高中生物版高中必修2遺傳與進(jìn)化第4章基因的表達(dá)版高中生物必修2第四章第3

第四章基因的表達(dá)第3節(jié)遺傳密碼的破譯（選學(xué)）一．三維目標(biāo)1.知識(shí)與技能（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，包括伽莫夫的三聯(lián)體推斷，克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，尼倫伯格和馬太的蛋白質(zhì)的體外合成實(shí)驗(yàn)。2.過(guò)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(jià)值觀（1）對(duì)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(duì)生物學(xué)發(fā)展的重要意義。二．教學(xué)重點(diǎn)遺傳密碼的破譯過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生感受這種思維過(guò)程并產(chǎn)生與科學(xué)家的思維共鳴。三．教學(xué)難點(diǎn)1.克里克的T4噬菌體實(shí)驗(yàn)。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)。四．教具準(zhǔn)備多媒體演示課件五．課時(shí)安排1課時(shí)六．教學(xué)過(guò)程［情境創(chuàng)設(shè)］請(qǐng)根據(jù)莫爾斯電碼表，將書本中問(wèn)題探討中的那段電文譯成英文。（學(xué)生：翻譯后是：wherearegeneslocated）你能用莫爾斯電碼來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題嗎？（學(xué)生：—··/—·/·基因位于DNA上）很好，我們通過(guò)莫爾斯電碼大致體驗(yàn)了“翻譯”的過(guò)程，無(wú)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(lái)被確認(rèn)的蛋白質(zhì)的合成過(guò)程中也正是有類似這樣的密碼子。現(xiàn)在大家已經(jīng)十分清楚了這些遺傳密碼，而當(dāng)時(shí)是經(jīng)過(guò)許多科學(xué)家艱辛的思考和探索，最后被幾個(gè)年輕人的富有創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)才破譯的，這個(gè)過(guò)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(xué)史，追尋科學(xué)家探索的足跡，對(duì)我們的思維會(huì)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(xué)的排列組合的方法在理論上作出推測(cè)的3個(gè)堿基編碼一種氨基酸，后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一推測(cè)是完全正確的。接下來(lái)，人們不禁又要問(wèn)在三聯(lián)體中的每個(gè)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(huì)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(dāng)圖中的DNA的第三個(gè)堿基T發(fā)生改變時(shí)，如果密碼子是非重疊的，這一改變將影響多少個(gè)氨基酸？（學(xué)生：將可能影響1個(gè)氨基酸）如果密碼子是重疊的，這一改變又將影響多少個(gè)氨基酸？（學(xué)生：將可能影響3個(gè)氨基酸）當(dāng)圖中的DNA的第三個(gè)堿基T后插入一個(gè)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(gè)氨基酸？（學(xué)生：將會(huì)影響后面所有的氨基酸）如果插入兩個(gè)堿基呢？（學(xué)生：也會(huì)影響后面所有的氨基酸）如果插入3個(gè)堿基呢？（學(xué)生：將會(huì)在原氨基酸序列中多一個(gè)氨基酸）當(dāng)圖中的DNA的第三個(gè)堿基T后插入一個(gè)堿基A的話，如果密碼子是重疊的，這一改變將影響多少個(gè)氨基酸？插入2個(gè)、3個(gè)氨基酸呢？（學(xué)生：如果插入1個(gè)堿基，影響3個(gè)氨基酸，多肽比原正常多肽多1個(gè)氨基酸）（學(xué)生：如果插入2個(gè)堿基，影響4個(gè)氨基酸，多肽比原正常多肽多2個(gè)氨基酸）（學(xué)生：如果插入3個(gè)堿基，影響5個(gè)氨基酸，多肽比原正常多肽多3個(gè)氨基酸）2.遺傳密碼子的驗(yàn)證（克里克的實(shí)驗(yàn)）三聯(lián)密碼是否真實(shí)存在呢？如果真實(shí)存在，那么共有64個(gè)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(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，有力地證實(shí)了三聯(lián)密碼的真實(shí)性。通過(guò)這樣的方法他們發(fā)現(xiàn)加入或減少一個(gè)和兩個(gè)堿基都會(huì)引起噬菌體突變，無(wú)法產(chǎn)生正常功能的蛋白，而加入或減少3個(gè)堿基時(shí)卻可以合成正常功能的蛋白質(zhì)，為什么會(huì)這樣呢？我們結(jié)合課本P74上的有關(guān)句子中插入英語(yǔ)字母對(duì)語(yǔ)句產(chǎn)生的變化來(lái)理解，進(jìn)行類比分析?？死锟擞脤?shí)驗(yàn)的結(jié)果證明每個(gè)密碼的確是由3個(gè)堿基組成的。克里克對(duì)遺傳密碼提出了幾個(gè)特點(diǎn)：（1）3個(gè)堿基一組，編碼一個(gè)氨基酸。（2）密碼是不重疊的。（3）堿基的順序是從固定起點(diǎn)解讀的。3.遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)那如何找出64種密碼子到底對(duì)應(yīng)哪種氨基酸呢？美國(guó)青年科學(xué)家尼倫伯格在讀到第一篇發(fā)現(xiàn)mRNA的報(bào)道之后，就決定計(jì)劃建立一種無(wú)細(xì)胞反應(yīng)系統(tǒng)，來(lái)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(shù)：（1）去模板：用DNA酶處理細(xì)胞抽提物，使DNA降解，除去原有的細(xì)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(gè)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(lái)殘留的mRNA也很快會(huì)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(lái)說(shuō)若加入任何外源mRNA就可以按新的信息合成蛋白質(zhì)。當(dāng)他們把人工合成的RNA多聚尿嘧啶核苷酸，加入這種無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中代替天然的mRNA時(shí)，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(jié)果不僅證實(shí)了無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)的成功，同時(shí)還表明UUU是苯丙氨酸的密碼子。這是第一個(gè)遺傳密碼子被破譯。尼倫伯格的實(shí)驗(yàn)巧妙之處在于利用無(wú)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(shí)驗(yàn)方法為他帶來(lái)了重大的成功！請(qǐng)問(wèn)為什么要去除細(xì)胞提取液中的DNA和mRNA？（學(xué)生：防止細(xì)胞原有的DNA和mRNA中的遺傳信息起作用干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果）如果你是尼倫伯格，你將如何設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，確保你的重大發(fā)現(xiàn)是正確的？（學(xué)生：在對(duì)照實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)做到這里，你能想到其他的密碼如何破譯嗎？（學(xué)生：加入不同的人工合成的多聚核苷酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）很好，尼倫伯格也用同樣的方法分別加入polyA、polyC和polyG結(jié)果相應(yīng)地獲得了多聚賴氨