1、破譯高教篇一：3 遺傳密碼的破譯 教學(xué)設(shè)計 教案教學(xué)準(zhǔn)備1.教學(xué)目標(biāo)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(xué)家的思維歷程。（2）類比的學(xué)習(xí)方法。3.情感態(tài)度與價值觀（1）對科學(xué)家那種敏銳、大膽、睿智和創(chuàng)新的精神還有那種巧妙的構(gòu)思表 達(dá)敬佩。（2）認(rèn)同遺傳密碼的破譯對生物學(xué)發(fā)展的重要意義。2.教學(xué)重點/難點教學(xué)重點遺傳密碼的破譯過程導(dǎo)學(xué)生感受這種思維過程并產(chǎn)生與科學(xué)家的思維共 鳴。 教學(xué)難點1.克里克的 T4 噬菌體實驗。2.尼倫伯格和馬太設(shè)計的蛋

2、白質(zhì)體外合成實驗。3.教學(xué)用具多媒體4.標(biāo)簽生物,教案教學(xué)過程情境創(chuàng)設(shè)在第 1 節(jié)我們學(xué)習(xí)了有關(guān)基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程們知道了核酸中的 堿基序列就是遺傳信息，翻譯實際上就是將 中的堿基序列翻譯為蛋白質(zhì)的1氨基酸序列，那堿基序列與氨基酸序列是如何對應(yīng)的呢？就是通過密碼子呈 現(xiàn)密碼子表）現(xiàn)在大家已經(jīng)十分清楚了這些遺傳密碼當(dāng)時是經(jīng)過許多科學(xué)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？讓我們重新重溫一下這段科學(xué)史， 追尋科學(xué)家探索的足跡，對我們的思維會有好的啟迪作用的。師生互動1.研究背景在孟德爾遺傳規(guī)律于 年被再次證實之后

3、，許多科學(xué)家投入到遺傳問題 的研究上來，試圖揭示基因的本質(zhì)和作用原理。1941 年比德爾（G.Beadle）和塔特姆E.Tatum的工作則強(qiáng)有力地證明了 基因突變引起了酶的改變而且每一種基因一定控制著一種特定酶的合成從而 提出了一個基因一種酶的假說。人們逐步地認(rèn)識到基因和蛋白質(zhì)的關(guān)系。 “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 DNARNA蛋白質(zhì) 和蛋白質(zhì)之間究竟是什么關(guān)系？或者說 是如何決 定蛋白質(zhì)？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。1944 年，理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的什么是生命一書中就大膽地預(yù)言， 染色體是由一些同分異構(gòu)的單

4、體分子連續(xù)所組成種連續(xù)體的精確性組成了遺 傳密碼。他認(rèn)為同分異構(gòu)單體可能作為一般民用的莫爾斯電碼的兩個符號： “”“”，通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，是由美國畫家和電報發(fā)明人莫爾斯于 1838 年發(fā)明的一套有 “點”和“劃”構(gòu)成的系統(tǒng)過“點”和“劃”間隔的不同排列順序來表達(dá)不 同的英文字母、數(shù)字和標(biāo)點符號。 1844 年在美國國會的財政支持下，莫爾斯開 設(shè)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， 年，在歐洲國家有關(guān)方面的支持下，莫爾斯碼經(jīng)過簡化，以 后就一直成為國際通用標(biāo)準(zhǔn)通信電碼電報的發(fā)明莫爾斯碼的使

5、用改變了人類 社會的面貌隨著社會的進(jìn)步科學(xué)的發(fā)展有更先進(jìn)的通信方式在等待著我們2使用但電報“莫爾斯”碼通信在業(yè)余無線電中占有重要的地位國際電信聯(lián)盟 制定的“無線電規(guī)則”中明確指出任何人請求領(lǐng)取使用業(yè)余電臺設(shè)備執(zhí)照都 應(yīng)該證明其能夠準(zhǔn)確地用手發(fā)和用耳接收“莫爾斯”電碼信號組成的電文然 今天計算機(jī)技術(shù)給自動或半自動收發(fā)電報創(chuàng)造了條件，但每一位真正的愛好者仍必須并且也可以通過自我訓(xùn)練掌握人工收發(fā)報技術(shù)爾斯電碼本身 并無機(jī)密可言，它僅僅只是一種工具。：短音念作“滴（）”：長音念作“答（）”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(xué)生：翻譯后是： are genes located

6、）你能用莫爾斯電碼來回答這個問題嗎？（學(xué)生：/基因位于 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我們知道后來被確認(rèn)的蛋白質(zhì) 的合成過程中也正是有類似這樣的密碼子。而當(dāng)時遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是尚未明確的年后 雙螺旋模型才得以建 立在這樣的背景下能將遺傳信息設(shè)想成一種電碼式的遺傳密碼形式實在是一 種超越時代的遠(yuǎn)見卓識。到 1953 年雙螺旋模型的建立，給予科學(xué)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般的思路就是比較編碼的信息即密碼和相應(yīng)的 譯文。對于遺傳密碼來說最簡單的破譯方法應(yīng)是將 序或 順序

7、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(zhì)的順序是已知 的，未知的都是密碼1954 年 Sanger 用紙層析分析了胰島素的結(jié)構(gòu)后，對蛋白 質(zhì)的氨基酸序列了解得越來越多。但是直到 年前后經(jīng)歷了十年時間，多位 科學(xué)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(xué)的智慧之光。2.遺傳密碼的試拼與閱讀方式的探索1954 年科普作家伽莫夫 G.Gamor 對破譯密碼首先提出了挑戰(zhàn)以著奇 異王國的湯姆金斯等優(yōu)秀的科學(xué)幻想作品而著稱具有豐富的想象力但他不3是一位實驗科學(xué)家，所以只能從理論上來嘗試密碼的解讀。當(dāng)年，他在自然 Nature雜志首次發(fā)表了遺傳密碼

8、的理論研究的文章，指出“氨基酸正好 DNA 的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)入各自的洞穴”。他設(shè)想：若一種堿基與一種氨基酸對應(yīng)的話那么只可能產(chǎn)生 4 種氨基酸而已知天 然的氨基酸約有 20 種，因此不可由一個堿基編碼一種氨基酸。若 2 個堿基編碼一種氨基酸的話， 種堿基共有 42=16 種不同的排列組合， 也不足以編碼 20 種氨基酸。因此他認(rèn)為 3 個堿基編碼一種氨基酸的就可以解決問題然 個堿基組成 三聯(lián)密碼排列組合可產(chǎn)生 43=64 種不同形式比 20 種氨基酸大兩倍多。 但 若是四聯(lián)密碼，就會產(chǎn)生 44=256 種排列組合。相比之下只有三聯(lián)體（）較為符合 20 種氨基酸。伽莫夫是用數(shù)學(xué)的排列組合的方法在理論

9、上作出推測的來的實驗證實這 一推測是完全正確的。接下來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(fù) 閱讀呢？以重疊和非重疊方式閱讀 DNA 序列會有什么不同呢？呈現(xiàn)圖片（課本 P74“以重疊和非重疊方式閱讀 DNA 序列”思考：當(dāng)圖中的 DNA 的第三個堿基 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(xué)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(xué)生：將可能影響 3 個氨基酸）當(dāng)圖中的 DNA 的第三個堿基 后插入一個堿基 A 的話果密碼子是非重疊 的，這一改變將影響多少個氨基酸？（學(xué)生：將會影響后面所有的氨基酸）如果插入兩

10、個堿基呢？（學(xué)生：也會影響后面所有的氨基酸）如果插入 3 個堿基呢？（學(xué)生：將會在原氨基酸序列中多一個氨基酸）當(dāng)圖中的 DNA 的第三個堿 T 插入一個堿基 A 的話密碼子是重疊的，4這一改變將影響多少個氨基酸？插入 2 個、 個氨基酸呢？（學(xué)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 個氨 基酸）（學(xué)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 個氨 基酸）（學(xué)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 個氨 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認(rèn)為一個堿基可能被重復(fù)讀多次也就是 說遺傳密碼的閱讀是

11、完全重疊的此氨基酸數(shù)目和核苷酸數(shù)目存在著一對一的 關(guān)系。這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距 （0.36 nm）之間顯示了明顯的相關(guān)性。若真如此重疊密碼對多肽鏈上氨基酸的序列就形成了一種限制例如具 有完全重疊密碼的密碼子 ATC，后面接著的密碼子一定是 開頭，那么相應(yīng)的 氨基酸的順序也會受到限制再者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 個重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)表了一篇令人興奮的理論文章，他通過蛋白質(zhì)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從而否定了遺傳密碼重疊閱讀 的可能性同時人們也發(fā)現(xiàn)

12、在鐮刀型細(xì)胞貧血的例子中血紅蛋白中僅有一個氨 基酸發(fā)生改變。說明伽莫夫的后一推論是錯誤的。這就是智者千慮，必有一失。 很多著名的科學(xué)家也有過類似的失誤在資料較少的情況下對未知的真理作出 推斷，難免會發(fā)生偏差，但瑕不掩瑜，人們對他們的那種敏銳、大膽、睿智和創(chuàng) 新的精神，巧妙的構(gòu)思仍敬佩不已。3.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 個密碼子，而氨基 酸只有 20 種，那么多余的 44 種有何用處呢？1957 年克里 Crick 等為了解釋這個問題提出了一個設(shè)想先認(rèn)為 AAA， GGG，CCC，TTT 這四個三聯(lián)體分別由相同的堿基構(gòu)成，解讀的起始位置有可能

13、 發(fā)生差錯，因此可能是“無義”密碼子。這樣余下的只有 個密碼子。接著他5們又設(shè)想，例如 和 GCA 若分別編碼氨基酸 a 和 b，若這兩個密碼子連續(xù)排列 成 ATTGCAATT?在起讀時若發(fā)生錯位就會產(chǎn)生 ，TGC，CAA 和 AAT 篇二：5.破譯高手王家莊街道邢戈幼兒園教師備 課 卡篇三：3 遺傳密碼的破譯 教學(xué)設(shè)計 教案教學(xué)準(zhǔn)備1.教學(xué)目標(biāo)遺傳密碼子的破譯2.教學(xué)重點/難點1.教學(xué)重點：三個堿基決定一個氨基酸這一結(jié)論的探索過程。2.教學(xué)難點：重疊閱讀方式和非重疊閱讀方式3.教學(xué)用具教學(xué)課件4.標(biāo)簽教學(xué)過程一、課程的導(dǎo)入通過給同學(xué)幾分鐘時間讓學(xué)生對應(yīng)左圖的莫爾斯密碼表將書上給的那一段 密碼

14、文字翻譯出來然后問“學(xué)生如果沒有這個密碼表他們能譯出來嗎？再問 那么密碼表重要嗎？” “同學(xué)們那你們知道我們身體里也藏有一個密碼表嗎？ 知道它是什么嗎？了解它嗎？好節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)這個我們身體里的密碼子 -遺傳密碼子”二、新課的展開我們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 中的 堿基序列翻譯為蛋白質(zhì)的氨基酸序列么堿基序列與氨基酸序列是如何對應(yīng)的 呢？ “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 DNARNA蛋白質(zhì)。那 DNA 和蛋白質(zhì)之間究竟是什么關(guān)系？或者說 DNA 是 如何決定蛋白質(zhì)？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

15、興趣。 1954 年科普作家伽莫夫 G.Gamor 破譯密碼首先提出了挑戰(zhàn)。6當(dāng)年，他在自然 Nature雜志首次發(fā)表了遺傳密碼的理論研究的文章，指出 三個堿基編碼一個氨基酸。（一）遺傳密碼子的閱讀方式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(fù)閱讀 呢？以重疊和非重疊當(dāng)圖中 DNA 的第三個堿基T)發(fā)生改變時,如果密碼是非重疊的,這一改變將 影響 1 個氨基酸,如果是重疊的又將影響 3 個氨基酸。當(dāng)圖中 DNA 第三個堿基(T)后插入一個堿基 A,如果密碼是非重疊的,這一 改變將影響 3 個氨基酸,如果密碼是重疊的,將影響 3 個氨基酸。（二）遺傳密碼子的驗證（克里克的實驗）1

16、961 年,克里克對 T4 噬菌體 DNA 上的一個基因進(jìn)行處理，使 DNA 增加或減 少堿基。 通過這樣的方法他們發(fā)現(xiàn)加入或減少 個和 2 個堿基都會引起噬菌體 突變無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)而加入或減少 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？這只能解釋為：遺傳密碼中 個堿基編碼 1 個氨基酸。 請比較分析下圖:插入 3 個堿基對原有氨基酸序列影響最小.克里克是第一個用實驗證明遺傳密碼中 3 個堿基編碼 1 個氨基酸的科學(xué)家。 這個實驗還同時表明 :遺傳碼從一個固定的起點開始 ,以非重疊的方式閱讀,編 碼之間沒有分隔符。（三）遺傳密碼對應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)1961-1962 年，尼倫伯

17、格（M.W.Nirenberg，1927）和馬太（H.Matthaei） 的實驗這一結(jié)果不僅證實了無細(xì)胞系統(tǒng)的成功時還表明 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(xì)胞 系統(tǒng)進(jìn)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！在接下來的六七年里科學(xué)家沿著體外合成蛋白質(zhì)的思路不斷地改進(jìn)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(xué)史上 的一個偉大的里程碑為人類探索和提示生命的本質(zhì)的研究向前邁進(jìn)一大步為7后面分子遺傳生物學(xué)的發(fā)展有著重要的推動作用。（四）遺傳密碼子的性質(zhì)1、不間斷性mRNA 的三聯(lián)體密碼是連續(xù)排列的，相鄰密

18、碼之間無核苷酸間隔。所以若在 某基因編碼區(qū) (能指導(dǎo)蛋白合成的區(qū)域 )的 DNA 序列或 mRNA 中間插入或刪除 12 個核苷酸,則其后的三聯(lián)體組合方式都會改變不能合成正常的蛋白質(zhì).2、不重疊性對于特定的三聯(lián)體密碼而言其中的每個核苷酸都具有不重疊性例如如果 RNA 分子 UCAGACUGC 的密碼解讀順序為 它不可以同時解讀 為:UCA、CAG、AGA、GAC.不重疊性使密碼解讀簡單而準(zhǔn)確無誤并且,當(dāng)一 個核苷酸被異常核苷酸取代時,不會在肽鏈中影響到多個氨基酸.3、簡并性絕大多數(shù)氨基酸具有 2 個以上不同的密碼子這一現(xiàn)象稱做簡并性編瑪相 同氨基酸的密碼子稱同義密碼子。由于兼并性某些 DNA 堿基變化不會引起相應(yīng) 蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變。4、通用性除線粒體的個別密碼外生物界通用一套遺傳密碼細(xì)菌動物和植物等不 同物種之間， 蛋白質(zhì)合成機(jī)制其 mRNA 都是可以互換的例如真核生物的基 因可以在原核生物中表達(dá)，反之亦然。5、起始碼與終止碼 UAG、UAA、UGA 終止碼，它們不為任何氨基酸編碼， 而代表蛋白質(zhì)翻譯的終止。AUG 是甲硫氨酸的密碼，同時又是起始密碼。課堂小結(jié)我們注意整個破譯過程中科學(xué)家思維的變化莫夫通過數(shù)學(xué)的排列組合的 計算來推測密碼子是由三個堿基組成的，克里克則是巧妙地設(shè)計實驗，使 DNA 增加或減少堿基