人教版高中生物必修二第四章第3節(jié)《遺傳密碼的破譯(選學)》 教案

人教版高中生物必修二第四章第節(jié)《遺傳密碼的破譯（選學案第節(jié)遺傳密碼的破譯三目知識與能（1說出遺傳密碼的閱讀方式。（2說出遺傳密碼的破譯過程，包括伽莫夫的三聯(lián)體推斷，克里克的實驗證據，尼倫伯格和馬太的蛋白質的體外合成實驗。過程與法（1感受和重溫科學家的思維歷程。（2類比的學習方法。情感態(tài)與價值觀（1對科學家那種敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新的精神還有那種巧妙的構思表達敬佩。（2認同遺傳密碼的破譯對生物學發(fā)展的重要意義。教重遺傳密碼的破譯過程，引導學生感受這種思維過程并產生與科學家的思維共鳴。教難克里克噬體實驗。尼倫伯和馬太設計的蛋白質體外合成實驗。教準多媒體演示課件課安時教過［情境創(chuàng)設］在第節(jié)我們學習了有關基因指導蛋白質合成的過程知道了核酸中的堿基序列就是遺傳信息，翻譯實際上就是將mRNA中堿基序列翻譯為蛋白質的氨基酸序列，那堿基序列與氨基酸序列是如何對應的呢？就是通過密碼子密碼子表）現(xiàn)在大家已經十分清楚了這些遺傳密碼，而當時是經過許多科學家艱辛的思考和探索，最后被幾個年輕人的富有創(chuàng)新的實驗才破譯的個過程充滿了思維的智慧這遺傳密碼是怎樣被破譯的呢？讓我們重新重溫一下這段科學史尋科學家探索的足跡我們的思維會有好的啟迪作用的。［師生互動］研究背在孟德爾遺傳規(guī)律于1900年再次證實之后科學家投入到遺傳問題的研究上來，試圖揭示基因的本質和作用原理。“中心法則”提出后更為明確地指出了遺傳信息傳遞的方向，總體上來說是從→→蛋白質蛋白質之間究竟是什么關系？或者說D是如何決定蛋白質？這個有趣而深奧的問題在五十年代末就開始引起了一批研究者的極大興趣。年理論物理學家薛定諤發(fā)表的《什么是生命》一書中就大膽地預言，染色體是由一些同分異構的單體分子連續(xù)所組成種續(xù)體的精確性組成了遺傳密碼認同分異構單體可能作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個符號過排列組合來儲存遺傳信息。那什么是莫爾斯電碼呢？我們來看下面的資料：莫爾斯電碼由國畫家和電發(fā)明人莫爾斯于1838年明的一套點劃1/6

人教版高中生物必修二第四章第節(jié)《遺傳密碼的破譯（選學案構成的系統(tǒng)，通過“點”和“劃”間隔的不同排列順序來表達不同的英文字母、數(shù)字和標點符號。1844年在美國國會的財政支持下，莫爾斯設了從馬里蘭州的巴爾地摩到美國首都華盛頓的第一條使用“莫爾斯碼”通信的電報線路1851年，在歐洲國家有關方面的支持下，莫爾斯碼經過簡化后就一直成為國際通用標準通信電碼電報的發(fā)明、莫爾斯碼的使用改變了人類社會的面貌隨社會的進步科學的發(fā)展有更先進的通信方式在等待著我們使用但報“莫爾斯”碼信在業(yè)余無線電中占有重要的地位電信聯(lián)盟制定的“無線電規(guī)則中確指出任人請求領取使用業(yè)余電臺設備執(zhí)照都應該證明其能夠準確地用手發(fā)和用耳接“莫爾斯碼信號組成的電文雖然今天計算機技術給自動或半自動收發(fā)電報創(chuàng)造了條件一真正的愛好者仍必須并且也可以通過自我訓練掌握人工收發(fā)報技術。莫爾斯電碼本身并無機密可言，它僅僅只是一種工具?！ぃ阂裟钭鳌暗蝑i—：長音念作“答（da字碼：AB—··C—·—·D：—·EF—·G——·IJ——K：—·—LM——N：—·O———·Q—·：U—V——X：—·—Y—·——：—？——·/—·——··—數(shù)碼（長碼———2.———4.·—5：—7——：———：————·：—————請根據莫爾斯電碼表，將書本中問題探討中的那段電文譯成英文。（學生：翻譯后是：whereare）你能用莫爾斯電碼來回答這個問題嗎？（學生：/—·/·基因位于上）很好我通過莫爾斯電碼大致驗了“翻譯”的過程從電文譯成英文還是從英文譯成電文都離不開莫爾斯密碼表們道后來被確認的蛋白質的合成過程中也正是有類似這樣的密碼子。而當時遺傳物質的化學本質是尚未明確的，十年后NA雙螺旋模型才得以建立，在這樣的背景下能將遺傳信息設想成一種電碼式的遺傳密碼形式是種超越時代的遠見卓識。到年螺旋模型的建立給予科學家們以很大的激勵。破譯遺傳密碼也就成了勢在必行的工作。要破譯一個未知的密碼一的路就是比較編碼的信息密碼和相應的譯文對于遺傳密碼來說最簡單的破譯方法應是將順或mRNA順和多肽相比較。但和一般破譯密碼不同的是，遺傳信息的譯文——蛋白質的順序是已知的，未知的都是密碼。年Sanger用層析分析了胰島素的結構后，對蛋白質的氨基酸序列了解得越越多。但是直到年后經歷了十年時間，多位科學家的執(zhí)著研究才破譯了密碼，其中最為重要的幾項工作其思路之新穎、方法之精巧都閃爍著科學的智慧之光。遺傳密閱讀方式的探索年普作家伽莫夫對譯密碼首先提出了挑戰(zhàn)。他以著有《奇異國的湯姆金斯》等優(yōu)秀的科學幻想作品而著稱，具有豐富的想象力，但他不是一位實驗科學家，所以只能從理論上來嘗試密碼的解讀。當年，他在《自》雜志首次發(fā)表了遺傳密碼的理論研究的文章，指出“氨基酸正好按螺旋結構進入各自的洞穴設想：若一種堿基與一種氨基酸對應的話么只可能產生氨基酸已知天然的氨基酸2/6

234人教版高中生物必修二第四章第節(jié)《遺傳密碼的破譯（選學案234約有種，因此不可由一個堿基編碼一種氨基酸。若堿基編碼一種氨基酸的話種堿基共有種不同的排列組合，也不足以編碼種氨基酸。因此他認為個堿基編碼一種氨基酸的就可以解決問題。雖然4個基組成三聯(lián)密碼，經排列組合可產生4種同形式，要比種氨基酸大兩倍多。但若是四聯(lián)密碼，就會產生排列組合。相比之下只有三聯(lián)體triplet）為符合20種基酸。伽莫夫是用數(shù)學的排列組合的方法在理論上作出推測的的實驗證實這一推測是完全正確的。接下來不又要問在三聯(lián)體中的每個堿基作為信息只讀一次還是重復閱讀呢？以重疊和非重疊方式閱讀DNA序會有什么不同呢？呈現(xiàn)圖片（課本“重疊和非重疊74方式閱讀序：當圖中的的三個堿基T發(fā)改變時如密碼子是非重疊的，這一改變將影響多少個氨基酸？（學生：將可能影響氨基酸）如果密碼子是重疊的，這一改變又將影響多少個氨基酸？（學生：將可能影響氨基酸）當圖中的的三個堿基T后入一個堿基A的如果密碼子是非疊的一改變將影響多少個氨基酸？（學生：將會影響后面所有的氨基酸）如果插入兩個堿基呢？（學生：也會影響后面所有的氨基酸）如果插入個堿基呢？（學生：將會在原氨基酸序列中多一個氨基酸）當圖中的的三個堿基T后入一個堿基A的如果密碼子是重的一改變將影響多少個氨基酸？插入2個氨基酸呢？（學生：如果插入1個基，影響3個基酸，多肽比原正常多肽多1個基酸）（學生：如果插入2個基，影響4個基酸，多肽比原正常多肽多2個基酸）（學生：如果插入3個基，影響5個基酸，多肽比原正常多肽多3個基酸）如果從效率上來考慮，你覺得哪種閱讀方式效率更高呢？伽莫夫也許是考慮到效率的問題為一個堿基可能被重復讀多次就說遺傳密碼的閱讀是完全重疊的此基數(shù)目和核苷酸數(shù)目存在著一對一的關系一假定非常簡潔地解釋了核苷酸間距和多肽鏈上鄰接氨基酸的間0.36nm間示了明顯的相關性。若真如此重疊密碼對多肽鏈上基酸的序列就形成了一種限制如具有完全重疊密碼的密碼子后接著的碼子一定是TC開那么相應的氨基酸的順序也會受到限制再若是重疊密碼那么任何一個堿基的突變都會影響到相連的3個疊密碼子即三個氨基酸都會發(fā)生改變，但事實并非如此。年Brenner.S發(fā)了一篇令人奮的理論文章，他通過蛋白質的氨基酸順序分析，發(fā)現(xiàn)不存在氨基酸的鄰位限制作用而否定了遺傳密碼重疊閱讀的可能性時人們也發(fā)現(xiàn)在鐮刀型細胞貧血的例子中紅白中僅有一個氨基酸發(fā)生改變明莫夫的后一推論是錯誤的。這就是智者千慮有失。很多著名的科學家也有過類似的失誤資較少的情況下，對未知的真理作出推斷，難免會發(fā)生偏差不掩瑜人對他們的那種敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新的精神，巧妙的構思仍敬佩不已。遺傳密的驗證（克里克的實驗證據）3/6

人教版高中生物必修二第四章第節(jié)《遺傳密碼的破譯（選學案三聯(lián)密碼是否真實存在呢？如果真實存在，那么共有個碼子，而氨基酸只有種，那么多余的44種何用處呢？年里克等為了解釋個問題提出了一個設想。首先認為如AAA，，，TTT這個三聯(lián)體，分別由相同的堿基構成，解讀的起始位置有可能發(fā)生差錯，因此可能是“無義”密碼子。這樣余下的只有個碼子。接著他們又設想，例如和GCA若分別編碼氨基酸a和，這兩個密碼子連排列成ATTGCAATT……在讀時若發(fā)生錯位就會產生TTG和AAT等序就是錯讀些錯讀的重疊密碼也是無意義的也就是說一個順序有種讀法其中只有一種是意義的而其余的兩種都是無義密碼，這樣×）有義密碼子只有個，似乎是很圓地解釋了氨基酸數(shù)目和密碼子總數(shù)之間的矛盾，但后來的實驗證明，此設想也是重蹈Gemor的轍。直到1961克里克Crick和等計了一個實驗有地證實了三聯(lián)密碼的真實性他們用T噬體色體上的一個基因通過用原黃素處理以使脫或插入4個堿基入加突變落“字變無論加字和減字都可以引起移碼突變。Crick小用這種方法獲得一系列的T噬菌體“加字”“減字”突變，再進行雜交來獲得4加入或減少一個、兩個、三個的不同堿基數(shù)的系列突變。通過這樣的方法他們發(fā)現(xiàn)加入或減少一個和兩個堿基都會引起噬菌體突變產生正常功能的蛋白加入或減少3個堿基時卻可以合成正常功能的蛋白質什會這樣呢？我們結合課本上有關句子中插入英語字母對語句產生的變化來理解，進行類比分析。74克里克用實驗的結果證明每個密碼的確是由3堿基組成的克對遺傳密碼提出了個點）3個堿基一組，編碼一個氨基酸）碼是不重疊的）基的順序是從固定起點解讀并個特定的氨基酸可以由幾個堿基三聯(lián)來編碼。否定了他們以前的解釋，即種碼子中只有20種碼，其余的44種是無意的這一推測從們的實驗結果來看如以前的解釋是正確的話么任何移碼突變都將是無義突變，那么T噬菌體突變體的那個區(qū)域應當很小，但其實不，發(fā)生移碼仍可翻譯，只不過4肽鏈的順序發(fā)生很大的改變，而不是產生很短的肽鏈。遺傳密對應規(guī)則的發(fā)現(xiàn)那如何找出64種碼子到底對應哪種氨酸呢？在美國國立衛(wèi)生研究院（）從事研究工作的青年科學家尼倫伯格M.W.Nirenberg在讀到第一篇發(fā)現(xiàn)mRNA的報道之后，就決定計劃建立一種無細胞反應系統(tǒng)，來揭遺傳密碼之謎。他們的方法和思路與克里克的完全不同們用的體外合成蛋白質的技呈現(xiàn)書中蛋白質體外合成的實驗示意圖（1去模板：用DNA酶處理細胞抽提物，使降，除去原有的細胞模板。在抽提物含有核糖體ATP及種氨基酸，除mRNA以外，是一個完整的翻譯系統(tǒng)。由于DNA被降解，所以不再轉錄新的mRNA即使原來殘留的mRNA因半衰期很短，也很快會降解掉。（2加入polyU成地破壞了翻譯系統(tǒng)中的內源mRNA這從理論上來說若加入任何外源就以按新信息合成蛋白。他們采用了多核苷酸磷酸化酶，僅以尿苷二磷酸為底物，人工合成polyU當他們把人工合成的polyU入這種無細胞系統(tǒng)中代替天然的mRNA時驚喜地發(fā)現(xiàn)果真合成了單一的多肽，即多聚苯丙氨酸它的氨基酸殘基全是苯丙氨酸，這一結果不僅證實了無細胞系統(tǒng)的成功，同時還表明UU苯丙氨酸的密碼子。這是第一個遺傳密碼子被破譯伯格的實驗巧妙之處在于利用無細胞系統(tǒng)進行體外合成蛋白質，他這富有創(chuàng)新的實驗方法為他帶來了重大的成功！4/6

人教版高中生物必修二第四章第節(jié)《遺傳密碼的破譯（選學案請問為什么要去除細胞提取液中的DNA和mRNA（學生：防止細胞原有的DNA和mRNA中的遺傳信息起作用干擾實驗結果）如果你是尼倫伯格，你將如何設計對照實驗，確保你的重大發(fā)現(xiàn)是正確的？（學生：在對照實驗中的所有試管中加入成分均不變，但是不加入多聚尿嘧啶核苷酸）實驗做到這里，你能想到其他的密碼如何破譯嗎？（學生：加入不同的人工合成的多聚核苷酸進行實驗）很好，尼倫伯格也用同樣的方法分別加入polyA、polyG結相應地獲得了多聚賴氨酸、多聚脯氨酸和多聚甘氨酸Nirenberg利用無細胞系統(tǒng)體外合成蛋白質不僅順利地破譯了個密碼子，同時了證實了等先認為AAAUUU，，CCC是義密碼子的推測是錯誤的。在接下來的六七年里科學家沿體外合成蛋白質的思路斷地改進實驗方法破譯出了全部的密碼子，并編制出了密碼子表。這項工作成為生物學史上的一個偉大的里程碑！為人類探索和提示生命的本質的研究向前邁進一大步，為后面分子遺傳生物學的發(fā)展有著重要的推動作用。遺傳密碼的破譯、測序方法的建立以及體外重組的實現(xiàn)是基因工程的三大基石。［教師精講］我們注意整個破譯過程中科學家思維的變化諤以富有遠見卓識的大膽的想象來預測遺傳密碼的形式的夫過數(shù)學的排列組合的計算來推測密碼子是由三個堿基組成的，同時他也預測了密碼的閱讀方式，盡管智者千慮，必有一失妙的構思依然顯示了其睿智和創(chuàng)新?？死锟藙t是巧妙地設計實驗，利用原黃素處理噬菌體，落或插入單個堿基的方法從實驗上證明了伽莫夫的三聯(lián)體密碼子的推測理走向實驗密碼子的破譯邁出重要的一步尼倫伯格的實驗則更富有創(chuàng)新性建立巧妙的無細胞系統(tǒng)進行體外蛋白質合成功破譯了一個密碼子后的方法不斷創(chuàng)新最終破譯了所有的密碼子的獻不僅僅在于對遺傳碼的破譯