度認識堿基與氨基酸的對應(yīng)堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)推關(guān)系訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)推理能力理能力 b.b.通過再現(xiàn)科學(xué)史培通過再現(xiàn)科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計與科養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計與科學(xué)探究能力學(xué)探究能力 c.c.通過總結(jié)遺傳密碼

4、通過總結(jié)遺傳密碼的特點訓(xùn)練學(xué)生對比的特點訓(xùn)練學(xué)生對比分析、歸納總結(jié)能力分析、歸納總結(jié)能力 3 3、情感目標(biāo)：、情感目標(biāo)：a.a.通過再現(xiàn)科學(xué)史讓通過再現(xiàn)科學(xué)史讓學(xué)生體驗科學(xué)方法與學(xué)生體驗科學(xué)方法與科學(xué)態(tài)度科學(xué)態(tài)度b.b.通過再現(xiàn)科學(xué)史讓通過再現(xiàn)科學(xué)史讓學(xué)生感受科學(xué)知識發(fā)學(xué)生感受科學(xué)知識發(fā)現(xiàn)過程的艱辛和漫長現(xiàn)過程的艱辛和漫長 遺傳密碼的破譯過程遺傳密碼的破譯過程 運用數(shù)學(xué)方法及實驗方運用數(shù)學(xué)方法及實驗方法探究法探究“堿基與氨基酸的堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)關(guān)系” 探究式教學(xué)探究式教學(xué) 引導(dǎo)學(xué)生通過數(shù)學(xué)方法推理和猜引導(dǎo)學(xué)生通過數(shù)學(xué)方法推理和猜想想“堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系”；根

5、；根據(jù)科學(xué)資料，運用英語詞句類比推理據(jù)科學(xué)資料，運用英語詞句類比推理“堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系”；借鑒；借鑒科學(xué)家的實驗方法，小組合作設(shè)計實科學(xué)家的實驗方法，小組合作設(shè)計實驗方案，探究與體驗破譯遺傳密碼的驗方案，探究與體驗破譯遺傳密碼的方法和過程。方法和過程。1、導(dǎo)入新課、導(dǎo)入新課2 2、從數(shù)學(xué)的角度認識堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系、從數(shù)學(xué)的角度認識堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系3、科學(xué)家破譯遺傳密碼的過程、科學(xué)家破譯遺傳密碼的過程4、遺傳密碼的特點、遺傳密碼的特點 5、課堂練習(xí)、課堂練習(xí) 6、布置作業(yè)、布置作業(yè)1、導(dǎo)入新課、導(dǎo)入新課 （問題導(dǎo)入）（問題導(dǎo)入） mRNA是怎樣把其中的堿基

6、序列轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)中相應(yīng)氨基酸排列次序的？mRNA的堿基與氨基酸之間是如何對應(yīng)的？ 下面將通過同學(xué)們的探究性學(xué)習(xí)活動，研究堿基與氨基酸之間的對應(yīng)關(guān)系。2、從數(shù)學(xué)角度認識堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系資料資料1 1：mRNAmRNA只有只有4 4種堿基，而組成蛋白種堿基，而組成蛋白質(zhì)的氨基酸有質(zhì)的氨基酸有2020種，這四種堿基是怎么種，這四種堿基是怎么決定蛋白質(zhì)的決定蛋白質(zhì)的2020種氨基酸的呢？如果種氨基酸的呢？如果1 1個個堿基決定一個氨基酸，那么堿基決定一個氨基酸，那么4 4種堿基只能種堿基只能決定決定4 4種氨基酸，顯然這種組合是不夠的。種氨基酸，顯然這種組合是不夠的。想一想，想一想，如果如果2

7、2個相鄰堿基決定一種氨個相鄰堿基決定一種氨基酸呢？基酸呢？如果如果3 3個相鄰堿基決定一種氨個相鄰堿基決定一種氨基酸呢？基酸呢？由此分析你認為應(yīng)該由多少由此分析你認為應(yīng)該由多少個堿基編碼一個氨基酸，個堿基編碼一個氨基酸，4 4種堿基才足以種堿基才足以組合出構(gòu)成蛋白質(zhì)的組合出構(gòu)成蛋白質(zhì)的2020種氨基酸？種氨基酸？ 2、從數(shù)學(xué)角度認識堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系學(xué)生通過數(shù)學(xué)運算、小組討論、推理猜想，即可確定“理論上應(yīng)該是三個堿基決定一個氨基酸”。上述結(jié)論僅為數(shù)學(xué)推理，如何證上述結(jié)論僅為數(shù)學(xué)推理，如何證明呢？明呢？引入科學(xué)資料2資料資料2 2：上世紀：上世紀50506060年代，年代，DNADNA分子結(jié)

8、分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者克里克研究表明：在構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者克里克研究表明：在T4T4噬菌噬菌體的相關(guān)堿基序列中增加或者刪除一個體的相關(guān)堿基序列中增加或者刪除一個堿基，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；增堿基，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；增加或刪除兩個堿基，也不能產(chǎn)生正常功加或刪除兩個堿基，也不能產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；但是，當(dāng)增加或者刪除三能的蛋白質(zhì)；但是，當(dāng)增加或者刪除三個堿基時，卻合成了具有正常功能的蛋個堿基時，卻合成了具有正常功能的蛋白質(zhì)。白質(zhì)。 3.1 克里克T4噬菌體實驗 提示：把提示：把THE FAT CAT ATE THE BIG RAT中的單詞看作決定一個氨基酸的密中的單詞看作決定一個氨基酸的密碼子碼子

9、 為什么會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象呢？為什么會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象呢？請分析找出原因請分析找出原因 3、科學(xué)實驗3、科學(xué)實驗3.1 克里克T4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？通過小組推演討論，會發(fā)現(xiàn)只有插入或通過小組推演討論，會發(fā)現(xiàn)只有插入或刪去其中的三個字母，后面的語意才不刪去其中的三個字母，后面的語意才不變。究其原因為三個字母組成一個單詞。變。究其原因為三個字母組成一個單詞。類比推理即可得知：類比推理即可得知：“出現(xiàn)上述現(xiàn)象的出現(xiàn)上述現(xiàn)象

10、的原因是，信使原因是，信使RNA上的每三個堿基決定上的每三個堿基決定一個氨基酸一個氨基酸”。引入科學(xué)資料引入科學(xué)資料3資料資料3：1961年，尼倫伯格和馬太利用大年，尼倫伯格和馬太利用大腸桿菌的破碎細胞溶液，建立了一種利腸桿菌的破碎細胞溶液，建立了一種利用人工合成的用人工合成的RNA在試管里合成多肽鏈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。利用這個實驗系白質(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)計了一個巧妙的統(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，即實驗，破譯了第一個遺傳密碼，即UUU-苯丙氨酸

11、。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？提示：實驗提供有多個試管和提示：實驗提供有多個試管和2020種氨基酸溶液。種氨基酸溶液。3、科學(xué)實驗3.2 尼倫伯格和馬太的大腸桿菌實驗 3.2 尼倫伯格和馬太的大腸桿菌實驗 3、科學(xué)實驗學(xué)生根據(jù)資料內(nèi)容，分組討論，大膽探學(xué)生根據(jù)資料內(nèi)容，分組討論，大膽探究，設(shè)計方案。究，設(shè)計方案。實驗方案設(shè)計過程面臨實驗方案設(shè)計過程面臨3個問題：個問題：合成怎樣的合成怎樣的RNA作為模板？作為模板？需要一組還是多組實驗？需要一組還是多組實驗？氨基酸怎樣加入？氨基酸怎樣加入？教師引導(dǎo)鼓勵，學(xué)生思考探究、討論爭教師引導(dǎo)鼓勵，學(xué)生

12、思考探究、討論爭辯，達成共識：用單核苷酸人工合成辯，達成共識：用單核苷酸人工合成RNARNA，分多個實驗組，分別加入不同的，分多個實驗組，分別加入不同的氨基酸，即可破譯氨基酸，即可破譯UUU-UUU-苯丙氨酸。苯丙氨酸。3.2尼倫伯格和馬太的大腸桿菌實驗 3、科學(xué)實驗上述方法只能破譯上述方法只能破譯AAA是賴氨酸的是賴氨酸的密碼子，密碼子，CCC是脯氨酸的密碼子，是脯氨酸的密碼子，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種種氨基酸的遺傳密碼，所以密碼子中氨基酸的遺傳密碼，所以密碼子中肯定還有肯定還有2種或種或3種堿基組合的情況。

13、種堿基組合的情況。引入科學(xué)資料引入科學(xué)資料4材料材料4：1966年科學(xué)家霍拉納發(fā)明了一種年科學(xué)家霍拉納發(fā)明了一種新的新的RNA合成方法，通過這種方法合成的合成方法，通過這種方法合成的RNA可以是可以是2個、個、3個或個或4個堿基為單位的個堿基為單位的重復(fù)序列，例如重復(fù)序列，例如:將將A、C兩種核苷酸縮合兩種核苷酸縮合為為ACACACACAC長鏈，以它作人工長鏈，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)物是蘇氨酸和組氨酸的多聚體，說明蘇氨酸的密氨酸和組氨酸的多聚體，說明蘇氨酸的密碼子可能是碼子可能是ACA，也可能是，也可能是CAC；同樣，；同樣，組氨酸的密碼子

14、可能是組氨酸的密碼子可能是CAC，也可能是，也可能是ACA。3.3霍拉納的RNA重復(fù)序列翻譯實驗 如何證明組氨酸和蘇氨酸的密碼子是如何證明組氨酸和蘇氨酸的密碼子是ACAACA還是還是CACCAC呢？請設(shè)計實驗證明。呢？請設(shè)計實驗證明。 提示：參考霍拉納的設(shè)計方法。提示：參考霍拉納的設(shè)計方法。3、科學(xué)實驗3.3霍拉納的RNA重復(fù)序列翻譯實驗 3、科學(xué)實驗學(xué)生小組討論、大膽設(shè)想、制定方案、學(xué)生小組討論、大膽設(shè)想、制定方案、對比分析。對比分析。 方案：如合成方案：如合成CAAn長鏈，重復(fù)長鏈，重復(fù)上述實驗，合成產(chǎn)物為谷氨酰胺、天上述實驗，合成產(chǎn)物為谷氨酰胺、天冬酰胺和蘇氨酸的多聚體。冬酰胺和蘇氨酸的

15、多聚體。將科學(xué)家和自己的實驗結(jié)果對比分析，將科學(xué)家和自己的實驗結(jié)果對比分析，即可確定即可確定ACA是蘇氨酸的密碼子，是蘇氨酸的密碼子，CAC是組氨酸的密碼子。是組氨酸的密碼子。想象：再用類似的方法合成含有蘇想象：再用類似的方法合成含有蘇氨酸或組氨酸的多聚體，如果其模氨酸或組氨酸的多聚體，如果其模板板RNA上有上有ACA或或CAC，即可確定。，即可確定。3.3霍拉納的RNA重復(fù)序列翻譯實驗 3 3、科學(xué)實驗、科學(xué)實驗運用此類方法就可以破譯其他氨運用此類方法就可以破譯其他氨基酸的遺傳密碼。所有遺傳密碼基酸的遺傳密碼。所有遺傳密碼破譯之后就等到了課本第破譯之后就等到了課本第65頁的頁的密碼子表。密碼

16、子表。請認真閱讀密碼子表，分析回答下列問請認真閱讀密碼子表，分析回答下列問題，總結(jié)遺傳密碼的特點。題，總結(jié)遺傳密碼的特點。 4、遺傳密碼的特點 1 1、在、在mRNAmRNA上兩個密碼子之間有無核苷酸上兩個密碼子之間有無核苷酸隔開？隔開？2 2、一個氨基酸具有、一個氨基酸具有1 1個、個、2 2個還是個還是2 2個以個以上的密碼子？上的密碼子？3 3、密碼子都決定氨基酸嗎？、密碼子都決定氨基酸嗎？4 4、將人的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，控、將人的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，控制合成了人的胰島素，說明什么？制合成了人的胰島素，說明什么？ 分析歸納，表達交流。分析歸納，表達交流。4、遺傳密碼的特點 密碼

17、子具有連續(xù)性、簡并性、通用性密碼子具有連續(xù)性、簡并性、通用性 今天，我們沿著科學(xué)家的足今天，我們沿著科學(xué)家的足跡，運用數(shù)學(xué)方法和科學(xué)實驗探跡，運用數(shù)學(xué)方法和科學(xué)實驗探究了究了“氨基酸和堿基之間的數(shù)量氨基酸和堿基之間的數(shù)量關(guān)系關(guān)系”，獲取了破譯氨基酸密碼，獲取了破譯氨基酸密碼子的科學(xué)實驗方法，在今后的學(xué)子的科學(xué)實驗方法，在今后的學(xué)習(xí)中我們要借鑒、創(chuàng)新及運用這習(xí)中我們要借鑒、創(chuàng)新及運用這些方法來解決生物學(xué)問題。些方法來解決生物學(xué)問題。 小小 結(jié)結(jié)板書設(shè)計板書設(shè)計第第3節(jié)節(jié) 遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯1、從數(shù)學(xué)角度認識堿基與氨基酸、從數(shù)學(xué)角度認識堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系的對應(yīng)關(guān)系理論上應(yīng)該是三個堿基

18、決定一個氨理論上應(yīng)該是三個堿基決定一個氨基酸基酸2、科學(xué)家破譯遺傳密碼的過程、科學(xué)家破譯遺傳密碼的過程 2.1克里克克里克T4噬菌體實驗噬菌體實驗 信使信使RNA上的每上的每3個堿基決定一個堿基決定一個氨基酸個氨基酸 2.2 尼倫伯格和馬太的大腸尼倫伯格和馬太的大腸桿菌實驗桿菌實驗 破譯了遺傳密碼破譯了遺傳密碼AAA、GGG、CCC、UUU 3.3霍拉納的霍拉納的RNA重復(fù)序重復(fù)序列翻譯實驗列翻譯實驗 破譯了其他遺傳密碼破譯了其他遺傳密碼3、遺傳密碼的特點、遺傳密碼的特點 連續(xù)性、簡并性、通用性連續(xù)性、簡并性、通用性6、作業(yè)布置5、課堂練習(xí)（略）假設(shè)，我們利用假設(shè)，我們利用(ACU)n(ACU)n核苷酸長鏈核苷酸長鏈合成了含有蘇氨酸的多肽，那么蘇合成了含有