第3節(jié)遺傳密碼的破譯(選學(xué))保靖民族中學(xué)劉智eq\o(\s\up7(),\s\do5(整體設(shè)計(jì)))教材分析本課內(nèi)容屬于選學(xué)，由教師根據(jù)實(shí)際的教學(xué)進(jìn)度等情況進(jìn)行自主安排。本節(jié)課主要闡述了遺傳密碼破譯的過(guò)程，是對(duì)本章第一節(jié)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”的一個(gè)非常重要的補(bǔ)充。第一節(jié)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”中雖然學(xué)習(xí)了遺傳密碼，但是，學(xué)生并不了解遺傳密碼到底是怎樣被破譯的，破譯的過(guò)程和方法學(xué)生都不清楚，所以，學(xué)生通過(guò)本節(jié)課內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以深刻地感受到破譯過(guò)程的艱辛，并使學(xué)生通過(guò)這一研究過(guò)程學(xué)習(xí)其中蘊(yùn)涵的科學(xué)研究方法——類比的研究方法。在理解遺傳密碼的閱讀方式時(shí)，有非重疊的閱讀方式和重疊的閱讀方式，到底是哪一種，我們是利用不同的閱讀方式來(lái)閱讀同一段DNA的堿基序列，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，最后證明遺傳密碼從一個(gè)固定的起點(diǎn)開(kāi)始，以非重疊的方式閱讀，編碼之間沒(méi)有分隔符。在學(xué)習(xí)“遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則”的時(shí)候，通過(guò)重現(xiàn)尼倫伯格和馬太的實(shí)驗(yàn)，分析研究不同的氨基酸到底是由怎樣的遺傳密碼來(lái)進(jìn)行編碼的，最終破譯了第一個(gè)遺傳密碼，即苯丙氨酸對(duì)應(yīng)的密碼子應(yīng)該是UUU。后來(lái)，科學(xué)家沿著尼倫伯格和馬太的蛋白質(zhì)體外合成的思路，不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，終于破譯出了全部的遺傳密碼，并在此基礎(chǔ)上編制出了密碼子表。通過(guò)本課內(nèi)容的學(xué)習(xí)，我們不僅要讓學(xué)生掌握關(guān)于密碼子的知識(shí)，知道密碼子對(duì)應(yīng)規(guī)則發(fā)現(xiàn)的歷程，更要讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家們?cè)谔剿鬟^(guò)程中的精神，以及科學(xué)的探索方法，做到學(xué)以致用，這才是我們真正要讓學(xué)生理解和掌握的。三維目標(biāo)1．說(shuō)出遺傳密碼的閱讀方式。2．說(shuō)出遺傳密碼的破譯過(guò)程。3．理解類比的研究方法。4．能夠運(yùn)用證據(jù)和邏輯分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論。內(nèi)容提要教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1．遺傳密碼的破譯過(guò)程。2．尼倫伯格和馬太設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗(yàn)。課時(shí)安排1課時(shí)課前準(zhǔn)備1．教學(xué)過(guò)程中配套的學(xué)案2．蛋白質(zhì)體外合成的實(shí)驗(yàn)示意圖eq\o(\s\up7(),\s\do5(教學(xué)過(guò)程))導(dǎo)入新課1．情境導(dǎo)入莫爾斯密碼，是由美國(guó)畫(huà)家和電報(bào)發(fā)明人莫爾斯先生于1838年發(fā)明的一套由“點(diǎn)”和“劃”構(gòu)成的系統(tǒng)，通過(guò)“點(diǎn)”和“劃”間隔的不同排列順序來(lái)表達(dá)不同的英文字母、數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。我們一起來(lái)看課本上的“問(wèn)題探討”，發(fā)現(xiàn)，要破譯用莫爾斯密碼編寫(xiě)的問(wèn)題并把它譯成英文，必須要根據(jù)教材中提供的莫爾斯密碼表才行，這和我們的遺傳密碼編碼氨基酸有著非常相似的地方。2．復(fù)習(xí)導(dǎo)入我們?cè)趯W(xué)習(xí)第1節(jié)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”的時(shí)候，知道氨基酸是由密碼子來(lái)進(jìn)行編碼的，而所謂的密碼子，就是信使RNA上3個(gè)相鄰的堿基。為什么密碼子是信使RNA上3個(gè)相鄰的堿基呢？它是怎樣被發(fā)現(xiàn)的呢？又是怎樣被驗(yàn)證的呢？今天，我們就來(lái)一起研究這個(gè)問(wèn)題。推進(jìn)新課學(xué)習(xí)目標(biāo)一：遺傳密碼的閱讀方式[方法引導(dǎo)]我們?cè)诶媚獱査姑艽a表來(lái)寫(xiě)出問(wèn)題的時(shí)候，其中每個(gè)密碼子之間都是用斜線分隔開(kāi)的，閱讀的時(shí)候只要逐個(gè)翻譯密碼就可以了。假如我們的遺傳密碼也可以用這種方法的話，那么，3個(gè)堿基決定1個(gè)氨基酸，只需要以3個(gè)堿基為1個(gè)閱讀單位，依次閱讀。但是，從理論上來(lái)說(shuō)，還有一種閱讀方式是重疊的閱讀方式?？茖W(xué)家為什么要研究遺傳密碼的閱讀方式呢？因?yàn)?，即使是同一個(gè)堿基序列，不同的閱讀方式解讀出來(lái)的含義是完全不同的，所以要正確地理解遺傳密碼的含義，就必須掌握遺傳密碼的閱讀方式。現(xiàn)在，我們來(lái)看這樣的例子。思考：請(qǐng)同學(xué)們按照不同的遺傳密碼的閱讀方式來(lái)閱讀下列堿基序列，看看結(jié)果有何區(qū)別？堿基序列：GGTTCGCACGCT學(xué)生討論回答。點(diǎn)撥：以非重疊的閱讀方式進(jìn)行閱讀，是按照GGT、TCG、CAC、GCT進(jìn)行的，如果是按照重疊的閱讀方式進(jìn)行閱讀，是按照GGT、GTT、TTC、TCG、CGC、GCA、CAC、ACG、CGC、GCT進(jìn)行的，我們發(fā)現(xiàn)，兩種不同的閱讀方式，“閱讀”出來(lái)的氨基酸的種類和數(shù)目都是不一樣的。所以，要正確地理解遺傳密碼的含義，就必須掌握遺傳密碼的閱讀方式。再思考：假如在上面的堿基序列中的第3個(gè)堿基后面，再插入一個(gè)堿基(例如A)，按照兩種不同的閱讀方式，結(jié)果有何異同？如果插入3個(gè)堿基呢？學(xué)生討論回答。點(diǎn)撥：按照非重疊的閱讀方式進(jìn)行閱讀，除了前3個(gè)堿基決定的氨基酸不變外，后面的都要發(fā)生改變。假如是按照重疊的方式進(jìn)行閱讀，除了決定的第一個(gè)氨基酸不變外，后面的所有被決定的氨基酸都會(huì)發(fā)生改變。如果插入3個(gè)堿基，按照非重疊的方式進(jìn)行閱讀，在決定的第二個(gè)氨基酸后面會(huì)插入一個(gè)新的氨基酸，后面被決定的氨基酸都不發(fā)生改變。假如按照重疊的方式進(jìn)行閱讀，第一個(gè)氨基酸不發(fā)生改變，后面會(huì)插入5個(gè)新的氨基酸，其后又不發(fā)生改變。學(xué)習(xí)目標(biāo)二：克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)[合作探究]遺傳密碼的閱讀到底是非重疊的閱讀方式呢，還是以重疊的方式閱讀的呢？遺傳密碼真的是以3個(gè)堿基為一組的嗎？我們提出的這些疑問(wèn)，僅僅靠理論推導(dǎo)是不行的，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得第一手資料作為證據(jù)，才有充分的說(shuō)服力，才能得到人們的認(rèn)可?？茖W(xué)家克里克和他的同事們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)工作，于1961年找到了讓我們疑惑了很久的答案?，F(xiàn)在，讓我來(lái)重現(xiàn)科學(xué)家克里克和他的同事們所做的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)：以T4噬菌體為實(shí)驗(yàn)材料，在相關(guān)堿基序列中增加或者刪除一個(gè)堿基，無(wú)法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；增加或者刪除兩個(gè)堿基，也不能產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)；但是，當(dāng)增加或者刪除三個(gè)堿基時(shí)，卻合成了具有正常功能的蛋白質(zhì)。思考：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢？類比分析：參照教材中的例子，句中的每個(gè)單詞都由3個(gè)字母組成，7個(gè)單詞連成一句。當(dāng)?shù)?個(gè)單詞中插入字母R，仍然按照3個(gè)字母組成一個(gè)單詞的閱讀方式閱讀，從插入處開(kāi)始的所有單詞都被改變。若第3和第4個(gè)單詞中分別插入字母R，從插入處開(kāi)始的所有單詞都被改變。當(dāng)?shù)?、4、5個(gè)單詞中都插入1個(gè)字母時(shí)，除了插入處的單詞外，其他部分的單詞都沒(méi)有改變。學(xué)生討論。點(diǎn)撥：氨基酸是由信使RNA上3個(gè)相鄰的堿基形成的密碼子來(lái)決定的。實(shí)驗(yàn)可以證明：遺傳密碼從一個(gè)固定的起點(diǎn)開(kāi)始，以非重疊的方式閱讀，編碼之間沒(méi)有分隔符。學(xué)習(xí)目標(biāo)三：遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)1．遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)[方法引導(dǎo)]通過(guò)科學(xué)家克里克和他的同事們所做的實(shí)驗(yàn)，我們可以得出遺傳密碼的總體特征，但是，我們并不能夠說(shuō)明3個(gè)堿基對(duì)應(yīng)的是哪一個(gè)氨基酸。同樣的，我們必須借助實(shí)驗(yàn)來(lái)破譯由3個(gè)堿基排列成的1個(gè)密碼子對(duì)應(yīng)的氨基酸到底是哪一種。就在科學(xué)家克里克和他的同事們完成他們的實(shí)驗(yàn)的同一年，有兩個(gè)年輕人做了個(gè)實(shí)驗(yàn)，破譯了第一個(gè)密碼，這兩個(gè)年輕人是尼倫伯格和馬太。讓我們一起來(lái)看他們的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)：這是一個(gè)蛋白質(zhì)在體外合成的技術(shù)。他們?cè)诿恐г嚬苤蟹謩e加入一種氨基酸，再加入除去了DNA和mRNA的細(xì)胞提取液，以及人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，結(jié)果，加入了苯丙氨酸的試管中出現(xiàn)了多聚苯丙氨酸的肽鏈。思考：(1)為什么要除去細(xì)胞提取液的DNA和mRNA?(2)如果你是尼倫伯格或者馬太，你將如何設(shè)計(jì)對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，確保你的重大發(fā)現(xiàn)得到同行的認(rèn)可？(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了什么？學(xué)生討論回答。點(diǎn)撥：(1)假如不除去細(xì)胞提取液的DNA和mRNA，那么，細(xì)胞中原有的mRNA會(huì)作為合成蛋白質(zhì)的模板干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，細(xì)胞中原有的DNA可能作為mRNA合成的模板，而新合成的mRNA也會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此需要除去細(xì)胞提取液中的DNA和mRNA。(2)作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)的試管中，所有成分都與實(shí)驗(yàn)組的試管相同，但是不加入多聚尿嘧啶核苷酸。(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：多聚尿嘧啶核苷酸導(dǎo)致了多聚苯丙氨酸的合成，而多聚尿嘧啶核苷酸的堿基序列是由許多個(gè)尿嘧啶組成的(UUU……)，可見(jiàn)尿嘧啶的堿基序列編碼由苯丙氨酸組成的肽鏈。結(jié)合克里克得出的3個(gè)堿基決定1個(gè)氨基酸的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，與苯丙氨酸對(duì)應(yīng)的密碼子應(yīng)該是UUU。注意：教材中安排的蛋白質(zhì)體外合成的實(shí)驗(yàn)示意圖，旨在幫助學(xué)生進(jìn)行理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，因此，作為示意圖，課本上只展示了4種氨基酸。其實(shí)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試的是組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸。在這20種氨基酸中，只有加入了苯丙氨酸的試管才出現(xiàn)了多聚苯丙氨酸組成的肽鏈。2．對(duì)比克里克和尼倫伯格的實(shí)驗(yàn)克里克的T4噬菌體實(shí)驗(yàn)?zāi)醾惒耋w外蛋白質(zhì)合成實(shí)驗(yàn)主要思路前提找到使DNA脫落或插入單個(gè)堿基的方法——原黃素處理多核苷酸磷酸化酶的發(fā)現(xiàn)，為得到polyU提供條件優(yōu)勢(shì)不需要理解蛋白質(zhì)合成過(guò)程，就能作出推斷密碼子的總體特征快速，直接不足證據(jù)相對(duì)間接，工作量較大需要首先了解細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成所需的條件課堂小結(jié)克里克用實(shí)驗(yàn)證明了遺傳密碼中的3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸，而且，遺傳密碼從一個(gè)固定的起點(diǎn)開(kāi)始，以非重疊的方式閱讀，編碼之間沒(méi)有分隔符。尼倫伯格和馬太又破譯了第一個(gè)遺傳密碼，此后，科學(xué)家又相繼破譯出了全部的遺傳密碼。eq\o(\s\up7(),\s\do5(板書(shū)設(shè)計(jì)))第3節(jié)遺傳密碼的破譯一、遺傳密碼的閱讀方式二、克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)遺傳密碼從一個(gè)固定的起點(diǎn)開(kāi)始，以非重疊的方式閱讀，編碼之間沒(méi)有分隔符三、遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)教學(xué)反思本節(jié)課的內(nèi)容雖然不是很多，但是具體內(nèi)容比較抽象，比如說(shuō)遺傳密碼的閱讀方式，到底是非重疊的閱讀方式，還是重疊的閱讀方式，用實(shí)實(shí)在在的DNA堿基序列去探討就顯得容易得多，這樣，學(xué)生也非常容易理解并且接受。另外，“克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)”這部分內(nèi)容也并不容易理解，在這里，我們就可以運(yùn)用類比的方法，對(duì)實(shí)例進(jìn)行分析，再對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，讓學(xué)生真正理解這部分內(nèi)容到底闡述了些什么，以此來(lái)幫助學(xué)生理解。在處理“遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)”這部分內(nèi)容時(shí)，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較輕松，學(xué)生也能夠理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明的問(wèn)題。同時(shí)，學(xué)生對(duì)科學(xué)的探索也有了新的認(rèn)識(shí)。課后延伸1．生活中的生物學(xué)隨著DNA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制的秘密一點(diǎn)一點(diǎn)呈現(xiàn)在人們眼前，特別是當(dāng)人們了解到遺傳密碼是由RNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)的以后，生物學(xué)家不再僅僅滿足于探索、提示生物遺傳的秘密，而是開(kāi)始躍躍欲試，設(shè)想在分子的水平上去干預(yù)生物的遺傳特性。如果將一種生物的DNA中的某個(gè)遺傳密碼片段連接到另外一種生物的DNA鏈上去，將DNA重新組織一下，就可以按照人類的愿望，設(shè)計(jì)出新的遺傳物質(zhì)并創(chuàng)造出新的生物類型，這與過(guò)去培育生物繁殖后代的傳統(tǒng)做法完全不同。這種做法就像技術(shù)科學(xué)的工程設(shè)計(jì)，按照人類的需要把這種生物的這個(gè)“基因”與那種生物的那個(gè)“基因”重新“施工”，“組裝”成新的基因組合，創(chuàng)造出新的生物。這種完全按照人的意愿，由重新組裝基因到新生物產(chǎn)生的生物科學(xué)技術(shù)，就稱為“基因工程”，或者說(shuō)是“遺傳工程”。2．遺傳密碼破譯的歷程(1)1944年理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的《什么是生命》一書(shū)中就大膽地預(yù)言，遺傳密碼可能與莫爾斯密碼類似，通過(guò)排列組合來(lái)儲(chǔ)存遺傳信息。(2)1954年科普作家伽莫夫用數(shù)學(xué)的方法推斷3個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸。(3)1957年發(fā)表文章，在理論上否定了遺傳密碼重疊閱讀的可能性。(4)1961年克里克第一個(gè)用T4噬菌體實(shí)驗(yàn)證明了遺傳密碼中3個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸。(5)1961年尼倫伯格和馬太利用無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行體外重組破譯了第一個(gè)遺傳密碼。(6)1969年科學(xué)家們破譯了全部的密碼。3．克里克與遺傳密碼表當(dāng)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)公諸于世后，人們認(rèn)識(shí)到四種堿基的排列方式包含極大的信息量。如果是一個(gè)由100個(gè)脫氧核苷酸組成的DNA，那么它所包含的最大信息量將達(dá)到4100，這個(gè)數(shù)字比太陽(yáng)系所有原子總數(shù)還要大1000倍，因此引起科學(xué)家極大興趣，都想來(lái)破譯遺傳密碼。人們經(jīng)推理很明顯地看出是4個(gè)堿基的排列決定蛋白質(zhì)中20個(gè)氨基酸的排列，為滿足20這個(gè)數(shù)，4的全排列只能是43＝64，這可以為編碼20種氨基酸提供足夠的信息。三聯(lián)體密碼方案初步建立起來(lái)，即mRNA分子中相鄰的三個(gè)堿基稱為三聯(lián)體，它能決定多肽中的一個(gè)氨基酸，所以又把mRNA的三聯(lián)體稱為密碼子?？死锟苏J(rèn)為不僅存在一個(gè)三聯(lián)體密碼字典，可能還有起始密碼、終止密碼和同義密碼。在克里克及眾多科學(xué)家的不懈努力下，1966年遺傳密碼全部被破譯出來(lái)：①所有遺傳密碼都是由三個(gè)連續(xù)的核苷酸組成；②許多氨基酸的密碼