高中生物版高中必修2遺傳與進化第4章基因的表達版高中生物必修2第四章第3

第四章基因的表達第3節(jié)遺傳密碼的破譯（選學）一．三維目標1.知識與技能（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(jù)，尼倫伯格和馬太的蛋白質(zhì)的體外合成實驗。2.過程與方法（1）感受和重溫科學家的思維歷程。（2）類比的學習方法。3.情感態(tài)度與價值觀（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。二．教學重點遺傳密碼的破譯過程，引導學生感受這種思維過程并產(chǎn)生與科學家的思維共鳴。三．教學難點1.克里克的T4噬菌體實驗。2.尼倫伯格和馬太設計的蛋白質(zhì)體外合成實驗。四．教具準備多媒體演示課件五．課時安排1課時六．教學過程［情境創(chuàng)設］請根據(jù)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：wherearegeneslocated）你能用莫爾斯電碼來回答這個問題嗎？（學生：—··/—·/·基因位于DNA上）很好，我們通過莫爾斯電碼大致體驗了“翻譯”的過程，無論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，而我們知道后來被確認的蛋白質(zhì)的合成過程中也正是有類似這樣的密碼子?，F(xiàn)在大家已經(jīng)十分清楚了這些遺傳密碼，而當時是經(jīng)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，這個過程充滿了思維的智慧。那這些遺傳密碼是怎樣被破譯的呢？讓我們重溫一下這段科學史，追尋科學家探索的足跡，對我們的思維會有好的啟迪作用的。1.遺傳密碼的閱讀方式的探索1954年科普作家伽莫夫?qū)ζ谱g密碼首先提出了挑戰(zhàn)。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3個堿基編碼一種氨基酸，后來的實驗證實這一推測是完全正確的。接下來，人們不禁又要問在三聯(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序列會有什么不同呢？（課本P74“以重疊和非重疊方式閱讀DNA序列”），思考：當圖中的DNA的第三個堿基T發(fā)生改變時，如果密碼子是非重疊的，這一改變將影響多少個氨基酸？（學生：將可能影響1個氨基酸）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3個氨基酸）當圖中的DNA的第三個堿基T后插入一個堿基A的話，如果密碼子是非重疊的，這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3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DNA的第三個堿基T后插入一個堿基A的話，如果密碼子是重疊的，這一改變將影響多少個氨基酸？插入2個、3個氨基酸呢？（學生：如果插入1個堿基，影響3個氨基酸，多肽比原正常多肽多1個氨基酸）（學生：如果插入2個堿基，影響4個氨基酸，多肽比原正常多肽多2個氨基酸）（學生：如果插入3個堿基，影響5個氨基酸，多肽比原正常多肽多3個氨基酸）2.遺傳密碼子的驗證（克里克的實驗）三聯(lián)密碼是否真實存在呢？如果真實存在，那么共有64個密碼子，而氨基酸只有20種，那么多余的44種有何用處呢？直到1961年克里克等設計了一個實驗，有力地證實了三聯(lián)密碼的真實性。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，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白，而加入或減少3個堿基時卻可以合成正常功能的蛋白質(zhì)，為什么會這樣呢？我們結合課本P74上的有關句子中插入英語字母對語句產(chǎn)生的變化來理解，進行類比分析?？死锟擞脤嶒灥慕Y果證明每個密碼的確是由3個堿基組成的。克里克對遺傳密碼提出了幾個特點：（1）3個堿基一組，編碼一個氨基酸。（2）密碼是不重疊的。（3）堿基的順序是從固定起點解讀的。3.遺傳密碼對應規(guī)則的發(fā)現(xiàn)那如何找出64種密碼子到底對應哪種氨基酸呢？美國青年科學家尼倫伯格在讀到第一篇發(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)，來揭開遺傳密碼之謎。他們的方法和思路與克里克的完全不同，他們采用的體外合成蛋白質(zhì)的技術：（1）去模板：用DNA酶處理細胞抽提物，使DNA降解，除去原有的細胞模板。在抽提物中含有核糖體、ATP及各種氨基酸，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(zhuǎn)錄新的mRNA，即使原來殘留的mRNA也很快會降解掉。（2）加入RNA多聚尿嘧啶核苷酸：尼倫伯格成功地破壞了翻譯系統(tǒng)中的內(nèi)源mRNA，這樣從理論上來說若加入任何外源mRNA就可以按新的信息合成蛋白質(zhì)。當他們把人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，加入這種無細胞系統(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UUU是苯丙氨酸的密碼子。這是第一個遺傳密碼子被破譯。尼倫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(zhì)，他這富有創(chuàng)新的實驗方法為他帶來了重大的成功！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、polyC和polyG結果相應地獲得了多聚賴氨