人教版高中生物必修二第四章第3节《遗传密码的破译(选学)》 教案

人教版高中生物必修二第四章第节《遗传密码的破译（选学案第节遗传密码的破译三目知识与能（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。教重遗传密码的破译过程，引导学生感受这种思维过程并产生与科学家的思维共鸣。教难克里克噬体实验。尼伦伯和马太设计的蛋白质体外合成实验。教准多媒体演示课件课安时教过［情境创设］在第节我们学习了有关基因指导蛋白质合成的过程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mRNA中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？就是通过密码子密码子表）现在大家已经十分清楚了这些遗传密码，而当时是经过许多科学家艰辛的思考和探索，最后被几个年轻人的富有创新的实验才破译的个过程充满了思维的智慧这遗传密码是怎样被破译的呢？让我们重新重温一下这段科学史寻科学家探索的足迹我们的思维会有好的启迪作用的。［师生互动］研究背在孟德尔遗传规律于1900年再次证实之后科学家投入到遗传问题的研究上来，试图揭示基因的本质和作用原理。“中心法则”提出后更为明确地指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从→→蛋白质蛋白质之间究竟是什么关系？或者说D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。年理论物理学家薛定谔发表的《什么是生命》一书中就大胆地预言，染色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成种续体的精确性组成了遗传密码认同分异构单体可能作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号过排列组合来储存遗传信息。那什么是莫尔斯电码呢？我们来看下面的资料：莫尔斯电码由国画家和电发明人莫尔斯于1838年明的一套点划1/6

人教版高中生物必修二第四章第节《遗传密码的破译（选学案构成的系统，通过“点”和“划”间隔的不同排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。1844年在美国国会的财政支持下，莫尔斯设了从马里兰州的巴尔地摩到美国首都华盛顿的第一条使用“莫尔斯码”通信的电报线路1851年，在欧洲国家有关方面的支持下，莫尔斯码经过简化后就一直成为国际通用标准通信电码电报的发明、莫尔斯码的使用改变了人类社会的面貌随社会的进步科学的发展有更先进的通信方式在等待着我们使用但报“莫尔斯”码信在业余无线电中占有重要的地位电信联盟制定的“无线电规则中确指出任人请求领取使用业余电台设备执照都应该证明其能够准确地用手发和用耳接“莫尔斯码信号组成的电文虽然今天计算机技术给自动或半自动收发电报创造了条件一真正的爱好者仍必须并且也可以通过自我训练掌握人工收发报技术。莫尔斯电码本身并无机密可言，它仅仅只是一种工具。·：音念作“滴di—：长音念作“答（da字码：AB—··C—·—·D：—·EF—·G——·IJ——K：—·—LM——N：—·O———·Q—·：U—V——X：—·—Y—·——：—？——·/—·——··—数码（长码———2.———4.·—5：—7——：———：————·：—————请根据莫尔斯电码表，将书本中问题探讨中的那段电文译成英文。（学生：翻译后是：whereare）你能用莫尔斯电码来回答这个问题吗？（学生：/—·/·基因位于上）很好我通过莫尔斯电码大致验了“翻译”的过程从电文译成英文还是从英文译成电文都离不开莫尔斯密码表们道后来被确认的蛋白质的合成过程中也正是有类似这样的密码子。而当时遗传物质的化学本质是尚未明确的，十年后NA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码形式是种超越时代的远见卓识。到年螺旋模型的建立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作。要破译一个未知的密码一的路就是比较编码的信息密码和相应的译文对于遗传密码来说最简单的破译方法应是将顺或mRNA顺和多肽相比较。但和一般破译密码不同的是，遗传信息的译文——蛋白质的顺序是已知的，未知的都是密码。年Sanger用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越多。但是直到年后经历了十年时间，多位科学家的执著研究才破译了密码，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学的智慧之光。遗传密阅读方式的探索年普作家伽莫夫对译密码首先提出了挑战。他以著有《奇异国的汤姆金斯》等优秀的科学幻想作品而著称，具有丰富的想象力，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《自》杂志首次发表了遗传密码的理论研究的文章，指出“氨基酸正好按螺旋结构进入各自的洞穴设想：若一种碱基与一种氨基酸对应的话么只可能产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节《遗传密码的破译（选学案234约有种，因此不可由一个碱基编码一种氨基酸。若碱基编码一种氨基酸的话种碱基共有种不同的排列组合，也不足以编码种氨基酸。因此他认为个碱基编码一种氨基酸的就可以解决问题。虽然4个基组成三联密码，经排列组合可产生4种同形式，要比种氨基酸大两倍多。但若是四联密码，就会产生排列组合。相比之下只有三联体triplet）为符合20种基酸。伽莫夫是用数学的排列组合的方法在理论上作出推测的的实验证实这一推测是完全正确的。接下来不又要问在三联体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DNA序会有什么不同呢？呈现图片（课本“重叠和非重叠74方式阅读序：当图中的的三个碱基T发改变时如密码子是非重叠的，这一改变将影响多少个氨基酸？（学生：将可能影响氨基酸）如果密码子是重叠的，这一改变又将影响多少个氨基酸？（学生：将可能影响氨基酸）当图中的的三个碱基T后入一个碱基A的如果密码子是非叠的一改变将影响多少个氨基酸？（学生：将会影响后面所有的氨基酸）如果插入两个碱基呢？（学生：也会影响后面所有的氨基酸）如果插入个碱基呢？（学生：将会在原氨基酸序列中多一个氨基酸）当图中的的三个碱基T后入一个碱基A的如果密码子是重的一改变将影响多少个氨基酸？插入2个氨基酸呢？（学生：如果插入1个基，影响3个基酸，多肽比原正常多肽多1个基酸）（学生：如果插入2个基，影响4个基酸，多肽比原正常多肽多2个基酸）（学生：如果插入3个基，影响5个基酸，多肽比原正常多肽多3个基酸）如果从效率上来考虑，你觉得哪种阅读方式效率更高呢？伽莫夫也许是考虑到效率的问题为一个碱基可能被重复读多次就说遗传密码的阅读是完全重叠的此基数目和核苷酸数目存在着一对一的关系一假定非常简洁地解释了核苷酸间距和多肽链上邻接氨基酸的间0.36nm间示了明显的相关性。若真如此重叠密码对多肽链上基酸的序列就形成了一种限制如具有完全重叠密码的密码子后接着的码子一定是TC开那么相应的氨基酸的顺序也会受到限制再若是重叠密码那么任何一个碱基的突变都会影响到相连的3个叠密码子即三个氨基酸都会发生改变，但事实并非如此。年Brenner.S发了一篇令人奋的理论文章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存在氨基酸的邻位限制作用而否定了遗传密码重叠阅读的可能性时人们也发现在镰刀型细胞贫血的例子中红白中仅有一个氨基酸发生改变明莫夫的后一推论是错误的。这就是智者千虑有失。很多著名的科学家也有过类似的失误资较少的情况下，对未知的真理作出推断，难免会发生偏差不掩瑜人对他们的那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神，巧妙的构思仍敬佩不已。遗传密的验证（克里克的实验证据）3/6

人教版高中生物必修二第四章第节《遗传密码的破译（选学案三联密码是否真实存在呢？如果真实存在，那么共有个码子，而氨基酸只有种，那么多余的44种何用处呢？年里克等为了解释个问题提出了一个设想。首先认为如AAA，，，TTT这个三联体，分别由相同的碱基构成，解读的起始位置有可能发生差错，因此可能是“无义”密码子。这样余下的只有个码子。接着他们又设想，例如和GCA若分别编码氨基酸a和，这两个密码子连排列成ATTGCAATT……在读时若发生错位就会产生TTG和AAT等序就是错读些错读的重叠密码也是无意义的也就是说一个顺序有种读法其中只有一种是意义的而其余的两种都是无义密码，这样×）有义密码子只有个，似乎是很圆地解释了氨基酸数目和密码子总数之间的矛盾，但后来的实验证明，此设想也是重蹈Gemor的辙。直到1961克里克Crick和等计了一个实验有地证实了三联密码的真实性他们用T噬体色体上的一个基因通过用原黄素处理以使脱或插入4个碱基入加突变落“字变无论加字和减字都可以引起移码突变。Crick小用这种方法获得一系列的T噬菌体“加字”“减字”突变，再进行杂交来获得4加入或减少一个、两个、三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两个碱基都会引起噬菌体突变产生正常功能的蛋白加入或减少3个碱基时却可以合成正常功能的蛋白质什会这样呢？我们结合课本上有关句子中插入英语字母对语句产生的变化来理解，进行类比分析。74克里克用实验的结果证明每个密码的确是由3碱基组成的克对遗传密码提出了个点）3个碱基一组，编码一个氨基酸）码是不重叠的）基的顺序是从固定起点解读并个特定的氨基酸可以由几个碱基三联来编码。否定了他们以前的解释，即种码子中只有20种码，其余的44种是无意的这一推测从们的实验结果来看如以前的解释是正确的话么任何移码突变都将是无义突变，那么T噬菌体突变体的那个区域应当很小，但其实不，发生移码仍可翻译，只不过4肽链的顺序发生很大的改变，而不是产生很短的肽链。遗传密对应规则的发现那如何找出64种码子到底对应哪种氨酸呢？在美国国立卫生研究院（）从事研究工作的青年科学家尼伦伯格M.W.Nirenberg在读到第一篇发现mRNA的报道之后，就决定计划建立一种无细胞反应系统，来揭遗传密码之谜。他们的方法和思路与克里克的完全不同们用的体外合成蛋白质的技呈现书中蛋白质体外合成的实验示意图（1去模板：用DNA酶处理细胞抽提物，使降，除去原有的细胞模板。在抽提物含有核糖体ATP及种氨基酸，除mRNA以外，是一个完整的翻译系统。由于DNA被降解，所以不再转录新的mRNA即使原来残留的mRNA因半衰期很短，也很快会降解掉。（2加入polyU成地破坏了翻译系统中的内源mRNA这从理论上来说若加入任何外源就以按新信息合成蛋白。他们采用了多核苷酸磷酸化酶，仅以尿苷二磷酸为底物，人工合成polyU当他们把人工合成的polyU入这种无细胞系统中代替天然的mRNA时惊喜地发现果真合成了单一的多肽，即多聚苯丙氨酸它的氨基酸残基全是苯丙氨酸，这一结果不仅证实了无细胞系统的成功，同时还表明UU苯丙氨酸的密码子。这是第一个遗传密码子被破译伯格的实验巧妙之处在于利用无细胞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！4/6

人教版高中生物必修二第四章第节《遗传密码的破译（选学案请问为什么要去除细胞提取液中的DNA和mRNA（学生：防止细胞原有的DNA和mRNA中的遗传信息起作用干扰实验结果）如果你是尼伦伯格，你将如何设计对照实验，确保你的重大发现是正确的？（学生：在对照实验中的所有试管中加入成分均不变，但是不加入多聚尿嘧啶核苷酸）实验做到这里，你能想到其他的密码如何破译吗？（学生：加入不同的人工合成的多聚核苷酸进行实验）很好，尼伦伯格也用同样的方法分别加入polyA、polyG结相应地获得了多聚赖氨酸、多聚脯氨酸和多聚甘氨酸Nirenberg利用无细胞系统体外合成蛋白质不仅顺利地破译了个密码子，同时了证实了等先认为AAAUUU，，CCC是义密码子的推测是错误的。在接下来的六七年里科学家沿体外合成蛋白质的思路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、测序方法的建立以及体外重组的实现是基因工程的三大基石。［教师精讲］我们注意整个破译过程中科学家思维的变化谔以富有远见卓识的大胆的想象来预测遗传密码的形式的夫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，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码子的推测理走向实验密码子的破译迈出重要的一步尼伦伯格的实验则更富有创新性建立巧妙的无细胞系统进行体外蛋白质合成功破译了一个密码子后的方法不断创新最终破译了所有的密码子的献不仅仅在于对遗传码的破译