生物教案：第四章第节遗传密码的破译（选学）

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精第3节遗传密码的破译(选学)eq\o（\s\up7（)，\s\do5(整体设计))教材分析本课内容属于选学，由教师根据实际的教学进度等情况进行自主安排.本节课主要阐述了遗传密码破译的过程，是对本章第一节“基因指导蛋白质的合成”的一个非常重要的补充。第一节“基因指导蛋白质的合成”中虽然学习了遗传密码，但是,学生并不了解遗传密码到底是怎样被破译的，破译的过程和方法学生都不清楚，所以，学生通过本节课内容的学习，可以深刻地感受到破译过程的艰辛，并使学生通过这一研究过程学习其中蕴涵的科学研究方法--类比的研究方法。在理解遗传密码的阅读方式时，有非重叠的阅读方式和重叠的阅读方式，到底是哪一种,我们是利用不同的阅读方式来阅读同一段DNA的碱基序列，然后通过实验证据，最后证明遗传密码从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读，编码之间没有分隔符。在学习“遗传密码对应规则”的时候，通过重现尼伦伯格和马太的实验,分析研究不同的氨基酸到底是由怎样的遗传密码来进行编码的,最终破译了第一个遗传密码，即苯丙氨酸对应的密码子应该是UUU。后来，科学家沿着尼伦伯格和马太的蛋白质体外合成的思路，不断地改进实验方法，终于破译出了全部的遗传密码,并在此基础上编制出了密码子表.通过本课内容的学习,我们不仅要让学生掌握关于密码子的知识，知道密码子对应规则发现的历程,更要让学生学习科学家们在探索过程中的精神，以及科学的探索方法,做到学以致用，这才是我们真正要让学生理解和掌握的。三维目标1．说出遗传密码的阅读方式。2．说出遗传密码的破译过程.3．理解类比的研究方法。4．能够运用证据和逻辑分析实验现象,得出结论。内容提要教学重点和难点1．遗传密码的破译过程。2．尼伦伯格和马太设计的蛋白质体外合成实验。课时安排1课时课前准备1．教学过程中配套的学案2．蛋白质体外合成的实验示意图eq\o(\s\up7（），\s\do5（教学过程)）导入新课1．情境导入莫尔斯密码，是由美国画家和电报发明人莫尔斯先生于1838年发明的一套由“点"和“划”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。我们一起来看课本上的“问题探讨",发现,要破译用莫尔斯密码编写的问题并把它译成英文，必须要根据教材中提供的莫尔斯密码表才行，这和我们的遗传密码编码氨基酸有着非常相似的地方。2．复习导入我们在学习第1节“基因指导蛋白质的合成”的时候，知道氨基酸是由密码子来进行编码的，而所谓的密码子，就是信使RNA上3个相邻的碱基.为什么密码子是信使RNA上3个相邻的碱基呢？它是怎样被发现的呢?又是怎样被验证的呢？今天，我们就来一起研究这个问题。推进新课学习目标一:遗传密码的阅读方式[方法引导]我们在利用莫尔斯密码表来写出问题的时候,其中每个密码子之间都是用斜线分隔开的,阅读的时候只要逐个翻译密码就可以了。假如我们的遗传密码也可以用这种方法的话，那么，3个碱基决定1个氨基酸，只需要以3个碱基为1个阅读单位，依次阅读.但是，从理论上来说，还有一种阅读方式是重叠的阅读方式。科学家为什么要研究遗传密码的阅读方式呢？因为，即使是同一个碱基序列，不同的阅读方式解读出来的含义是完全不同的，所以要正确地理解遗传密码的含义，就必须掌握遗传密码的阅读方式.现在，我们来看这样的例子。思考：请同学们按照不同的遗传密码的阅读方式来阅读下列碱基序列，看看结果有何区别?碱基序列：GGTTCGCACGCT学生讨论回答。点拨：以非重叠的阅读方式进行阅读,是按照GGT、TCG、CAC、GCT进行的，如果是按照重叠的阅读方式进行阅读，是按照GGT、GTT、TTC、TCG、CGC、GCA、CAC、ACG、CGC、GCT进行的，我们发现,两种不同的阅读方式,“阅读"出来的氨基酸的种类和数目都是不一样的。所以,要正确地理解遗传密码的含义,就必须掌握遗传密码的阅读方式。再思考：假如在上面的碱基序列中的第3个碱基后面，再插入一个碱基（例如A)，按照两种不同的阅读方式,结果有何异同？如果插入3个碱基呢？学生讨论回答。点拨：按照非重叠的阅读方式进行阅读，除了前3个碱基决定的氨基酸不变外，后面的都要发生改变。假如是按照重叠的方式进行阅读，除了决定的第一个氨基酸不变外，后面的所有被决定的氨基酸都会发生改变。如果插入3个碱基，按照非重叠的方式进行阅读，在决定的第二个氨基酸后面会插入一个新的氨基酸，后面被决定的氨基酸都不发生改变。假如按照重叠的方式进行阅读，第一个氨基酸不发生改变,后面会插入5个新的氨基酸，其后又不发生改变。学习目标二：克里克的实验证据［合作探究］遗传密码的阅读到底是非重叠的阅读方式呢,还是以重叠的方式阅读的呢？遗传密码真的是以3个碱基为一组的吗？我们提出的这些疑问，仅仅靠理论推导是不行的，必须通过实验获得第一手资料作为证据,才有充分的说服力,才能得到人们的认可。科学家克里克和他的同事们通过大量的实验工作，于1961年找到了让我们疑惑了很久的答案。现在，让我来重现科学家克里克和他的同事们所做的实验.实验重现：以T4噬菌体为实验材料，在相关碱基序列中增加或者删除一个碱基,无法产生正常功能的蛋白质；增加或者删除两个碱基，也不能产生正常功能的蛋白质;但是，当增加或者删除三个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。思考：为什么会出现这样的结果呢？类比分析：参照教材中的例子，句中的每个单词都由3个字母组成，7个单词连成一句。当第3个单词中插入字母R,仍然按照3个字母组成一个单词的阅读方式阅读，从插入处开始的所有单词都被改变.若第3和第4个单词中分别插入字母R,从插入处开始的所有单词都被改变。当第3、4、5个单词中都插入1个字母时，除了插入处的单词外,其他部分的单词都没有改变。学生讨论.点拨:氨基酸是由信使RNA上3个相邻的碱基形成的密码子来决定的。实验可以证明:遗传密码从一个固定的起点开始,以非重叠的方式阅读，编码之间没有分隔符。学习目标三:遗传密码对应规则的发现1．遗传密码对应规则的发现［方法引导]通过科学家克里克和他的同事们所做的实验，我们可以得出遗传密码的总体特征，但是,我们并不能够说明3个碱基对应的是哪一个氨基酸。同样的，我们必须借助实验来破译由3个碱基排列成的1个密码子对应的氨基酸到底是哪一种。就在科学家克里克和他的同事们完成他们的实验的同一年,有两个年轻人做了个实验，破译了第一个密码，这两个年轻人是尼伦伯格和马太.让我们一起来看他们的实验。实验重现：这是一个蛋白质在体外合成的技术。他们在每支试管中分别加入一种氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液，以及人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸,结果，加入了苯丙氨酸的试管中出现了多聚苯丙氨酸的肽链。思考：(1)为什么要除去细胞提取液的DNA和mRNA？(2)如果你是尼伦伯格或者马太，你将如何设计对照组实验，确保你的重大发现得到同行的认可？（3）实验结果说明了什么?学生讨论回答。点拨：（1)假如不除去细胞提取液的DNA和mRNA，那么，细胞中原有的mRNA会作为合成蛋白质的模板干扰实验结果，细胞中原有的DNA可能作为mRNA合成的模板，而新合成的mRNA也会干扰实验结果,因此需要除去细胞提取液中的DNA和mRNA。(2)作为对照实验的试管中，所有成分都与实验组的试管相同，但是不加入多聚尿嘧啶核苷酸。（3)实验结果说明：多聚尿嘧啶核苷酸导致了多聚苯丙氨酸的合成，而多聚尿嘧啶核苷酸的碱基序列是由许多个尿嘧啶组成的（UUU……)，可见尿嘧啶的碱基序列编码由苯丙氨酸组成的肽链.结合克里克得出的3个碱基决定1个氨基酸的实验结论,与苯丙氨酸对应的密码子应该是UUU.注意：教材中安排的蛋白质体外合成的实验示意图,旨在帮助学生进行理解这个实验的设计思路，因此，作为示意图，课本上只展示了4种氨基酸.其实，在实际实验中,测试的是组成蛋白质的20种氨基酸。在这20种氨基酸中，只有加入了苯丙氨酸的试管才出现了多聚苯丙氨酸组成的肽链。2．对比克里克和尼伦伯格的实验克里克的T4噬菌体实验尼伦伯格体外蛋白质合成实验主要思路前提找到使DNA脱落或插入单个碱基的方法-—原黄素处理多核苷酸磷酸化酶的发现,为得到polyU提供条件优势不需要理解蛋白质合成过程，就能作出推断密码子的总体特征快速，直接不足证据相对间接,工作量较大需要首先了解细胞中蛋白质合成所需的条件课堂小结克里克用实验证明了遗传密码中的3个碱基编码1个氨基酸，而且，遗传密码从一个固定的起点开始，以非重叠的方式阅读,编码之间没有分隔符。尼伦伯格和马太又破译了第一个遗传密码，此后,科学家又相继破译出了全部的遗传密码。eq\o（\s\up7()，\s\do5（板书设计））第3节遗传密码的破译一、遗传密码的阅读方式二、克里克的实验证据遗传密码从一个固定的起点开始,以非重叠的方式阅读，编码之间没有分隔符三、遗传密码对应规则的发现教学反思本节课的内容虽然不是很多，但是具体内容比较抽象，比如说遗传密码的阅读方式，到底是非重叠的阅读方式，还是重叠的阅读方式，用实实在在的DNA碱基序列去探讨就显得容易得多,这样，学生也非常容易理解并且接受。另外，“克里克的实验证据”这部分内容也并不容易理解，在这里，我们就可以运用类比的方法，对实例进行分析，再对实验进行分析,让学生真正理解这部分内容到底阐述了些什么，以此来帮助学生理解。在处理“遗传密码对应规则的发现”这部分内容时，相对来说比较轻松，学生也能够理解这个实验说明的问题。同时,学生对科学的探索也有了新的认识。课后延伸1．生活中的生物学随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前，特别是当人们了解到遗传密码是由RNA转录表达的以后，生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密，而是开始跃跃欲试，设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性.如果将一种生物的DNA中的某个遗传密码片段连接到另外一种生物的DNA链上去,将DNA重新组织一下,就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型，这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同。这种做法就像技术科学的工程设计，按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因"重新“施工"，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿,由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术，就称为“基因工程"，或者说是“遗传工程”。2．遗传密码破译的历程（1)1944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，遗传密码可能与莫尔斯密码类似，通过排列组合来储存遗传信息。(2)1954年科普作家伽莫夫用数学的方法推断3个碱基编码一个氨基酸。(3）1957年Brenner.S发表文章,在理论上否定了遗传密码重叠阅读的可能性.(4)1961年克里克第一个用T4噬菌体实验证明了遗传密码中3个碱基编码一个氨基酸。(5）1961年尼伦伯格和马太利用无细胞系统进行体外重组破译了第一个遗传密码.（6）1969年科学家们破译了全部的密码。3．克里克与遗传密码表当DNA分子双螺旋结构公诸于世后，人们认识到四种碱基的排列方式包含极大的信息量。如果是一个由100个脱氧核苷酸组成的DNA，那么它所包含的最大信息量将达到4100，这个数字比太阳系所有原子总数还要大1000倍，因此引起科学家极大兴趣,都想来破译遗传密码.人们经推理很明显地看出是4个碱基的排列决定蛋白质中20个氨基酸的排列，为满足20这个数，4的全排列只能是43＝64，这可以为编码20种氨基酸提供足够的信息。三联体密码方案初步建立起来，即mRNA分子中相邻的三个碱基称为三联体,它能决定多肽中的一个氨基酸，所以又把mRNA的三联体称为密码子。克里克认为不仅存在一个三联体密码字典,可能还有起始密码、终止密码和同义密码。在克里克及众多科学家的不懈努力下，1966年遗传密码全部被破译出来:①所有遗传密码都是由三个连续的核苷酸组成；②许多氨基酸的密码